生物固定方法修复土壤重金属污染研究

2022-09-12

重金属是一类移动性差、难以降解并具有潜在危害的重要土壤污染物。在金属矿床开发及冶炼、固体废弃物堆积以及为提高农业生产而使用化肥、农药、污泥及污水灌溉等过程中, 导致重金属在土壤中大量积累。由于土壤中重金属主要通过根系进入植物体内, 因此根际环境是植物体抵抗重金属污染的第一道防线, 根系及根际环境成为研究植物对重金属吸收机制的焦点。其中根系分泌物及根际微生物在营造根际物理、化学和生物性质方面具有重要意义, 它对植物吸收重金属的过程具有不可忽视的影响。

1 利用微生物固定重金属

微生物可以转化、钝化和富集重金属, 这一特征可用于减轻土壤中重金属污染物的毒害作用, 减少植物对重金属的吸收。环境中重金属的加入, 对微生物种类、活性产生影响的同时, 微生物也通过自身的生命活动积极地改变着环境中重金属的存在状态。微生物可以通过改变土壤溶液pH、Eh、产生H2S和各种有机物等多种途径来影响重金属的化学行为。研究表明, 一些微生物能够产生胞外聚合物, 其主要成分是多聚糖、糖蛋白、脂多糖等, 这些物质具有大量的阴离子基团, 从而与重金属离子结合, 成为重金属的有效生物吸附剂。某些微生物能够代谢产生柠檬酸、草酸等物质, 这些代谢产物能构与重金属螯和或形成草酸盐等沉淀, 从而降低了土壤溶液中重金属的移动性和生物可利用性。此外, 微生物菌体对重金属的吸附及吸收作用也大大减少了土壤溶液中可迁移的重金属浓度。目前, 运用生物工程等高科技生物技术, 培育能够用于固定重金属的植物和土壤微生物超级工程菌, 并运用于土壤污染治理是目前环境科学、环境工程学、植物生理学、微生物学等研究中最活跃的前沿领域之一。其中包括:

(1) 微生物菌体吸附或吸收土壤重金属的生物固定作用。大多数的微生物细胞壁都具有结合污染物的能力, 这种能力与细胞壁的化学成分和结构有关。有些微生物能够在细胞内累积高浓度重金属。重金属一旦进入细胞, 便在细胞内被隔离分开或被转化成毒性较小的化合物, 这是一个有效的解毒过程。有些专性微生物还能促进重金属参与微生物体组成, 从而促进重金属的微生物吸收, 减少植物摄取, 因此, 向污染土壤中接种专性微生物可以降低重金属毒性。

(2) 微生物对重金属形态间的相互转化的生物固定作用。微生物不能够降解金属离子, 但能够使它们发生形态间的相互转化及分散和富集过程。微生物作用于金属离子以改变它们在环境中的转台, 从而改变它们的毒性。在长期受某种重金属污染的土壤上, 可能生存有很大数量的适应该重金属污染环境并能氧化或还原重金属的微生物类群, 它们对有毒金属离子具有抗性, 可以使金属离子发身转化。对微生物而言, 这是一种很好的解毒作用。

(3) 生物沉淀与土壤重金属生物固定作用。生物沉淀作用是指由微生物产生某些物质, 该物质能够与溶液中的污染物发生化学反应, 形成不溶的化合物的过程.某些硫细菌 (例如脱硫弧菌) 产生H2S与金属反应, 生成不溶于水的硫化物沉淀, 使可溶性的金属从溶液中分离出来。产气克氏杆菌的抗碱金属株能够沉淀Pb、Hg和Cd, 使这些重金属生成不溶性的硫化物颗粒。绿藻的菌体能够使Fe、Cu、Ni、Al和Cd生成不溶性的金属硫化物。当微生物细菌产生某些物质并且分泌到胞外时, 有些物质具有络合金属的能力。它们可以是螯合剂, 例如铁末沉着体或者是能够连接污染物的胞外聚合物。

2 利用植物根分泌物固定土壤中重金属

植物可以通过根分泌物将重金属污染物固定在土壤中, 使它们不能够进入植物体内。根分泌物可以通过改变环境中金属的物理、化学性质, 从而改变金属元素的有效性, 降低溶解态化学污染物在土壤中的流动性, 将污染物稳定在污染土壤中, 防止污染物在土壤中迁移和扩散。其中包括以下三方面:

(1) 根分泌作用下根际pH改变与土壤重金属诗歌不管物固定作用。植物根系对阴阳离子吸收不平衡、根呼吸产生CO2、根系分泌的有机酸以及微生物对根际pH都有一定的影响。根系可以通过多种途径改变根际环境的酸碱度;根系增加或减少H+的分泌;根系通过改变有机酸分泌的质量而改变根际环境的酸碱度等。

(2) 根分泌作用下根际Eh改变与土壤重金属生物固定作用。许多变价金属的溶解度和植物毒性是由其氧化还原状态决定的。还原态铁、锰比其氧化态的溶解度要高。植物根系的氧化能力包括两个完全不同的方面:一是释放的氧扩散到根际, 二是根表非专一性电子传递酶对物质的氧化。水稻一般生长在含有大量Fe2+和Mn2+的渍水土壤上, 为了保证正常生长, 它的根系具备了向根际环境释放氧气和氧化物的能力, 使渍水土壤中大量的Fe2+和Mn2+在水稻根表及质外体被氧化而形成铁锰氧化物胶膜, 从而把根表包被起来, 以防止根系对Fe2+和Mn2+的过度吸收。

(3) 根分泌物作用下根际有机物改变与土壤重金属固定作用。研究表明, 植物对金属离子的吸收与溶液中的离子活度有关。有机螯合物如有机酸、氨基酸、多肽、蛋白质、EDTA、DTPA等可以增加离子的溶解度, 但降低其活度。在培养液中加入EDTA和DTPA等可显著抑制重金属超量积累植物T h l a s p i c a e r u l e s c e n s (C d超积累植物遏蓝菜) 对Cu2+、Mn2+和Zn2+等离子的吸收, 同时刺激了植物对磷的吸收。

根分泌物是植物适应其生态环境的主要物质。根分泌的低相对分子质量有机酸在土壤中重金属离子的可溶性和有效性方面扮演着重要角色。根际游离金属离子如果与从原生质膜中分泌到根际的螯合剂形成稳定的金属螯合物复合体, 其活度就会降低。同时根分泌物可以吸附、包埋金属污染物, 使其在根外沉淀下来。

根分泌的黏胶状物质与Pb2+、Cu2+、Cd2+等金属离子竞争结合, 使它们滞留于根外。