釩污染土壤生物修復(fù)研究進(jìn)展

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:摘 要：釩污染土壤對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康存在危害，已成為土壤修復(fù)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一。選取科學(xué)合理的修復(fù)方法對(duì)釩污染土壤進(jìn)行精準(zhǔn)治理十分必要。生物修復(fù)技術(shù)是釩污染土壤綠色可持續(xù)治理的重要發(fā)展方向，具有操作簡(jiǎn)便、環(huán)境友好、成本低廉、修復(fù)效率較高等優(yōu)勢(shì)。本文從植物、動(dòng)物、微生物單一及聯(lián)合修復(fù)的角度，綜述了近年來(lái)釩污染土壤生物修復(fù)的研究進(jìn)展，探討了影響釩污染土壤生物修復(fù)效果的主要因素，總結(jié)了現(xiàn)階段的研究不足，并對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望，以期為釩污染土壤生物修復(fù)技術(shù)的總結(jié)與發(fā)展應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)與理論參考。

關(guān)鍵詞：釩污染；土壤；生物修復(fù)

土壤作為陸地表面重要的物質(zhì)元素承載界面，能夠收集捕獲環(huán)境中的重金屬元素。釩是一種自然界常見(jiàn)的重金屬元素，廣泛存在于地球表面各個(gè)圈層中。隨著釩在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力得到挖掘，對(duì)釩的需求量和開(kāi)采量逐年增長(zhǎng)。在人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的大量含釩廢物進(jìn)入土壤，導(dǎo)致了土壤中釩含量明顯增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因人類(lèi)活動(dòng)而導(dǎo)致的沉積在土壤環(huán)境中的釩約有1.32×108kg，形成的土壤釩污染問(wèn)題亟待解決。

當(dāng)前，我國(guó)釩的儲(chǔ)量和開(kāi)采量已經(jīng)位于世界前列，所產(chǎn)生土壤釩污染也引起了土壤修復(fù)領(lǐng)域研究者的重視。生物修復(fù)法具有性價(jià)比高、環(huán)境友好的特點(diǎn)，是新興且極具潛力的土壤修復(fù)手段，相較于常規(guī)修復(fù)手段具有明顯優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前研究人員針對(duì)釩污染土壤所采取的生物修復(fù)方式以植物修復(fù)和微生物修復(fù)為主，借助植物生長(zhǎng)過(guò)程的吸收積累機(jī)制，以及微生物的吸附、代謝轉(zhuǎn)化等途徑，完成對(duì)釩吸附收集，從而達(dá)到降低土壤釩含量的目的。

本文回顧了近年來(lái)利用生物修復(fù)釩污染土壤的研究進(jìn)展，總結(jié)概括了植物和微生物修復(fù)釩污染土壤的相關(guān)作用機(jī)制，并針對(duì)當(dāng)前生物修復(fù)方法尚存的不足，提出了未來(lái)的研究重點(diǎn)，以期為生物修復(fù)釩污染土壤方法的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 釩污染土壤

1.1 釩資源

釩是一種硬度高、銀灰色金屬，屬于過(guò)渡元素，位于元素周期表VB族，廣泛存在于地表各圈層中。釩在地殼金屬元素含量排名中占據(jù)第22位，平均含量為135.00 mg/kg。絕大部分金屬釩是以伴生元素存在于巖石礦物中，如釩鈦磁鐵礦、石油等。在儲(chǔ)量和開(kāi)采量上，南非、俄羅斯、中國(guó)等國(guó)家位居世界前列。我國(guó)釩礦資源分布較廣，但存在顯著的地區(qū)差異，土壤中釩含量從0.48 mg/kg到1 854.00 mg/kg不等，平均釩含量87.36 mg/kg，主要分布在我國(guó)西南和華中地區(qū)。四川、安徽、甘肅、湖南等省集中了大量釩礦資源，其中四川省釩儲(chǔ)量位居全國(guó)之首，約占全國(guó)總儲(chǔ)量的一半。

1.2 土壤中釩的形態(tài)

