城市绿地土壤重金属污染生物修复研究进展

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摘 要：重金属污染是存在于城市绿地土壤中影响城市居民健康的重要因素。物理化学方法并不适合修复城市绿地的重金属污染，而生物修复技术成为近几年来热门的修复土壤重金属的方式，其通过植物、动物、微生物的新陈代谢，对土壤中的重金属进行富集和消化，从而修复土壤重金属污染。该综述阐述了植物、动物、微生物及联合修复技术的原理，列举相关案例，总结归纳适合进行城市绿地重金属污染修复的方法，并对生物修复城市绿地土壤重金属污染的前景进行了展望。

关键词：城市绿地;重金属污染;生物修复

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）21-0113-04

Abstract：Heavy metal pollution exists in urban green spaces. It is an important factor affecting the health of citizens. The physical and chemical methods are not suitable for repairing heavy metal pollution in urban green spaces. Recent year，bioremediation technology had become a popular method of repairing heavy metals in soil. Through the metabolism of plants，animals and microorganisms，heavy metals in the soil can be eiched and digested. Thus，the part of heavy metals can be removed from the soil. This review describes the principles of plant，animal，microbial and joint remediation technology，enumerates relevant cases，summarizes the methods，which are suitable for the repair of heavy metal pollution in urban green space. The review also prospects the prospect of bioremediation technology for urban green land pollution.

Key words：Urban green space;Heavy metal pollution;Bioremediation technology

城市綠地和城市居民的生活息息相关，绿地土壤中的重金属污染成为影响城市居民健康的重要因素。针对土壤中的重金属积累，目前有物理修复、化学修复和生物修复等方法。然而对于城市绿地，利用物理修复的淋洗法、电动法或电热法成本较高[1]，需要花费较多的人力物力，且存在再次污染的风险。利用化学修复方法则只能将重金属元素固定在土壤中，虽然阻止了重金属元素进入了生物循环，但是在一定条件下仍可能被置换出来，从而造成二次污染[2]。

生物修复主要开始于上个世纪，是一种利用动植物及土壤微生物的新陈代谢活动固化、分离、降解、富集和修复土壤中的重金属[3]。这种方法可以使土壤中重金属形态发生改变，从而沉淀在土壤中，或是通过生物吸附的效应，沉淀在生物体中，利用生物的代谢对重金属起到富集固化的作用[4]。生物修复技术对环境友好，适用范围广。对于城市绿地而言，生物修复技术可以保证在治理过程中不对城市居民产生危害，所以适合城市绿地土壤中重金属污染的修复。生物修复技术包括植物修复技术、动物修复技术、微生物修复技术以及以生物为主体的联合修复技术。

本文将生物修复城市绿地重金属污染技术为主体，列举常见的生物修复绿地土壤重金属污染的事例，探讨绿地土壤重金属污染的生物修复技术及其发展前景，为城市绿地土壤重金属污染提供可行的修复技术。

1 植物修复技术

植物修复是指利用植物在其生长过程中通过一系列吸收、挥发和降解的生物途径，降低土壤中重金属污染物的浓度[5]。许多植物具有对土壤中重金属物质的固定和吸收富集功能，植物根泌物也可以对重金属元素起到固定作用，从而降低土壤中的重金属含量。

植物修复土壤重金属的原理主要有3种，即植物稳定、植物提取和植物挥发[1]。植物稳定是通过植物根系吸附与氧化还原等作用，使得土壤中重金属固定在植物根系中，从而降低重金属在土壤中的迁移率或将高毒性的重金属离子还原成低毒性的离子或复合物。植物的根泌物和根际微生物也可以通过代谢反应产生络合物或螯合物，从而使得土壤中的重金属离子固定在植物根部。植物提取是指利用超富集植物将重金属富集进植物体内，从而修复土壤。植物挥发是指植物根泌物与土壤中重金属反应，将重金属吸收后转化成为低毒的气态挥发物质，但这种方法可能会对大气造成一定污染。

