張勝爽，張凌云

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

土壤是人類賴以生存的自然資源之一，是連接自然環(huán)境與人類生活的重要紐帶。但隨著污水灌溉，農(nóng)藥、化肥及塑料薄膜的過度使用，土壤環(huán)境污染成為世界性環(huán)境污染問題，而耕地土壤鉛污染問題也很突出。據(jù)資料顯示[1]，目前，全世界平均每年約排放鉛500萬t，而中國受污染的耕地面積已達2 000萬hm2，每年出產(chǎn)重金屬污染的糧食約1 200 萬t，造成的經(jīng)濟損失超過25 億美元。而通過首次公布的全國土壤污染狀況調(diào)查公告顯示，全國污染總超標(biāo)率為16.1%，耕地污染超標(biāo)率為19.4%。我國部分地區(qū)耕地土壤受到不同程度的鉛污染，據(jù)報道，鄭州、甘肅、揚州、貴陽、徐州、廣州、成都和廣西的土壤鉛污染濃度分別為17.11 mg/kg、21.44 mg/kg、35.7 mg/kg、43.2 mg/kg、56.2 mg/kg、58 mg/kg、77.27 mg/kg和218.6 mg/kg[2-9]，表明我國許多地區(qū)耕地土壤已經(jīng)受到不同程度的污染。

目前，針對土壤鉛污染的修復(fù)技術(shù)主要分3類：物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)[10-11]。物理修復(fù)技術(shù)主要是通過某些物理技術(shù)將污染物從土壤中去除或隔離的方法，主要包括客土法、換土法、深耕翻土法、隔離包埋法以及熱力恢復(fù)法[12-13]。物理修復(fù)技術(shù)見效快、去除比例高，但工程量大，費用高，有局限性，適用于面積較小，污染濃度高，且急于修復(fù)的土壤?；瘜W(xué)修復(fù)主要通過化學(xué)方法或是添加一些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使重金屬被固定或去除。包括淋洗法、固化法和化學(xué)改良劑法[14-15]?；瘜W(xué)修復(fù)去除效果好，時間短，易于實施，但添加的化學(xué)物質(zhì)易造成對土壤或是植物的二次污染[16]。生物修復(fù)技術(shù)主要通過耐性微生物、植物吸收或固定土壤重金屬[17]。根據(jù)修復(fù)主體的不同可將生物修復(fù)技術(shù)分為3類：微生物修復(fù)、植物修復(fù)和動物修復(fù)。其中，以微生物修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。生物修復(fù)技術(shù)易于操作、費用低，利用耐性微生物、植物不易造成二次污染，因此生物修復(fù)技術(shù)是目前重要的一項清潔、經(jīng)濟的重金屬污染修復(fù)技術(shù)。生物修復(fù)技術(shù)開始于20世紀(jì)80年代中期，到20世紀(jì)90年代才有成功應(yīng)用的實例。為促進土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的進一步發(fā)展，筆者等對耕地鉛污染生物修復(fù)技術(shù)進行綜述，對比不同耐性微生物及超富集植物的鉛污染修復(fù)效果，以期為鉛污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)提供參考。

1 微生物修復(fù)

1.1 微生物類型及修復(fù)效果

利用細菌、真菌、放線菌等各種微生物，通過自身的代謝活動，降低土壤中有害重金屬的濃度。研究表明，不同微生物對重金屬的耐性順序為真菌>細菌>放線菌。在Pb、Zn、As、Cu等復(fù)合污染的土壤中，當(dāng)重金屬總量達658 mg/kg時，細菌和真菌數(shù)量分別為對照的29%和45%[18]。曹霞[19]篩選的真菌產(chǎn)黃頭孢霉和頭孢霉對鉛的去除率分別為72.45%和54.82%。曾遠[20]將特異性細菌接種到土壤中，可提高硝酸銨的含量，進而提高鉛的生物有效性。當(dāng)微生物處于重金屬混合污染時，對不同的重金屬離子吸附效果存在差異，并且混合污染時，某些低濃度的重金屬離子會促進微生物的生長。

