土壤中重金属污染的生物修复技术.docx

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土壤中重金属污染的生物修复技术

土壤中重金属污染的生物修复技术

　　摘要：

本文主要讲述了生物修复在土壤重金属污染中的应用，通过对各种途径进入土壤中的重金属类型的分析，列举了在对重金属污染中所应用的几种生物修复技术。

用以去除在土壤中累积的重金属。

在列举了上述的几种可操作的生物修复技术后，说明出在现有的土壤重金属污染治理技术中，生物修复技术被认为是最具生命力的。

　　关键词：

生物修复重金属生物修复微生物修复

　　一、生物修复的产生与发展

　　生物修复起源于有机污染的治理，最初的生物修复是从微生物利用开始的。

人类利用微生物制作发酵食品已经有几千年的历史，利用好氧或厌氧微生物处理污水已有100多年的历史，但利用生物修复技术处理现场有机物才有30年的历史。

首次记录实际使用生物修复是在1972年，于美国宾夕法尼亚洲的Ambler清除管线泄露的汽油。

最初，生物修复的应用范围仅限于实验阶段，直到1989年美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染以后，才首次大规模应用生物修复技术。

　　随着近年来生物修复技术的飞速发展，生物修复的内涵丰富。

除了传统的生物修复外，还发展起来了真菌修复、植物修复以及生态修复。

　　二、生物修复的类型

　　生物修复是一门新型的学科，很多内容还处于发展之中，因此其分类体系还不够健全。

一般的生物修复可根据修复主体、修复受体和修复场所等进行分类。

　　生物主体是参与生物修复的生物类群，显然这些生物类群包括微生物、植物、动物以及由它们构成的生态系统。

因此，生物修复可以分为微生物修复、植物修复、动物修复和生态修复四大类，其中微生物修复就是我们通常所称的狭义上的生物修复。

　　生物受体是生物修复的对象，即我们通常所说的环境要素。

众所周知，环境要素一般包括土壤、水体、大气等。

考虑到固体废弃物涉及的环境要素是土壤、水体、大气的自然综合体，有时也将固体废弃物纳入第四环境要素。

有些环境要素还可分为若干次级要素，因此，根据修复对象可将生物修复分为土壤生物修复、河流生物修复、湖泊生物修复、海洋生物修复、地下水生物修复、大气生物修复、矿区生物修复、垃圾场生物修复等。

　　根据生物修复实施的场所（或形式），可将生物修复分为原位生物修复、异位生物修复以及联合生物修复。

原位自然生物修复，是利用环境原有的微生物，在自然条件下对污染区进行自然修复。

异位修复，有时也称易位修复，是指将受污染的环境对象搬运或输送到其他场所，进行集中修复。

本文着重以土壤中重金属污染的生物修复为主体进行论述。

　　三、土壤中重金属污染的生物修复技术

　　通过各种途径进入土壤中的重金属，由于化学、物理、生物因素的作用，在土壤中不断累积。

由于重金属不能被微生物降解和在土壤中难于迁移，使治理土壤重金属污染变得十分困难。

随着人们对环境保护的日益重视，一些科学家开始探索在不破坏土壤生态环境的情况下来治理重金属污染土壤的新途径。

在现有的土壤污染治理技术中，生物修复技术被认为是最具生命力的。

　　四、重金属生物修复技术原理

　　生物修复是利用各种天然生物过程而发展起来的一种现场处理各种环境污染的技术。

重金属生物修复技术就是利用生物（主要是微生物、植物）作用。

削减、净化土壤中的重金属或降低重金属毒性。

出于重金属污染的特点是不能被降解而从环境中彻底消除，只能从一种形态转化为另一种形态，从高浓度变为低浓度，且能在生物体内积累富集。

所以重金属的生物修复有两种途径：

　　1.通过在污染土壤上种植木本植物、经济作物以及生长的野生植物，利用其对重金属的吸收、积累和耐性除去重金属。

　　2.利用生物化学、生物有效性和生物活性原则，把重金属转化为较低毒性产物（络合态、脱烷基、改变价态）；或利用重金属与微生物的亲合性进行吸附及生物学活性最佳的机会，降低重金属的毒性和迁移能力。

　　五、重金属生物修复技术

　　1.植物修复技术

　　植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门环境污染治理技术。

它是一门新兴的应用技术。

广义的植物修复技术包括利用植物修复重金属污染的土壤、利用植物净化空气、利用植物清除放射性核素和利用植物及其根系微生物共存体系净化土壤中有机污染物四个方面。

狭义的植物修复技术主要指利用植物清洁污染土壤中的重金属。

　　这种技术主要通过两种途径来达到对土壤中重金属的净化作用：

①通过植物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定、降低其在土壤中的移动性和生物可利用性；②通过植物吸收、挥发及降解代谢达到对重金届的削减、净化和去除作用。

根据其作用过程和机理，重金属污染土壤的植物修复技术可归纳为以下四种类型：

　　1.1植物提取法

　　利用一些植物对重金属的吸收和在地上部的蓄积,并通过收获地上部达到减少土壤重金属含量的目的,这些植物主要分为两类,超量蓄积植物和诱导的超量蓄积植物。

目前已发现有400多种植物能够超量蓄积各种重金属。

一些超量蓄积植物能同时超量吸收、蓄积2种或几种重金属元素。

用植物提取方法来修复重金属污染土壤的成功与否取决于两个方面,即植物体内有毒重金属含量的多少和植物生物量的大小,理想的用于植物提取的植物其地上部必须有一种或一种以上的有毒重金属含量比普通植物高百倍甚至千倍以上。

