微生物对土壤中的重金属污染的修复

第２４卷第３期　２０１１年Ｏ５月　唐山学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔａｎｇｓｈａｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｖｏ１．２４　ＮＯ．３　Ｍａｙ．２０１１　

重金属污染土壤的微生物修复机理与技术　

王　敏　，徐甜甜　，李　强　，尹俊华　（Ｉ．武汉纺织大学教育部纺织印染清洁生产研究中心，武汉４３００７３；２．西安工程大学环境与化学３２程学院，西安７１００４８）　摘要：阐述了重金属污染土壤的微生物修复原理，提出了在此方面需要进一步研究和讨论的问题，　以不断丰富和拓展土壤环境微生物修复范畴与内涵。　关键词：重金属；污染土壤；微生物；修复机理　中图分类号：Ｘ１７２　文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—３４９Ｘ（２０１１）０３—００４３—０３　

Ｍｅｅｈａｎｋｓｍｓ　ａｎｄ　Ｔ￣ｍｉｑｍｓ　ｏｆ　Ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｅａｖｙ　Ｍｅｔａｌ　Ｐｏｌｌｕｔｅｄ　Ｓｏｉｌｓ　ＷＡＮＧ　Ｍｉｎ　，ＸＵ　Ｔｉａｎ—ｔｉａｎ　，ＬＩ　Ｑｉａｎｇ　，ＹＩＮ　Ｊｕｎ－ｈｕａ　’　（１．Ｃｌｅａｎｅｒ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｐｒｉｎｔｉｎｇ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｗｕｈａｎ　４３００７３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｌｕｔｅｄ　ｓｏｉｌｓ　ａｎｄ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｓｏｍｅ　ｎｅｗ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｈａｔ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｒｉｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｔｈｅ　ｃａｔｅ—　ｇｏｒｙ　ａｎｄ　ｃｏｎｎｏｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｌｕｔｅｄ　ｓｏｉｌｓ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙ　ｍｅｔａｌ；ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄ　ｓｏｉｌ；ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈｎｉｓｍ　

精心整理

重金属污染土壤修复方案

小组成员：

一、修复目标

一定区域内植被覆盖率95%以上，蜈蚣草种植2亩、黑麦草种植2亩、向日葵种植3亩、本土植物3亩。

二、修复必要性

随着工业废水和城市垃圾的大量排放，污水的农业灌溉，土地的重金属污染已成为突出的环境问题。土壤的重金属污染不仅危害农作物的生产物，而且通过食物链危害人类的健康和生命。由于重金属对植物危害的表现常常现象不明显，土壤重金属污染的问题往往被人们所忽略，而且重金属在土壤中的污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，治理也比较困难。

三、实施内容

根据区域内重金属污染区的地形地貌因子（地面坡度、覆土厚度、土层物质组成、灌溉条件）、土壤物理性质（容量、分散系数、初始入渗速度、孔隙度）、土壤化学性质（酸碱度、水溶性钙含量、氮磷钾含量）、生物因子（酶活性、微生物总量、呼吸强度）等指标判定影响区域土壤修复与植被恢复的主要限制性因子。并结合当地的气候条件及相关重金属污染土壤治理修复研究技术等相关资料确定总体思路。

四、方案具体实施调查

1、现状作采样工作图和标注采样点位图

针对示范区现状进行实地调查测量：确实示范区地形、地貌、面积、形状、地面坡度、覆土厚度、土层物质组成、灌溉条件、土壤物理性质、土壤化学性质、生物因子等指标。绘制示范区草图。

