摘 要：隨着工业化的发展，重金属对环境的污染日益严重，尤其越来越多的重金属通过各种途径被排放到环境中造成土壤污染。由于土壤中的重金属难于分离和降解，且可以通过食物链进入人体，从而对人类的生存健康造成了很大威胁。治理土壤重金属的办法有物理法、化学法和生物法。物理化学方法往往代价昂贵，而且效果不好，容易造成二次污染，并且不适合大面积，低浓度的重金属污染。生物法中的微生物治理土壤污染是一种新兴的土壤治理方法，其中微生物矿化（MICP）是一种对环境友好的绿色治理方法，并且代价低廉。文章主要探讨了近些年来微生物矿化在土壤重金属中的应用及未来前景展望。
关键词：生物矿化；生物修复；微生物诱导碳酸钙；重金属；土壤污染
中图分类号：X53 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）23-0066-04
Abstract： With the development of industrialization， heavy metal pollution to the environment is becoming more and more serious， especially more and more heavy metals are discharged into the environment through various ways to cause soil pollution. The heavy metals in the soil are difficult to separate and degrade， and can enter the human body through the food chain， thus causing a great threat to the survival and health of human beings. There are physical， chemical and biological methods to treat heavy metals in soil. Physico-chemical methods are often expensive， and the effect is not good， easy to cause secondary pollution， and is not suitable for large areas， low concentration of heavy metal pollution. Microbial remediation of soil pollution in biological process is a new method of soil remediation， in which microbial induced calcite precipitation （MICP） is an environment-friendly green treatment method， and the cost is low. The main results are as follows： microbial induced calcite precipitation is a kind of environmental friendly and green remediation method. This paper mainly discusses the application of microbial mineralization in soil heavy metals in recent years and prospects for the future.
Keywords： biomineralization； bioremediation； microbial induced calcite precipitation （MICP）； heavy metals； soil pollution
1 概述
土壤作为环境的主要组成部分，为人类提供生存所需的各种营养物质，同时接受来自工业和生活废水、废物、农药化肥及大气降尘等的污染。在被污染的土壤中生长的农作物由于受到重金属的影响导致有些作物无法成活，有些产量减少。更严重的是，某些重金属被植物吸收，在植物的叶，茎或根部富集，通过食物链重金属进入人体，造成各种各样的疾病，严重影响人们身体健康。
