池文婷，鐘錦鋒，戴啟斌，林海雁，陳之均，滕 青

(廣東石油化工學院 環(huán)境與生物工程學院，廣東 茂名 525000)

汽車尾氣、生活垃圾以及不合理的采礦形成的污水灌溉是造成我國農田土壤重金屬污染的主要原因，隨著我國化工業(yè)的迅速發(fā)展及相關環(huán)保法律法規(guī)的不健全和監(jiān)管不力也是造成我國農田土壤重金屬污染的原因。宋偉等[1]研究表明我國農田受重金屬污染的面積占耕地總面積的 1/6。研究表明[2]我國土壤污染總超標率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛。

土壤重金屬污染不僅對農田作物的生長和土壤中的微生物數量、群落結構等有很大影響，而且重金屬可以經食物鏈進入人體，并通過生物富集作用危害人體健康[3]?！锻寥牢廴痉乐涡袆佑媱潯穂4]中規(guī)定要重點監(jiān)測土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻等重金屬，重點監(jiān)管有色金屬礦采選、有色金屬冶煉、石油開采、石油加工、化工和電鍍等行業(yè)；還要加強涉重金屬行業(yè)污染防控，嚴格執(zhí)行重金屬污染物排放標準并落實相關總量控制指標；加大監(jiān)督檢查力度；對整改后仍不達標的企業(yè)，依法責令其停業(yè)、關閉。

近年來，城市土壤重金屬污染嚴重，我國重慶、貴州、和中山等城市土壤均受到不同程度的鉛污染[5-7]；我國西南地區(qū)的汞礦區(qū)地表層土壤汞含量可達790 mg/kg[8]，胡國成[9]等通過對貴州萬山汞礦周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)農田土壤的分析，顯示農田土壤汞污染嚴重，超過國家允許土壤農用標準的135倍；江西、湖南及珠三角等多個城市存在不同程度的鎘污染[10-12]，目前土壤重金屬污染面積顯著擴大并向東部人口密集區(qū)擴散[13]，且大部分城市農田土壤都受到不同程度重金屬的污染。

1 農田土壤重金屬的污染特征及來源

1.1 農田土壤重金屬的污染特征

重金屬污染具有多源性、表聚性、隱蔽性、滯后性、不可逆性等特性[14-15]。農田重金屬大多殘留于土壤耕層，若土壤一旦發(fā)生重金屬污染，短時間內無法恢復原樣，造成生態(tài)環(huán)境嚴重失衡。如何減少我國農田土壤重金屬污染問題顯得尤為重要，迫切需要探尋符合當地環(huán)境的修復技術進行土壤治理。土壤重金屬生物修復技術是一類環(huán)境友好型技術，被廣泛用于實踐中并取得了良好的收效。

1.2 農田土壤重金屬的來源

農田土壤重金屬來源廣泛，途徑多樣，主要有農業(yè)、工業(yè)和城市污染源。進一步可分為土壤中成土母質的差異和人類活動的影響這兩類，其中人類活動影響較大，包括污水灌溉、有機氮肥、磷肥和農藥的不合理使用、工業(yè)排污、汽車尾氣和城市生活垃圾的影響等[16-17]。

1.2.1 農業(yè)污染

當農業(yè)灌溉水中的重金屬超標時，其中的重金屬、病菌微生物等多種有毒物質會進入土壤，改變土壤結構和理化性質，使重金屬在土壤表層富集，破壞土壤生態(tài)平衡[18-19]。As和Cu等重金屬超標的畜禽糞便經過堆肥發(fā)酵作為有機肥料施用于農田時，也會導致農田土壤重金屬超標，典型的重金屬有As和Cu[20]。如果長期施用重金屬含量較高的化肥時，會造成重金屬元素在農田土壤中大量積累，導致土壤重金屬污染[21]。