在植物修复的实际操作中,植物体内金属含量多少比植株生物量的大小更有意义[1]。

植株或灰分中的重金属含量越高,对植株或灰分进行二次处理的成本就越低,经济效益越明显。

　　1.2植物挥发法

　　利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态,挥发出土壤和植物表面的过程。

一些金属,如硒、砷和汞等,可以生物甲基化而形成可挥发性的分子。

有关资料表明,印度芥菜有较高的吸收和蓄积硒的能力,在种植这一植物的第2年可使土壤中的全硒减少48%。

在自然环境中,汞主要以Hg存在,一些细菌利用汞还原酶可把汞离子还原成分子汞。

Rugh等已成功地把细菌的Hg还原酶基因导入拟南芥植株,使植株耐汞能力大大提高[2]。

Hg被转基因植物还原可以促进汞从土壤中的挥发,进一步的工作是研究如何使汞转化为无毒的形态,或使汞气的挥发控制在环境许可的范围内。

　　1.3植物（根系）过滤法

　　水生植物、半水生植物和陆生植物均可作为根系过滤的材料。

理想的根系过滤的植物一是根系生长迅速,二是根系在相对长的时间内有较高清除重金属的能力。

目前已筛选出了几种较理想的植物,如向日葵和印度芥菜等。

对不同的金属来说,植物根系或幼苗清除有毒金属的机制不尽相同。

例如,清除铅的机制主要是沉淀和离子交换吸附,在印度芥菜的根系细胞壁上形成沉淀,这一沉淀多为铅的碳酸盐类。

铅也可交换性地吸附到细胞壁的负电荷点上[3]。

　　1.4植物固化-稳定化法

　　植物钝化是利用一些植物来促进重金属转变低毒性形态的过程。

在这一过程中,土壤的重金属含量并不减少,只是形态发生变化。

这方面最有应用前景的是铅和铬的钝化[4]。

一般来说,土壤中铅的生物有效性较高,而铅的磷酸盐矿物则比较难溶,难于被生物所利用。

　　2.微生物修复技术

　　许多重金属是生命必需的物质或元素,例如但是当它们在环境中的浓度超过了限度就成了毒物,微生物虽不能将重金属像有机物矿化那样彻底降解,但可对它们进行固定、移动或转化,改变它们在环境中的迁移特性和形态,从而进行生物修复。

　　2.1对重金属离子的生物转化

　　2.11甲基化作用

　　汞、砷、镉、铅等金属或类金属离子都能够在微生物的作用下发生甲基化反应。

假单胞菌属在金属及类金属离子的甲基化作用中具有重要的贡献,它们能够使许多金属或类金属离子发生甲基化反应,从而使金属离子的活性或毒性降低。

但有些离子甲基化后毒性反而增强,例如甲基汞的生物毒性比无机汞高50～100倍。

　　2.12还原作用

　　微生物还能够将高价金属离子还原成低价态,将有机态金属还原成单质,有些金属在这个过程中毒性消失。

中科院微生物研究所的研究人员用烟草头孢霉F2在含有200mg/LHgCl2的液体培养基中生长了16h后,汞量减少90%,此后菌量迅速增加,结果表明,HgCl2能被还原成汞元素;据分析,约有12%的汞挥发到大气中,7%的汞被菌体吸附,其余以元素汞的形式沉积在培养液底部[5]。

　　2.13氧化作用

　　微生物还能将环境中一些重金属元素氧化,某些自养细菌如硫铁杆菌类能氧化As3+、Fe2+、Mn4+、Cu+等,通过氧化作用使这些金属离子的活性降低。

有些金属离子如Mn2+和Sn3+的生物毒性分别比Mn4+和Sn4+大。

有些微生物能够氧化Mn2+和Sn3+,使之成为毒性较小的Mn4+和Sn4+。

　　2.2对重金属离子的生物吸附

　　微生物吸附最早是由Ruchhoft在1949年提出的,他利用活性污泥去除水中的放射性元素Pu,并认为Pu的去除是由于微生物的繁殖形成具有较大面积的凝胶网,而使微生物具有吸附能力。

微生物吸附重金属的机制十分复杂,研究表明它们对金属的作用可分为微生物吸着和微生物累积两个不同的生物化学阶段。

第一阶段是重金属在细胞表面吸附,即微生物吸着阶段,主要是指重金属离子与生物体细胞壁表面的一些基团如-COOH、-OH、-NH2、-SH、-PO4等通过络合、螯合、离子交换、静电吸附、共价吸附以及无机微沉淀等作用中的一种或几种相结合的过程。

第二阶段是指微生物累积这一主动过程,它仅发生在活细胞内[6]。

当活细胞生存在环境中时,它可以通过多种机制,包括运输以及细胞内外的吸附来“提高”本身的金属含量。

已提出的金属运送机制有脂类过度氧化、复合物渗透、载体协助、离子泵等。

　　随着工农业的迅速发展和城市人口的剧增，环境污染问题日益突出。

污染环境的修复已经成为全球关注的热点问题，各种各样的环境污染治理技术中，生物修复技术以其费用低、操作简单、处理效果好、并且不易造成二次污染等特点受到越来越多的关注。

生物修复至今仅有30多年的研究历史，但是20世纪80年代以后，一些生物修复技术已经开始在污染治理中推广应用并取得了良好的效果。

近年来，利用微生物、植物修复污染环境的生物技术成为研究热点。

　　本论文共分三大部分，首先对环境生物修复技术等产生和发展以及生物修复技术的主要方法和研究现状做了详细的论述；接着重点阐述了生物修复技术在土壤重金属污染修复中的应用，详细说明了植物修复和微生物修复的技术原理。

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