土壤微生物修复综述

土壤污染生物修复 【摘要】随着工业技术不断发达,人们生活水平不断提高的今天,严重的土壤环境污染却成为发展后的代价。所以对于污染的治理的研究成为科研工作者们的主要内容。在土壤治理方面不断革新,传统的治理手段不断淘汰,随着科学技术发展,生物修复技术将大量的被应用到土壤污染修复之中。本文主要概述了生物修复土壤污染的概念及手段。 【关键词】土壤污染,微生物修复,植物修复,重金属,有机化合物。 1 我国土壤污染现状 就目前我国土壤的污染程度来说,在污染的总体趋势上较为严峻。据2014年国家环境保护部和国土资源部联合公布的《全国土壤污染调查公报》显示,全国土壤总的超标率为16.1%,其中耕地土壤点位超标率高达19.4%;在调查的重污染企业用地和工业废弃地点位中,超标率分别高达36.3%和34.9%。我国受到污染的耕地面积达到了0.1亿hm2,受到污染的耕地面积占我国总耕地面积的1/10,可以说污染的程度相当深。其中很多的耕地受到重金属的污染,总面积达到了2000 万hm2,占总耕地面积的1/5。其中工业“三废”污染耕地1000万hm2,污水灌溉农田面积达330多万hm2,1600万hm2耕地受到农药的污染,固体废弃物堆存占地和毁田13.3万hm2,合计占耕地总面积的10%以上。二是土壤污染危害巨大。据估算,全国每年因重金属污染而减产粮食1000多万t,造成的直接经济损失超过200亿元。由土壤污染引发的农产品安全和人体健康事件时有发生,成为影响农业生产、群众健康和社会稳定的重要因素。土壤的生态环境保护与治理已引起人们的普遍关注。 2 生物修复技术 生物修复(Bioremediation)是一项清洁环境的低投资、高效益、便于应用、发展潜力较大的新兴技术,它具有成本低、操作简单、无二次污染、处理效果好且能大面积推广应用等优点,生物修复利用生物(包括植物、微生物和原生动物)的代谢功能,吸收、转化、清除或降解环境污染物,实现环境净化、生态恢复。从参与修复过程的生物类型来划分,生物修复包括微生物修复、植物修复、动物修复和联合修复等,另外还有原位生物修复技术和异位生物修复技术等。生物修复是一种较为理想的污染治理手段。 对于土壤污染生物修复是很好的修复手段,主要是利用生物的自然新陈代谢功能对环境中的各种有害物质的浓度进行有效的降低,使得土壤中的污染物形成自然分解,这样的修复可以使得土壤自然的恢复到原始的状态,而这种修复方式对于土壤的整体结构不会造成损害。针对土壤污染治理来说,传统的修复技术都存在一定的弊端,不能够彻底的将土壤中的有害物质消除,使得二次污染很快的出现,对于土壤结构来说会造成更加严重的破坏。而采用生物修复技术则可以有效的对土壤中的有害物质进行彻底的清除,而且这种技术属于物理修复技术,其中不含有任何的化学成分,这样的修复技术可以有效保持土壤的完整性,不会对土壤中的分子结构造成破坏。而且这种技术的应用也较为简单,并且不需要较高费用的支持,在处理的效果上也较为突出,对环境不会造成负面影响,而且能够有效避免二次污染的出现,可以说这种修复技术在土壤污染治理上具有极大的应用优势。 2.1 微生物修复技术 微生物修复技术就是利用土壤中的土著微生物的代谢功能,或者补充具有降解转化污染物能力的人工培养的功能微生物群,通过创造适宜环境条件,促进或强化微生物代谢功能,从而降解并最终消除污染物的生物修复技术。微生物修复的实质是生物降解或者生物转化,即微生物对有机污染物的分解作用或者对无机污染物的钝化作用。利用微生物修复技术既可治理农药、除草剂、石油、多环芳烃等有机物污染的环境,又可治理重金属等无机物污染的环境;既可使用土著微生物进行自然生物修复,又可通过补充营养盐、电子受体及添加人工培养菌 或基因菌进行人工生物修复;既可进行原位修复,也可进行异位修复。 