目前应用较为广泛的植物修复技术主要是通过植物提取的原理，即筛选相应的超富集植物将重金属从土壤中富集入植物体内。研究发现重金属，如镉、镍、铜、汞、铅、锌，其超富集植物多分布在禾本科、十字花科、豆科、菊科等[6-9]。土壤修复植物通常具有较为发达的根系、稠密的根毛和含有大量有机酸的根泌物。植物通过根泌物和根际微生物的作用，降低重金属对植物体的毒性，从而促进植物吸收土壤中的重金属元素[10]。而在城市绿地中，不仅需要植物具有超富集作用，还需要保证绿地的景观，以及植物本身并没有毒性。黄明煜等[11]的综述中提到了超富集植物的分类，在城市绿地中较为实际的是栽培木本植物和一些生长周期短、非食用的蕨类草本植物，通过这几类植物富集土壤中的重金属元素。

2 动物修复技术也可用于土壤重金属修复

土壤中的低等环节动物，如赤子爱胜蚓常用于富集土壤中的重金属元素。李瑞娟等[25]研究发现赤子爱胜蚓对铅的耐受性较高，且会对附近的铅、铜元素有着明显的富集作用。赤子爱胜蚓对重金属铅的富集能力要优于铜。Udovic[26]的研究也表明，赤子爱胜蚓对土壤pH有显著提升的效应，可以提高铅元素的生物可利用性。蚯蚓的代谢也可以间接影响土壤中重金属的形态。蚯蚓在降解土壤中的有机质过程中可以提高土壤中腐殖质和有机酸的含量，腐殖质可以和重金属离子发生螯合作用，生成螯合态的重金属，改变重金属在土壤中的存在形态[27]。同时，蚯蚓的生命活动可以增加土壤微生物多样性和活性，利于金属迁移转化[28]。

3 微生物修复技术

研究发现，真菌、细菌、放线菌对重金属均具有修复能力，且不同种类对重金属的耐受度亦有不同。研究表明，在一般情况下，真菌对重金属耐受的程度最高，细菌其次，放线菌耐受程度最低。微生物可以通过生物吸附与富集、生物转化、生物溶解和沉淀几个方面对重金属污染土壤进行修复[29]。

微生物可以将重金属离子和表面的负电荷基团通过螯合、络合、共价吸附和离子交换等相互作用相结合，从而吸附重金属离子[30]。不少研究表明，微生物的胞外聚合物可以快速吸附铅、铜等重金属离子，同时微生物会对这种吸附产生相互应激，改变蛋白表达，增强吸附能力[31]。生物富集不同于吸附，是一种仅发生在活细胞内的主动运输过程。细胞借助载体和离子泵增加微生物体内的重金属含量[32]。研究发现菌株Pseudomonas putida 62BN可以在细胞内富集镉，从而降低土壤中的镉含量[33]。微生物还可以通过体内的氧化还原反应等细胞生理生化活动改变重金属离子的性质。铁还原菌和铁硫氧化菌可以通过微生物的耦合协同代谢过程提高镉、铜、汞、锌的移动性[34]。微生物还可以通过溶解沉淀作用与重金属离子发生反应。微生物可以代谢出多种有机酸，例如甲酸、柠檬酸、草酸等，这些有机酸可以和重金属化合物作用加速土壤中重金属的溶解。研究发现荧光假单胞菌R1在生长代谢过程中分泌了多种有机酸，溶解了土壤中的锌、铬化合物，使得重金属的生物有效性提高，可以增强东南景天对锌、铬的吸收[35]。

目前研究的具有修复土壤功能的微生物大多为真菌和细菌。与细菌相比，由于真菌有着较大的接触面积、生物量，较快的生长速度以及较低的环境要求和很强的抗逆性，在重金属污染修复方面已得到广泛应用。Mishra等[36]研究发现，丛生菌根真菌能够修复被三价铁离子污染的土壤，且在盆栽条件下可以产生铁载体，从而增强植物对铁离子的吸收。大杯蕈能能促进植物在土壤重金属含量较低时吸收铜和镉元素[37]。黑曲霉可以去除工業区的铜、镉、铅、锌等重金属元素，且去除率很高[38]。细菌中也存在常用的耐重金属污染的菌种，如链霉菌、芽孢杆菌、球菌、恶臭假单胞菌、弗兰克氏菌等[39]。

