農(nóng)田重金屬污染現(xiàn)狀精選(九篇)

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第1篇：農(nóng)田重金屬污染現(xiàn)狀范文

【關(guān)鍵詞】污染土壤；微生物；修復(fù)原理；修復(fù)技術(shù)

土壤污染已經(jīng)成為全球性的重要環(huán)境問(wèn)題之一。由于礦山開(kāi)采、金屬冶煉以及工業(yè)污水和污泥的農(nóng)業(yè)應(yīng)用，大量的有毒有害重金屬元素進(jìn)入土壤系統(tǒng)，在土壤中的滯留時(shí)間長(zhǎng)，具有難降解性、隱蔽性和不可逆性的特點(diǎn)，不僅導(dǎo)致土壤的退化、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的降低，而且還可能通過(guò)食物鏈危及人類(lèi)的健康和生命。

目前，用于土壤重金屬污染治理的方法包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)雖能達(dá)到一定的效果，但是能耗大、二次污染等問(wèn)題也限制了其應(yīng)用[1]，尤其對(duì)于大面積有害的低濃度重金屬污染，更是難以處理。重金屬污染土壤的原位生物修復(fù)是利用各種天然生物過(guò)程而發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)場(chǎng)處理土壤環(huán)境污染的技術(shù)，可利用生物削減土壤中重金屬含量或降低重金屬毒性[2]。根據(jù)修復(fù)主體的不同，它主要分為微生物修復(fù)、植物修復(fù)和植物-微生物聯(lián)合修復(fù)。微生物修復(fù)較物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性，操作簡(jiǎn)單、處理費(fèi)用低、效果好，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成二次污染，可以就地進(jìn)行處理等，具有很大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。

1.微生物修復(fù)機(jī)理

重金屬對(duì)人的毒性作用常與它的存在狀態(tài)有密切的關(guān)系。一般地說(shuō)，金屬存在形式不同，其毒性作用也不同。微生物不能降解和破壞重金屬，但可以對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行固定、移動(dòng)或轉(zhuǎn)化，改變它們?cè)谕寥乐械沫h(huán)境化學(xué)行為，可促進(jìn)有毒、有害物質(zhì)解毒或降低毒性，從而達(dá)到生物修復(fù)的目的。

1.1 微生物的轉(zhuǎn)化作用

微生物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)化作用包括氧化還原作用、甲基化與去甲基化作用以及重金屬的溶解和有機(jī)絡(luò)合配位降解。土壤中的一些重金屬元素可以多種價(jià)態(tài)和形態(tài)存在，不同價(jià)態(tài)和形態(tài)的溶解性和毒性不同，可通過(guò)微生物的氧化還原作用和去甲基化作用改變其價(jià)態(tài)和形態(tài)，從而改變其毒性和移動(dòng)性。

1.1.1 氧化還原作用

微生物可通過(guò)改變重金屬的氧化還原狀態(tài)，使重金屬化合價(jià)發(fā)生變化，改變重金屬的穩(wěn)定性。Silver等[3]提出，在細(xì)菌作用下氧化還原是最有希望的有毒廢物生物修復(fù)系統(tǒng)。微生物能氧化土壤中多種重金屬元素，某些自養(yǎng)細(xì)菌如硫-鐵桿菌類(lèi) （Thiobacillus ferrobacillus）能氧化As、Cu、Mo和Fe等，假單孢桿菌屬 （Pseudomonas）能使As、Fe和Mn等發(fā)生生物氧化，降低這些重金屬元素的活性。微生物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)化作用常見(jiàn)的有對(duì)鉻、汞、硒和砷等的轉(zhuǎn)化。如假單胞菌（ Pseudomonadsp.） 可以把六價(jià)鉻還原為三價(jià)鉻，從而降低其毒性[4]。

1.1.2 甲基化與去甲基化作用

微生物可通過(guò)改變重金屬的甲基化和去甲基化作用改變重金屬的環(huán)境效應(yīng)。Fwukowa從土壤中得到假單胞桿菌K-62，它能分解無(wú)機(jī)汞和有機(jī)汞而形成元素汞，元素汞的生物毒性比無(wú)機(jī)汞和有機(jī)汞低得多。Frankenber等通過(guò)耕作、優(yōu)化管理、施加添加劑等來(lái)加速硒的原位生物甲基化，使其揮發(fā)而降低硒的毒性，此生物技術(shù)已在美國(guó)西部灌溉農(nóng)業(yè)中用于清除硒污染[5]。有些真菌和細(xì)菌能使無(wú)機(jī)As轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機(jī)As，從而降低其毒性[6]。

