土壤中重金屬的生物修復(fù)技術(shù)

1、土壤中重金屬污染的生物修復(fù),鄭金寶 環(huán)境工程,主要內(nèi)容,1 土壤中重金屬污染的概況 2 土壤中重金屬污染的生物修復(fù)（植物修復(fù)和微生物修復(fù)） 3 展望與前景,1 土壤中重金屬污染的概況,土壤重金屬污染是指土壤中較高含量的重金屬對生物產(chǎn)生毒害作用，并造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象。,1 土壤中重金屬污染的概況,我國土壤污染總體形勢相當(dāng)嚴(yán)峻， 據(jù)統(tǒng)計，目前全國遭受不同程度污染的耕地面積已接近 2000 萬hm2， 約占耕地面積的1/ 5，每年因重金屬污染的糧食達(dá) 1200萬t。我國許多地方的部分農(nóng)田土壤中重金屬含量較高， 污染嚴(yán)重，主要包括有Cd、 Hg、 Cr、Pb、Cu、Zn等重金屬的污染。,1 土

2、壤中重金屬污染的概況,我國部分地區(qū)土壤重金屬污染已相當(dāng)嚴(yán)重，如沈陽的張士灌區(qū)在過去20 多年的污灌中， 污灌面積達(dá)2.5107m2， 其中有3.3106 m2 土壤含鎘57 mg/kg， 鎘污染十分嚴(yán)重。,1 土壤中重金屬污染的概況,污染來源主要是通過大氣沉降、污水灌溉、固體廢棄物排放以及農(nóng)藥和化肥的施用等途徑進(jìn)入土壤。 中國土壤重金屬污染物主要來源于污水灌溉，工業(yè)廢渣、城市垃圾、工業(yè)廢棄物堆放及大氣沉降。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),污染土壤修復(fù)是指利用物理、化學(xué)和生物的方法轉(zhuǎn)移、吸收、降解和轉(zhuǎn)化土壤中的污染物，使其濃度降低到可接受水平，或?qū)⒂卸居泻Φ奈廴疚镛D(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)。以阻斷污染物進(jìn)

3、入食物鏈，防止對人體健康造成危害，促進(jìn)土地資源的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),傳統(tǒng)的土壤污染治理方法主要有： 基于機(jī)械物理或物理化學(xué)原理的工程措施，如客土換土法、隔離法、清洗法、熱處理法、電化學(xué)法等。 基于污染物土壤地球化學(xué)行為的改良措施，如添加改良劑、抑制劑降低土壤污染物的水溶性、擴(kuò)散性和生物有效性。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),上述方法自身存在很大的局限性，都未能成為較為理想的土壤重金屬污染治理措施。近年來，重金屬污染生物修復(fù)技術(shù)正在興起。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),生物修復(fù)是指利用特定的生物(植物、微生物或原生動物) 吸收、轉(zhuǎn)化、清

4、除或降解環(huán)境污染物，實現(xiàn)環(huán)境凈化、生態(tài)效應(yīng)恢復(fù)的生物措施。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),生物修復(fù)技術(shù)有許多方面的優(yōu)點： 可以使污染物完全從環(huán)境中去除，處理時間短， 對周圍環(huán)境影響較小， 并且投資少，不會產(chǎn)生二次污染。 主要通過兩種途徑來達(dá)到對土壤中重金屬的凈化作用: （1） 通過生物作用改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)，使重金屬固定或解毒，降低其在土壤環(huán)境中的移動性和生物可利用性。 （2） 通過生物吸收、代謝達(dá)到對重金屬的削減、凈化與固定作用。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),現(xiàn)在土壤中重金屬污染的生物修復(fù)技術(shù)主要包括： 1 植物修復(fù) 2 微生物修復(fù),2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),1 植物修復(fù) 它

5、是一種利用自然界中超積累植物或者遺傳工程培育植物系統(tǒng)及其根際微生物群落來移去、 揮發(fā)或穩(wěn)定土壤環(huán)境中的重金屬污染物，或降低重金屬的毒性，以期達(dá)到清除污染、 修復(fù)或治理土壤為目的的一種新興綠色生物技術(shù)。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),植物固定，是指植物通過某種生化過程使污染基質(zhì)中金屬的流動性降低，生物可利用性下降，從而減輕有毒金屬對植物的毒性。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),這類植物主要通過保護(hù)土壤不受侵蝕，減少土壤滲漏來防止污染物的流失，并通過在根部累積和沉淀，或通過根系吸收重金屬來增加對污染物的固定。其根系分泌的粘膠狀物質(zhì)可與Pb、Cu 和Cd 等金屬離子競爭性

