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

【關鍵詞】污染土壤；微生物；修復原理；修復技術

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

目前，用于土壤重金屬污染治理的方法包括物理修復、化學修復和生物修復。物理修復、化學修復雖能達到一定的效果，但是能耗大、二次污染等問題也限制了其應用[1]，尤其對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是利用各種天然生物過程而發(fā)展起來的一種現(xiàn)場處理土壤環(huán)境污染的技術，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)修復主體的不同，它主要分為微生物修復、植物修復和植物-微生物聯(lián)合修復。微生物修復較物理修復、化學修復有著無可比擬的優(yōu)越性，操作簡單、處理費用低、效果好，對環(huán)境不會造成二次污染，可以就地進行處理等，具有很大的潛力和廣闊的應用前景。

1.微生物修復機理

重金屬對人的毒性作用常與它的存在狀態(tài)有密切的關系。一般地說，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，但可以對土壤中的重金屬進行固定、移動或轉(zhuǎn)化，改變它們在土壤中的環(huán)境化學行為，可促進有毒、有害物質(zhì)解毒或降低毒性，從而達到生物修復的目的。

1.1 微生物的轉(zhuǎn)化作用

微生物對重金屬的轉(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絡合配位降解。土壤中的一些重金屬元素可以多種價態(tài)和形態(tài)存在，不同價態(tài)和形態(tài)的溶解性和毒性不同，可通過微生物的氧化還原作用和去甲基化作用改變其價態(tài)和形態(tài)，從而改變其毒性和移動性。

1.1.1 氧化還原作用

微生物可通過改變重金屬的氧化還原狀態(tài)，使重金屬化合價發(fā)生變化，改變重金屬的穩(wěn)定性。Silver等[3]提出，在細菌作用下氧化還原是最有希望的有毒廢物生物修復系統(tǒng)。微生物能氧化土壤中多種重金屬元素，某些自養(yǎng)細菌如硫-鐵桿菌類 （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。微生物對重金屬的轉(zhuǎn)化作用常見的有對鉻、汞、硒和砷等的轉(zhuǎn)化。如假單胞菌（ Pseudomonadsp.） 可以把六價鉻還原為三價鉻，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。Fwukowa從土壤中得到假單胞桿菌K-62，它能分解無機汞和有機汞而形成元素汞，元素汞的生物毒性比無機汞和有機汞低得多。Frankenber等通過耕作、優(yōu)化管理、施加添加劑等來加速硒的原位生物甲基化，使其揮發(fā)而降低硒的毒性，此生物技術已在美國西部灌溉農(nóng)業(yè)中用于清除硒污染[5]。有些真菌和細菌能使無機As轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機As，從而降低其毒性[6]。

1.1.3 重金屬溶解或配位絡合作用

一些微生物，如動膠菌、藍細菌、硫酸鹽還原菌以及某些藻類，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，與重金屬離子形成絡合物。如Bargagli在Hg礦附近土壤中分離得到很多高級真菌，一些菌根種和所有腐殖質(zhì)分解菌都能積累Hg達到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)、有機結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)。前3種形態(tài)穩(wěn)定性差，后2種形態(tài)穩(wěn)定性強。重金屬污染物的危害主要來自前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真菌來源物質(zhì)及其分泌物對重金屬的去除[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)物或細胞壁表面的一些基團通過絡合、螯合、離子交換、靜電吸附、共價吸附等作用中的一種或幾種相結(jié)合的過程[2]。許多研究表明細菌及其代謝產(chǎn)物對溶解態(tài)的金屬離子有很強的絡合能力，這主要因為細菌表面有獨特的化學組成。細胞壁帶有負電荷而使整個細菌表面帶負電荷，而細菌的產(chǎn)物或細胞壁表面的一些基團如-COOH、-NH2、-SH、-OH等陰離子可以增加金屬離子的絡合作用[9]。研究表明，許多微生物，包括細菌、真菌和藻類可以生物積累（bioaccumulation）和生物吸著 （biosorption）環(huán)境中多種重金屬和核素[10]。一些微生物如動膠菌、藍細菌、硫酸鹽還原菌以及某些藻類，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，與重金屬離子形成絡合物。

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胞內(nèi)而富集的過程。重金屬進入細胞后，通過區(qū)域化作用分布在細胞內(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 等重金屬有強烈的親合性，結(jié)合形成無毒或低毒絡合物。如真菌木霉、小刺青霉和深黃被包霉通過區(qū)域化作用對Cd、Hg都有很強的胞內(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，這使細菌質(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凈化。可見，微生物生物技術在凈化污染土壤環(huán)境方面具有廣泛的應用前景。