1.1.3 重金屬溶解或配位絡(luò)合作用

一些微生物，如動(dòng)膠菌、藍(lán)細(xì)菌、硫酸鹽還原菌以及某些藻類(lèi)，能夠產(chǎn)生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的陰離子基團(tuán)，與重金屬離子形成絡(luò)合物。如Bargagli在Hg礦附近土壤中分離得到很多高級(jí)真菌，一些菌根種和所有腐殖質(zhì)分解菌都能積累Hg達(dá)到100 mg/kg土壤干重[7]。

1.2 微生物的積累和吸著作用

土壤中重金屬離子有5種形態(tài)：可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)。前3種形態(tài)穩(wěn)定性差，后2種形態(tài)穩(wěn)定性強(qiáng)。重金屬污染物的危害主要來(lái)自前3種不穩(wěn)定的重金屬形態(tài)[6]。微生物固定作用可將重金屬離子轉(zhuǎn)化為后兩種形態(tài)或積累在微生物體內(nèi)，從而使土壤中重金屬的濃度降低或毒性減小。微生物固定作用有胞外吸附作用、胞外沉淀作用和胞內(nèi)積累作用3種形式。其作用方式有以下幾種：①金屬磷酸鹽、金屬硫化物沉淀；②細(xì)菌胞外多聚體；③金屬硫蛋白、植物螯合肽和其他金屬結(jié)合蛋白；④鐵載體；⑤真菌來(lái)源物質(zhì)及其分泌物對(duì)重金屬的去除[8]。

1.2.1 胞外吸附作用

胞外吸附作用主要是指重金屬離子與微生物的產(chǎn)物或細(xì)胞壁表面的一些基團(tuán)通過(guò)絡(luò)合、螯合、離子交換、靜電吸附、共價(jià)吸附等作用中的一種或幾種相結(jié)合的過(guò)程[2]。許多研究表明細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物對(duì)溶解態(tài)的金屬離子有很強(qiáng)的絡(luò)合能力，這主要因?yàn)榧?xì)菌表面有獨(dú)特的化學(xué)組成。細(xì)胞壁帶有負(fù)電荷而使整個(gè)細(xì)菌表面帶負(fù)電荷，而細(xì)菌的產(chǎn)物或細(xì)胞壁表面的一些基團(tuán)如-COOH、-NH2、-SH、-OH等陰離子可以增加金屬離子的絡(luò)合作用[9]。研究表明，許多微生物，包括細(xì)菌、真菌和藻類(lèi)可以生物積累（bioaccumulation）和生物吸著 （biosorption）環(huán)境中多種重金屬和核素[10]。一些微生物如動(dòng)膠菌、藍(lán)細(xì)菌、硫酸鹽還原菌以及某些藻類(lèi)，能夠產(chǎn)生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的陰離子基團(tuán)，與重金屬離子形成絡(luò)合物。

1.2.2 胞外沉淀作用

胞外沉淀作用指微生物產(chǎn)生的某些代謝產(chǎn)物與重金屬結(jié)合形成沉淀的過(guò)程。在厭氧條件下，硫酸鹽還原菌中的脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）和腸狀菌屬（Desulfotomaculum）可還原硫酸鹽生成硫化氫，硫化氫與Hg2+形成HgS沉淀，抑制了Hg2+的活性[11]。某些微生物產(chǎn)生的草酸與重金屬形成不溶性草酸鹽沉淀。

1.2.3 胞內(nèi)積累作用

胞內(nèi)積累作用是指重金屬被微生物吸收到細(xì)胞內(nèi)而富集的過(guò)程。重金屬進(jìn)入細(xì)胞后，通過(guò)區(qū)域化作用分布在細(xì)胞內(nèi)的不同部位，微生物可將有毒金屬離子封閉或轉(zhuǎn)變成為低毒的形式[12]。微生物細(xì)胞內(nèi)可合成金屬硫蛋白，金屬硫蛋白與Hg、Zn、Cd、Cu、Ag 等重金屬有強(qiáng)烈的親合性，結(jié)合形成無(wú)毒或低毒絡(luò)合物。如真菌木霉、小刺青霉和深黃被包霉通過(guò)區(qū)域化作用對(duì)Cd、Hg都有很強(qiáng)的胞內(nèi)積累作用[13]。研究表明，微生物的重金屬抗性與MT積累呈正相關(guān)，這使細(xì)菌質(zhì)粒可能有抗重金屬的基因，如丁香假單胞菌和大腸桿菌均含抗 Cu基因，芽孢桿菌和葡萄球菌含有抗Cd和抗Zn基因，產(chǎn)堿菌含抗Cd、抗 Ni及抗Co基因，革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性菌中含抗As和抗Sb基因。Hiroki[14]發(fā)現(xiàn)在重金屬污染土壤中加入抗重金屬產(chǎn)堿菌可使得土壤水懸浮液得以?xún)艋??？梢?jiàn)，微生物生物技術(shù)在凈化污染土壤環(huán)境方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.重金屬污染土壤微生物修復(fù)技術(shù)及其研究進(jìn)展

