中国土壤重金属污染现状及生物修复技术研究进展

第１６卷第３期　２００９年３月　现代农业科学　

Ｍｏｄｅｍ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｖ０Ｉ．１６　Ｎｏ．３　

Ｍａｒ．２ｏｏ９　

中国土壤重金属污染现状及生物修复技术研究进展　陈丽莉，俄胜哲　（１．庆阳市科技局庆阳科技开发中心，甘肃庆阳７４５０００；２．甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃兰州７３００７０）　

摘要：综述了中国土壤重金属污染物的主要来源、土壤重金属污染现状、重金属土壤的生物修复　机理机制及研究进展，并对土壤重金属污染防治存在的问题和发展趋势进行了探讨。　关键词：土壤污染；重金属；生物修复技术　中图分类号：Ｘ５３　文献标志码：Ａ　文章编号：１ＯＯ５—４６ｓＯ（２ｏ０９）Ｏ３—０１３９－０３　

Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　０ｆ　Ｓｏｉｌ　Ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｈｅａｖｙ　Ｍｅｔａｌｓ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ａｄｖａｎｃｅｓ　０ｎ　ｔｈｅ　Ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉ０ｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　ＣＨＥＮ　Ｌｉ—Ｉｉ．Ｅ　Ｓｈｅｎｇ－ｚｈｅ　（１．Ｓｏｉｌ　ａｎｄ　Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇａｎｓｕ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ａｃａｄｅｍｙ，Ｑｉｎｇｙａｎｇ，Ｇａｎｓｕ　７３００７０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｏｉｌ　ａｎｄ　Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，　Ｇａｎｓｕ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ａｃａｄｅｍｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ，Ｇａｎｓｕ　７３００７０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｈｅａｖｙ　ｍｅｔａｌｓ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ，ｒｅｐａｉｒ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｈｅａｖｙ　ｍｅｔａｌｓ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｉｎ　ｔｌｌｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｃｏｎｔａｍｉ—　ｎａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｈｅａｖｙ　ｍｅｔａｌ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｈｅａｖｙ　ｍｅｔａｌ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ；ｈｅａｖｙ　ｍｅｔａｌ；ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　

土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表　层。土壤不但为植物生长发育提供有力的机械支撑，而且为　植物生长发育提供水、肥、气、热等肥力要素。随着人口快速　增长、工业生产规模不断扩大、城镇化的快速发展、农业生产　大量施用化肥农药以及污水灌溉等，使得许多有害物质进入　土壤系统，土壤重金属污染已成为全球面临的一个严重环境　问题。土壤重金属污染会引起土壤的组成、结构和功能发生　变化，微生物活动受到抑制，有害物质或分解产物在土壤中　逐渐积累，通过“土壤—植物一人体”，或通过“土壤一水一人　体”间接被人体吸收，危害人体健康。　

１　中国土壤重金属污染现状　中国土壤重金属污染物主要来源于污水灌溉，工业废　渣、城市垃圾、工业废弃物堆放及大气沉降。污水中占较大比　例的工业废水成分比较复杂，都不同程度地含有生物难以降　解的多种重金属，是土壤重金属污染物的主要来源，中国土　壤污染除ｃｄ、Ｈｇ污染外，Ｐｂ、Ａｓ、ｃｒ和ｃｕ的污染也比较严　重。　中国目前农药、重金属等污染的土壤面积已达上千万　ｈｍ　，污染的耕地约有０．１亿ｈｍ：，约占耕地总面积的１０％以　上，多数集中在经济较发达的地区，全国每年受重金属污染　的粮食多达１　２００万ｔ，因重金属污染而导致粮食减产高达　

收稿日期：２００９—０２—１７　

１　０００多万ｔ，合计经济损失至少２００亿元Ｉ”。华南地区部分　城市有５０％的农地遭受ｃｄ、Ａｓ、Ｈｇ等重金属污染，广州近　郊因污水灌溉而污染农田２　７００　ｈｍ　，因施用污染底泥造成１　３３３　ｈｍ　的土壤被污染，污染面积占郊区耕地面积的４６　。　上海农田耕层土壤　、Ｃｄ含量增加了５０％，天津近郊因污　水灌溉导致２．３万ｈｍ　农田受重金属污染，沈阳张士灌区重　金属污染面积达２　５００多ｈｍ刊。国内蔬菜重金属污染调查结　果显示，中国菜地土壤重金属污染形势更为严峻。珠三角地　区近４０％菜地重金属污染超标，其中１０％属“严重”超标［４１。　重庆蔬菜重金属污染程度为Ｃｄ＞Ｐｂ＞Ｈｇ，近郊蔬菜基地土壤　重金属Ｈｇ和ｃｄ出现超标，超标率分别为６．７％和３６．７％ｍ。　广州市蔬菜地铅污染最为普遍，砷污染次之　。保定市污灌区　土壤中Ｐｂ、ｃｄ、ｃｕ和ｚｎ的检出超标率分别为５０％、８７．５％、　２７．５％和１００％，蔬菜中Ｃｄ的检出超标率为８９．３％ｒｏ。　

