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【摘 要】 土壤重金属污染治理是环境科学研究的热点和难点问题。本文概述了土壤重金属污染的特点及危害，主要综述了土壤重金属污染生物修复技术，介绍了其在重金属降解中的一些应用，同时指出目前存在的问题和今后的发展方向。
【关键词】 重金属污染；土壤修复；生物修复
1.前言
随着工业的发展和农业生产现代化的推进，大量的重金属污染物进入土壤环境，土壤重金属污染日益严重。重金属一般是指相对密度等于或大于5.0的金属元素，如铁、锰、铜、锌、镉、铅、汞、铬、镍、钴等；砷是一种类金属元素，但由于其很多性质和环境行为都与重金属元素相类似，所以也将它归入重金属元素。由于土壤中铁和锰含量较高，因而一般认为它们不是土壤污染元素，而在环境污染研究中特别关注的重金属主要是生物毒性显著的汞、铬、铅、镉以及类金属砷，还包括具有毒性的重金属铜、锌等。这些重金属元素在土壤中积累，并通过大气、水体或食物链而直接或间接地威胁着人类的健康甚至生命。在这样的形势下，土壤重金属污染问题成为环境和土壤学工作者的研究热点。
2.土壤重金属污染的特点
大多数重金属是过渡性元素，而过渡性元素的原子有其特有的电子层结构，使其在土壤环境中的化学行为具有一系列特点[1]。
（1）重金属能在一定的幅度内发生氧化还原反应，具有可变价态；因重金属的价态不同，其活性和毒性也不同。
（2）重金属易在土壤环境中发生水解反应，生成氢氧化物，也可以与土壤中的一些无机酸反应，生成硫化物、碳酸盐、磷酸盐等。这些化合物的溶度积都比较小，使得重金属累积于土壤中，不易迁移，污染危害范围扩大的可能性较小，但却使污染区域内的危害周期变长，危害程度加大。
（3）重金属作为中心离子，能够接受多种阴离子和简单分子的独对电子，生成配位络合物；还可与一些大分子有机物，如腐植质、蛋白质等生成螯合物。难溶性的重金属盐，在少量游离重金属离子生成络合物和螫合物以后，其在水中的溶解度可能增大，进而在土壤环境中迁移，增大其污染危害的范围。
3.土壤重金属的危害
土壤重金属污染对环境产生的危害主要有下列途径[2]：
（1）受污染的土壤直接暴露在环境中，通过土壤颗粒等形式直接或间接地为动物或人所吸收；
（2）通过雨水淋溶作用，土壤中的重金属向下缓慢渗透，可能导致地下水的污染；
（3）外界环境条件的变化，例如酸雨、施加土壤添加剂等因素，提高了土壤中重金属的活性和生物可利用性，使得重金属较容易为植物吸收利用而进入食物链，对动物和人体产生毒害作用，并易向下迁移，导致地下水污染。
4.污染土壤的生物修复技术
土壤修复的方法有物理法、化学法和生物法。传统的土壤污染治理方法主要有基于机械物理或物理化学原理的工程措施，包括客土换土法、隔离法、清洗法、热处理法、电化学法等。基于污染物土壤地球化学行为的改良措施，如添加改良剂、抑制剂降低土壤污染物的水溶性、扩散性和生物有效性，以减轻污染物对生态环境的危害。而土壤生物修复是利用生物法对受污染土壤进行治理的技术，其中包含了较为复杂的生物转化过程[3]，包括有微生物作用、植物作用以及两者之间的相互作用等。而越来越多研究发现，这种相互作用在污染物去除中更为重要。根际环境是生物修复作用发生的主要场所，随着对生物修复技术的研究的深入，更多的学者开始关注根际环境[4]。
4.1植物修复
植物修复是污染土壤的生物治理的重要手段之一，植物修復土壤的机制大体上可分为转移和转化两大类。前者通过植物的吸收作用将污染物从土壤中去除进入植物组织内富集达到去除污染物的目的，其本质是将污染物转移，如Cunningham等（1996）利用胡萝卜吸收二氯二苯基-三氯乙烷，然后收获胡萝卜，晒干，完全燃烧以破坏污染物[5]，在这个过程中，亲脂性污染物离开土壤基质进入脂含量高的胡萝卜根中。植物吸收是最为直接的污染物去除的途径，其机理也最为直接，污染物通过根系进入植物内从而脱离受污染的土壤，从而使土壤得到净化，去除重金属、有机物污染物，是受污染土壤恢复的重要机制之一。后者是通过植物的分泌物的活性作用使污染物通过生物化学反应转化为低毒物质，植物在生长过程中根系往往会分泌各种高分子物质或酶，研究发现这些高分子分泌物活酶具有去除污染物的能力，如Schnoor等（1995）发现植物分泌的硝基还原酶，可用于硝基有机物的降解[6]。一般通过该过程，污染物被矿化为CO2和H2O或转化为无毒或低毒的代谢物，从而起到去毒作用。
