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2.1.2 无机物污染土壤的微生物修复
微生物不仅能降解环境中的有机污染物,而且能将土壤中的重金属、放射性元素等无机污染物钝化、降低毒性或清除。重金属污染环境的微生物修复近几年来受到重视,微生物可以对土壤中重金属进行固定、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。因此,重金属污染土壤的微生物修复原理主要包括生物富集 (如生物积累、生物吸附) 和生物转化等作用方式。微生物可以将有毒金属被吸收后贮存在细胞的不同部位或结合到胞外基质上,将这些离子沉淀或螯合在生物多聚物上,或者通过金属结合蛋白 (多肽)等重金属特异性结合大分子的作用,富集重金属原子,从而达到消除土壤中重金属的目的。同时,微生物还可以通过细胞表面所带有的负电荷通过静电吸附或者络合作用固定重金属离子。生物转化包括氧化还原、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等作用方式。在微生物的作用下,汞、砷、镉、铅等金属离子能够发生甲基化反应。其中,假单胞菌在金属离子的甲基化作用中起到重要作用,它们能够使多种金属离子发生甲基化反应,从而使金属离子的活性或者毒性降低;其次一些自养细菌如硫杆菌类Thiobacillus 能够氧化As3+、Cu2+、Mo4+、Fe2+等重金属。生物转化中具有代表意义的是汞的生物转化,Hg2+可以被酶催化产生甲基汞,甲基汞和其他有机汞化合物裂解并还原成Hg,进一步挥发,使得污染消除。
从目前来看,微生物修复是最具发展潜力和应用前景的技术,但微生物个体微小,富集有重金属的微生物细胞难以从土壤中分离,还存在与修复现场土著菌株竞争等不利因素。近年来微生物修复研究工作着重于筛选和驯化高效降解微生物菌株,提高功能微生物在土壤中的活性、寿命和安全性,并通过修复过程参数的优化和养分、温度、湿度等关键因子的调控等方面,最终实现针对性强、高效快捷、成本低廉的微生物修复技术的工程化应用。
2.2 植物修复技术
从20 世纪80 年代以来,利用植物修复环境污染物的技术迅速发展,植物修复技术就是利用自然生长植物根系 (或茎叶) 吸收、富集、降解或者固定污染土壤、水体和大气中的污染物的环境技术总称。主要通过植物提取、植物蒸腾作用、根系过滤和植物钝化来实现。一般来说,植物对土壤中的有机和无机污染物都有不同程度的降解、转化和吸收等作用,有的植物可能同时具有几种作用方式。植物修复技术目前主要应用于重金属污染土壤的修复,利用对重金属有富集特征的植物来吸收或者吸附积累重金属,达到从土壤中除去重金属的目的。对有机污染物的修复机制主要是根际修复,利用植物根际的环境来刺激微生物生长,改变根际微生物大的群落结构、分泌与有机物降解相关的氧化还原酶来降解有机污染物。
2.3 动物修复技术
动物修复是利用土壤中某些低等动物 (如蚯蚓等) 和其体内的微生物,在污染土壤中生长、繁殖等活动过程中对土壤中的污染物进行转化和富集的作用,最后通过对这些动物集中处理,从而降低土壤中的污染物。该方法主要应用于重金属污染土壤修复过程中,采用土壤动物这种天然的方法来转化重金属形态或富集,可以在一定程度上提高土壤肥力。土壤动物不仅自己能够直接富集土壤中的污染物,还能够和周围的微生物共同富集,并在其中起到一种类似“催化剂”的作用。土壤动物能够通过3 个方面影响土壤中的微生物,首先土壤动物可以通过直接取食土壤微生物,使其始终保持高活性状态,而且通过取食降低微生物的生存空间的竞争,使微生物更好地生长;其次,土壤动物通过自身分泌物刺激微生物生长繁殖;再次,通过土壤动物的活动,使得土壤通气透水,改善了土壤生态环境,有利于土壤微生物的生长,从而实现共同修复污染土壤的目的。土壤动物修复技术未来的发展方向,是将土壤动物作为一种“催化剂”,将其放入被污染的土壤中,提高传统的生物土壤修复技术的修复速度和效率。
2.4 联合生物修复技术
联合修复技术就是协同两种或两种以上修复方法,克服单项修复技术的局限性, 实现对多种污染物的同时处理和对复合污染土壤的修复,提高污染土壤的修复速率与效率。该方法已成为土壤修复技术中的重要研究内容,其中植物-微生物联合修复是最为广泛采用的联合生物修复技术。
2.4.1 重金属污染土壤的联合修复
近几年,重金属污染土壤的植物-微生物联合修复作为一种强化植物修复技术逐渐成为国内外研究的热点,这种方式可以充分发挥各自的优势,从而提高污染环境的修复效率。微生物可以辅助超积累植物修复重金属污染土壤,其中有关微生物调控植物修复的机理及效应是人们关注的重点。微生物在其代谢过程中可改变根际土壤重金属的生物有效性,从而有利于超积累植物对重金属的吸收和积累;微生物的代谢产物还可改善土壤生态环境;另外,微生物还能够分泌植物激素类物质、铁载体等活性物质,促进植物的生长。反之,植物根系分泌氨基酸、糖类、有机酸及可溶性有机质等可以被微生物代谢利用,促进微生物的生长,有利于提高植物-微生物联合修复的效率。在重金属联合修复过程中,微生物主要通过两种方式提高植物修复效率:直接活化重金属,提高植物对重金属的吸收和转运;通过间接作用提高植物对污染物的耐受及抗逆性,从而促进植物生长,增加植物对重金属的吸收和积累。
2.4.2 有机物污染土壤的联合修复
在有机物污染土壤中,有植物生长时,其根系提供了微生物生长的最佳场所,反过来,微生物的旺盛生长,增强了对有机污染物的降解,也使得植物有更好的生长环境,所以,植物-微生物联合体系就能够促进有机污染物的快速降解、矿化。其作用原理主要包括:1) 对于环境中中等亲水性有机污染物,植物可以直接吸收,然后转化为没有毒性的代谢中间产物,并储存在植物体内,达到去除环境污染物的作用;2) 植物释放促进化学反应的根际分泌物和酶,刺激根际微生物的生长和生物转化活性,并且植物还能释放一些物质到土壤中,有利于降解有毒化学物质,有些还可作为有机污染物降解的共代谢基质;3) 植物能够强化根际(根-土界面) 的矿化作用,特别是菌根菌和共生菌存在时的矿化作用更为显著,菌根菌能够增加其寄主植物对营养和水的吸收,提高其抗逆性,增加有机污染物降解的有效性,提高吸收效率。
目前,植物-微生物联合修复方面已经取得了许多有价值的结果,为植物-微生物联合修复重金属、有机物污染土壤的实际应用与推广提供了重要的研究数据。
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