4 联合修复技术

单一的土壤修复技术在修复重金属污染土壤的过程中均有不足之处，所以2种及2种以上的修复技术相互组合，逐渐发展出联合修复技术。联合修复技术可以克服单一修复技术的局限[40]，同时更加快速高效地修复重金属污染的城市绿地。联合修复技术可以缩短修复周期，提高修复效率，是目前土壤污染修复技术的发展方向之一[41]。前文介绍的在植物根际存在根际微生物可以协助植物富集重金属元素，就是一种联合修复技术。植物根际的微生物通过代谢活动，不仅可以分泌植物生长所需的生长素，同时也可以通过细胞表面活性基团结合土壤中重金属，使得重金属更容易被植物富集，使得重金属被植物更快的吸收[42]。

目前多用于联合修复方法的主要为植物-化学法联合[3]、物理-化学法联合[43]以及生物联合修复法。对于城市绿地而言，由于物理法和化学法的局限性，很难使用这2种方法处理城市绿地的土壤重金属而不对居民生活产生影响，故影响最小也是最贴近自然的方法即生物联合修复法。生物联合修复可以利用植物、动物、微生物修复法的长处，相互结合相互补充，强化对土壤重金属元素的吸收作用。王春雷[44]对比了联合修复法和单一修复法中的修复效果，发现联合修复效果要优于单一修复。通过联合修复，土壤中的镉、铜、铅含量的减少量高于单一修复方法简单叠加的效果。这也说明了基于生物的联合修复技术在土壤重金属污染修复方面的优越性。

5 展望

城市绿地是城市绿色基础建设的主要组成部分之一，城市绿地的土壤质量是城市环境质量的重要指标之一。城市绿地在日常生活中会受到重金属离子的污染，这些重金属会通过粉尘、排放等一系列方式进入绿地土壤，被土壤吸收积累。城市绿地一项重要功能就是供居民娱乐，在日常生活中，若存在土壤重金属超标会对居民的健康带来一定的危害。城市绿地中的重金属污染需要进行富集修复，保障城市居民的身体健康。

生物修复技术适合城市绿地的土壤重金属修复，其可以吸收土壤中的重金属，通过生物的新陈代谢将重金属离子变为危害较低的复合物，吸收在体内，从而将重金属从土壤中分离，达到修复的目的。同时，生物修复技术又因其具有可持续性、低成本性、环境友好等特性，不会在修复过程中对居民生活造成影响。

然而生物修复技术在实际应用过程中依然存在着一些问题，虽然生物技术大多对环境影响小，但是其处理量也较化学法和物理法小，周期长，只能用于小规模的处理，对于面积较大的绿地重金属处理仍需要进行实验检验。同时植物、动物、微生物的处理深度有限，很难处理淋溶至地下深层的重金属离子。单独的一种生物修复技术会受到环境条件的限制，导致处理能力受限。今后应加大联合修复技术的研究，利用生态环境中的动植物及微生物之间的相互作用，提高绿地土壤的生物多样性，从而加强重金属污染的处理效率，因地制宜，修复城市绿地的重金属污染问题。

参考文献

[1]王确，张今大，陈哲晗，等.重金属污染土壤修复技术研究进展[J].能源环境保护，2019，33（03）：5-9.

[2]王立.重金属污染土壤修复治理技术研究现状[J].广东化工，2019，46（10）：140-1.

[3]宗丹丹，黄智刚.重金属污染土壤的生物修复技术研究[J].南方农机，2019，50（13）：48+50.

[4]曹勤英，黄志宏.污染土壤重金属形态分析及其影响因素研究进展[J].生态科学，2017，36（06）：222-32.