2.1.1 微生物修复重金属污染土壤 在我国随着工业的发展,农业化肥农药的使用,土壤重金属污染是一个日趋严重的问题。重金属一般是指比重大于5的金属,其中砷由于造成的污染类似,所以也被划分为重金属污染。微生物修复利用微生物(细菌、藻类和酵母等)的生物活性对重金属的亲和吸附、富集作用、氧化还原作用、沉淀和溶解作用等转化为低毒产物,从而降低重金属的污染程度。 微生物对重金属具有吸附和富集作用。微生物中微生物中的阴离子型基团,如-NH2、-SH、PO34-等,可以与带正电的重金属离子通过离子交换、络合、螯合、静电吸附以及共价吸附等作用进行结合,从而实现微生物对重金属离子的吸附。张欣等进行了在镉污染土壤下加入微生物剂(枯草芽孢杆菌光合细菌和乳酸菌)的条件下菠菜的生长情况试验,结果明,施入微生物菌剂后,菠菜植株中的镉含量显著减少,平均下降14.5% 微生物对菠菜镉吸收的降低作用大小依次为枯草芽孢杆菌>光合细菌>乳酸菌。赖洁玲等从铜污染的土壤中分离出一株抗铜细菌,经驯化后,其耐Cu2+水平达500 mg /L,该菌在pH4~8生长良好,最适生长pH为6.0~7.2 该菌株在培养24 h pH 7时,对Cu2+的去除率可以达到76%。某些微生物在新陈代谢的过程中会分泌氧化还原酶,催化重金属离子进行变价发生氧化还原反应,使土壤中某些毒性强的氧化态的金属离子还原为无毒性或低毒性的离子,进而降低重金属污染的危害。比如可以用微生物的氧化还原作用把高毒性的4价Cr还原为低毒性的3价Cr。相反,3价Cr氧化为4价Cr时,流动性和生物利用活性提高了。土壤铬污染也是我国土壤重金属污染中分布最广、影响最大的污染之一。例如,从铬铁矿中分离出的菌株CSB 9菌可以耐受900mg /L 的4价Cr,在最佳条件下具有较快的还原速度( 2.22 mg Cr( VI ) / ( L h) 该菌的最佳还原条件为100 mg /L Cr pH 7 35 °C 处理时间45 h。此外,土壤微生物也能够利用土壤中有效的营养和能源,通过代谢产生多种小分子量的有机酸,进而溶解土壤中的重金属化合物及含重金属的矿物。王新花等考察了施氏假单胞菌诱导碳酸钙共沉淀修复铅污染,发现其可以耐受高浓度的铅,在初始铅浓度为0.01—0.05毫摩尔每升下铅去除率在97%以上,大部分铅以微生物诱导形成碳酸钙时共沉淀去除。这项研究在修复铅污染土壤有重要的应用前景。 2.1.2 微生物修复有机污染物土壤 土壤微生物可以利用土壤之中的有机污染物为碳源,满足自身生长需要,并同时将有机污染物转化为低毒或者无毒的小分子化合物,如CO2、H2O、简单的醇或酸等,达到净化土壤的目的。对具有降解能力的土著微生物特性的研究,始终是环境生物修复领域的研究重点。常见的降解有机污染物的微生物有细菌(假单胞菌、芽胞杆菌、黄杆菌、产碱菌、不动杆菌、红球菌和棒状杆菌等),真菌(曲霉菌、青霉菌、根霉菌、木霉菌、白腐真菌和毛霉菌等) 和放线菌(诺卡氏菌、链霉菌等)等。例如Katsivela等发现sp. strain LW1 能利用硝基苯和4-氯硝基苯作为唯一的碳源和能源进行生长,通过部分还原途径降解4-氯硝基苯并释放出氯离子和铵根离子;并且在厌氧条件下出现中间产物2-氨基-5-氯酚,然后在一系列酶作用下氧化开环,最终进入三羧酸循环。 除了利用有机物之外,污染物也可以被微生物酶催化进行的一系列生命活动(如氧化、还原、水解、基团转移、异构化、酯化、缩合、氨化、乙酰化等)过程降解。另外有些有机污染物不能作为碳源和能源被微生物直接利用,但是在添加其他的碳源和能源后也能被降解转化。杨茜等利用投菌法和生物刺激法对陕北子长石油污染土壤进行微生物修复研究。试验结果表明修复效果由好到差的顺序依次为: 向土壤中补充N P 营养物质>向土壤中投加不动杆菌SZ-1 >其他处理。 2.2 植物修复技术 植物修复技术就是利用自然生长植物根系吸收、富集、降解或者固定污染土壤、水体和大气 中的污染物的环境技术。