在现代工业化生产中重金属得到了广泛的应用，但由于工业化生产中对废弃物的处理不够完全，因此，导致大量含有重金属的废弃物，包括污水和固体废弃物等被排放到环境中，造成严重的土壤和环境污染。早在2000年农业部对10个省会城市郊区农产品质量调查发现，有7个城市重金属超标达监测产量的30%以上，全国30万基本农田保护区2.2亿粮食抽样调查发现，重金属超标率大于10%。据淮安市调查，全市土壤平均含铅59mg/kg，砷9mg/kg镉，0.224mg/kg，汞0.109mg/kg，铬50mg/kg，钴18.97mg/kg，分别超过本底值96倍、3.16倍、3.15倍、1.06倍、6.50倍、2.77倍。目前，经调查全国范围内土壤总点位污染物超标率达到16.1%，其中以污染物砷、镉、铜、汞、铅、锌、铬、镍等重金属为主的无机污染点占总数的82.8%。由重金属导致的每年粮食减产约为1200万吨，经济损失约200亿元。据统计，世界上每年由冶炼厂和镉加工处理释放到环境中的镉大约由3.9万吨。散发到大气中的镉污染周围的农田和水域。同时工业生产中排放的废水也污染周围的土壤。白银冶炼厂酸性废水含镉量可达到0.6-1.1毫克/升，湖南某化工厂硫酸废水含镉达2.4毫克/升，湖南某冶炼厂镉工段排水口废水含镉量达7500毫克/升。全世界现在每年使用铅400万吨，释放到环境中的约35万吨。美国中西部城市住宅区平均含铅1600ppm，商业区土壤含铅2400ppm[4]。因此治理和修复重金属污染土壤刻不容缓。由于土壤环境中的重金属的化学行为和生态效应的复杂性，近20年来一直是热点研究课题。
2 重金属污染土壤处理方法
2.1 传统的物理化学修复
传统的土壤重金属处理主要是通过物理化学方法清除土壤中重金属污染物，降低其活性，减少生物可利用率和迁移率。修复通常主要包括以下几种：吸附、离子交换、膜技术、氧化还原、反渗透膜、土壤淋洗，化学固化和电动修复。其中，土壤淋洗，化学钝化和电动修复是比较常用的方法。土壤淋洗是通过利用离子交换，吸附，化学沉淀和螯合作用将土壤中的被土颗粒吸附的总重金属离子转移到液相，然后经过水洗后将处理干净的土壤放回原位[1]。化学钝化就是利用无机类的碳酸盐、磷酸盐、水泥基材料、有机化合物的吸附、沉淀、氧化还原和络合。污染土壤中的重金属被固定后，不仅可减少向土壤深层和地下水迁移，而且有可能重建植被[2]。电动修复是指在污染土壤中插入电极对，并通以低直流电，在电场作用下，污染物主要通过电渗透，电迁移和电泳作用向电极室运输，从而通过工程化的收集系统收集起来，进行集中处理[3-4]。物理化学方法来治理土壤重金属污染通常成本昂贵，操作复杂，而且钝化剂中所含的化学物质往往还会对土壤结构造成破坏，同时还会影响到土壤原生土著微生物。这些化学物质的使用也可能对土壤造成二次污染。因此，在有些情况下难以推广，特别对于大区域低浓度有害的重金属污染更难以处理[5]。
2.2 生物修复
为了满足人们对环境质量的日益严格的要求，以植物吸收、固定、提取、挥发、过滤等过程为基础的生物修复已经成为目前研究的热点。生物修复法主要包括利用微生物，植物以及动物的新陈代谢过程实现重金属污染的转化回收和生态恢复。由于其治理效果的永久性，治理过程对土壤环境的低扰动性，治理成本低廉性，后期处理的简易性等特点，生物修复方法在放射性核素类污染治理中具有不可替代的优势。特别是生物修复过程中一般无二次污染，通过后续的提取工艺，某些具有重要的经济价值和战略价值的金属元素可以通过生物法回收利用，因此，不仅具有重大的环保和社会效益，还兼具战略意义。因而生物修复所具有的独特技术及经济优势，预示其将发展成为污染治理领域的朝阳产业[6]。
由于微生物能够自发的发展和进化出不同的解毒機制，例如生物吸附，生物富集，生物变性和生物矿化。这些机制能够用来做原位和非原位土壤的生物修复。微生物吸收重金属分为主动吸收（生物富集）和被动吸收（生物吸附）[11]。微生物细胞壁主要由多糖，脂质和蛋白质组成，提供许多可以结合重金属离子的官能团，包括羧酸根，羟基，氨基和磷酸根。在各种微生物介导的方法中，相比于生物富集生物吸附过程似乎更适用于大规模应用。这是因为微生物需要有营养物质的情况下吸收富集重金属，从而使环境中的生物需氧量或化学需氧量大幅度增加，导致环境的污染。此外，由于重金属毒性和其他环境因素，维持健康的微生物群体非常困难[7-8]。