1.2.2 工業(yè)污染

工業(yè)生產過程中會釋放大量有毒物質，包括持久性有機污染物、一般性污染物和重金屬，這些有毒物質會直接進入環(huán)境，部分進入土壤，造成土壤重金屬超標[22]。重金屬從被開采冶煉到鑄造加工成成品或半成品過程中，其生產釋放物擴散進入大氣經自然沉降和降水進入周圍土壤中，使土壤的重金屬含量增加[23-24]。

1.2.3 城市污染

城市垃圾中的重金屬和其他有毒有害物質也會對土壤造成一定的影響。2012年我國垃圾無害化處理總量達14489.5萬t，其中垃圾填埋量達10512.5萬t，占總量的72.6%，焚燒處理量達3584.1萬t，占總量的24.7%[25]。含Pb汽油燃燒、燃料及潤滑油泄漏等產生的大量含Pb、Cd、Cu、Zn等的有害氣體，都會隨大氣沉降到土壤中，造成土壤重金屬超標[26-27]。

2 農田土壤重金屬生物修復技術

生物修復技術是指利用生物的新陳代謝活動，降低重金屬的濃度，從而使被污染的土壤環(huán)境能夠部分或者完全恢復到原狀態(tài)的過程[28]。與物理和化學修復技術相比，生物修復技術具有操作簡便、成本低、處理效果好、不會造成二次污染、綠色環(huán)保以及對土壤環(huán)境的擾動較小等優(yōu)點[29-30]，經濟效益和生態(tài)效益顯著，是一種新興的經濟環(huán)保型修復技術，實際應用廣泛[31]。生物修復技術主要包括植物修復、微生物修復、動物修復和生物聯合修復技術等。

2.1 植物修復

植物修復是指利用某些自然生長或者特地培育的植物對土壤重金屬進行吸附、吸收、揮發(fā)、穩(wěn)定和降解等作用，從而降低土壤重金屬濃度的一種治理技術[32]。根據其作用機理可將植物修復技術分為植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定。

2.1.1 植物提取

植物提取是指植物吸收土壤中的一種或者幾種重金屬，富集在植物根部或地上枝條部位，隨后對富集部位收割并集中處理，使土壤中重金屬濃度降低到相應標準[33]。

吳迪等[34]研究表明大吳風草、苦蒿和米蒿這三種植物可有效富集土壤中的Ni；木賊科類節(jié)節(jié)草、菊科類橐吾、大吳風草、米蒿、百合科類萱草則對Cu富集能力較強。周杰良等[35]的水培篩選試驗表明：從25種參試植物中篩選出的蔓長春花對Cd的耐性較強，轉移系數和富集系數均大于 1，具備鎘超富集植物的基本特征。賴捷等[36]首次發(fā)現并證實菊科串葉草是一種Sr超積累植物，為開展污染區(qū)域修復治理工作提供參考。目前，超積累植物對重金屬的富集具有專一性。

超富集植物對重金屬的脅迫具有耐受度，當重金屬達到一定濃度時，富集植物根系形態(tài)會發(fā)生不同程度的變化[28]。劉蕊[37]發(fā)現在鉛離子、鋅離子復合處理時，臺灣泡桐生長指標隨著鋅離子濃度的增加而降低。易詩明等[38]采用盆栽試驗發(fā)現單一鉛離子濃度為 600 mg/kg 時，根系生長受到明顯的抑制，較對照組相比，主根長、根表面積分別下降 87.7%和47.7%；單一鋅離子濃度大于等于 400 mg/kg 時，主根長、根表面積下降明顯高于單一鉛離子，抑制作用隨著鋅離子濃度的增加而增加?？梢?，不同金屬離子對根系生長產生的作用不同，離子濃度嚴重偏高時，根系生長受到顯著影響。

雖然超積累植物在植物提取技術中應用較廣泛，但是植株存在生長緩慢、生長量少、修復周期長等缺點，所以培育生長快速、生物量大、適應性強的復合重金屬超積累植株是農田土壤重金屬復合污染修復的潛在途徑[39]。