2.重金屬污染土壤微生物修復技術及其研究進展

微生物修復重金屬污染的技術主要為原位修復和異位修復。微生物原位修復技術是指不需要將污染土壤搬離現(xiàn)場，直接向污染土壤投放N、P等營養(yǎng)物質(zhì)和供氧，促進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：生物通風法（bioventing）、生物強化法（enhanced-bioremediation）、土地耕作法（1and farming）和化學活性柵修復法（chemical activated bar）等幾種。異位微生物修復是把污染土壤挖出，進行集中生物降解的方法。主要包括預制床法（preparedbed）、堆制法（composting biorernediation）及泥漿生物反應器法（bioslutrybioreactor）。

2.1 生物刺激技術

生物刺激即向污染的土壤中添加微生物生長所需的氮、磷等營養(yǎng)元素以及電子受體，刺激土著微生物的生長來增加土壤中微生物的數(shù)量和活性。關于這方面的研究國外文獻已有報道。Reddy KR，Cutright T J對鉻污染土壤的微生物修復進行的研究表明，限制鉻污染場地修復進程的一個共同因素是污染場地通常缺乏足夠的營養(yǎng)以供引進的外來微生物或土著微生物生長，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)境中投加營養(yǎng)物質(zhì)來刺激鉻還原菌的新陳代謝和繁殖，促進鉻污染土壤的修復[15]。HigginsT E將堆肥、鮮肥、牛糞、泥炭加入鉻污染土壤進行原位修復，提高了修復效果[16]。

2.2 生物強化技術

生物強化技術即向重金屬污染土壤中加入一種高效修復菌株或由幾種菌株組成的高效微生物組群來增強土壤修復能力的技術。所加入的高效菌株可通過篩選培育或通過基因工程構(gòu)建，也可以通過微生物表面展示技術表達重金屬高效結(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個來源：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，這是本土生物強化技術（本土生物強化技術是由日本科學家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土壤的生態(tài)條件，進而更好地發(fā)揮其修復功能。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等對這2種菌株去除Se、Pb毒性的可能性進行了研究，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Cd的富集與吸收效果，發(fā)現(xiàn)這4種細菌對Cd的富集達到環(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)移到對污染土壤適應性強的微生物體內(nèi)，構(gòu)建高效菌株。由于大多數(shù)微生物對重金屬的抗性系統(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，許多研究工作開始采用質(zhì)粒來提高細菌對重金屬的累積作用，并取得了良好的應用效果[18]。

2.2.3 微生物表面展示技術

微生物表面展示技術是將編碼目的肽的DN段通過基因重組的方法構(gòu)建和表達在噬菌體表面、細菌表面（如外膜蛋白、菌毛及鞭毛）或酵母菌表面（如糖蛋白），從而使每個顆?；蚣毎徽故疽环N多肽[19]。微生物表面展示技術可以把編碼重金屬離子高效結(jié)合肽的基因通過基因重組的方法與編碼細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在細菌表面，可以明顯增強微生物的重金屬結(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中用來定位、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個氨基酸） 與Omp C融合，重組菌株吸附Cd的能力達32 mol/ g干菌[23]；Schembri M A等將隨機肽庫構(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后，四聚體對重金屬吸附能力提高5.9倍，八聚體提高8.7倍[25]。表面展示技術用于重金屬污染土壤原位修復的研究雖然取得了許多成果，但離實際應用尚有一段距離。其主要原因是用于展示金屬結(jié)合肽的受體微生物種類及適應性有限，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

從目前來看，微生物修復是最具發(fā)展和應用前景的生物修復技術，人們在微生物材料、降解途徑以及修復技術研發(fā)等方面取得了一定的研究進展，并展示了一些成功的修復案例。但重金屬污染土壤原位微生物修復技術目前還存在以下幾個方面的問題：（1）修復效率低，不能修復重污染土壤。（2）加入到修復現(xiàn)場中的微生物會與土著菌株競爭，可能因其競爭不過土著微生物，而導致目標微生物數(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技術大多還處于研究階段和田間試驗與示范階段，還存在大規(guī)模實際應用的問題。（4）微生物個體微小，難以從土壤中分離；重金屬回收困難。

污染場地應用是各種生物修復技術研發(fā)的最終目的。一般說來，實驗室的微生物修復研究，因修復條件較為理想化，擾因素極少，其修復可能很好。如一旦將室內(nèi)的微生物修復技術放大到現(xiàn)場條件下，干擾因素復雜，一系列的新問題可能會出現(xiàn)，甚至可能會遭致完全否定等現(xiàn)象。因此，微生物修復技術的場地應用是一項復雜的系統(tǒng)工程，必須融合環(huán)境工程、水利學、環(huán)境化學及土壤學等多學科知識，創(chuàng)造現(xiàn)場的修復條件，如土地翻耕、農(nóng)藝措施、添加物質(zhì)、高效微生物、植物修復，季節(jié)更替等，構(gòu)建出一套因地因時的污染土壤田間修復工程技術。

參考文獻：

[1] 牛之欣，孫麗娜，孫鐵珩.重金屬污染土壤的植物-微生物聯(lián)合修復研究進展[J].生態(tài)學雜志，2009，28（11）：2366-2373.