[5]王琪，王佳旭.植物修复技术在土壤重金属污染中的研究进展及应用[J].环境与发展，2017，29（07）：87+93.

[6]孟格蕾，邰志娟，邓纪凤，等.重金属污染对植物的影响及植物修复技术[J].应用技术学报，2018，18（02）：118-23.

[7]宋腾蛟，杨远强，徐红梅，等.大连化工废弃地的植被组成及植物对重金属元素的积累影响[J].科技通报，2019，35（04）：215-21+28.

[8]徐冰心.超富集植物研究现状[J].河北农机，2018，08：64-5.

[9]张英，朱守晶，揭雨成，等.重金属富集植物种质资源收集研究进展[J].南方农业，2018，12（27）：187-8.

[10]聂亚平，王晓维，万进荣，等.几种重金属（Pb、Zn、Cd、Cu）的超富集植物种类及增强植物修复措施研究进展[J].生态科学，2016，35（02）：174-82.

[11]黄明煜，章家恩，全国明，等.土壤重金属的超富集植物研发利用现状及应用入侵植物修复的前景综述[J].生态科学，2018，37（03）：194-203.

[12]林海，刘俊飞，刘璐璐，等. 菖蒲和芦苇对复合重金属胁迫的生理反应及其富集能力[J].工程科学学报，2017，39（07）：1123-8.

[13]Sheetal K. R.，Singh S. D.，Anand A.，Prasad S. Heavy metal accumulation and effects on growth，biomass and physiological processes in mustard[J].Indian Journal of Plant Physiology，2016，21（2）

[14]廖斌，邓冬梅，杨兵，等.鸭跖草（Commelina communis）对铜的耐性和积累研究[J].环境科学学报，2003，06：797-801.

[15]李红艳，唐世荣，郑洁敏.两种生长在铜矿渣上的菊科植物的铜含量[J].农村生态环境，2003，04：53-5.

[16]杨肖娥，龙新宪，倪吾钟，等.古老铅锌矿山生态型东南景天对锌耐性及超积累特性的研究[J].植物生態学报，2001，06：665-72.

[17]聂惠，安玉麟，李素萍.向日葵对重金属胁迫反应及其植物修复的研究进展[J].黑龙江农业科学，2010，09：88-91.

[18]聂俊华，刘秀梅，王庆仁.Pb（铅）富集植物品种的筛选[J].农业工程学报，2004，04：255-8.

[19]胡方洁，张健，杨万勤，等.Pb胁迫对红椿（Toona ciliata Roem）生长发育及Pb富集特性的影响[J].农业环境科学学报，2012，31（02）：284-91.

[20]刘惠娜，杨期和，杨和生，等.粤东铅锌尾矿三种优势植物对重金属的吸收和富集特性研究[J].广西植物，2012，32（06）：743-9+55.

[21]胡亚虎.杨树对干旱区重金属污染农田土壤的修复研究[D].兰州：兰州大学，2013.

[22]周疆丽，田胜尼，张玉琼，等.根生长法测定柳树对重金属的耐性研究[J].安徽农业科学，2010，38（16）：8378-80+413.

[23]张冬梅，罗玉兰，有祥亮，等.城市重金属污染场地次富集树种标准划定研究[J].中国城市林业，2018，16（06）：49-52.

[24]李鸣，吴结春，李丽琴.鄱阳湖湿地22种植物重金属富集能力分析[J].农业环境科学学报，2008，27（06）：2413-8.

[25]李瑞娟，李娜，曹嘉萌，等.赤子爱胜蚓处理土壤重金属Pb和Cu复合污染效果研究[J].现代农业科技，2019，11）：174-6.

[26]Udovic Metka，Lestan Domen. The effect of earthworms on the fractionation and bioavailability of heavy metals before and after soil remediation.[J].Environmental Pollution，2006，148（2）

[27]刘德鸿，成杰民，刘德辉.蚯蚓对土壤中铜、镉形态及高丹草生物有效性的影响[J].应用与环境生物学报，2007，02）：209-14.