植物修复根据其修复过程和作用机理可将植物修复技术分为4种：
①物萃取技术：利用超富集植物将重金属从土壤提取出来，并将其转移，贮存到地上部分，然后通过植物收割来对重金属进行集中处理的过程[7]。韦朝阳等人[8]研究发现了一种大叶井口草，它对As的富集有明显的效果，其地上部分最大含量可达694mg/kg。
②物固化技术：利用耐金属植物及其根系微生物的一些生物化学作用降低重金属的活性，使其固化，从而减少对土壤的危害。该方法主要适用于有机质含量的矿区污染土壤的修复。
③根圈生物技术，即利用植物根际分泌物和根际脱落物刺激细菌和真菌的生长，通过细菌和真菌对重金属的吸附固定作用，是重金属矿化的过程。
④植物挥发技术，利用植物根系的吸收、积累和挥发作用减少土壤中一些挥发性污染物及植物将污染物吸收到体内后将其转化为气态物质释放到大气中[9]。
4.2微生物修复技术
利用微生物的活动改变重金属的形态或价态来降低土壤中重金属的毒性。微生物修复是利用微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类能产生多糖、糖蛋白等物质对某些重金属的吸收、沉积、氧化和还原等作用，减少植物摄取，从而降低重金属的毒性[10～11]。 4.3动物修复
动物修复指通过土壤动物群的直接或间接作用而修复土壤污染的过程，目前针对土壤动物修复污染土壤主要是蚯蚓，且又集中研究蚯蚓修复重金属污染的土壤。以往人们更多地利用蚯蚓对污染物的敏感性来为环境保护服务，而忽略了蚯蚓对污染物的耐性。目前，关于蚯蚓对污染物耐性的研究也主要集中在蚯蚓对重金属耐性的研究上。通过土壤动物蚯蚓的耐性来研究蚯蚓对重金属的修复[12]。
根际土壤中动物和微生物之间复杂的交互作用对植物生长和重金属吸收有很大的影响。土壤动物、微生物、植物之间的交互作用，对植物修复技术的进一步发展有重大意义。有研究表明，蚯蚓还能影响土壤微生物存在的种类、数量、活性，而微生物与重金属之间也存在着复杂的相互作用关系，影响着重金属存在的种类和有效性。这些迹象都表明蚯蚓有可能通过取食、消化和排泄等生命活动以及与微生物的相互作用提高土壤中重金属的生物有效性。
5.微生物修复存在的问题及展望
5.1微生物资源及其生物降解途径
需继续筛选和驯化新的降解菌株，进一步解析典型污染物降解基因的结构、功能与调控机制，开展典型污染物微生物降解的基因组研究。以揭示其微生物遗传多样性与功能基因：在全面掌握污染物降解菌生理生化、遗传学特性基础上。重组构建污染物降解关键酶和功能优化的基因工程菌等。
5.2微生物修复的复合化或组合式修复技术研发
由于复合污染的普遍性，往往需要多途径、多方式的修复手段。目前，基于微生物的复合修复思路主要有：微生物一物理改良、微生物一化学活化、微生物一动物、微生物一植物，甚至于采用微生物一植物一动物等多生命体的系统组合，其中微生物（特别是菌根真菌）一植物的联合修复近年来深受人们关注。在重金属和有机污染土壤的修复中显示出很好的应用前景。
参考文献：
[1]高拯民.土壤—植物系统污染生态研究[M].北京：中国科技出版社，1986.
[2]刘春阳，张宇峰.土壤中重金属污染的研究[J].污染防治技术，2006.8，19（4）：42：45.
[3]陈玉成.土壤污染的生物修复[J].环境科学动态，1999（2）：7～11.
[4]张太平，潘伟斌.根际环境与土壤污染的植物修复研究进展[J].生态环境，2003，12（1）：76～80.
[5]Cunningham SD.Ow Dw，Promises and prospects of phytore-mediation[J]. Plant Physiol，1996，110：10：715～719.
[6]Schnoor J L.Licht L A，Mc Cutcheon SC et al，Phytoremediation of contaminated soils and sediments [J].Environ Sci Technol，1995，28：318～323.