1.2 修復(fù)原理

從表1可知，不同的微生物修復(fù)重金屬的原理不同，但綜合分析主要分3類：生物富集、生物轉(zhuǎn)化和生物吸附[27]。微生物通過表面絡(luò)合、離子交換、氧化還原、無機微沉淀以及酶促作用等方式降低鉛的生物活性，固定游離的鉛離子；或者促進植物對鉛離子的吸收，從而達到降低或去除鉛污染的目的。劉潔[28]篩選的抗鉛細菌，在鉛濃度為1 200 mg/L時仍能正常生長，在鉛離子濃度為200 mg/L、pH為6.0、溫度為35℃的環(huán)境條件下，表現(xiàn)出最佳生物吸附的效果。細菌與重金屬的相互作用通常有表面絡(luò)合，離子交換等形式。表面絡(luò)合是重金屬離子與微生物細胞壁表面的官能團結(jié)合，形成絡(luò)合物，降低金屬離子的濃度。pH會影響金屬離子與微生物的絡(luò)合作用。通過向污染土壤中添加耐性或吸附性強的真菌，降低土壤重金屬含量。某些真菌需要與植物根系共生，不僅降低土壤重金屬含量，還能促進植物生長。朱金山等[29]利用真菌墨汁鬼傘吸收豬糞中的鉛，其最大吸收量為700 mg/kg，將處理后的豬糞施入土壤，在避免二次污染的同時也改善了土壤的微生物平衡。真菌修復(fù)土壤污染的過程中通常幾種反應(yīng)機理同時發(fā)生。

表1 重金屬污染土壤中常見的微生物及修復(fù)效果Table 1 Microorganisms commonly found in soils contaminated with heavy metals and their remediation effects

1.3 存在的問題

微生物修復(fù)作為土壤重金屬污染修復(fù)的方式，具有綠色環(huán)保，經(jīng)濟，操作簡單等優(yōu)勢。但針對微生物修復(fù)的研究都是在理想情況下的人為模擬污染下進行的，對于實際土壤的污染狀況，污染土壤中土著微生物的存在與篩選的修復(fù)微生物之間的關(guān)系的研究較少，而實際污染土壤的條件復(fù)雜，土壤微生物，土壤動物存在情況復(fù)雜，因此微生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)急需解決實際應(yīng)用中復(fù)雜的土壤環(huán)境對微生物篩選的影響。

2 植物修復(fù)

2.1 鉛富集植物

植物修復(fù)技術(shù)指植物忍耐某種重金屬，或是將重金屬轉(zhuǎn)化成無毒狀態(tài)的一種技術(shù)。BROOK在1977年首次提出超積累植物(Hypccumulator)的概念，1983年CUNNINGHAM 等[30]提出運用植物去除土壤中的重金屬污染物，以此達到修復(fù)土壤的目的。能從土壤中大量吸收一種或幾種重金屬并將其轉(zhuǎn)運到地上部的植物稱為超富集植物。目前，世界上發(fā)現(xiàn)的超富集植物有400多種，而國內(nèi)外報道鉛的超富集植物主要有羽葉鬼針草、綠葉莧菜、圓錐南芥、東南景天、蒼耳、小飛蓬、圓葉遏藍菜(Thlaspirotundifolium)、夏至草等[31-33]，這為植物修復(fù)鉛污染的土壤提供了豐富的物種資源。劉秀梅等[34]通過室內(nèi)砂培盆栽試驗研究了小麥、水稻、玉米和油菜對重金屬鉛的耐性和提取能力，4種作物體內(nèi)鉛含量依次為小麥>水稻>玉米>油菜。此外，不同作物體內(nèi)鉛的分布也不同，小麥和水稻的根系含鉛量高于莖，玉米和油菜相反，莖葉的含鉛量高于根系；低濃度的重金屬污染可以促進植物生長，但是高濃度的污染會抑制植物生長。郭平等[35]研究了向日葵幼苗對鉛的耐性，結(jié)果表明，當(dāng)重金屬濃度為1.00 mmol/L時，向日葵幼苗莖葉中的鉛含量是864.24 μg/g，根中鉛含量是43 575.76 μg/g，向日葵幼苗對鉛有很強的富集能力，根系是主要的富集器官。同時有研究報道，高粱是可以有效吸收重金屬的作物，并且具有生物量大，吸收量高等優(yōu)勢[36]。農(nóng)作物富集重金屬，人類食用之后對人類的健康造成危害。何泳輝等[37]研究了市郊公路邊的農(nóng)作物中重金屬的富集結(jié)果發(fā)現(xiàn)，食用番薯葉、食用南瓜葉、豆角、莧菜和灰菜中鉛含量為0.30～0.83 mg/kg，均超過國家限量標(biāo)準(zhǔn)。常曉歌等[38]對2015—2016年洛陽市市售蔬菜中重金屬含量進行分析的結(jié)果表明，鉛的超標(biāo)率為10%，較鎘、汞嚴(yán)重。針對以上研究分析，農(nóng)作物、蔬菜富集重金屬后通過食物鏈的傳遞，危害人類健康。因此，在鉛富集農(nóng)作植物蔬菜的選擇上應(yīng)慎重，盡量選擇根莖等不可食用部分富集效果好，對人體健康無危害的作物進行鉛污染耕地土壤的修復(fù)。

