技术详细介绍
近年来由于工业的迅速发展，人类对重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动日益增多，造成不少重金属如铅、汞、镉、钴等进入大气、水、土壤环境，引起严重的环境污染。环境中的重金属具有长期性和非移动性等特性，对生物和人类产生了不利影响。
一、重金属污染的来源
重金属污染的来源主要来源于采矿和冶炼，化石燃料的燃烧，工业排放的废气、废水、废渣等。重金属随"三废"排放到环境中所造成的污染称为重金属污染。排放重金属的行业和企业就是重金属污染源。
目前已有的除去重金属的技术为：
1．场外修复方法：将土壤进行转移，再进行金属离子的去除。缺点是花费高，过程较复杂，设备及技术要求高。
2．生物修复：利用生物对环境中的污染物进行降解，花费较少，对技术及设备要求不高，因而愈来愈受到人们的关注。这主要指微生物修复技术，降低重金属的毒性，或积累在菌体内使之得到固定，但不能将重金属降解而去除。
（一）水体中的重金属污染
1．自然状态 水体中重金属的含量取决于土壤、岩石的相互作用，含量很低，无危害。
2．人为因素 工业废水、未经适当处理的生活污水、污染土壤和废弃物堆置场受流水作用、富含重金属的大气沉降物的输入等。
3．污染物排放源 集中在大、中城市。
4．危害途径 直接饮水、食用被污水灌溉过的蔬菜粮食等。
水体重金属污染的传统处理方法包括：化学沉淀法、离子交换法、活性炭及硅胶吸附法、电化学法及膜分离法等。但对于较低浓度的重金属离子废水处理效果不明显，操作费用和原材料成本相对较高，且存在二次污染，对大面积水域更受限制。近年来，生物修复技术得到了广泛应用，取得了较理想的结果。而生物修复重金属污染国内外研究较少，有湿地水环境中采集的生物膜吸附铅、镉的特性、微生物吸附剂对重金属的吸附特性，氧化亚铁硫杆菌对污泥中重金属生物淋滤的效果等。其实微生物吸附重金属的材料来源广泛，包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体，它们个体微小，却与人类生活密切相关。生物吸附法在低浓度下处理重金属的效果更佳，有吸附容量大、速度快、选择性好等特点，有广阔的应用前景。
（二）土壤中的重金属污染
1．自然状态 来源于母岩或生物物质，含量低，无危害。
2．人为因素 金属矿床开发、城市化、固体废弃物堆积、农业生产施用化肥农药、污泥及污水灌溉等。
3．威胁途径 淋溶作用进入水体、种植等农业活动，进而进入农作物。
重金属在水体中的迁移转化过程通常可概括为：
（1）溶解态和悬移态重金属在水流中的扩散迁移。
（2）沉积态重金属随地质的推移。
（3）溶解态重金属吸附于悬浮物和沉积物后向固相迁移。
（4）悬移态和沉积态重金属向间隙水溶出而重新进入水体的释放。
（5）悬移态重金属沉淀、絮凝、沉降。
（6）沉积态重金属再悬浮。
（7）生物过程即生物摄取、富集、微生物及生物甲基化等。
（8）水体中重金属通过水面向空气中迁移的气态。
二、重金属危害生物的主要特点
重金属危害生物有如下一些特点：
1．毒性效应
2．转化为毒性更强的金属化合物。
3．在介质间转移，对其他介质中的生物造成伤害。
4．从不同器官进入生物，发生选择性和非选择性积累，造成相应的损害。
5．经过食物链的逐级放大，在较高的生物体内富集。