2、现状监测

1个，共布设4个监测点位进行土壤环境质量现状监测。

3、采样器具准备

工具类：铁锹、铁铲、圆状取土钻、螺旋取土钻、竹片以及适合特殊采样要求的工具等。

器材类、GPS、罗盘、照相机、卷尺、铝盒、样品袋、样品箱等。 精心整理

文具类：样品标签、采样记录表、铅笔、资料夹等。

4

采样、土壤采样样品流转、运输中防损、样品交接、样品制备、制样工具及容器、制样程序、风干、细磨样品、样品分装、样品保存。

五、土壤分析测定

1、测定项目

镉、铅、砷、锌

2、样品处理

准确称取0.5g(准确到0.1mg以下都与此相同)风干土样于聚四氟乙烯坩埚中，用几滴水润湿后，加入10mLHClρ1.19g/ml于电热板上低温加热,蒸发至约剩5ml时加入15mLHNO3ρ1.42g/ml继续加热蒸至近粘稠状,加入10mlHFρ1.15g/ml并继续加热,为了达到良好的除硅效果应经常摇动坩埚。最后加入5mlHClO4ρ1.67g/ml并加热至白烟冒尽。对于含有机质较多的土样应在加入HClO4之后加盖消解，土壤分解物应呈白色或淡黄色(含铁较高的土壤)斜坩埚时呈不流动的粘稠状。用稀酸溶液冲洗内壁及坩埚盖，温热溶解残渣冷却后，定容至100ml或50ml最终体积依待测成分的含量而定。

重金属污染的微生物修复技术

重金属污染的微生物修复技术 1 重金属污染的微生物修复原理

许多重金属是生命必需的物质或元素，但是当它们在环境中的浓度超过了限度就成了毒物，微生物可对它们进行固定、移动或转化，改变它们在土壤中的环境化学行为，从而达到生物修复的目的。重金属污染的微生物修复原理主要包括生物吸附和生物转化。

1.1 微生物对重金属离子的生物吸附

细胞壁带有负电荷而使整个细菌表面呈现阴离子特性，通过细菌细胞中均聚物或杂聚物上的羰基或磷酰基等阴离子作用可以增加金属离子的吸附。此外，细胞壁中的分子结构也具有活性，可以将金属螯合在细胞表面。细菌可以通过细胞表面的络合作用而阻止某些重金属进入细胞内部敏感区域，而对于那些细胞化学反应需要的金属则可以通过细胞壁运输到原生质中特定位点。真菌对重金属的吸附方式主要有2 种：一是细胞壁上的活性基团（如琉基、羧基、羟基等）与重金属离子发生定量化合反应（如离子交换、配位结合或络合等）而达到吸收的目的；二是物理性吸附或形成无机沉淀而将重金属污染物沉积在自身细胞壁上。细胞通过螯合作用吸附重金属已被证明和真菌细胞壁结构有关，如细胞壁的多孔结构使其活性化学配位体在细胞表面合理排列并易于和金属离子结合。此外，胞壁多糖可提供氨基、羧基、羟基、醛基以及硫酸根等官能团，它们对金属离子有着较强的络合能力。 1.2 微生物对重金属的生物转化作用

微生物对重金属进行生物转化主要作用机理包括微生物对重金属的生物氧化和还原、甲基化与去甲基化以及重金属的溶解和有机络合配位降解转化重金属，改变其毒性，从而形成某些微生物对重金属的解毒机制。细菌对 Hg 的抗性归结于它所含的2 种诱导酶：Hg

还原酶和有机 Hg 裂解酶，其机制是通过Hg-还原酶将有机的Hg2+化合物转化成低毒性挥发态Hg。微生物也可通过改变重金属的氧化还原状态，使重金属化合价发生变化，改变重金属的稳定性。微生物能氧化土壤中多种重金属元素，某些自养细菌如硫-铁杆菌类（Thiobacillus ferrobacillus）能氧化As、Cu、Mo 和 Fe 等，假单孢杆菌属（Pseudomonas）能使As、Fe 和Mn 等发生生物氧化，降低这些重金属元素的活性。硫还原细菌可通过2 种途径将硫酸盐还原成硫化物，一是在呼吸过程中硫酸盐作为电子受体被还原；二是在同化过程中利用硫酸盐合成氨基酸，如胱氨酸和蛋氨酸，再通过脱硫作用使S2-分泌于体外，与重金属Cd 形成沉淀，这一过程在重金属污染治理方面有重要的意义。另外，金属价态改变后，金属的络合能力也发生变化，一些微生物的分泌物与金属离子发生络合作用，这可能是微生物具有降低重金属毒性的另一机理。