2.2 發(fā)展方向

植物修復(fù)土壤鉛污染的研究，應(yīng)篩選生物量大、易存活的植株。前人的研究篩選的超富集植物多數(shù)是當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢植物，存在一定的地域性，對于其他地區(qū)的使用有外來物種入侵的危險。因此，植物修復(fù)土壤重金屬鉛污染應(yīng)向生物量大、地域性小，具有一定的經(jīng)濟或觀賞價值的方向努力，在保證土壤重金屬污染得到修復(fù)的同時保證土地的經(jīng)濟價值。

3 動物修復(fù)

3.1 修復(fù)原理

動物修復(fù)技術(shù)是利用土壤中大量的動物及腸道微生物等進行的一系列生命活動來分解、吸收、富集土壤中的重金屬，使土壤中的污染物濃度降低的一種修復(fù)技術(shù)。MORGAN等[39]研究發(fā)現(xiàn)Cd、Pb、Zn富集在蚯蚓消化組織細胞的囊泡中，與磷鍵結(jié)合，形成難溶性的金屬磷酸鹽礦物，達到降低重金屬濃度的目的。STüRZENBAUM等[40]研究發(fā)現(xiàn)，重金屬在蚯蚓體內(nèi)與小分子蛋白質(zhì)結(jié)合形成金屬結(jié)合蛋白金屬絡(luò)合元素，降低其體內(nèi)的毒性或是增強抵抗性。蚯蚓的另一種解毒機制是利用體內(nèi)的溶酶體和細胞質(zhì)粒抑制重金屬的活性。蚯蚓的取食、做穴等生命活動直接或間接影響重金屬的生物有效性。MABOETA等[41]報道蚯蚓活動使土壤中Pb的有效態(tài)增加48.2%。同時發(fā)現(xiàn)，不同的土壤接種蚯蚓后其土壤pH會發(fā)生變化，間接影響土壤重金屬生物有效性。

3.2 發(fā)展方向

目前，針對鉛的動物修復(fù)多集中于蚯蚓的研究，并且集中在實驗室的理想條件下。但現(xiàn)實中的土壤環(huán)境復(fù)雜多變，土壤動物、微生物種類繁多，蚯蚓與土壤中其他動物、微生物的相互作用的研究甚少，今后應(yīng)分析蚯蚓與其他動物、微生物的作用機制，為蚯蚓修復(fù)重金屬污染提供更完善的數(shù)據(jù)支撐。同時，蚯蚓吸附重金屬后，體內(nèi)重金屬嚴(yán)重超標(biāo)，針對蚯蚓的后續(xù)處理，不要造成對土壤的二次污染也應(yīng)是今后的研究方向。

4 聯(lián)合修復(fù)

4.1 微生物-植物聯(lián)合修復(fù)效果

單一的修復(fù)技術(shù)對污染的修復(fù)存在周期長、修復(fù)對象單一，效果不顯著等弊端。因此，將現(xiàn)有的修復(fù)技術(shù)進行有效地整合，2種或2種以上修復(fù)技術(shù)聯(lián)合修復(fù)是現(xiàn)在及未來的研究趨勢。而其中的微生物-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)因其操作簡單、避免二次污染等優(yōu)勢成研究熱點。據(jù)報道，微生物的代謝活動不僅可以促進植物生長，增加植物干重，而且會分泌一些有機酸、鐵載體，影響土壤pH及重金屬的形態(tài)，間接促進植物吸收重金屬，或抑制重金屬活性，減少對植物的危害[42-43]。JING 等[44]從礦區(qū)植物毛竹的根際土壤分離出2株對鉛和鎘具有耐性的細菌JYX7和JYX10，并進行了與油菜聯(lián)合修復(fù)的盆栽試驗，結(jié)果表明，接種了菌株的處理組，由于菌株的活動產(chǎn)生了有機酸、鐵載體，改變了土壤pH及重金屬活性，不僅提高了油菜的地上部干重，也增加了對重金屬的吸收量；同時有研究發(fā)現(xiàn)[45]，添加“雙耐”細菌不僅能提高香根草的生物量，促進其地上部、地下部對鉛、鎘的吸收，而且降低了香根草根際土壤中有效態(tài)鉛、鎘的含量。CHIICHING等[46]發(fā)現(xiàn)，接種叢枝菌根真菌提高了鬼針草和龍珠果對Cu、Pb、Zn的吸收積累。JIANG等[47]通過給印度芥菜、玉米和番茄接種特異性伯克霍爾德氏菌(Burkholderiasp.J62)發(fā)現(xiàn)，該微生物不僅提高了植物根際土壤中Pb的醋酸銨提取態(tài)，也促進玉米、番茄兩種植株的生長，增強玉米根系對鉛的吸收。

