重金属污染生物修复方法概述

重金属污染生物修复方法概述

刘意

（吉首大学生物资源与环境科学学院08级环境工程1班）

摘要：综述了目前我国的水体和土壤的重金属污染情况，以及介绍了目前对水体重金属污染和土壤重金属污染的多种生物修复方法。

关键词：重金属 生物修复 土壤污染 水污染 1 土壤重金属污染的生物修复方法

我国土壤污染总体形势相当严峻, 据统计, 目前全国遭受不同程度污染的耕地面积已接近 2000 万hm2, 约占耕地面积的1/ 5, 每年因重金属污染的粮食达 1200万t。我国许多地方的部分农田土壤中重金属含量较高, 污染严重, 主要包括有Cd、 Hg、 Cr、Pb、Cu、Zn等重金属的污染。

1.1植物修复

植物修复是 20 世纪 80年代初期发展起来的环境污染治理技术。1983 年美国科学家 Chaney[3]首次提出了利用能够富集重金属的植物来清除土壤重金属污染的设想, 即植物修复技术。它是一种利用自然界中超积累植物或者遗传工程培育植物系统及其根际微生物群落来移去、 挥发或稳定土壤环境中的重金属污染物, 或降低重金属的毒性,以期达到清除污染、 修复或治理土壤为目的的一种新兴绿色生物技术。根据植物修复的机理和作用过程, 重金属污染土壤的植物修复技术主要包括植物提取、 植物挥发和植物稳定 3种基本类型。

1.1.1植物提取

植物提取是利用耐受并能积累重金属的植物吸收土壤环境中的金属, 将它们输送并贮存在植物体的地上部分, 通过种植和收割植物而去除土壤中的重金属。这些植物有两大类: 超积累植物和诱导的积累植物。前者是指一些具有很强的吸收重金属并运输到地上部积累能力的植物;后者则是指一些不具有超积累特性但通过一些过程可以诱导出超量积累能力的植物。超积累植物由于具有很强的吸收和积累重金属的能力, 从而在修复重金属污染土壤方面表现出极大的潜力, 其对某种重金属的累积量是普通植物的 10~ 500倍以上。

1.1.2植物挥发

植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中的重金属转化为可挥发态, 或者植物将土壤中的重金属吸收到体内后将其转化为气态物质释放到大气中, 从而净化土壤。植物挥发要求被转化后的物质毒性要小于转化前的污染物质, 以减轻对环境危害。目前在这方面研究较多的是Hg和 Se。Se的化合物形态对人的毒性最强,元素 Se毒性最小。Se 以硒酸盐、 亚硒酸盐和有机态硒的形态为植物所 吸收。某些湿地植物可清除土壤中的 Se,其中单质占 75%, 挥发态占 20%~ 25%, 可通过植物体内三磷酸腺苷( ATP) 硫化酶的作用还原成低毒性的 CH3SeCH3 和 CH3SeSeCH3。高毒性的 Se( ) 可被杨麻根系分泌物转变成低毒性的气态甲基硒而挥发。Hg是一种对环境危害很大的易挥发性重金属,在土壤中以多种形态存在, 如无机汞、 有机汞。高毒汞可经植物气化后变成低毒汞, 如拟南芥菜能将 Hg 变成低毒的单质汞挥发掉。植物挥发修复技术应用于修复重金属污染土壤, 能有效去除土壤中的重金属, 但只限于挥发性重金属的修复,应用范围较小, 而且是将 Hg、 Se等挥发性重金属转移到大气中,有没有环境风险有待于进一步研究,因此, 在采用植物挥发修复技术时应持谨慎态度。

1.1.3植物稳定

植物稳定是指植物通过某种生化过程使污染基质中重金属的流动性降低,生物可利用性下降,从而减轻重金属的毒性。植物稳定修复的作用:一是通过根部累积、 沉淀、 转化重金属, 或通过根表面吸附作用固定重金属; 二是保护污染土壤不受风蚀、 水蚀, 减少重金

属渗漏污染地下水和向四周迁移污染周围环境。如植物可通过分泌磷酸盐与铅结合成难溶的磷酸铅,使铅固化而降低铅的毒性; 植物能使毒性较高的 Cr6 +转变为基本没有毒性的 Cr3 +。这类植物一般具有两个特征: 一是能在高含量重金属污染土壤上生长; 二是根系发达及分泌物能够吸附、 沉淀或还原重金属。值得注意的是植物稳定修复并没有从土壤中将重金属去除,只是暂时将其固定,当土壤环境发生变化时重金属仍可能重新活化并恢复毒性,因而, 没有彻底解决重金属污染问题。