微生物修復(fù)重金屬污染的技術(shù)主要為原位修復(fù)和異位修復(fù)。微生物原位修復(fù)技術(shù)是指不需要將污染土壤搬離現(xiàn)場(chǎng)，直接向污染土壤投放N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和供氧，促進(jìn)土壤中土著微物或特異功能微生物的代謝活性，降解污染物主要包括：生物通風(fēng)法（bioventing）、生物強(qiáng)化法（enhanced-bioremediation）、土地耕作法（1and farming）和化學(xué)活性柵修復(fù)法（chemical activated bar）等幾種。異位微生物修復(fù)是把污染土壤挖出，進(jìn)行集中生物降解的方法。主要包括預(yù)制床法（preparedbed）、堆制法（composting biorernediation）及泥漿生物反應(yīng)器法（bioslutrybioreactor）。

2.1 生物刺激技術(shù)

生物刺激即向污染的土壤中添加微生物生長(zhǎng)所需的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素以及電子受體，刺激土著微生物的生長(zhǎng)來(lái)增加土壤中微生物的數(shù)量和活性。關(guān)于這方面的研究國(guó)外文獻(xiàn)已有報(bào)道。Reddy KR，Cutright T J對(duì)鉻污染土壤的微生物修復(fù)進(jìn)行的研究表明，限制鉻污染場(chǎng)地修復(fù)進(jìn)程的一個(gè)共同因素是污染場(chǎng)地通常缺乏足夠的營(yíng)養(yǎng)以供引進(jìn)的外來(lái)微生物或土著微生物生長(zhǎng)，以至這些微生物自身具備的還原Cr6+的潛力得不到充分發(fā)揮；為使其潛力得到充分發(fā)揮，需向其生活的環(huán)境中投加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)刺激鉻還原菌的新陳代謝和繁殖，促進(jìn)鉻污染土壤的修復(fù)[15]。HigginsT E將堆肥、鮮肥、牛糞、泥炭加入鉻污染土壤進(jìn)行原位修復(fù)，提高了修復(fù)效果[16]。

2.2 生物強(qiáng)化技術(shù)

生物強(qiáng)化技術(shù)即向重金屬污染土壤中加入一種高效修復(fù)菌株或由幾種菌株組成的高效微生物組群來(lái)增強(qiáng)土壤修復(fù)能力的技術(shù)。所加入的高效菌株可通過(guò)篩選培育或通過(guò)基因工程構(gòu)建，也可以通過(guò)微生物表面展示技術(shù)表達(dá)重金屬高效結(jié)合肽，從而得到高效菌株。

2.2.1 高效菌株篩選

高效菌株有2個(gè)來(lái)源：一是從重金屬污染土壤中篩選；二是從其他重金屬污染環(huán)境中篩選。從重金屬污染土壤中篩選分離出土著微生物，將其富集培養(yǎng)后再投入到原污染的土壤，這是本土生物強(qiáng)化技術(shù)（本土生物強(qiáng)化技術(shù)是由日本科學(xué)家Ueno A等人于2007年首次提出的[17]）。篩選、富集的土著微生物更能適應(yīng)土壤的生態(tài)條件，進(jìn)而更好地發(fā)揮其修復(fù)功能。目前已從Cr（VI）、Zn、Pb污染土壤中篩選分離出菌種Pseudo-monasmesophillca和maltophiliaP，Barton等對(duì)這2種菌株去除Se、Pb毒性的可能性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)上述菌種均能將硒酸鹽、亞硒酸鹽和二價(jià)鉛轉(zhuǎn)化為不具毒性且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的膠態(tài)硒與膠態(tài)鉛。Robinson等研究了從土壤中篩選的4種熒光假單胞菌對(duì)Cd的富集與吸收效果，發(fā)現(xiàn)這4種細(xì)菌對(duì)Cd的富集達(dá)到環(huán)境中的100倍以上[1]。

2.2.2 基因工程菌構(gòu)建

基因工程可以打破種屬的界限，把重金屬抗性基因或編碼重金屬結(jié)合肽的基因轉(zhuǎn)移到對(duì)污染土壤適應(yīng)性強(qiáng)的微生物體內(nèi)，構(gòu)建高效菌株。由于大多數(shù)微生物對(duì)重金屬的抗性系統(tǒng)主要由質(zhì)粒上的基因編碼，且抗性基因亦可在質(zhì)粒與染色體間相互轉(zhuǎn)移，許多研究工作開(kāi)始采用質(zhì)粒來(lái)提高細(xì)菌對(duì)重金屬的累積作用，并取得了良好的應(yīng)用效果[18]。