釩在土壤中的賦存形態(tài)極為復(fù)雜。釩可與其他金屬離子(如Fe、Mn)以及土壤有機(jī)質(zhì)等發(fā)生吸附作用，進(jìn)而以多種化學(xué)結(jié)合形態(tài)存在，可概括為以下5類(lèi)：殘?jiān)鼞B(tài)、可溶態(tài)、無(wú)定型氧化鐵結(jié)合態(tài)、易還原錳結(jié)合態(tài)和有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)。釩作為一種易受外界氧化還原條件影響的元素，土壤溶液的氧化還原電位與pH共同決定其化合價(jià)態(tài)，常見(jiàn)有 +3、+4和 +5價(jià)化合物。其中釩(III)僅存在于嚴(yán)格的厭氧條件(如泥炭中)，釩(IV)和釩(V)因其穩(wěn)定性較強(qiáng)而廣泛存在，大多數(shù)情況下土壤中以穩(wěn)定的釩(V)為主。然而在一定的還原條件作用下，釩(V)可以向更低價(jià)態(tài)的釩進(jìn)行還原轉(zhuǎn)化。

1.3 土壤中釩污染來(lái)源及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

地質(zhì)變化和人類(lèi)活動(dòng)共同驅(qū)動(dòng)微量元素向土壤中積累。在自然條件下，土壤釩含量與成土母質(zhì)中釩的儲(chǔ)存量具有密切關(guān)系。巖石礦物受到外界環(huán)境壓力碎裂，釋放出內(nèi)部貯存的釩元素進(jìn)入土壤介質(zhì)。因此含釩巖石礦物的自然風(fēng)化是天然土壤中釩的主要來(lái)源。近現(xiàn)代以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)釩在鋼鐵、有色金屬、化工等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，以及電池等新興行業(yè)中具有重大發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值，釩的開(kāi)采量、生產(chǎn)量顯著增長(zhǎng)。與此同時(shí)，人類(lèi)活動(dòng)大大加速了土壤釩污染進(jìn)程。在礦山開(kāi)掘、金屬冶煉階段排放、堆積了大量含釩廢料，以多種途徑進(jìn)入土壤環(huán)境(圖1)，導(dǎo)致釩礦開(kāi)采地區(qū)周邊的土壤釩污染嚴(yán)重。此外，燃燒化石能源、施用化肥農(nóng)藥，以及日常垃圾再處理過(guò)程, 也會(huì)顯著提升土壤釩水平。

釩是生命體必需的微量元素之一，在生命周期中扮演著重要角色。但攝入濃度過(guò)量的釩對(duì)人體、動(dòng)植物以及微生物則具有毒性。釩的毒性強(qiáng)弱取決于其價(jià)態(tài)和化合物性質(zhì)，會(huì)隨元素價(jià)態(tài)升高及化合物溶解度的增大而變強(qiáng)，因此釩(V)被認(rèn)為毒性最強(qiáng)。加拿大曾針對(duì)土壤中的釩含量制定過(guò)相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(130 mg/kg)以降低動(dòng)植物受害風(fēng)險(xiǎn)。在我國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB36600—2018)(試行)中，也詳細(xì)規(guī)定了釩在一類(lèi)和二類(lèi)用地中的篩選值(165、752 mg/kg)與管制值(330、1 500 mg/kg)。

2 釩污染土壤生物修復(fù)方法

當(dāng)前修復(fù)釩污染土壤可采用物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)技術(shù)，物理修復(fù)方法有客(換)土法、電化法以及玻璃化法等，化學(xué)修復(fù)方法包括固化穩(wěn)定化法和土壤淋洗法等。物化修復(fù)方法見(jiàn)效快、效率高，但也存在工程量大、成本高，以及可能造成潛在的土壤二次污染、破壞土壤理化性質(zhì)等弊端。因而生物修復(fù)法越來(lái)越受到研究者關(guān)注。生物修復(fù)技術(shù)主要包括植物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)及微生物修復(fù)3種途徑(圖1)。相較物理、化學(xué)修復(fù)手段，生物修復(fù)具有處理成本低、無(wú)污染、易操作等優(yōu)勢(shì)。

釩污染土壤生物修復(fù)法是指由動(dòng)植物、微生物介導(dǎo)的釩污染修復(fù)體系。通過(guò)生命代謝活動(dòng)完成釩固著或轉(zhuǎn)化，還可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤溶液pH和氧化還原電位，改變土壤中釩化學(xué)結(jié)合形態(tài)，削減釩在土壤中的溶解度和遷移性，從而降低污染程度，并對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)帶來(lái)積極影響。

