重金属污染土壤的微生物修复技术研究

摘 要：本文主要以重金属污染土壤的微生物修复技术作为研究对象，在查阅大量相关文献以及结合以往工作经验的基础上，对微生物修复技术作用机制进行概述，然后分析了微生物联合修复效果，在对比不同种类微生物修复效果的基础上，对重金属污染土壤的微生物修复技术的应用进行总结，期望可以为修复重金属污染土壤提供理论参考。

关键词：重金属污染;微生物;土壤修复

1.微生物修复作用机制

微生物可以通过自身代谢对土壤微生物的迁移率产生影响，在对土壤重金属离子状态进行改变的基础上，减少重金属的毒害作用，以此来对农田土壤进行修复[1]。微生物修复作用机制主要包括吸附作用以及转化作用机制。微生物的吸附作用主要是吸附农田土壤当中的重金属，改变土壤重金属的形态特征或者降低其生物可利用率，实现重金属毒害作用的减轻。土壤微生物吸附作用的发挥，主要是因为其存在部分化学基团络合作用、配位作用，可以和重金属离子形成化合键。微生物的吸附作用主要会受到自身特性、重金属种类以及外界其它因素的综合影响。微生物的生物转化作用主要是利用化学反应，跟随价态改变重金属离子稳定状态和络合状态，之后高价态金属离子转化为低价态，使重金属离子毒性作用减少[2]。

2.微生物联合修复效果

微生物单一修复技术对土壤重金属污染进行修复，难以取得理想的修复效果，可以将微生物和其他修复技术联合起来，进一步增强农田土壤重金属污染修复效果。首先，可以利用微生物和生物炭进行联合修复，均匀混合微生物和生物炭，利用生物炭使土壤蓬松度增加，为微生物创造更多的生存空间，再发挥微生物的作用吸附土壤重金属。联合利用生物炭以及微生物，可以对土壤重金属的生物可利用性进行有效抑制。相关研究结果表明，二者的联合，不仅可以降低土壤重金属含量，具有显著的土壤钝化效果[3]。微生物与植物还可以进行联合修复，其不仅具有良好的修复效果，还能够对生态环境进行有效维持 [4]，从外源筛选植物根际促生细菌（PGPR），不仅可以抵抗外部不利环境，还能促进重金属修复植物的生长，进而强化植物修复重金属效率[5]。本文作者对实验室前期已经筛选出的植物根际促生细菌（PGPR）Cryptococcus sp.在广州某重金属镉污染农田修复项目中进行田间实验，发现该菌株可以有效存活，并定殖在植物根际，促进修复植物伴矿景天的生长，进而提高了植物修复效率。除此之外，还可以进行微生物-植物-纳米材料联合修复，在发挥三者吸附作用的基础上，还可以发挥微生物和植物的转运功能，但是目前有关微生物的安全利用性与植物生存、纳米材料的有效使用研究还有待完善[6]。

3.不同种类微生物修复效果

农田土壤当中包含了大量的微生物，并且在整个微生物群落中真菌和细菌具有较大的占比，因此需要开展细菌微生物和真菌微生物对农田土壤的修复作用进行对比研究。土壤当中的大部分细菌都具有良好的酶降解系统，其可以对受污染土壤的酶进行有效降解，通过改变土壤形态特征进行修复。芽抱杆菌 （Bacillus sp.）、弗兰克氏菌 （Rhizobium Frauk）、细球菌（Mlicrococcus）等都属于比较常见的细菌微生物。而真菌微生物主要包括丛生菌根 （Arbuscular mycorrhizae）、黑曲霉（ Aspergillus niger）、球囊霉（Glomus spp.）等，除此之外大漏斗菌（Clitocybe maxima）可以为植被吸收Cd、Cu等重金属离子提供促进作用，并且在土壤重金属含量比较低时具有更加明显的修复效果[7]。

4.重金属污染土壤的微生物修复技术的应用

4.1固定化微生物修复技术的应用

固定化微生物修复技术应用于土壤重金属污染当中，主要是利用物理以及化学的方式控制游离在土壤中微生物维持在一定的范围，并且还能够保持微生物的活性，实现农田土壤的有效修复。固定化微生物在对重金属土壤进行修复时，主要是通过增加微生物密度、减少流失、加快反应速率以及维持反应稳定性等途径。利用包埋法进行土壤微生物修复，施用成本相对来说比较少，在制备时难度也适中，这一方法具有广泛的适用范围，并且十分稳定。吸附法也是常见的固定化微生物修复土壤重金属污染的技术，其施用成本也比较少，制备更加简单，适用范围适中，但是其稳定程度比较低。固定化微生物修复技术可以保护土壤微生物不被外界打扰，并且还有助于酶活性的提高，对微生物的迟滞期进行有效缩短。该项修复技术同样具有一定的缺点，主要是会受到土壤微生物种类、固定化时间、传质效率等多种因素的影响，对于该项技术的研究基本上只停留于实验室的层面，还无法被大范围的应用到实际的大田试验当中[8]。