[2] 林春梅.重金屬污染土壤生物修復技術研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境與健康雜志，2009，25（3）：273- 275.

[3] Silver， S. Bioteclmol Briding[J]. Res Appl.， 1991： 265-289.

[4] McLean J.， Beveridge T.J. Chormate Reduction by a Pseudomonad Isolated from a Site Contaminated with Chromated Copper Arsenate[J]. Appl. Environ. Microbiol.， 2001， 67：1076- 1084.

[5] 滕應，黃昌勇.重金屬污染土壤的微生物生態(tài)效應及其修復研究進展[J].土壤與環(huán)境，2002，11（ 1）：85-89.

[6] 宋志海.漳州市農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀與生物修復防治對策[J].福建熱作科技，2008，33（3）：34-36.

[7] Bargagli R.， Baldi F. Mercury and methyl mercury in higher fungi and their relation with the substrata in a cinnabar mining area[J]. Chemosphere， 1984， 13（9）： 1059-1071.

[8] 滕應，羅永明，李振高.污染土壤的微生物修復原理與技術進展[J].土壤，2007，39（4）：497-502.

[9] 王保軍.微生物與重金屬的相互作用[J].重慶環(huán)境科學，1996，18（1）：35-38.

[10] 沈德中.污染環(huán)境的生物修復[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

[11] 劉俊平.山西省農(nóng)田重金屬污染生物防治研究[J].山西農(nóng)業(yè)科學，2008，36（6）：16-17.

[12] 王海峰，趙保衛(wèi)，徐瑾，等.重金屬污染土壤修復技術及其研究進展[J].環(huán)境科學與管理，2009，34（11）：15-20.

[13] Ledin M.， Krantz Rulcker C.， Allard B. Zn， Cd and Hg Accumulation by Microorganisms， Organic and Inorganic Soil Components in Mult-compartment Systems[J]. Soil Biochem.， 1996， 28（6）： 791-799.

[14] Hiroki M. Effects of heavy metal contamination on soil microbial population[J]. Soil Sci. plant Nutr.， 1992， 38：141-147.

[15] Reddy K.R.， Cutright T.J. Nutrient Amendment for the Bioremediation of a Chromium-contaminated Soil by Electrokinetics[J]. Energy Sources， Part A： Recovery， Utilization and Environmental Effects， 2003， 25（9）： 931-943.

[16] Higgins T.E. In Situ Reduction of Hexavalent Chromiumin Alkaline Soils Enriched with Chromite Ore Processing Residue[J]. Air and Waste Manage. Assoc.， 1998， 48： 1100-1106.

[17] Ueno A.， Ito Y.， Yamamoto I.， et al. Isolation and Characterization of Bacteria from Soil Contaminated with Diesel Oil and the Possible Use of These in Autochthonous Bioaugmentation[J]. Microbiol Biotechnol.， 2007， 23：1739-1745.

[18] 陳范燕.重金屬污染的微生物修復技術[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2008，24： 296-299.

[19] 泉薛，沿寧，王會信.微生物展示技術在重金屬污染生物修復中的研究進展[J].生物工程進展，2001，21（5）：48-51.

[20] 高藍，李浩明.表面展示技術在污染環(huán)境生物修復中的應用[J].應用與環(huán)境生物學報， 2005，11（2）：256-259.

[21] Gadd G.M. Bioremedial Potential of Microbial Mechanisms of M metal Mobilization and Immobilization[J]. Curr Opin Biotech-nol.， 2000， 11（3）： 271-279.

[22] Sousa C.， Cebolla A.， De Lorenzo V. Enhanced Metal Load Sorption of Bacterial Cells Displaying Poly-HisPeptides[J]. Nature Biotechnology， 1996， 14： 1017-1020.

[23] Xu Z.， LeeS.Y. Display of Polyhistidine Peptides on the Escherichia Coli Cell Surface by Using Outer Membrane Protein C as an Anchoring Motif[J]. Appl Environ Microbiol.， 1999， 65： 5142-5147.