1.2微生物修复

微生物在被污染土壤环境去毒方面具有独特作用已被用于进行土壤生物改造或土壤生物改良,高效微生物降解活性就地净化污染土壤。可用于重金属修复的微生物主要是土著的真菌(酵母) 和细菌。不同类型微生物对重金属污染的耐性也不同,通常为真菌> 细菌> 放线菌微生物修复易受各种环境因素的影响, 温度、 氧气、 水分、 pH 等均可影响微生物活性从而影响修复效果。每种微生物菌株对影响生长和代谢的生物因子都有一定的耐受范围。如果某一环境中有几种参与生物修复的微生物, 就比在同一环境中只有一种修复微生物的耐受范围要宽。但如果环境条件超出了所有定居微生物的耐受范围,微生物的修复作用就会停止。微生物修复在具体实践中也有一定的局限性: 如某些微生物只能降解特定类型污染物;有些情况下不能将污染物全部去除, 微生物/酶制剂可能带来次生污染问题, 并对自然生态过程产生一定影响;加入到修复现场环境中的微生物可能由于竞争或难以适应环境而导致作用结果与实验结果有较大出入。另外, 该方法相关文献报道较少,也缺乏进一步的试验研究, 且微生物修复土壤的能力有限,它只能修复小范围的污染土壤。

1.3动物修复

动物修复是利用土壤中的某些低等动物( 如蚯蚓) 能吸收土壤中的重金属这一特性,通过习居的土壤动物或投放高富集动物对土壤重金属吸收、 降解、 转移,以去除重金属或抑制其毒性。动物修复的生理基础包括: ! 生物体内普遍存在一种金属硫蛋白, 能与重金属结合形成低毒或无毒的络合物; ? 生物体代谢产生一些富含# SH 的多肽( 如 PC) , 能与重金属螯合,从而改变其存在状态; ? 生物体内存在多种编码金属转运蛋白的基因( 如最早克隆的 Zn 转运蛋白基因和Fe转运蛋白基因)[ 10 ]，这些基因编码的转运蛋白能提高生物对金属的抗性。动物修复在国外有较长的研究史, 国内研究则处于摸索阶段。它包括将生长在污染土壤上的植物体、 果实等饲喂动物,通过研究动物的生化变异来研究土壤污染状况, 或者直接将土壤动物, 如虹蝴、 线虫饲养在污染土壤中进行有关研究[ 1 1]。Wang等[ 1 2]研究表明,在较低 Cu 浓度污染土壤的条件下,蛆蛆的活动、 分泌物及其相互间的作用可以提高黑麦草对重金属 Cu的吸收效果。Czamowaka等对华沙交通要道附近 3个草坪采集土壤和蚯蚓进行测定, 可知蚯蚓对 Zn 和 Cd 有良好的富集作用[ 1 3]。陈志伟等[ 14 ]用威廉环毛蚯蚓进行试验, 发现向土壤投加Hg 10 mg/ k g,蚯蚓能存活;投加As 100 ~ 3 00 mg/ kg及同时投加 Cd、 Cu、 Pb各 1 0、 3 00和 3 00 mg/ kg,蚯蚓已不能成活,蚯蚓对重金属的富集系数以 As 为最大, 其次为Cd、 Hg、 Cu。由此可见,在重金属污染的土壤中放养蚯蚓,待其富集重金属后,采用电激、 清水等方法驱出蚯蚓, 集中处理,对重金属污染土壤是一种经济有效的土壤生态恢复措施。

2水体重金属污染的生物修复方法

重金属污染物进入水体后，主要通过沉淀溶解 氧化还原 配合络合 胶体形成 吸附解析等一系列化学作用进行迁移转化，并参与和干扰各种环境化学过程和物质循环过程，最终以一种或多种形态长期存留在环境中，造成永久性的潜在危害重金属对水生植物的毒害作用主要表现在影响细胞膜透性 物质代谢 光合作用和呼吸作用 它还会改变运动器官的细微结构，降低光合作用速率和酶的活性，使核酸组成发生变化，细胞体积缩小和生长受到抑制等 重金属含量超过规定的浓度限值，就会引起人的头痛 头晕 失眠 健忘 神精错乱 关节疼痛

结石 癌症等；尤其对消化系统 泌尿系统的细胞脏器 皮肤 骨骼 神精破坏及为严重。目前主要的生物修复方法有：近海植物修复法、海洋藻类修复法、水体微生物修复法等。

2.1近海植物的修复

植物修复方法是最为看好的一种方法 它是利用植物吸收污染物的量来判断污染程度，进而评价污染物的生物可利用性 作为一门新兴技术，由于它具有明显的生态效益 经济效益和景观功能已被广泛应用于水体污染 土壤污染和底泥沉积物的治理中，在近海污染修复方面也显现了广阔的应用前景 例如，苏州市利用水生植物治理被污染的湖水，在岸上 30~50m的范围内种植芦苇 莲藕或水草，在 50m 以外栽种香樟树 美人蕉或是柳树，同时投放鲢 鳙鱼等能吃藻类的鱼种 湖边浓密的植物对重金属不仅起到了过滤作用，而且像芦苇 水草 莲藕 美人蕉和柳树等植物的根茎可以很好地吸收并消化水中的污染物 进入湖泊的水变得清洁，使之恢复了自我净化的功能[2]海洋植物一般可分为 3 类，浮游植物 大型海藻 海洋种子植物共一万多种 目前在近海污染的植物修复中，研究应用最多的是大型海藻和红树植物 有研究发现红树植物对Pb HgGe Cu Zn等重金属有很好的吸附和固定作用，对某些放射性物质也具有吸收作用 它还可以有效地净化沉积物中的重金属，所富集的重金属 70%~90%都储存在不易被动物消耗的根和树干部分 利用红树植物净化海域重金属污染是一种投资少而可行性高的治理途径。此外，近海的一些海藻对 Cu Ge Pb Ni Mn 等重金属也有一定的吸收积累作用 如三角褐指藻对Pb Ni 具有较高的耐受力；海篙子对 As 和 Sr具有超富集能力，对 Mn Ni Cu 和 Pb 也有较强的富集能力；海带对As的富集作用也很强