目前国外已经有许多报道利用细菌，藻类和酵母等来减轻或消除重金属污染，其研究内容主要集中在利用微生物对重金属的吸附作用来处理重金属污染土壤。例如，Gadd等研究了多种细菌对环境中重金属的吸附和累积。Addour[9]等研究了经过失活的链霉菌对Zn离子的吸附作用。陈明等人[10]从土壤中分离筛选出四十多种对重金属离子有吸附作用的细菌。另外，也有不少研究集中在利用微生物的矿化沉积作用使游离态重金属沉淀，从而降低其生物可利用性。例如：Macaskie[11]等研究革兰氏阴性细菌Citrobacer通过磷酸酶分泌大量磷酸氢根离子在细菌表面与重金属形成沉淀，富集重金属离子。有研究报道，青霉属，曲霉属和根霉属的真菌已被广泛研究作为潜在的微生物剂从水溶液中去除重金属。肖等人报道了一种用于从内生菌获得高效生物吸附剂的新技术。孙等人评估了Elshotzia apliendens和Commelina communis耐铜物种内生细菌的遗传多样性。
尽管微生物修复重金属技术已经引起了科技工作者的极大兴趣，但大多数研究成果仍然局限在实验室水平，鲜有微生物重金属修复的实际工程实例报道。这主要是因为土壤环境复杂、pH变化范围广，污染物成分复杂，其化学和物理性质千差万别，并且土壤内通常同时含有有机和无机物，可溶及挥发性物质等。这些都会影响微生物修复重金属技术在实际应用中的效果。
3 微生物诱导矿化去除重金属研究进展
3.1 微生物矿化基本原理
微生物矿化作用是自然界中普遍的一种现象，几乎每一种生物都能合成矿物。生物体在其细胞和特定组织位置，经过生物有机质的影响控制，从而可以将溶液中的离子固结为沉积矿物。以尿素为底物的微生物诱导碳酸盐晶体沉积（Microbially induced carbonate precipitation，MICP），由于其过程简单、高效、易控制、环境友好等特点是目前生物矿化领域的研究热点之一，其中以高活性脲酶菌为诱导细菌的研究较为广泛。其中主要原理为脲酶菌在新陈代谢过程中利用脲酶菌胞内脲酶的活性分解尿素产生碳酸根离子，从而得以大幅度提高环境碳酸根离子浓度。周围环境中的Ca、Ba和Cd等离子体同碳酸根离子反应，以碳酸盐形式沉积和矿化。同时，微生物在生长过程中为分泌大量胞外高分子聚合物，通常为多糖及蛋白质等。这些高聚物可以作为某些矿物成核位点，吸附溶液中的金属离子，使得碳酸盐晶体在其表面成核和长大，促进矿化过程。因此，脲酶细菌的碳酸盐矿化过程可用如下反应式[1-6]来表达：
[1]CO（NH2）2+H2ONH3+H2NCOOH
[2]H2NCOOH+H2ONH3+H2CO3
[3]H2CO3H++HCO3-CO32-
[4]2NH3+2H2O2NH4++2OH-
[5]Ca2+，Pb2+，Cd2+，...+CellCell-Ca2+，Cell-Pb2+，Cell-Cd2+…
[6]CO32-+Cell-Ca2+，Cell-Pb2+，Cell-Cd2+Cell-CaCO3，Cell-CdCO3，Cell-PbCO3（s）
3.2 微生物矿化处理土壤重金属污染进展
随着微生物学、地球化学、土木工程等学科间的交叉研究的不断发展，微生物矿化诱导碳酸盐沉积技术（MICP）逐步应用于各相关领域，如污水处理、钙质石材修复等。此外，过去的十几年MICP也被广泛用于水体和土壤的重金属沉积与去除。相比于传统对环境有潜在污染的化学钝化方法，此法更具环境友好性。随着世界各国科学家的持续不断的研究探索，基于微生物矿化MICP土壤重金属固结技术取得了非常快速的发展。因此微生物诱导碳酸钙沉积是一项具有前景的生物介导的土壤改良技术。
通常情况下重金属的毒理性会影响到微生物的生长和微生物矿化过程。因此，具有重金属耐受性的脲霉菌被从环境中分离出来，用于矿化过程以期提高微生物矿化过程的效率。在微生物矿化过程中产生的碳酸根会同金属离子发生沉淀反应，形成低溶解度的碳酸盐晶体，从而使游离态的有毒重金属转变为低毒性的重金属不溶物。Li等人[12]报告说一些Sporosarcina and B.lentus脲酶菌在接种48小时后能够去除88-99%的重金属。
重金属镉具有极强的毒性，通常用于电镀过程和电池制造过程。Kang等人[13]发现利用微生物矿化和牛肉浸膏、蛋白胨和尿素培养基的体系能够在48小时之内去除99.5%的镉离子。Ma等人[14]报道了利用富含碳酸钙的红泥能够很好地去除水体中铜，锌和镉。Li等人[12]报道了Terrabacter tumescens通过微生物矿化过程能够去除土壤中99%的镉离子。