6、結(jié)合，使其在植物根外沉淀，同時也影響其在土壤中的遷移性。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),植物揮發(fā)是利用植物去除環(huán)境中部分揮發(fā)污染物的方法，即植物將污染物吸收于體內(nèi)后又將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)而釋放到大氣中。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),植物揮發(fā)要求被轉(zhuǎn)化后的物質(zhì)毒性要小于轉(zhuǎn)化前的污染物質(zhì)，以減輕環(huán)境危害。 植物揮發(fā)只適用于具有揮發(fā)性的金屬污染物，應(yīng)用范圍較小。同時該方法只是將污染物從土壤轉(zhuǎn)移到大氣，對環(huán)境仍有一定影響。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),植物吸收又稱植物提取、植物萃取，是利用耐受并能積累重金屬的植物吸收土壤環(huán)境中的金屬離子，將它們輸送并貯存在植物體的地上部分，通過種植和收割植物而去除土

7、壤中的重金屬。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),這些能夠大量吸收并累積重金屬的植物稱為超富集植物，其對某種重金屬的累積量是普通植物的10500 倍以上。通常超富集植物被要求具有生物量大、生長快和抗病蟲害能力強(qiáng)等特點，以及具備對多種重金屬較強(qiáng)的富集能力。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),微生物修復(fù) 微生物修復(fù)的機(jī)理：受到重金屬污染的土壤，往往富集多種耐重金屬的真菌和細(xì)菌，微生物可通過多種作用方式影響土壤重金屬的毒性。 例如：1kg毛霉和根霉粉未可凈化含10mg/L鋅、pH=7的廢水5 000 L。根霉菌對鈾的吸附量可高達(dá)200 mgg；黃青霉不但對鈾有較強(qiáng)的吸附能力，對鉛的吸附能力也不差；而霉菌對鉛

8、也有良好的吸附性能。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),微生物對土壤中重金屬活性的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是生物吸附；二是生物轉(zhuǎn)化。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),對重金屬的生物吸附，細(xì)胞表面載有負(fù)電荷， 且存在氨基、羧基、羥基、醛基、硫酸根等多種官能團(tuán)， 可通過靜電吸附和絡(luò)合作用固定重金屬離子。 微生物吸附重金屬的機(jī)制十分復(fù)雜，研究表明它們對金屬的作用可分為微生物吸著和微生物累積兩個不同的生物化學(xué)階段。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),第一階段是重金屬在細(xì)胞表面吸附， 即微生物吸著階段，主要是指重金屬離子與生物體細(xì)胞壁表面的一些基團(tuán)如- COOH、- OH、- NH2、- SH、- PO43

9、- 等通過絡(luò)合、螯合、離子交換、靜電吸附、共價吸附以及無機(jī)微沉淀等作用中的一種或幾種相結(jié)合的過程。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),第二階段是指微生物累積這一主動過程， 它僅發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)。當(dāng)活細(xì)胞生存在環(huán)境中時，它可以通過多種機(jī)制，包括運(yùn)輸以及細(xì)胞內(nèi)外的吸附來“提高”本身的金屬含量。已提出的金屬運(yùn)送機(jī)制有脂類過度氧化、復(fù)合物滲透、載體協(xié)助、離子泵等。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),微生物對重金屬的生物轉(zhuǎn)化作用主要包括氧化與還原， 甲基化與去甲基化， 溶解作用以及有機(jī)絡(luò)合配位降解轉(zhuǎn)化重金屬等。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),甲基化作用 汞、砷、鎘、鉛等金屬或類金屬離子都能夠在微生物的作用下發(fā)生甲

10、基化反應(yīng)。假單胞菌屬在金屬及類金屬離子的甲基化作用中具有重要的貢獻(xiàn)， 它們能夠使許多金屬或類金屬離子發(fā)生甲基化反應(yīng)， 從而使金屬離子的活性或毒性降低。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),還原作用 微生物還能夠?qū)⒏邇r金屬離子還原成低價態(tài)，將有機(jī)態(tài)金屬還原成單質(zhì)，有些金屬在這個過程中毒性消失。,2土壤中重金屬污染的生物修復(fù),氧化作用 微生物還能將環(huán)境中一些重金屬元素氧化，某些自養(yǎng)細(xì)菌如硫鐵桿菌類能氧化As3+、Fe2+、Mo4+、Cu+ 等，通過氧化作用使這些金屬離子的活性降低。,3 展望與前景,生物修復(fù)的優(yōu)勢： 植物修復(fù)能夠徹底清除土壤中的重金屬污染，并可以通過處理植物體而回收其中的重金屬，達(dá)到資源化利用的目標(biāo)； 微生物技術(shù)修復(fù)污染土壤是一種行之有效的方法。微生物資源豐富， 代謝途徑多樣，且操作方法相對成熟，使之具有修復(fù)多重污染土壤的巨大潛力。,3 展望與前景,生物修復(fù)的局限性： 重金屬污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)展，但還存在一定的局限性，如生物修復(fù)持續(xù)時間長，見效慢，受環(huán)境影響大以及不適合于嚴(yán)重污染土壤的修復(fù)等。因此，今后還需在以下幾個方面展開深入研究。,3 展望與前景,(1)繼續(xù)搜尋重金屬超積累植物，研究植物的重金屬積累機(jī)理，利用基因工程技術(shù)提高大型植物的重金屬積累量。,3 展望與前景,(2)進(jìn)行生態(tài)調(diào)查，篩選重金屬污染土壤中的優(yōu)勢菌根真菌