2.2海洋藻类的生物修复技术

海洋赤潮生物原甲藻及其藻壁多糖对重金属离子的吸附作用可在30min内完成 研究表明， pH值是对其吸附作用影响较大的因素之一 适宜的pH值范围在5.0 以上椭圆小球藻对 Cu Zn Ni Cr 四种重金属的耐受性及富集作用的研究结果表明，该藻对Zn2+和 Cr2+具有很高的耐受性和很好的去除效果[6]对上述金属离子的吸附选择顺序为： Cu2+>Cr2+>Zn2+小球藻吸附重金属离子的速度快，吸附容量大，其适宜的pH值为3.0~5.0[7]极大螺旋藻对6 种重金属离子（Ag1+Cu2+Mn2+Ni2+Pb2+Zn2+）的生物吸附作用的研究结果表明，当 pH=5.5，重金属离子质量浓度为50mg/L，吸附时间为 2h 时，极大螺旋藻的吸附作用最强 它的吸附选择顺序依次为： Ag1+>Pb2+>Zn2+>Cu2+>Mn2+>Ni2+[8]钝顶螺旋藻对7种重金属离子（Pb2+Cu2+Ni2+Cr2+Ag1+Hg2+Co2+）的富集作用的试验研究发现：在一定浓度下，该藻对 Pb2+的耐受力最强，对 Ag1+和 Hg2+敏感，对上述 7 种金属离子的吸附选择依次为： Pb2 +>Cr2 +>Co2 +>Ni2 +>Cu2 +>Hg2+>Ag1+[9]另外，通过研究蓝藻对重金属的生物吸附作用，分别从蓝藻吸附重金属的生理生化特征吸附性能 吸附剂的再生和固定及构建和筛选高吸附性能的蓝藻藻株等几个方面进行详细论述，得出蓝藻作为新型生物吸附剂具有广阔的前景。

2.3水体微生物修复

微生物对重金属产生作用的方式有 3 种：一是吸附作用 即微生物作为一种特殊的离子交换剂，其菌体细胞表面存在着各种离子基团，这些离子基因能够对重金属进行物理吸附和生物吸附 二是絮凝作用 一些微生物能产生具有絮凝活性的代谢物如多糖类 蛋白类的高分子物质 这些物质含有多种官能团，分泌到细胞外能使水中的胶体悬浮物互相凝聚沉淀 到目前为止，已开发出的对重金属离子有絮凝作用的生物有细菌 霉菌 放线菌 酵母菌和藻类等 12个品种三是生物化学反应 微生物通过氧化-还原 甲基化和去甲基化等生化反应将毒性重金属离子转化为无毒物质或将其沉淀 此过程与代谢和酶密切相关 硫酸盐生物还原法就是一种典型生物化学法利用微生物技术修复污染水体是一项极为复杂的系统工程 针对当前严重的污染情况，应当积极开发微生物资源 改良原有物种 寻找发现新物种 针对特定的微生物建立高效的反应器，优化处理工艺和运行条件，进一步扩展微生物修复的范围，将微生物修复技术和各种物理化学方法综合起来利用。

参考文献：

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Title: <桉树在土壤重金属污染区土壤生物修复的应用前景.pdf> Short Title: <桉树在土壤重金属污染区土壤生物修复的应用前景.pdf>

Reference Type: Journal Article Record Number: 43 Author: 曹越 Year: 2010

Title: 土壤重金属污染危害及生物修复技术研究 Journal: 环境科学与管理 Volume: 35 Issue: 6

Short Title: 土壤重金属污染危害及生物修复技术研究 Keywords: 土壤 重金属 生物修复

Abstract: 文章阐明了土壤重金属污染的危害与污染土壤的生物修复技术研究现状扣国外生物修复技术的最新研究内容和方法。系统介绍了重金属污染土壤生物修复的概念、生物修复特点及其机制、类型，重点论述了植物、微生物、动物对重金属污染土壤的修复技术方面的研究进展。最后对生物修复的发展前景进行展望，并在此基础上提出了一些见解和... %U http://www.cqvip.com/qk/34312636.html %W 重庆维普资讯有限公司

'File' Attachments: internal-pdf://土壤重金属污染危害及生物修复技术研究-1882491392/土壤重金属污染危害及生物修复技术研究.pdf

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