金属污染生态环境的生物修复方法

第五节　金属污染生态环境的生物修复方法

在金属矿的开采、运输、冶炼、金属化合物的使用过程中，大量的金属化合物进入生态环境，造成金属对生态环境的严重污染，受金属污染的环境主要是土壤、沉积物，此外地表水、地下水等水体也常受污染。修复金属污染生态环境是生物修复的重要目标。

与能被生物降解的有机物相比，对不能被生物降解的金属污染环境，物理、化学修复方法广受重视，往往是修复这种污染环境的重要方法。物理、化学修复方法的基本作用原理可以概略地分为二个方面:①以阻止金属迁移到邻近环境为目的的固定化;②物理去除或消除。由于金属不能被降解，所以金属从土壤或沉积物中去除是十分困难的。土壤中金属的物理去除只能用挖掘或化学清洗的方法。另外降低土壤中金属的溶解度有助于减低金属的迁移性，从而缩小污染物的散布范围。尽管挖掘式的金属去除方式具有彻底消除污染物，永久性解决问题的优点，但其高昂费用，填埋空间短缺凸显也需要费用低廉且对环境友好的修复技术。

金属固定的目的是降低金属的溶解度，调节pH值和添加有机物质是两种金属固定的策略。由于金属的溶解度随pH值升高而降低，因此当环境pH值上升时，金属溶解度会降低。石灰有时可用于提高土壤的pH值，从而使污染金属以钙——金属共聚物和磷酸金属盐的形式沉淀下来。投加有机物作为改良剂固定金属，利用的是有机颗粒与金属间的静电吸引力。投加的有机物包括高有机质含量的废弃物，如污泥。

金属能通过挖掘或土壤清洗技术从土壤或汽积物中物理去除。土壤清洗技术靠化学物质促进金属的去除。使用酸性溶液或螯合剂，如乙二胺四乙酸(EDTA)或次氮基三乙酸(NTA)，使金属增溶，加速从系统中去除金属。例如在铅含量为10000mg/kg的土地中使用0.1mol/L的EDTA进行清洗能去除60%的铅。这些化学方法的一个问题是清洗处理后化学溶剂产生的残留毒性，研究者们正在寻找这些化学物质的生物替代物。例如一种鼠李糖脂生物表面活性剂能通过综合作用去除实验污染土壤中的80%的镉。

物理挖掘是另一种处理金属污染土壤的方法。挖掘法是一种简单的去除技术，它既不破坏污染金属，也不使之解毒。污染土壤被当做有害污染废弃物储存起来或者焚烧掉。然而在有些情况下，挖掘法可能会使问题恶化。例如挖掘沉积物有可能导致金属毒性的增强。因为金属沉积物通常处于压氧状态，金属以固定的还原态存在。挖掘导致金属污染物暴露于氧化条件下，使金属被氧化增溶，生物可利用性和迁移性都会提高。物理去除金属是否比保持原状更有害这个问题当前还有争论。

土壤的焚烧法也能从土壤中去除金属。但这种方法费用高昂，不适于处理大量土壤，而且这种方法会将金属释放到大气中去，最终又在别的地方沉降。此外这种处理方法还破坏了土壤的重要特征、结构，并杀死了土壤生物。

水相系统(包括地表水、地下水和污水)的非生物修复相对简单但花费巨大。污染水中的金属通过絮凝、络合和沉淀被去除和浓缩。投加石灰产生的沉淀是金属的氢氧化物。螯合剂络合金属，通过pH值的调节还可回收。电学回收包括离子交换、反渗透和电化学回收等方法。

尽管金属化合物不能被生物降解，但金属污染环境的生物修复仍然受到广泛关注，并且某些生物修复方法和技术被认为有极大的应用前景，可以在修复金属污染环境中发挥巨大的作用。

微生物修复金属污染土壤的目标是:①原位固定金属以降低金属的生物可利用性和迁移性;②从土壤中去除金属(图11-12)。利用植物修复金属污染土壤见第十章，具体金属污染环境的生物修复见前面第三节。

图11-12　微生物方法对污染土壤中金属的去除和固定

原位固定金属也称为金属吸收，其主要依赖于一些微生物产生金属络合多聚物(胞外的和胞内的)的能力。许多微生物的胞外多聚物对各种金属有很高的亲合力。利用微生物固定金属的方法是:先将能够产生多聚物的微生物接入污染土壤并促使繁殖，提高产生多聚物的微生物数量，从而增加存在于土壤的多聚物数量。研究证明，微生物金属吸收法在实验研究中是有效的。不过在野外大面积应用尚有待考验。

从土壤中去除金属的基本原理是增加金属的溶解性、挥发性，从而把金属从环境中去除。通过微生物增加金属溶解度、挥发性的主要方法包括利用微生物的生理活动降低pH值，提高金属的溶解度，然后再把溶解金属沥滤出来，从而达到去除的目的。氧化亚铁硫杆菌的应用是突出例子，其通过溶解金属或沥滤促进土壤中金属的去除。这种方法已被用于从矿石回收有经济价值的金属，从金属尾矿回收铜、铅、锌和铀。从沥滤液回收金属时可以投加螯合剂络合或投加石灰沉淀来达到浓缩的目的。这种沥滤(或生物沥滤bioleaching)显然也可以从金属污染土壤或含金属水体中去除金属。除改变环境酸碱度提高溶解度外，微生物产生的表面活性剂提高了金属的溶解性以便去除。细菌产生的表面活性剂具有水溶性和相对分子质量低(＜1500)的特点，这使得它们能自由地穿过土壤微孔。生物表面活性剂对金属有很强的亲和力，因此一旦金属被表面活性剂络合，污染金属能通过土壤清洗法从土壤中去除。生物表面活性剂可望在金属污染环境修复方面成为一个强有力的工具。一些生物表面活性剂，如铜绿假单胞菌产生的鼠李糖脂对一些金属有特异性，如镉和铅。生物表面活性剂(biosurfactant)的特异性使其对特定金属的络合达到最优化。与生物表面活性剂相关的生物乳化剂(bioemulsifiers)是一种相对分子质量较高(～10⁶)的物质，如由乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus)产生的乳化胶(emulsam)也有助于金属的去除，有研究表明生物乳化胶对金属镉和铅的去除率可以达到12%～91%。

和沥滤类似，许多金属的甲基化产物挥发性的提高也有助于去除金属。甲基化金属比它们的非甲基化对应物具有更强的亲脂性，除了能增强毒性，也促进邻近环境中金属的去除。由于甲基化增强了金属的去除，某些金属的甲基化已经被用作修复手段。硒的生物甲基化去除是一个成功的例证。甲基汞也是微生物甲基化的结果，然而汞容易在食物链中富集，对人群产生严重健康危害，因此通过挥发法去除汞也许不是一种可让人接受的方法。

思考题

1.简述微生物对金属的普遍性和特异性抗性的特点。

2.微生物的生理活性可以从哪些方面对环境中金属的生物可利用性产生影响?

3.讨论微生物对汞化合物转化作用的生理学意义。

4.试述砷微生物转化的基本生化过程。

5.说说含金属污水生物处理的机理。

6.金属污染环境生物修复主要方法有哪些?