主要通过植物提取、植物蒸腾作用、根系过滤、植物固定和降解来实现治理污染。从20世纪80年代以来,植物修复技术发展迅速,有很多新兴的耐受积累植物被发现。植物对土壤中的有机和无机污染物都有不同程度的降解、转化和吸收等作用,有的植物可能同时具有几种作用方式。植物修复技术目前主要应用于重金属污染土壤的修复,利用对重金属有富集特征的植物来吸收或者吸附积累重金属,达到从土壤中除去重金属的目的。对有机污染物的修复机制主要是根际修复,利用植物根际的环境来刺激微生物生长,改变根际微生物大的群落结构、分泌与有机物降解相关的氧化还原酶来降解有机污染物。 2.2.1 植物修复治理无机污染土壤 目前,植物修复主要是利用植物降解、植物萃取、植物挥发和植物过滤等作用来降低重金属污染物的生物有效性或清除土壤中的重金属污染物,降低重金属的环境风险。1983年chenay 首次提出植物修复的构想通过植物的一些特殊生理功能,使土壤中污染物浓度降低。植物修复可用于去除土壤中的重金属、放射性物质以及有机污染物,是一种新型的、高效的、环保的并能利用太阳能驱动的补救。虽然植物修复是一种环保型的修复技术,但其见效慢。向日葵、印度芥草和天竺葵已经被证实是具有累积金属(铅、镉、镍)的能力。使用天竺葵从受铅污染的土壤中吸收铅,从种植天竺葵开始经过3周时间,土壤中不同浓度的铅含量发生很大的变化,起始铅浓度2000mg/kg,实验结束后铅减少257mg/kg,吸收率为12.8%;起始浓度为7000mg/kg,铅减少2291mg/kg,吸收率32.7%。砷是一种类金属,通常将其作为重金属来研究。由于砷的市场资源利用不断扩大,其也对土壤污染造成了严重问题,邹小丽等对砷进行了砷的吸收和运转及对砷污染土壤修复效果研究。他们选择了4种柳树作为修复植物,结果表明:不同种类柳树经不同的砷浓度胁迫160d后,各种柳树的生物量无明显差异,没有出现叶黄、枯萎等毒害现象;柳树根和地上部(茎、叶)的砷含量随着培养土中砷浓度的升高而增大;柳树根际土中的砷含量小于非根际土,非根际土中的砷含量又小于未种植柳树的对照土。柳树对湿地土壤中的砷具有吸收、累积的作用,可以用作湿地土壤砷污染的植物修复材料。 2.2.2 植物修复有机污染土壤 植物对有机污染物的修复主要通过植物挥发、植物提取、植物降解等方式进行。有机污染物被植物吸收后,可通过木质化作用使其在新的组织中贮藏,也可使污染物矿化或代谢为水和二氧化碳,还可通过植物挥发或转化成无毒性作用的中间代谢产物。植物释放的各种分泌物或酶类,促进了有机污染物的生物降解。植物根系可向土壤环境释放大量分泌物(糖类、醇类和酸类),其数量约占植物年光合作用的百分之十到百分之二十。 硝基苯作为许多化工材料的中间体,广泛应用于工业领域。其是苯的一个氢原子被硝基取代,无色或淡黄色,有杏仁油气味,其不易被降解,且有很强的生物毒性。胡岚利用黑麦草、紫花苜蓿和马蹄金对硝基苯污染土壤进行修复,结果表明,经过30d处理,硝基苯的降解效率高达98.5﹪~99.8﹪,其中黑麦草的修复效果最好,其次是紫花苜蓿,再次是马蹄金Zhou 等发现紫花茉莉可以修复硝基苯污染土壤,紫花茉莉在土壤中硝基苯浓度为10 mg/kg 时可以正常生长,并且对硝基苯无论在灭菌土壤还是自然土壤中的去除效率都高达百分之九十以上。 2.3 联合修复 联合修复技术就是协同两种或两种以上修复方法,克服单项修复技术的局限性, 实现对多种污染物的同时处理和对复合污染土壤的修复, 提高污染土壤的修复速率与效率。联合修复方法是土壤污染修复研究的重要内容。植物——微生物联合修复技术被广泛应用。 近几年,植物——微生物联合修复作为一种强化植物修复技术逐渐成为国内外研究的热点。