2020.02科学技术创新

效蒸发除盐-臭氧氧化-活性炭吸附-生物接触氧化-曝气生物滤池工艺处理某企业高盐分、高色度的香料生产废水，经过半年左右的试运行，工程验收监测结果显示出水水质能够达到地方行业标准[5]。3.4其他工艺国内外学术者研究了多种臭氧氧化联用工艺处理难降解性的有机废水和高盐重金属废水。近些年来，印染废水处理技术中，混凝法只适用于疏水性物质的去除，作为高级氧化技术之一的臭氧氧化在印染废水处理中占有极其重要的地位。曾滔等人[6]采用臭氧氧化技术对制药废水进行预处理，以水解酸化-厌氧消化-A/O为核心工艺处理制药废水，运行实践表明，COD的去除率超过90%，出水水质完全满足浙江当地污水处理厂的进水纳管标准。王娟等人[7]表明运用混凝沉淀-臭氧氧化工艺处理印染常二级生化出水，能够使使印染废水达标排放，且说明这是一种较优工艺。4催化臭氧氧化工艺催化臭氧氧化法主要包括光催化臭氧氧化、均相催化臭氧化和非均相催化臭氧化。对光催化臭氧氧化的研究，国内外的研究者把重心主要放在了催化材料上，创造了各种不同的效果极佳的催化剂。多篇文献报道，光催化臭氧氧化对极难降解的物质氯仿、硝基苯和芳香烃类化合物有很好地降解效率。均相催化臭氧化和非均相催化臭氧化主要是研究催化加的负载载体。5结论臭氧氧化技术对水中污染物的降解效率高，且几乎不存在二次污染，其在工业废水的处理中的发展前景广阔。但目前已研发并成功应用于废水处理的臭氧发生器的电耗相对较高，所以研发高效低耗的臭氧发生器刻不容缓。此外，仍需要加强对接触设备和气水接触方式机理的研究，提高臭氧的利用率。随着研究的不断进行，臭氧氧化技术将会取得突破性的进展。参考文献[1]姜楠，臧旭，王晓楠.焦化废水深度处理技术及臭氧氧化工艺原理简介[C].全国冶金节水与废水利用技术研讨会论文集.2016：353-355.[2]YuL，HanM，HeF.Areviewoftreatingoilywastewater[J].ArabianJournalofChemistry.2017，10：S1913-S1922.[3]张兰河，郭益平，王璐瑶，等.臭氧氧化-曝气生物滤池联合工艺处理低温高浓度苯酚废水[J].化工环保，2011（6）：511-514.[4]刘立国，谢长血，范加良，等.臭氧氧化/AO/臭氧氧化/BAF工艺处理医药工业园区污水[J].中国给水排水，2017，33（10）：63-65.[5]董庆华，费正皓，张根成，等.三效蒸发除盐-臭氧氧化-生化工艺处理香料废水[J].给水排水，2013（7）：60-63.[6]曾滔，俞明东，姜辉，等.臭氧氧化-水解-厌氧消化-A/O工艺处理制药废水[J].中国给水排水，2017，33（2）：99-101.[7]王娟，隋庄培，范凌菲，等.絮凝沉淀+臭氧氧化工艺深度处理印染废水二级出水[J].环境工程学报，2016（6）：3031-3035.重金属污染土壤的修复技术杨灿（武汉工程大学化学与环境工程学院，湖北武汉430205）1概述随着地球上各种矿产资源的综合开发利用、工业生产的迅猛发展、各种化学产品、农药及化肥的广泛使用，重金属元素通过各种途径进入土壤中，造成日益严重的重金属污染。2014年环境保护部及国土资源部联合发布的全国土壤污染状况调查公告[1]中指出，镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种重金属点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。