[7]丁华，吴景贵.土壤重金属污染及修复研究现状[J].安徽农业科学，2011，39（13）：7665～7666，7756.
[8]韦朝阳，陈同斌，黄泽春，等大叶井口邊草一一种新发现的富集砷的植物[J].生态学报，2002，22（5）：777-778
[9]Watanabe ME 1997 Phvcoremediation on the brink of commerclallzation Environ Sci TechnoI.31：182～l86.
[10]李玉红，宗良纲.螯合剂在污染土壤植物修复中的应用[J].土壤与环境，2002，11（3）：303—306.
[11]腾应，黄昌勇.重金属污染土壤的微生物生态效应及修复研究进展[J].土壤与环境，2002，11（1）：85～89.
[12]高岩.蚯蚓指示土壤重金属铜、镉污染及强化植物修复的潜力研究[D].中国科学院南京土壤研究所，2006.
【关键词】 重金属污染；土壤修复；生物修复
1.前言
随着工业的发展和农业生产现代化的推进，大量的重金属污染物进入土壤环境，土壤重金属污染日益严重。重金属一般是指相对密度等于或大于5.0的金属元素，如铁、锰、铜、锌、镉、铅、汞、铬、镍、钴等；砷是一种类金属元素，但由于其很多性质和环境行为都与重金属元素相类似，所以也将它归入重金属元素。由于土壤中铁和锰含量较高，因而一般认为它们不是土壤污染元素，而在环境污染研究中特别关注的重金属主要是生物毒性显著的汞、铬、铅、镉以及类金属砷，还包括具有毒性的重金属铜、锌等。这些重金属元素在土壤中积累，并通过大气、水体或食物链而直接或间接地威胁着人类的健康甚至生命。在这样的形势下，土壤重金属污染问题成为环境和土壤学工作者的研究热点。
2.土壤重金属污染的特点
大多数重金属是过渡性元素，而过渡性元素的原子有其特有的电子层结构，使其在土壤环境中的化学行为具有一系列特点[1]。
（1）重金属能在一定的幅度内发生氧化还原反应，具有可变价态；因重金属的价态不同，其活性和毒性也不同。
（2）重金属易在土壤环境中发生水解反应，生成氢氧化物，也可以与土壤中的一些无机酸反应，生成硫化物、碳酸盐、磷酸盐等。这些化合物的溶度积都比较小，使得重金属累积于土壤中，不易迁移，污染危害范围扩大的可能性较小，但却使污染区域内的危害周期变长，危害程度加大。
（3）重金属作为中心离子，能够接受多种阴离子和简单分子的独对电子，生成配位络合物；还可与一些大分子有机物，如腐植质、蛋白质等生成螯合物。难溶性的重金属盐，在少量游离重金属离子生成络合物和螫合物以后，其在水中的溶解度可能增大，进而在土壤环境中迁移，增大其污染危害的范围。
3.土壤重金属的危害
土壤重金属污染对环境产生的危害主要有下列途径[2]：
（1）受污染的土壤直接暴露在环境中，通过土壤颗粒等形式直接或间接地为动物或人所吸收；
（2）通过雨水淋溶作用，土壤中的重金属向下缓慢渗透，可能导致地下水的污染；
（3）外界环境条件的变化，例如酸雨、施加土壤添加剂等因素，提高了土壤中重金属的活性和生物可利用性，使得重金属较容易为植物吸收利用而进入食物链，对动物和人体产生毒害作用，并易向下迁移，导致地下水污染。
4.污染土壤的生物修复技术
土壤修复的方法有物理法、化学法和生物法。传统的土壤污染治理方法主要有基于机械物理或物理化学原理的工程措施，包括客土换土法、隔离法、清洗法、热处理法、电化学法等。基于污染物土壤地球化学行为的改良措施，如添加改良剂、抑制剂降低土壤污染物的水溶性、扩散性和生物有效性，以减轻污染物对生态环境的危害。而土壤生物修复是利用生物法对受污染土壤进行治理的技术，其中包含了较为复杂的生物转化过程[3]，包括有微生物作用、植物作用以及两者之间的相互作用等。而越来越多研究发现，这种相互作用在污染物去除中更为重要。根际环境是生物修复作用发生的主要场所，随着对生物修复技术的研究的深入，更多的学者开始关注根际环境[4]。
4.1植物修复