4.2 發(fā)展方向

隨著《土壤污染防治行動計劃》(土十條)的逐漸落實，以及人口基數(shù)大，土地資源少的基本國情，保證國家糧食供應(yīng)充足，耕地土壤承擔(dān)的責(zé)任尤為重要。因此，選擇有利于實現(xiàn)生態(tài)、環(huán)境效益相統(tǒng)一的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)對當(dāng)今的耕地土壤重金屬修復(fù)尤為重要。而微生物-油料作物、微生物-經(jīng)濟作物及不同農(nóng)作物套種、輪播等方法非常適合當(dāng)下中國人均地少的現(xiàn)狀。經(jīng)濟作物(甜高粱、玉米)及油料作物(向日葵、花生、油菜)具有生物量大及重金屬耐性、積累特性強的特征。據(jù)報道，接種產(chǎn)鐵載體細菌后，提高了甜高粱的生物量及重金屬吸收含量，同時促進了甜高粱對土壤礦質(zhì)營養(yǎng)元素Fe和P的吸收[48]。王帥等[49]研究了大豆、花生、向日葵、蓖麻4種油料作物對鉻、鉛的耐受性及積累特性，結(jié)果表明，花生對2種重金屬的耐性較強，可優(yōu)先考慮作為修復(fù)重金屬污染的潛在植物。同時，添加耐鎘的土壤微生物可以有效促進油菜的生長，提高其對Cd 和Pb 的吸收效率，提高比例分別為16%～74%和59%～131%[50]。因此，發(fā)展經(jīng)濟作物及油料作物與耐性微生物的聯(lián)合修復(fù)是未來耕地土壤污染修復(fù)的研究方向，而重點是篩選耐性強的土著微生物及耐性強的作物品種，以期尋找安全有效的重金屬修復(fù)方式。

5 展望

隨著全國土地污染調(diào)查的開展，人們對土壤污染的認識越來越深入，對耕地土壤污染的危害也有了深刻了解。因此，對耕地土壤污染的修復(fù)刻不容緩，而生物修復(fù)及聯(lián)合修復(fù)是未來研究的重點，想要在此方面取得突破性的進展，必須解決以下問題：首先，針對我國人口基數(shù)大，耕地資源有限的基本國情，篩選耐性及累積特性強的植物是未來植物修復(fù)耕地土壤污染的關(guān)鍵。因此，需加強篩選優(yōu)良的經(jīng)濟作物及高效的作物品種方面的研究。其次，隨著人們對環(huán)境保護認識的深入，修復(fù)技術(shù)需朝著綠色生態(tài)方面發(fā)展，微生物不僅可以有效避免對土壤的二次污染，而且可以影響土壤的pH、重金屬活性。但微生物對土著微生物的影響研究較少，應(yīng)加強微生物對土著微生物的長期影響，篩選耐性強的土著微生物等方面的研究，利用基因工程等高新技術(shù)將篩選的耐性基因與土著微生物結(jié)合，減少外來微生物的潛在危害。同時，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是應(yīng)對現(xiàn)在土壤復(fù)合污染的有效技術(shù)之一，因農(nóng)田土壤的特殊性，對修復(fù)效果的要求更高，不僅要除去污染物，還要保證土壤肥力，保證耕地的正常使用。因此微生物-植物-動物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是關(guān)鍵，保證土壤污染修復(fù)的綠色經(jīng)濟可行性。同時應(yīng)增加大田試驗的開展及商業(yè)化的發(fā)展。最后，應(yīng)加強對土壤修復(fù)的長期監(jiān)測，修復(fù)技術(shù)對周圍環(huán)境及土壤肥力等的影響進行風(fēng)險評估，保證修復(fù)效果的長期有效及穩(wěn)定性。