2.2.3 微生物表面展示技術(shù)

微生物表面展示技術(shù)是將編碼目的肽的DN段通過(guò)基因重組的方法構(gòu)建和表達(dá)在噬菌體表面、細(xì)菌表面（如外膜蛋白、菌毛及鞭毛）或酵母菌表面（如糖蛋白），從而使每個(gè)顆粒或細(xì)胞只展示一種多肽[19]。微生物表面展示技術(shù)可以把編碼重金屬離子高效結(jié)合肽的基因通過(guò)基因重組的方法與編碼細(xì)菌表面蛋白的基因相連，重金屬離子高效結(jié)合肽以融合蛋白的形式表達(dá)在細(xì)菌表面，可以明顯增強(qiáng)微生物的重金屬結(jié)合能力，這為重金屬污染的防治提供了一條嶄新的途徑。

LamB、冰晶蛋白、凝集素、a-凝集素和葡萄球菌蛋白A都是表面蛋白，在微生物表面展示技術(shù)中用來(lái)定位、錨定外源多肽[20-21]。Sousa C等將六聚組氨酸多肽展示在E.coliLamB蛋白表面，可以吸附大量的金屬離子，重組菌株對(duì)Cd2+的吸附和富集比E.coli大11倍[22]；Xu Z、Lee S Y將多聚組氨酸（162個(gè)氨基酸） 與Omp C融合，重組菌株吸附Cd的能力達(dá)32 mol/ g干菌[23]；Schembri M A等將隨機(jī)肽庫(kù)構(gòu)建于E.coli 的表面菌毛蛋白FimH粘附素上，經(jīng)數(shù)輪篩選和富集，獲得對(duì)PbO2、CoO、MnO2、Cr2O3具有高親和力的多肽[24]；KurodaK、UedM將酵母金屬硫蛋白（YMT） 串聯(lián)體在酵母表面展示表達(dá)后，四聚體對(duì)重金屬吸附能力提高5.9倍，八聚體提高8.7倍[25]。表面展示技術(shù)用于重金屬污染土壤原位修復(fù)的研究雖然取得了許多成果，但離實(shí)際應(yīng)用尚有一段距離。其主要原因是用于展示金屬結(jié)合肽的受體微生物種類(lèi)及適應(yīng)性有限，并且缺乏選擇金屬結(jié)合肽的有效方法[19]。

3. 結(jié)論與展望

從目前來(lái)看，微生物修復(fù)是最具發(fā)展和應(yīng)用前景的生物修復(fù)技術(shù)，人們?cè)谖⑸锊牧?、降解途徑以及修?fù)技術(shù)研發(fā)等方面取得了一定的研究進(jìn)展，并展示了一些成功的修復(fù)案例。但重金屬污染土壤原位微生物修復(fù)技術(shù)目前還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）修復(fù)效率低，不能修復(fù)重污染土壤。（2）加入到修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中的微生物會(huì)與土著菌株競(jìng)爭(zhēng)，可能因其競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)土著微生物，而導(dǎo)致目標(biāo)微生物數(shù)量減少或其代謝活性喪失。（3）重金屬污染土壤原位微生物修復(fù)技術(shù)大多還處于研究階段和田間試驗(yàn)與示范階段，還存在大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題。（4）微生物個(gè)體微小，難以從土壤中分離；重金屬回收困難。

污染場(chǎng)地應(yīng)用是各種生物修復(fù)技術(shù)研發(fā)的最終目的。一般說(shuō)來(lái)，實(shí)驗(yàn)室的微生物修復(fù)研究，因修復(fù)條件較為理想化，擾因素極少，其修復(fù)可能很好。如一旦將室內(nèi)的微生物修復(fù)技術(shù)放大到現(xiàn)場(chǎng)條件下，干擾因素復(fù)雜，一系列的新問(wèn)題可能會(huì)出現(xiàn)，甚至可能會(huì)遭致完全否定等現(xiàn)象。因此，微生物修復(fù)技術(shù)的場(chǎng)地應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須融合環(huán)境工程、水利學(xué)、環(huán)境化學(xué)及土壤學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，創(chuàng)造現(xiàn)場(chǎng)的修復(fù)條件，如土地翻耕、農(nóng)藝措施、添加物質(zhì)、高效微生物、植物修復(fù)，季節(jié)更替等，構(gòu)建出一套因地因時(shí)的污染土壤田間修復(fù)工程技術(shù)。

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