重金属经过一系列物理、化学变化后，以各种形式存在于土壤中。各种形态的相对含量直接影响重金属对土壤微生物、生物活性与作物的危害程度。土壤中重金属元素的存在形态分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物态、有机态与难溶态。一般来说，土壤中重金属的污染元素可溶态的含量较低，而难溶态的含量较高，但随着污染程度的增加，可溶态含量也很大。土壤中重金属存在形态与土壤的理化性质有关。了解土壤中重金属的形态特征，其主要目的在于掌握土壤中各种形态重金属含量与其有效态的贡献率。以各种化学状态或化学形态存在的重金属，在进入环境或生态系统后就会存留、积累和迁移，造成危害。如随废水排出的重金属，即使浓度小，也可在藻类和底泥中积累，被鱼和贝类的体表吸附，产生食物链浓缩，从而造成公害。如日本的水俣病，就是因为烧碱制造工业排放的废水中含有汞，再经生物作用变成有机汞后造成的；又如痛痛病，是由炼锌工业和镉电镀工业所排放的镉所致。汽车尾气排放的铅经大气扩散等过程进入环境，造成目前地表铅的浓度已有显著提高，致使现代人体内铅的吸收量比原始人增加了约100倍，损害了人体健康。汞中毒有一定的征兆，开始是走路不稳，面容痴呆，而后耳聋眼瞎，重者全身麻痹，最后精神失常，以至死亡。这是因为汞中毒是一种神经中毒，可以造成全身性的神经损害。
三、重金属污染的微生物修复机理
（一）微生物菌体对重金属的吸附
微生物与重金属之间相互作用的研究已有数十年之久。在长期的理论研究和实际应用中人们发现，包括真菌在内的许多种微生物对一些金属均具有抗性，并已证明微生物在自然界对重金属的迁移转化起着重要的作用。因此，深入研究微生物对重金属的抗性，不仅能丰富微生物的生理学、生态学、生物化学及遗传学的理论，而且在应用生物技术治理工业废物污染、保护人类生存环境等方面也具有重要的意义。国外学者在20世纪80年代初就开始了微生物对重金属吸附的研究，大量研究结果表明，一些微生物如细菌、丝状真菌、酵母等对金属有很强的吸附能力。不同类型的真菌，对重金属的吸附表现出一定的差异。不同的菌丝体对重金属的吸附受pH的影响不同。
1．丝状真菌对重金属的吸附 丝状真菌对重金属有很强的吸收能力，有资料表明，将含曲霉、毛霉、青霉以及根霉的丝状真菌菌丝培养物干燥、磨碎并经筛分，使其成为可贮存的生物体，用于处理含Cd、Pb、Ni、Zn的工业废水。在pH为7时，可以除去98%的Pb、97%的Zn、92%的Cd，以及74%的Ni。1kg毛霉和根霉粉末可净化(pH7)含10mg/L锌的废水5000L。在铀的处理过程中，根霉菌（R.arrhizus）对铀的吸附量可高达200mg/g干重；黄青霉不但对铀有较强的吸附能力，对铅的吸附能力也不差，而霉菌（A.orchidis）对铅也有良好的吸附性能，有望成为优良的吸附剂。
2．酵母对重金属的吸附 国内有这方面的报道，李明春等人利用活性和非活性假丝酵母菌对铜、镉、镍的吸附能力进行研究，实验表明，30min时吸附量已达到总吸附量的90%以上。李峰等人在对产朊假丝酵母对铜离子吸附机理研究中发现细胞壁是酵母吸附重金属离子的主要部位。细胞壁的蛋白酶酶解实验证明，对胰蛋白酶不敏感的细胞壁嵌合蛋白是铜离子吸附的主要位点。
3．细菌对重金属的吸附 细菌对重金属有极强的抗性，可以与重金属之间发生反应，在低浓度下，重金属能促进细菌的发育和生长。Angela Vecchio和D.H.Nies在研究细菌对重金属的吸附时发现，细菌的细胞膜和细胞壁上的各种阴离子基团如磷酸根、乙酸根和氨基酸与重金属发生交联，从而使得细菌能够吸附重金属。Angela Vecchio在实验中发现brevibacterium菌体在吸附铜、铅和镉的时候，铅的存在可以抑制菌体对铜和镉的吸附。
4．菌根
