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生物修復技術為土壤“療傷”

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瀏覽:- 發布日期:2015-12-21 18:38:00【

據2014年國家環境保護部和國土資源部聯合公布的《全國土壤污染調查公報》顯示,全國土壤總的超標率為16.1%,其中耕地土壤點位超標率高達19.4%;在調查的重污染企業用地和工業廢棄地點位中,超標率分別高達36.3%和34.9%。

由此可見,我國土壤污染的總體形勢嚴峻。另外,土壤污染類型還呈現出新老污染物并存、無機有機復合污染的局面。據不完全統計,全國每年因土壤污染而減產糧食1000萬噸,因重金屬污染的糧食達1200萬噸,造成直接經濟損失超過200億元。

我國土壤修復技術經歷物理修復、土地復墾、化學和生物恢復等階段,其中,處于剛剛起步階段的生物修復技術因具有成本低、操作簡單、無二次污染、處理效果好且能大面積推廣應用等優點備受關注。

微生物修復極具潛力

生物修復是一項清潔的低投資、高效益、便于應用、發展潛力較大的新興技術,生物修復利用生物(包括植物、微生物和原生動物)的代謝功能,吸收、轉化、清除或降解環境污染物,實現環境凈化、生態恢復。從參與修復過程的生物類型來劃分,生物修復包括微生物修復、植物修復、動物修復和聯合修復等類型。

微生物修復技術就是利用土壤中的土著微生物的代謝功能,或者補充具有降解轉化污染物能力的人工培養的功能微生物群,通過創造適宜環境條件,促進或強化微生物代謝功能,從而降解并最終消除污染物的生物修復技術。

微生物修復的實質是生物降解或者生物轉化,即微生物對有機污染物的分解作用或者對無機污染物的鈍化作用。利用微生物修復技術既可治理農藥、除草劑、石油、多環芳烴等有機物污染的環境,又可治理重金屬等無機物污染的環境;既可使用土著微生物進行自然生物修復,又可通過補充營養鹽、電子受體及添加人工培養菌或基因工程菌進行人工生物修復;既可進行原位修復,也可進行異位修復。

從目前來看,微生物修復是最具發展潛力的技術,但微生物個體微小,富集有重金屬的微生物細胞難以從土壤中分離,還存在與修復現場土著菌株競爭等不利因素。近年來微生物修復研究工作著重于篩選和馴化高效降解微生物菌株,提高功能微生物在土壤中的活性、壽命和安全性,并通過修復過程參數的優化和養分、溫度、濕度等關鍵因子的調控等方面,最終實現針對性強、高效快捷、成本低廉的微生物修復技術的工程化應用。

聯合修復成熱點

植物修復技術是利用自然生長植物根系(或莖葉)吸收、富集、降解或者固定污染土壤、水體和大氣中的污染物的環境技術總稱。主要通過植物提取、植物蒸騰作用、根系過濾和植物鈍化來實現。植物修復技術目前主要利用對重金屬有富集特征的植物吸收或者吸附積累重金屬,達到從土壤中除去重金屬的目的。

動物修復是利用土壤中蚯蚓等低等動物和其體內的微生物,在污染土壤中生長、繁殖等活動過程中對土壤中的污染物進行轉化和富集的作用,最后通過對這些動物集中處理,從而降低土壤中的污染物。土壤動物修復技術未來的發展方向是將土壤動物作為一種“催化劑”,將其放入被污染的土壤中,提高傳統生物土壤修復技術的修復速度和效率。

聯合修復技術就是協同兩種或兩種以上修復方法,克服單項修復技術的局限性,實現對多種污染物的同時處理和對復合污染土壤的修復。該方法已成為土壤修復技術中的重要研究內容,其中植物—微生物聯合修復是最為廣泛采用的聯合生物修復技術。

目前,重金屬污染土壤的植物—微生物聯合修復作為一種強化植物修復技術逐漸成為國際研究熱點,這種方式可以充分發揮各自的優勢,從而提高污染環境的修復效率。微生物可以輔助超積累植物修復重金屬污染土壤,其代謝過程可改變根際土壤重金屬的生物有效性,從而有利于超積累植物對重金屬的吸收和積累,微生物的代謝產物還可改善土壤生態環境。另外,微生物還能夠分泌植物激素類物質、鐵載體等活性物質,促進植物的生長。反之,植物根系分泌氨基酸、糖類、有機酸及可溶性有機質等可以被微生物代謝利用,促進微生物的生長,有利于提高植物—微生物聯合修復的效率。

而在有機物污染土壤中,植物生長時,其根系提供了微生物生長的最佳場所,反過來,微生物的旺盛生長,增強了對有機污染物的降解,也使得植物有更好的生長環境,所以,植物—微生物聯合體系就能夠促進有機污染物的快速降解、礦化。

未來須突破應用局限

我國微生物修復技術近些年發展較為迅速,人們在微生物資源、降解途徑以及修復技術研發等方面取得了一定的研究進展,開展微生物酶制劑及其相關環境修復制劑的研發,積極探索土壤修復反應器工藝技術,開展與動物植物或者物理化學土壤修復技術相結合。

但是,在現實修復過程中還需要認識和解決其中出現的新問題,如微生物代謝活動易受環境條件變化影響,特定的微生物只能吸收利用降解特定類型的污染物;外源微生物的生長條件與原則問題;生物修復過程中微生物的適應性機制與影響因素的研究問題;有機污染物降解過程中的次生污染物安全問題等。

因而未來生物修復技術需要突破應用的局限,多途徑、多方法分離具有高效降解特性的菌株,建立環境修復微生物資源庫;利用基因工程手段改良菌株,使其擴大降解范圍,提高降解能力,解決復合污染土壤的修復問題;開展酶學研究,使微生物制劑產業化;發展多種修復方式之間的組合研究。

總之,相信隨著科學的發展,大規模利用生物降解土壤污染物、治理環境污染,不久將會成為現實。

來源:科學網 作者:劉志培 劉雙江

(作者系中國科學院微生物研究所研究員)

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