[28]代金君，张池，周波，等.蚯蚓肠道对重金属污染土壤微生物群落结构的影响[J].中国农业大学学报，2015，20（05）：95-102.

[29]杨海，黄新，林子增，等.重金属污染土壤微生物修复技术研究进展[J].应用化工，2019，48（06）：1417-22.

[30]Joutey Nezha Tahri，Sayel Hanane，Bahafid Wifak，Ghachtouli Naima El. Mechanisms of Hexavalent Chromium Resistance and Removal by Microorganisms[M]//WHITACRE D M. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology，2015（08）：45-69.

[31]Pulsawat W.，Leksawasdi N.，Rogers P.L.，Foster L.J.R. Anions effects on biosorption of Mn （II） by extracellular polymeric substance （EPS） from Rhizobium etli[J].Biotechnology Letters，2003，25（15）：1267-70.

[32]常海伟，刘代欢，贺前锋.重金属污染农田微生物修复机理研究进展[J].微生物学杂志，2018，38（02）：114-21.

[33]Rani Anju，Souche Yogesh S.，Goel Reeta. Comparative assessment of in situ bioremediation potential of cadmium resistant acidophilic Pseudomonas putida 62BN and alkalophilic Pseudomonas monteilli 97AN strains on soybean[J].International Biodeterioration & Biodegradation，2008，63（1）

[34]Beolchini Francesca，Dell’anno Antonio，Propris Luciano De，Ubaldini Stefano，Cerrone Federico，Danovaro Roberto. Auto- and heterotrophic acidophilic bacteria enhance the bioremediation efficiency of sediments contaminated by heavy metals[J].Chemosphere，2009，74（10）

[35]鄧平香，张馨，龙新宪.产酸内生菌荧光假单胞菌R1对东南景天生长和吸收、积累土壤中重金属锌镉的影响[J].环境工程学报，2016，10（09）：5245-54.

[36]Mishra Vartika，Gupta Antriksh，Kaur Parvinder，Singh Simranjeet，Singh Nasib，Gehlot Praveen，Singh Joginder. Synergistic effects of Arbuscular mycorrhizal fungi and plant growth promoting rhizobacteria in bioremediation of iron contaminated soils[J].International Journal of Phytoremediation，2016，18（7）

[37]Liu Hongying，Guo Shanshan，Jiao Kai，Hou Junjun，Xie Han，Xu Heng. Bioremediation of soils co-contaminated with heavy metals and 2，4，5-trichlorophenol by fruiting body of Clitocybe maxima[J].Journal of Hazardous Materials，2015，294

[38]Ren Wanxia，Li Peijun，Geng Yong，Li Xiaojun. Biological leaching of heavy metals from a contaminated soil by Aspergillus niger[J].Journal of Hazardous Materials，2008，167（1）

[39]Loukidou Maria X.，Matis Kostas A.，Zouboulis Anastasios I.，Liakopoulou-Kyriakidou Maria. Removal of As （V） from wastewaters by chemically modified fungal biomass[J].Water Research，2003，37（18）

[40]周启星，魏树和，刁春燕.污染土壤生态修复基本原理及研究进展[J].农业环境科学学报，2007，02：419-24.

[41]骆永明.污染土壤修复技术研究现状与趋势[J].化学进展，2009，21（Z1）：558-65.

[42]杨晶，孟晓庆，李雪瑞.植物-微生物联合修复重金属污染土壤现状研究[J].环境科学与管理，2018，43（11）：67-70.

[43]孟凡生，聂兰玉，薛浩，等.高锰酸钾氧化-电动强化修复Cr（Ⅲ）污染土壤[J].农业环境科学学报，2018，37（06）：1125-31.

[44]王春雷.重金属复合污染土壤中动植物修复技术应用[J].资源节约与环保，2019，02：77+83.

（责编：王慧晴）