２重金属污染土壤生物修复技术　生物修复技术是利用生物的生命代谢活动减少环境中　有毒有害物质的浓度或使其完全无害，从而使污染的土壤部　分地或完全地恢复到原始状态。生物修复技术包括微生物修　复和植物修复ｌ８】。生物修复机理是利用生物（主要是微生物、　植物和动物）作用，削减、净化土壤中重金属或降低重金属毒　性，这种技术主要通过２种途径来达到对土壤中重金属的净　１４０　现代农业科学　２００９钲　化作用：①通过生物作用改变重金属在土壤中的化学形态，　使重金属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物　可利用性；②通过生物吸收、代谢达到对重金属的削减、净化　与固定作用１９１。　２．１　重金属污染土壤动物修复技术　动物修复技术是利用土壤中某些低等动物，如蚯蚓等吸　收土壤中的重金属，因而能一定程度上降低污染土壤中重金　属的含量。此种途径虽能在一定程度上减少土壤中的重金　属，但低等动物吸收重金属后可能再次释放到土壤中造成二　次污染。戈峰等研究表明，饲养在牛粪和生活垃圾中的蚯蚓　对硒和铜元素的富集能力很强，且富集铜的能力比富集硒的　能力强，其最高富集硒和铜量分别为３３２．５￣．ｇ／ｋｇ和ｌ　３７６　ｒａｇ／ｋｓ。蚯蚓也能通过增加土壤重金属的活性使得植物吸收　重金属的效率增加【１Ｏｌ。俞协治通过模拟土壤污染试验发现蚯　蚓活动能明显提高红壤ｃｕ的生物有效性，使得红壤中ＤＴ—　ＰＡ提取态ｃｕ的含量显著增加，从而提高了植物对重金属　的吸收和富积效率。利用土壤中某些低等动物蚯蚓和鼠类能　吸收土壤中的重金属。　２．２重金属污染土壤微生物修复技术　微生物修复技术是利用土壤中的某些微生物对重金属　具有吸收、沉淀、氧化还原等作用，降低土壤重金属的毒性。　某些微生物能代谢产生柠檬酸、草酸等物质，这些代谢产物　能与重金属产生鳌合或是形成草酸盐沉淀，从而减轻重金属　的伤害。Ｓｉｅｇｅｌ等研究表明，真菌可以通过分泌氨基酸、有机　酸以及其他代谢产物来溶解重金属以及含重金属的矿物。　Ｃｈａｎｍｕｇａｔｈａｓ等发现以土壤有机质或土壤有机质加麦秆作　为微生物的碳源时，微生物并不促进铅、镉、锌、铜等重金属　的溶解；如果在加人土壤有机质、麦秆的同时还加入容易被　微生物利用的葡萄糖，经过一段时问后，未灭菌处理的淋洗　液中重金属离子的浓度明显高于灭菌处理的。　某些微生物能够产生胞外聚合物，这些物质具有大量的　阴离子基团，由于其对重金属具有很强的亲合吸附性，有毒　金属离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上，　或被轻度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上。一些微生物　如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类，能够产生具有　大量阴离子基团的胞外聚合物（如多糖、糖蛋白等），与重金　属离子形成络合物，从而将其从土壤中有效去除。　某些微生物在重金属的胁迫下微生物能通过自身的生　命活动积极地改变环境中重金属的存在状态。其主要机理是　微生物通过氧化、还原、甲基化和脱甲基化作用转化重金属，　改变其毒性。自养细菌硫一铁杆微生物能氧化Ａｓ、ｃｕ、Ｍｏ、　Ｆｅ等；假单孢杆菌能氧化Ａｓ、Ｆｅ、Ｍｎ等；微生物的氧化作用　能降低这些重金属元素的活性。　２．