重金属在土壤中的累积不仅会造成土壤污染，还可以通过气-土交换及地表径流等方式导致大气、地表水和地下水等环境质量恶化，降低农作物的产量和质量，并通过食物链途径危害人们的健康。据报道，我国约有3亿亩耕地被污染，每年因土壤重金属污染而损失的粮食作物约1200万吨[2]。据孙宁[3]统计，十二五期间发生的重大特大重金属污染事件三十起，已经给人们的生命安全造成极大的危害。本文系统地介绍目前主流的重金属污染土壤修复的技术，以期对重金属污染土壤的修复提供一定现实依据。2土壤重金属污染的修复方法2.1物理修复重金属污染物理修复法是指用物理的方法对土壤中的重金属进行治理，以降低其对土壤环境的影响。主要包括客土、换土、深耕翻土、隔离等方法。前三种方法均具有彻底、稳定的优点，但是具有明显的劣势，例如工程量庞大、投资成本高，易对土壤结构造成破坏，致使土壤肥力下降等。隔离法主要是使用价格便宜的水泥对污染区域进行隔离，虽然简单易摘要：土壤重金属污染修复也一直是国内外研究的热点和难点问题，系统地介绍了目前主流的重金属污染土壤修复的技术，阐明了不同技术的优缺点，以期对重金属污染土壤的修复提供现实依据。关键词：重金属；污染；土壤修复中图分类号：X53文献标识码：A文章编号：2096-4390（2020）02-0013-02（转下页）13--科学技术创新2020.02行，但也只适用于小面积重金属污染土壤的修复。整体上说，物理方法效果较好，操作简单周期小，基本无二次污染，但是影响土壤肥力，且不适用于大面积重金属污染土壤的修复。2.2生物修复生物修复技术主要是指利用特定的生物来消减、改良和净化土壤中的重金属或降低土壤重金属的毒性，以此来恢复生态效应的生物措施，生物修复技术主要包括微生物修复、植物修复和动物修复。微生物法具有良好的发展潜力，但因其个体很小，存在难以分离的技术问题，多数微生物方法主要停留在实验室研究阶段或田间试验阶段，工程应用案例极少。虽然植物修复成本低且无二次污染，但修复周期过长。此外，动物修复方法不适用于修复高浓度重金属污染土壤，且有待于寻找出更多可用的动物种类。2.3化学修复2.3.1电动修复在电场作用下，土壤中的重金属和其他离子以电迁移、电渗流或电泳的方式向电极阴阳两端移动，然后集中处理两端的污染物，从而达修复土壤。目前，在电场模型建立、机理及全过程、池体设计等放方面进行深入研究。Gent等[4]使用柠檬酸将阴极pH维持在4，经过6个月的处理后，结果表明，Cr的去除率为78%，Cd的去除率为70%，低于土壤背景值。电动修复不破坏土壤结构，且未引入二次污染物，但技术成熟度低，适用于小面积、多种类型污染、低渗透性的粘土和淤泥土。2.3.2淋洗修复土壤淋洗是利用无机溶液、螯合剂和表面活性剂等淋洗液把土壤固相中的污染物转移到土壤液相中去，再把富含污染物的淋洗液水进行回收处理，达到去除土壤中污染物的目的。该方法的关键在于寻找既能提取不同形态的重金属，又不破坏土壤结构的一种淋洗液。Moutsatsou等[5]对比HCl、H2SO4和HNO3对受As、Cu、Pb、Zn污染土壤的淋洗效果，发现HCl的效果最好。虽然淋洗修复能够有效地去除土壤中的重金属，但是很难选择到一种合适的淋洗液。2.3.3稳定/固化修复稳定/固化修复主要通过加入化学物质与土壤中重金属形成不溶性或难溶性、毒性小的物质，降低其在土壤中的生物有效性和迁移性。目前，已有大量的文献资料报导不同的固定剂在去除土壤重金属方面的应用，如多种金属氧化物、石灰类、磷酸盐类、黏土矿物、有机质等物质。关键之处在于寻找价格低廉且环境友好的改良剂。Liu等[6]研究发现石灰能使土壤中可溶态的Pb、Cd和Zn的活性降低，减少大米和豆子对重金属的吸收。