2.1.2 植物揮發(fā)

植物揮發(fā)是將土壤中重金屬吸收到植物體內通過蒸騰作用將其轉化為揮發(fā)態(tài)或者是毒性較小的物質并釋放到大氣從而降低土壤重金屬濃度[40]。該方法主要是針對易揮發(fā)的重金屬汞應用較多，但該方法存在二次污染風險，實際生活中推廣很少，目前，修復汞污染的時候基因工程技術常被用于植物修復。

Chen Yunan等[41]利用基因工程技術研究發(fā)現谷胱甘肽巰基轉移酶(glutathi-one-S-transferase)基因可以調節(jié)植物氧化應激效應，提高植物對汞的富集能力。Meagher等[42]研究發(fā)現植物烤煙可以使二價汞離子轉化為氣態(tài)汞，使汞金屬毒性大大減弱。Soloducho等[43]研究顯示，洋麻(Hibiscus cannabinus)可以把根際土壤中的硒離子(Se3+)轉化為甲基硒，隨后揮發(fā)到空氣中，但其修復效率不高。植物揮發(fā)適用于修復氣化點較低的重金屬污染的土壤，比如受到非金屬砷、硒以及重金屬汞元素污染的土壤等[44]。

2.1.3 植物穩(wěn)定

植物穩(wěn)定是利用特定植物的根或分泌物，改變土壤根際環(huán)境，通過累積、沉淀、轉化重金屬的價態(tài)和形態(tài)，降低土壤中有毒重金屬的移動性和毒性，從而降低重金屬滲漏污染地下水和周圍環(huán)境的風險[45]。目前已發(fā)現能應用植物穩(wěn)定技術的植物達500多種，如田菁、燕麥、香根草等[46]。Oh K等[47]在研究中發(fā)現植物對土壤中的鉛有固定作用，可降低鉛的生物有效性。Casierra-Posada F等研究中發(fā)現[48]馬蹄蓮對鐵有一定耐性并且可以大量固定在根部位置，適用重金屬污染濕地修復。但是這些措施卻沒有使重金屬從土壤中真正去除，對土壤環(huán)境仍然存在一定的潛在危害。

2.2 微生物修復技術

微生物修復技術是是利用活性微生物對土壤中重金屬進行吸收、沉淀、氧化和還原等作用，降低土壤中重金屬的濃度和毒性[49-50]。微生物修復技術包括異位生物修復和原位生物修復。

2.2.1 異位生物修復

異位生物修復[51]指將污染土壤移除并集中處理的一種方法，主要包括生物反應器法和固相處理法，處理過程需嚴格控制，才能達到較好的處理效果；該方法對土壤環(huán)境的擾動性大、處理成本高，不適合大面積的污染土壤治理。

2.2.2 原位生物修復

原位生物修復是指在不移除原土壤的基礎上通過外加微生物和無機營養(yǎng)物質促進微生物對土壤重金屬的降解。用于修復的微生物菌種主要包括細菌、放線菌和真菌這三類。

Cecchi等[52]研究表明，在洋蔥曲霉菌株、哈茨木霉菌株、粉紅粘帚霉菌株三種真菌中，哈茨木霉菌對Ag的耐受性和富集能力最高，當環(huán)境中Ag濃度為330 mg/L的時，其體內富集濃度最高可達153 mg/L。微生物能降解土壤中多種重金屬，但是微生物個體微小，較難從土壤中分離出來并且存在與修復現場土著菌株競爭的問題[53]。

2.3 動物修復技術

動物修復技術是指利用土壤中的某些低等動物(蚯蚓、線蟲、甲螨等)的直接作用(吸收、轉化和分解)或間接作用(改善土壤理化性質、提高土壤肥力、促進植物和微生物的生長)修復污染土壤[54-55]。