4.2微生物淋滤修复技术的应用

微生物淋滤修复作用的发挥主要是依靠浸矿微生物的自身代谢过程，通过氧化还原使土壤中比较难溶解的重金属被转化为可以溶解的重金属盐，之后有效浸提出土壤当中的重金属，最终达到修复土壤重金属的效果。相关研究表明[9]，其对土壤中的重金属进行去除时，主要利用耦合的方式，这一方式有助于土壤重金属去除率的显著提高，将土壤当中Cu、Cd、Zn、Fe等重金属含量有效降低。微生物淋滤修复技术的优势主要体现在经其修复后的土壤与我国土壤污染安全标准的要求相符合，这一技术不仅施用成本比较低，还具有绿色无污染的优势[10]。但是，微生物淋滤修复技术同样存在一定的缺点，主要是因为这一技术必须使用特定的培养基开展实验，但是这种特定的培养基成本的价格相对来说比较高，因此其应用范围比较有限。

4.3 微生物溶解修复技术的应用

微生物溶解修复技术对土壤当中的重金属进行分解，主要是依靠微生物代谢过程分泌的有机酸，在溶解重金属的基础上降低土壤重金属的含量，有效治理修复被重金属污染的土壤。研究表明[11]，在土壤微生物溶解过程中，会分泌多种有机酸，即便是难溶态的Ni也可以被解磷微生物有效溶解。微生物溶解修复技术主要的优势是其施用成本相对来说比较低，并且同样具有绿色环保型，可以对当地生态环境保护和平衡提供保证。微生物溶解修复技术同样存在缺点，主要表现为微生物的代谢过程并不会在短时间内产生大量的有机酸对重金属进行溶解，所以该项技术的修复时间相对来说比较长。除此之外，微生物溶解修复技术在重金属污染修复的研究主要停留在实验室阶段，还无法在大田中推广使用，今后应当积极研究大面积应用的微生物修复技术，并且要重视优势菌种的筛选。

结语

综上所述，微生物主要具有生长速度快、培养快以及较低的生产成本等优势，并且还可以实现生态系统平衡性的有效维持。相比于其他修复技术，微生物修复重金属污染的土壤可以取得良好的生态综合效益，微生物修复技术应用至实际的农田污染治理当中具有重要的现实意义，今后应当进一步完善微生物联合修复技术。

参考文献：

[1]鲍广灵，陶荣浩，杨庆波，胡含秀，李丁，马友华.微生物修复农田土壤重金属污染技术研究进展[J].中国农学通报，2022，38（06）：69-74.

[2]王凤花， 罗小三， 林爱军，等. 土壤铬（VI）污染及微生物修复研究进展[J]. 生态毒理学报， 2010， 05（2）：153-161.

[3]郁倩文，张琳颖，程鹏飞，等.微生物/生物炭系统修复重金属污染土壤实验研究[J].嘉兴学院学报，2018，30（6）：109-115.

[4]朱文武.矿山重金属污染土壤修复研究[J].中国资源综合利用，2022，40（01）：143-145.

[5]石杨， 李家豪， 于月，等. 重金属污染土壤的植物修复技术与其他技术联用的进展与前景[J]. 环境污染与防治， 2022， 44（2）：7.

[6]崔岩山，王鹏飞，琚宜文.纳米材料在土壤重金属污染修复中的应用[J].地球科学，2018，43（5）：1737-1745.

[7][1] Liu H ，  Guo S ，  Jiao K ， et al. Bioremediation of soils co-contaminated with heavy metals and 2，4，5-trichlorophenol by fruiting body of Clitocybe maxima[J]. Journal of Hazardous Materials， 2015， 294（aug.30）：121-127.

[8]张英婷，李紫龙，蒋妮娜，李林，高然，李斌.重金属污染土壤修复技术及其研究进展[J].能源与环境，2021（05）：78-79+83.

[9]张瑞昌.生物淋滤与生物沉淀耦合去除污染土壤中重金属的工艺及机理[D].上海：中国海洋大学，2011.

[10]刘颖.微生物在重金属污染土壤修复中的作用研究[J].化工设计通讯，2021，47（10）：196-197.

[11] Becerra-Castro C ， Prieto-Fernández， A， álvarez-Lopez， V， et al. Nickel Solubilizing Capacity and Characterization of Rhizobacteria Isolated from Hyperaccumulating and Non-Hyperaccumulating Subspecies of Alyssum Serpyllifolium[J]. Int J Phytoremediation， 2011， 13（sup1）：229-244.