这种方法使植物与微生物都能发挥自己的优点,在重金属土壤污染修复中,微生物在其代谢过程中可改变根际土壤重金属的生物有效性,从而有利于超积累植物对重金属的吸收和积累;微生物的代谢产物还可改善土壤生态环境;另外,微生物还能够分泌植物激素类物质、铁载 体等活性物质,促进植物的生长。反之,植物根系分泌氨基酸、糖类、有机酸及可溶性有机质等可以被微生物代谢利用,促进微生物的生长,有利于提高植物-微生物联合修复的效率。丛枝菌根(AM)是土壤生态系统中一种同时具有植物根系和微生物特性的互惠共生体。罗巧玉等利用其进行重金属修复试验,研究发现,AM共生体形成能调节宿主植物体内某些与重金属吸收及转运相关基因的表达,从而影响宿主对重金属的耐性、吸收、运输、迁移或积累。促进其宿主对某些重金属的吸收,这也需要AM菌,植物与重金属之间的相互作用才能更好发挥其促进效应。 2.4 动物修复 动物修复是利用土壤中某些低等动物(如蚯蚓等)和其体内的微生物,在污染土壤中生长、繁殖等活动过程中对土壤中的污染物进行转化和富集的作用,最后通过对这些动物集中处理,从而降低土壤中的污染物。在受污染的土壤中,蚯蚓可以通过被动扩散作用和摄食作用使重金属进入其体内,待金属在蚯蚓体内富集后可以采用一定的方法将蚯蚓从土壤中驱出,集中处理,从而达到修复的目的。土壤动物不仅自己能够直接富集土壤中的污染物,还能够和周围的微生物共同富集,另外一方面还可以提高土壤肥力。 一般动物修复方法主要应用在重金属污染修复过程中,动物修复技术的缺点是只能在一定程度上减少重金属含量,而且对动物的伤害也较严重; 当动物体内重金属含量达到一定程度时会导致其死亡,动物死亡后其体内的重金属还会进入土壤中再次污染土壤; 另外,低等生物对生存环境的要求苛刻,限制了动物修复技术的发展。 3结语 综上所述,生物修复技术具有其独特的应用优势,针对我国目前土壤污染越来越严峻的问题,将生物修复技术应用到土壤污染治理中,可以对土壤复合污染进行有效的统筹恢复,同时也能够对各种土壤污染修复中存在的不足进行有效的弥补,从而使得土壤污染得到更为全面的治理,而随着这一技术的发展,在未来的土壤污染治理中,将会有更大的应用空间。 参考文献 [1] 罗巧玉,王晓娟,林双双,李媛媛,孙莉,金樑. AM真菌对重金属污染土壤生物修复的应用与机理. 生态学报,2013,33(3):3898-3906. [2] 陈清林. 污染土壤生物修复技术的研究进展. 广东化工,2013,40(257):127-128. [3] 蒋雪芳. 论述国内土壤重金属污染治理的主要措施. 科技资讯,2015,14:114 [4] 邹小丽,周源. 柳树对砷的吸收和运转及对砷污染土壤修复效果研究. 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金重点项目(RISF6803),2014. [5] 高彦波,蔡飞,谭德远,翟鹏辉,郭宏凯. 土壤重金属污染及修复研究简述. 安徽农业科学,2015,43(16):93-95. [6] 白建峰,林先贵,戴珏,华建峰,秦华,胡君利,王一明,张承龙,王景伟,苑文仪. 提高As污染土壤中As可迁移性含量的功能菌株. 中国科学:地球科学,2015,45(5):688-694. [7] 王卫华,雷龙海,杨启良,武振中. 重金属污染土壤植物修复研究进展. 昆明理工大学学报. 2015,40(2):114-121. [8] 张迎迎,迟向群,王道胜,王飞华,梁威. 硝基苯污染的修复研究进展. 环境科学与技术. 2015,38(3):92-96. [9] 周际海,袁颖红,朱志保,姚春阳,张谷雨,高琪. 土壤有机污染物生物修复技术研究进展. 生态环境学报,2015,24(2):343-351. [10] 王新花,赵晨曦,潘响亮. 基于微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)的铅污染生物修复. 地球与环境,2015,43(1):80-85.