（1）内生菌根真菌对重金属的修复的作用与机理：菌根（mycorrhizae）是自然界中非常普遍的现象，通常认为大多数生长在自然状态下的植物都能形成菌根。菌根真菌在活的植物根上发育，在从根部获取必需的碳水化合物和其他一些物质的同时，也为植物根系提供植物生长所需的碳水化合物和其他一些物质的同时，也为植物根系提供植物生长所需的营养和水。由于菌根表面菌丝体向土壤中的延伸，极大地增加了植物根系吸收的表面积，有的甚至可使根表面积增加46倍，这种作用增强了植物的吸收能力，在污染土壤修复中起着重要作用。菌根植物的根系首先通过根面上菌丝与根际圈内的重金属接触，从而对重金属产生吸收、屏障和螯合等直接作用。由于菌根真菌无法离体培养，人们通常只是从菌根植物与非菌根植物在受重金属污染后生理生态变化的对比中推测菌根真菌对重金属的修复作用。
（2）外生菌根真菌对重金属的修复的作用与机理：外生菌根真菌对重金属的吸收作用也具有与内生菌根类似的情形，但对重金属的屏障作用因菌套的形成而较为明显，尽管这种保护机理尚不清楚，但一般认为是菌根的菌套及菌丝体本身对重金属起了物理阻碍作用，阻止了重金属向植物体内转移。Turnau等研究表明，在玫瑰色须腹菌(Rhizopogn roseolus)和欧洲赤松（Pinus sylvestris）形成的菌根中，Cd和Al富集在菌套中，且其浓度沿着哈氏网向根内伸入而降低。在欧洲云杉(Picea abies)与漆蜡蘑（Laccaria laccata）形成的菌根中，大多数Cd被菌根螯合在真菌的细胞壁上。而彩色豆马勃（Pisolithus tinctorius）真菌的细胞壁外层染色层是Cd、Cu和Fe富集的地方，且真菌修复Cu、Zn污染土壤的机理是外生菌丝细胞质的黏液与Cu和Zn的聚磷酸盐的耦合作用。Galli等证实，在外生和内生菌根真菌中，重金属被束缚在细胞壁的组成成分中，如纤维素衍生物、黑色素及几丁质。此外，在少数外生菌根真菌中发现，重金属可以在真菌细胞内部积累，也可以发生由真菌新陈代谢物质所引起的细胞外的沉淀作用。因此，有必要对外生菌根真菌的这种保护作用进行深入研究，筛选出保护性真菌及特异性共生植物，以便作为废弃重金属矿区再绿化工程中的先锋植被种，这样不仅能对污染土壤起到修复作用，而且还利于环境的美化及水土保持。
（二）微生物对重金属的溶解
微生物对重金属的溶解主要通过各种代谢活动直接或间接进行。土壤微生物的代谢作用能产生多种低分子量的有机酸，真菌产生的有机酸大多为不挥发性酸。真菌可以通过分泌氨基酸、有机酸以及其他代谢产物溶解重金属及含重金属的产物。
（三）微生物对重金属的氧化还原
土壤中的一些重金属元素可以多种价态存在，它们呈高价离子化合物存在时溶解度通常较小，不易迁移，而以低价离子存在时则相反。微生物可以产生特殊的酶还原重金属元素，微生物的氧化作用能使重金属元素的活性降低，还可以通过对阴离子的氧化，释放与之结合的重金属离子。
（四）微生物对重金属-有机络合物的生物降解
重金属可与土壤有机质形成稳定的络合物，对重金属在土壤中的化学行为产生深刻的影响。
1．重金属-有机物被微生物降解后，重金属则以氢氧化物或生物吸附的形式沉淀。
2．镉由于毒性较大，形成的络合物不能被微生物降解。
3．重金属离子与低分子量的有机物形成的复合物的生物稳定性主要取决于有机配体和微生物的种类、重金属对微生物的毒性，而与重金属-有机复合体的化学稳定性关系不大。
（五）菌根真菌对重金属的生物有效性的影响
菌根真菌与植物根系共生可促进植物对养分的吸收和植物生长。菌根真菌也能借助有机酸的分泌活化某些重金属离子。菌根真菌还能以其他形式如离子交换、分泌有机配体、激素等影响植物对重金属的吸收。
重金属污染的生物修复技术需要深入研究的有：
1．重金属对微生物降解的抑制效应及外来物质对微生物降解的促进效应。
2．通过遗传工程构建高效降解的微生物菌株，创造超积累型转基因物质。
3．重金属超常环境中植物、土壤、微生物、重金属之间的关系，以及正常环境中野生植物的根际微生物和土壤酶活性。