魏明榮等[56]發(fā)現蚯蚓對污廢水廠活性污泥中的重金屬有較強的富集能力，富集系數由高到低依次為Cd、Zn、Cu、Pb，經蚯蚓處理后活性污泥金屬含量可達到國家排放標準。何永美等[57]通過室內盆栽試驗研究土壤滅菌和殺真菌劑(苯菌靈)對紫花苜蓿的生長、重金屬含量與累積的影響，發(fā)現土壤滅菌能顯著減少苜蓿對重金屬的累積，植株Pb、Zn、Cd和Cu的累積量分別下降74%、78%、68%和76%，可見微生物對于植物累積重金屬有很大的促進作用。

2.4 生物聯合修復技術

土壤重金屬污染復雜，單一的修復技術難以有效去除土壤中的重金屬，生物聯合修復技術可更好地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，提高重金屬的去除率。

植物-微生物聯合修復技術是利用土壤-植物-微生物復合體系，發(fā)揮植物與微生物修復的各自優(yōu)勢，彌補單一修復方法的不足，共同降低土壤污染物的一種新興生物修復技術，同時兼具生物固定與生物去除土壤重金屬的這兩種功能[58-59]。

Jiang等[60]通過研究從枝真菌 Glomus versiforme(GV) 和 Rhizophagus intraradices(Ri)對金銀花盆栽試驗的影響發(fā)現，金銀花與GV、Ri 的共生體系可以減少地上部的鎘含量以緩解鎘毒性，GV和Ri 能顯著增加所有鎘處理的金銀花地上部和根系的生物量，GV 處理顯著減少植物芽、根部的鎘含量，Ri 處理降低了植物芽鎘含量，但增加了根部鎘含量。共生體可顯著提高宿主植物對重金屬的耐受性，陳生濤等[61]通過土壤盆栽試驗研究發(fā)現，接種Rhizobium sp.W33能夠促進黑麥草吸收Cu并提高其對Cu的富集系數。羅巧玉等[62]介紹了關于叢枝菌根(Arbuscular Mycorrhizae,AM)真菌與宿主植物互惠共生體在重金屬污染土壤生物修復作用中的研究進展，AM 真菌能夠促進宿主植物提高對重金屬脅迫的耐受能力，增強植物對Zn、Pb、Cu、As 和 Cd 等重金屬的吸收量等。

植物-微生物聯合修復技術比單一的植物或者單一的微生物修復有著明顯的優(yōu)點，而植物-微生物聯合修復技術處理效果會比較好，營養(yǎng)物質能夠自動翻新，適合一些特殊環(huán)境下的污染，但是缺點就是實施起來成本較高，植物與微生物之間有不同程度的協同作用等[63]。

3 展望

我國生物修復技術起步晚，與國外還存在一定的差距；目前，植物提取技術和原位生物修復技術在我國生物修復技術中應用較廣泛，而植物-動物-微生物聯合使用較少，且三者聯合修復的機理還有待研究，針對目前農田土壤重金屬污染生物修復現狀，可從以下兩個方面進行深入研究。

3.1 加強機理研究

植物修復技術在實踐中應用最為廣泛，但是也存在一定的局限，經修復處理后的一些后續(xù)問題，比如被固定在植株上的重金屬和揮發(fā)到大氣環(huán)境中的氣態(tài)重金屬等，如何更好地集中收割成熟植株以及回收重金屬是研究的一個方向。要加強對不同類型不同程度典型農田土壤室內試驗和室外試驗的研究，提出切實有效的修復方法，將理論更好地應用于實踐中。

3.2 多種修復技術的聯合應用

大部分的農田土壤屬于輕中度污染農田，采用多種修復技術聯合使用，充分發(fā)揮多種修復技術的優(yōu)勢，與生物修復技術共同修復達到治理農田土壤的目的。比如將基因工程技術用于修復中、研究轉基因植物對土壤重金屬的耐受性、植物-動物-微生物聯合修復、物理-化學-生物聯合修復技術等。在治理農田土壤的同時，要切實尋找出一種符合我國國情的農田可持續(xù)發(fā)展方式。