植物修复是污染土壤的生物治理的重要手段之一，植物修復土壤的机制大体上可分为转移和转化两大类。前者通过植物的吸收作用将污染物从土壤中去除进入植物组织内富集达到去除污染物的目的，其本质是将污染物转移，如Cunningham等（1996）利用胡萝卜吸收二氯二苯基-三氯乙烷，然后收获胡萝卜，晒干，完全燃烧以破坏污染物[5]，在这个过程中，亲脂性污染物离开土壤基质进入脂含量高的胡萝卜根中。植物吸收是最为直接的污染物去除的途径，其机理也最为直接，污染物通过根系进入植物内从而脱离受污染的土壤，从而使土壤得到净化，去除重金属、有机物污染物，是受污染土壤恢复的重要机制之一。后者是通过植物的分泌物的活性作用使污染物通过生物化学反应转化为低毒物质，植物在生长过程中根系往往会分泌各种高分子物质或酶，研究发现这些高分子分泌物活酶具有去除污染物的能力，如Schnoor等（1995）发现植物分泌的硝基还原酶，可用于硝基有机物的降解[6]。一般通过该过程，污染物被矿化为CO2和H2O或转化为无毒或低毒的代谢物，从而起到去毒作用。
植物修复根据其修复过程和作用机理可将植物修复技术分为4种：
①物萃取技术：利用超富集植物将重金属从土壤提取出来，并将其转移，贮存到地上部分，然后通过植物收割来对重金属进行集中处理的过程[7]。韦朝阳等人[8]研究发现了一种大叶井口草，它对As的富集有明显的效果，其地上部分最大含量可达694mg/kg。
②物固化技术：利用耐金属植物及其根系微生物的一些生物化学作用降低重金属的活性，使其固化，从而减少对土壤的危害。该方法主要适用于有机质含量的矿区污染土壤的修复。
③根圈生物技术，即利用植物根际分泌物和根际脱落物刺激细菌和真菌的生长，通过细菌和真菌对重金属的吸附固定作用，是重金属矿化的过程。
④植物挥发技术，利用植物根系的吸收、积累和挥发作用减少土壤中一些挥发性污染物及植物将污染物吸收到体内后将其转化为气态物质释放到大气中[9]。
4.2微生物修复技术
利用微生物的活动改变重金属的形态或价态来降低土壤中重金属的毒性。微生物修复是利用微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类能产生多糖、糖蛋白等物质对某些重金属的吸收、沉积、氧化和还原等作用，减少植物摄取，从而降低重金属的毒性[10～11]。 4.3动物修复
动物修复指通过土壤动物群的直接或间接作用而修复土壤污染的过程，目前针对土壤动物修复污染土壤主要是蚯蚓，且又集中研究蚯蚓修复重金属污染的土壤。以往人们更多地利用蚯蚓对污染物的敏感性来为环境保护服务，而忽略了蚯蚓对污染物的耐性。目前，关于蚯蚓对污染物耐性的研究也主要集中在蚯蚓对重金属耐性的研究上。通过土壤动物蚯蚓的耐性来研究蚯蚓对重金属的修复[12]。
根际土壤中动物和微生物之间复杂的交互作用对植物生长和重金属吸收有很大的影响。土壤动物、微生物、植物之间的交互作用，对植物修复技术的进一步发展有重大意义。有研究表明，蚯蚓还能影响土壤微生物存在的种类、数量、活性，而微生物与重金属之间也存在着复杂的相互作用关系，影响着重金属存在的种类和有效性。这些迹象都表明蚯蚓有可能通过取食、消化和排泄等生命活动以及与微生物的相互作用提高土壤中重金属的生物有效性。
5.微生物修复存在的问题及展望
5.1微生物资源及其生物降解途径
需继续筛选和驯化新的降解菌株，进一步解析典型污染物降解基因的结构、功能与调控机制，开展典型污染物微生物降解的基因组研究。以揭示其微生物遗传多样性与功能基因：在全面掌握污染物降解菌生理生化、遗传学特性基础上。重组构建污染物降解关键酶和功能优化的基因工程菌等。
5.2微生物修复的复合化或组合式修复技术研发
由于复合污染的普遍性，往往需要多途径、多方式的修复手段。目前，基于微生物的复合修复思路主要有：微生物一物理改良、微生物一化学活化、微生物一动物、微生物一植物，甚至于采用微生物一植物一动物等多生命体的系统组合，其中微生物（特别是菌根真菌）一植物的联合修复近年来深受人们关注。在重金属和有机污染土壤的修复中显示出很好的应用前景。
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[6]Schnoor J L.Licht L A，Mc Cutcheon SC et al，Phytoremediation of contaminated soils and sediments [J].Environ Sci Technol，1995，28：318～323.
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[12]高岩.蚯蚓指示土壤重金属铜、镉污染及强化植物修复的潜力研究[D].中国科学院南京土壤研究所，2006.