Yang等[7]将脱硫石膏加入受Pb和Cd污染的土壤中，该钝化剂使土壤中Pb和Cd浸出含量分别减少52.7%和30.5%。稳定/固化修复方法操作简单，技术较为成熟、成本相对较低且周期短，但此种方法只改变了土壤中重金属的赋存形态，并未将其去除，当土壤理化性质发生变化时，容易再度活化产生二次污染。2.4农业调控修复农业调控修复主要是因地制宜地变换作物品种、调整耕作制度、选择能降低土壤重金属毒性的化肥等措旋，来降低土壤重金属污染。蒋成爱等[8]研究发现，将东南景天与玉米和大豆间作，东南景天地上部分对Cd、Pb、Zn三种重金属的吸收总量为单作的1.68~1.87倍，并且玉米对Cd、Zn的吸收降低较为明显。焦鹏等[9]室内盆栽试验发现氮肥（NH4Cl）和钾肥（KCl）能增加玉米对土壤中Cd、Pb的吸收。在具体的修复操作中，应因地制宜地选择合适的施肥、搭配种植等农业措施，提高修复效率。技术成熟、成本低、无二次污染风险，但周期长且效果有限。3结论目前，大部分的土壤修复方法已经实现工程化，对于土壤污染的复杂性，物理、化学、农业调控相结合的方法应用较为广泛，在实际应用中，我们应该充分考虑各种方法的优缺点，取长补短，以此达到高效率、低消耗且相对环境友好的效果。参考文献[1]全国土壤污染状况调查公报[J].中国环保产业，2014（5）：10-11.[2]龚继明.重金属污染的缓与急[J].植物生理学报，2014，50（5）：567-568.[3]孙宁，刘双柳.网络媒体关注下的污染事件及对污染防治工作的思考-以重金属污染事件为例[J].环境保护科学，2016（6）：105-109，119.[4]GentDB，BrickaRM，AlshawabkehAN，etal.Bench-andfield-scaleevaluationofchromiumandcadmiumextractionbyelectrokinetics[J].JournalofHazardousMaterials.2004，110（1）：53-62.[5]MoutsatsouA，GregouM，MatsasD，etal.Washingasaremediationtechnologyapplicableinsoilsheavilypollutedbymining-metallurgicalactivities[J].Chemosphere.2006，63（10）：1632-1640.[6]LiuXL，ZengZX，ChenQW，etal.Effectsofbiocharandlimeadditivesonnon-pointloadofheavymetalsinpaddysoil[J].JournalofHydraulicEngineering，2014，45（6）：682-690.[7]YangP，LiX，TongZJ，eoffluegasdesulfurizationgypsumforleachingCdandPbinreclaimedtidalflatsoil[J].EnvironmentalScience&PollutionResearch，2016，23（8）：1-9.[8]蒋成爱，吴启堂，吴顺辉，等.东南景天与不同植物混作对土壤重金属吸收的影响[J].中国环境科学，2009，29（9）：985-990.[9]焦鹏，高建培，王宏镔，等.N、P、K肥对玉米幼苗吸收和积累重金属的影响[J].农业环境科学学报，2011，30（6）：1094-1102.作者简介：杨灿，女，汉族，湖南安乡，硕士研究生，土壤重金属的治理。14--