重金属铅是环境中最普遍存在的重金属污染物。现有的修复方法如生物吸附等对于铅的去除并不十分高效并且需要大量的吸附剂。同时，这些方法往往会产生大量有毒产物需要处理，因此十分昂贵。然而，微生物矿化过程为重金属铅的去除提供了新的思路。在微生物矿化过程中，重金属铅能够同微生物矿化产物如（方解石）结合在一起，其从游离态转变为为非游离态，从而极大降低了环境中铅含量。最新研究结果表明sporosarcina koreensis UR47能够去除几乎100%的铅。
重金属铬饰环境中很常见的污染物之一。虽然，食物和水中微量的三價铬对人体是有益的，然而，六价铬（CrVI）却具有极高的毒性和致癌性。无数科学家致力于利用植物修复和生物修复的方法处理被铬污染的土壤和水。然而，这些技术往往会导致固态铬被重新释放到环境中形成游离态，进而游离态的铬重新被土壤和水体吸收。利用微生物矿化过程铬酸盐能够同碳酸钙相互作用形成共结晶物，从而能够非常有效地从环境中去除铬离子[15]。
亚砷酸盐是最常见毒性最大的砷类污染物。Achal等人[16]获取了对砷有一定耐受性的细胞菌株Sporosarcina
ginsengisoli CR5，并且该细菌能够在7天时间内将浓度50 mM 的As（III） 降低96.3%。Aksornchu等人[17]同样成功地利用微生物矿化过程将含有As（III）的溶液从浓度40 mM 降低到1.2mM。利用微生物矿化去除重金属砷的最大优点就是矿化产物将离子砷牢牢地包裹在晶体晶格内，从而有效地阻止了有毒离子再次释放到环境中。
王瑞兴等[18]选取土壤脲霉菌用于诱导碳酸盐的矿化。利用土壤脲酶菌在底物存在情况下所产生的酶化作用，分解底物并产生碳酸根，使得土壤碳酸根浓度大幅度提高，从而有效矿化固结土壤中的游离态金属镉，使之转变为稳定态的碳酸盐晶体。结果表面，该技术可使得土壤中有效态重金属去除率达到50%以上。
3.3 微生物矿化固结土壤重金属所面临的问题
首先微生物矿化重金属的长期有效性尚未得到证明。现有实验结果表明，基于MICP过程的微生物矿化能够很好地固结重金属，降低其生物可利用性。但随着时间的推移和土壤环境的改变，以各种晶体结合态（特别是碳酸盐）存在的固化的重金属或许难以持久保持稳定性。有可能结合的重金属在环境变化的条件下重新活化，回到环境中。因此，有必要模拟矿化重金属长期稳定性，以及随着时间的推移在土壤中的迁移规律。并通过添加其他矿化离子，使重金属矿化形成更加稳定的杂化晶体形态，如将方解石转变为更加稳定的钙矾石，提高其稳定性。
其次，在使用微生物矿化技术固化土壤重金属的同时，要避免破坏当地土壤土著微生物的多样性。同时，不同的土壤环境有可能导致接种的外源细菌无法发挥最优作用，因此未来的研究方向要避免大量引入单一的外源矿化菌种。相反，应该从驯化土著细菌入手，原位诱导具有高脲酶活性和矿化能力强的土著微生物。在保证土壤原生态微生物多样性的基础上，利用土著微生物达到矿化固定重金属的目的。
4 结束语
在土壤重金属污染已经成为了全球性问题的今天，寻找科学、合理、经济的治理方法是所有关注人类生存质量的人们努力探索的问题。生物修复技术作为近30年来兴起的一种绿色经济的环境治理方法，越来越受到人们的重视。由于土壤中的重金属难于降解和分离，目前的处理方法往往成本昂贵，工程量大，而且效果不明显。因此，降低土壤中的重金属的活性是最经济，最有效的处理方向。所谓降低重金属的活性，指的是将土壤中容易进入地下水，或是在雨水的冲淋下进入河流，容易被植物吸收而在植物中累积，容易进入动物体内的游离态的重金属，转化为毒性小，并能在一定的酸碱条件下稳定存在的矿物，从而达到降低土壤中重金属危害的效果。
采用物理化学方法修复重金属污染具有一定的局限性，难以大规模应用。同时由于化学制剂的添加，往往会破坏土壤原有物理和化学机构，从而改变土壤原有理化属性。生物修复包括微生物矿化作为一种新型的重金属污染土壤修复工艺展现了独特的优势，具有广阔的应用前景。然而，微生物修复的耐久性和人为添加微生物对土壤肥力等的影响还需进一步研究。同时针对不同种类份重金属污染，筛选或基因改造一种或多种超级菌剂使之能够协同作用，达到最佳的处理效果也是未来研究的方向。最终决定微生物重金属修复技术取舍的因素是要考虑微生物方法与物理化学技术相比的优缺点以及有效性，坚固性和可靠性。
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