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共代谢则是指微生物能够降解或改变有机污染物化学结构,但并不以此作为碳源和能源而是从其它底物获取碳源和能源的代谢过程,如一些微生物如不动杆菌等能够在以苯为碳源的条件下降解三氯苯酚和四氯苯酚。通常一些高分子多环芳烃及其类似物的降解要依赖共代谢作用,一些持久性难降解有机污染物如多氯联苯等,也能够在特定菌种及合适条件发生脱氯反应。
总体来说,土壤生物对有机污染的响应和适应机理研究还比较少,尚待通过分子生物学手段研究微生物解毒基因,针对不同结构的有机物污染,研究其解毒途径及降解产物。
对于生物污染而言,研究其在土壤中的传播与演化机制才刚刚起步。土壤颗粒对病原微生物具有较强的吸附作用,同时存在对流-弥散、沥滤等过程,并受到病原微生物自身性质、土壤性质和环境条件等因素的影响。
另一方面,不同病原微生物在土壤中的存活状态也不尽相同,并受到诸多因素如土壤pH、有机质、土壤温度及湿度、离子强度、外界紫外线强度、土著微生物区系以及根际效应等的影响。
多数病原微生物进入土壤后会很快消亡,但仍有小部分病原微生物长时间内仍能保持感染活力,如弓蛔虫(Toxocara)在土壤中存活时间达3—4年,炭疸杆菌(Bacillus anthracis)在土壤中存活时间甚至长达几十年。
土壤病原菌还可以通过污灌、畜禽粪便施用、昆虫传播等多种方式进入到植物体内产生二次污染。一些抗生素抗性细菌进入土壤后,其携带的抗性基因甚至可通过水平转移传播到土著微生物中,从而对土壤生态系统造成破坏。
揭示病原微生物致毒基因在不同土壤生物类群之间的转移机制及毒力基因残留效应,探究抗生素抗性菌及抗性基因和病原微生物的复合污染以及两者相互作用是土壤生物污染研究领域的重点内容。
1.3 污染土壤修复原理与技术
植物根系、真菌菌丝等可以直接固持土壤中的重金属(生物固定);超积累植物能将重金属从土壤中吸收积累至植物地上部分(植物提取),亦或将可挥发性金属元素通过气孔释放到大气中(植物挥发)。
另一方面,土壤生物通过直接吸收或共代谢作用转化降解土壤中的有机污染物(生物转化),有机物降解产物可直接释放到环境介质当中(生物挥发)。
研究土壤污染的生态毒理效应及土壤生物对土壤污染的响应与适应机制,一方面能够为建立土壤环境质量标准提供依据,另一方面也为解决土壤污染问题奠定了重要基础。
事实上,污染土壤修复原理和技术一直也是土壤学领域的重要研究内容。传统的污染土壤修复主要以客土、土壤淋洗、施加稳定剂等物理化学方法为主。
近年来,也有一些新型的环境功能材料应用于污染土壤修复,如近年迅速发展起来的纳米零价铁(Nanoscale zero-valent iron,nZVI)修复技术。nZVI因其比表面积大、强还原性,且具有量子效应、比表面效应、体积效应等特性,对重金属、无机盐及有机污染物都具有较好的去除效果,逐渐被广泛用于重金属(如六价铬)或有机化合物(多环芳烃等)污染土壤的修复。
传统物理化学修复技术对于治理严重污染土壤具有时间短、见效快等优点,但往往伴随着高能耗、高费用、二次污染等风险,因而不适用于大规模污染土壤的修复。
相应地,近年来发展起来的利用特定植物或微生物修复污染土壤的生物修复方法因其绿色环保、高效、成本低等优点而受到广泛关注。
在概念上,生物修复是指利用生物的代谢活动及其代谢产物富集、降解或固定土壤中的污染物,从而恢复被污染土壤的生产或景观价值的一个受控或自发进行的生物学过程。
生物修复主要以植物修复和微生物修复为主。对于不同类型的污染物,其修复方法往往不同。对于重金属来说,其结构简单,性质较为稳定,因而常常采取植物萃取和植物固定方法进行修复。
植物萃取主要是利用超积累植物吸收、富集重金属,从而减少乃至清除土壤中的重金属,如利用砷超积累植物蜈蚣草进行砷污染土壤的修复。
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