３重金属污染土壤植物修复技术　植物修复重金属污染土壤的机理为植物吸收、转化、降　解与合成；根系分泌物促进土壤微生物（细菌、真菌、放线菌　等）的降解、转化及生物固化作用；根系的机械阻留作用；根　系的离子交换和吸附作用。植物修复一般分为植物提取、植　物挥发和植物固定。　２．３．１重金属污染土壤植物提取修复技术　植物提取修复即利用某些植物对某种重金属具有超富　集能力来清除土壤重金属污染。根据植物聚集、吸收、运输、　富集污染物的特性，植物修复可分为２种类型：一是连续吸　收，即把重金属富集植物种植于污染土壤，植物长期吸收；二　是螫合辅助吸收，即利用速生且重金属富集作物与螫合辅助　剂ＥＤＴＡ、柠檬酸等配合，促进植物的吸收。如芥菜可吸收　Ｐｂ，但达不到植物修复的要求，但在土壤中加入人工合成的　鳌合剂后，可增加芥菜对Ｐｂ的吸收。　超量积累植物对重金属具有较高的耐性，Ｔ．　ｃａｅｒｕｌｅｓｅｅｎｓ植物自然生长的土壤交换性锌含量４～　３１５６　ｇ／ｇ，交换性铅在５～３　０００　ｇ／ｇ交换性镉在０．４～３３　ｇ，ｇ。印度芥菜有较高吸收和积累ｓｅ的能力，在种植该植　物１　ａ，土壤中Ｓｅ可减少４８％ｔ　５１。目前国内外已发现重金属　的超积累植物５００多种，其中锰超积累植物商陆，Ａｓ超富集　植物蜈蚣草，以及ｃｕ超富集植物海州香薷等［３１。　２．３．２重金属污染土壤植物挥发修复技术　植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生　物使土壤中的某些重金属转化为挥发形态，或者植物将污染　物吸收到体内后将其转化为气态物质释放到大气中。一些植　物在体内能将Ｓｅ，Ａｓ和№等甲基化而形成可挥发性的分　子，释放到大气中去，目前这方面研究较多的是金属№和　非金属元素ｓｅ。杨麻可使土壤中３价硒转化为低毒的甲基　硒挥发去除；海藻能吸收并挥发砷，烟草能使毒性大的２价　汞转化为气态的单质汞。一些农作物如水稻、胡萝卜、大麦和　苜蓿等及一些水生植物如ＭｙｆｆｏｐｈｙｌＩｔｉｍ　ｂｒａｓｉＥｅｎｓｅ　Ｃａｍｂ、　Ｊｕｎｃｕｓ　ｘｉｐｈｉｏｉｄｅｓ、Ｔｙｐｈａ　ｌａｔｉｆｏｌｉａ　Ｌ等也有较强的吸收并挥发　土壤（水）硒的能力。植物挥发技术也不须处理含污染物的植　物，不失为一种经济有效且具有潜力的修复技术，但这种方　法将污染物转移至大气，对人类和生物具有一定的风险。　２．３．３重金属污染土壤植物固化修复技术　植物固化指利用植物根际的一些特殊物质，使土壤中污　染物转化为相对无害的物质，再由耐重金属植物或超积累植　物降低重金属的活性，从而减少金属被淋滤到地下水或通过　空气扩散进一步污染环境的可能性。其机理主要是通过改变　根际环境（ＤＨ、Ｅｈ）使重金属的形态发生改变，通过在植物的　根部积累和沉淀，减少重金属在土壤中的移动性，并未使土　壤重金属的含量减少，只是暂时将其固定，包括分解、螯合、　氧化还原等多种反应。它保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤　渗漏来防止金属污染物的淋移，还通过金属根部的积累和沉　淀或根表吸持来加强土壤中污染物的固定。一般来说，土壤　中铅的生物有效性较高，而铅的磷酸盐矿物则比较难溶。难　于为生物所利用。但这种矿物在自然界的形成速度非常缓　慢。Ｃｏｔｆｅ卜Ｈ０ｗｅｌｌｓ和Ｃａｐｏｍ报告施磷酸盐可以促使铅在　Ａｇｒｏｓｔｉｓ。ａｐｉｌｌａｒｉｓ根际土壤中形成磷氯铅矿，但形成机理目　前尚不清楚。Ｃ一具有较高的毒性，而Ｃ一是非常难溶的，基　本没有毒性。