2.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)提供了一種廉價(jià)、可持久、環(huán)境友好的土壤污染修復(fù)方法。利用植物體對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)形式可概括為以下兩方面：栽培具有富集能力的植物對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行吸收、提取，將其固定在植物地上或者地下部分的器官組織內(nèi)；植物根系向土壤中釋放代謝分泌物，影響土壤pH以及氧化還原電位，降低重金屬移動(dòng)能力和生物可利用性，將其穩(wěn)定在土壤顆粒中。目前針對(duì)釩污染土壤植物修復(fù)，多見(jiàn)于植物利用根部對(duì)土壤中釩進(jìn)行吸收并積累在植物體內(nèi)這一方式。

圖1 釩污染土壤生物修復(fù)途徑示意圖

Fig. 1 Schematic diagram of vanadium contaminated soil bioremediation pathways

植物修復(fù)的關(guān)鍵在于篩選出具有釩耐受性且能夠?qū)崿F(xiàn)高效吸收積累土壤中釩的植株物種。本文在表1中總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外報(bào)道的可用于釩污染土壤植物修復(fù)潛在的物種資源。方維萱等曾在陜西省境內(nèi)伴生硒、鉬、釩等金屬元素的石煤地區(qū)，考察了礦區(qū)植物群落情況。在含釩量為1 134.00 mg/kg的土壤環(huán)境中，找到了多種自然狀態(tài)下的釩富集植物，其中豆科植物薇菜對(duì)釩的富集量最大，達(dá)到了28.00 mg/kg。同時(shí)，其他對(duì)釩具有富集作用的植物也表現(xiàn)出較好的吸收積累能力，如紫陽(yáng)春茶、菜根、油菜籽和大葉絞股藍(lán)，其富集量分別為21.00、21.00、13.00、18.00 mg/kg；林海等則從冶煉廠附近含釩量為196.30 ~ 17 451.70 mg/kg不等的污染土壤中，采集了7個(gè)點(diǎn)位的土壤樣品，累計(jì)收集了29個(gè)植物樣本，并對(duì)土樣和植物體內(nèi)的重金屬含量進(jìn)行了分析。檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，各種植物中，蜈蚣草對(duì)釩的富集能力最強(qiáng)，根部可以達(dá)到814.25 mg/kg。由于經(jīng)歷了在重污染地區(qū)自然條件下的長(zhǎng)期生長(zhǎng)和馴化過(guò)程，這些植物對(duì)較高濃度的釩污染土壤已具備了顯著的耐受性和富集能力。

研究人員在很多的試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)植物的不同部位對(duì)釩的積累量具有差異性。Yang等以紫花苜蓿(Medicago sativa L.)作為試驗(yàn)植物，在含有不同濃度釩的污染土壤中開(kāi)展了為期90 d盆栽試驗(yàn)，對(duì)收集的104個(gè)土壤樣品和94個(gè)植物樣品中釩累積量進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示，紫花苜蓿對(duì)于土壤中高達(dá)400.00 mg/kg的釩表現(xiàn)出了良好耐受性，并且植株根部對(duì)釩的吸收量最高達(dá)到3 440.14 mg/kg，相較于植物地上部分(最高為154.34 mg/kg)表現(xiàn)出有更高的富集作用；趙婷選取燈芯草(Juncus Effuses L.)進(jìn)行為期5個(gè)月的盆栽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在不同含量(10 ~ 200.00 mg/kg)處理過(guò)的釩污染土壤中，燈芯草地下部分的釩積累量均高于地上部分，地下部分最高積累量為12.27 mg/kg，地上部分最高積累量?jī)H為6.31 mg/kg；Qian等在美國(guó)新澤西州某含釩量最高為317.00 mg/kg的城市棕地土壤上，收集了22個(gè)樣點(diǎn)的6種植物樣本，包括3種草本植物和3種落葉木本植物，對(duì)植物體內(nèi)的釩含量進(jìn)行檢測(cè)分析后發(fā)現(xiàn)，在所有樣點(diǎn)的植物樣本中，植物根部吸收量最大，根、莖、葉對(duì)釩吸收量分別為25.70 ~ 280.00、0 ~ 0.46、2.06 ~ 12.10 mg/kg，整體表現(xiàn)為根>葉>莖。

通過(guò)上述案例可以發(fā)現(xiàn)釩在植物體內(nèi)的分布特點(diǎn)，即根部對(duì)釩的富集水平遠(yuǎn)高于地上部分。有研究表明，重金屬離子被吸收后與根部細(xì)胞產(chǎn)生的金屬硫蛋白、植物絡(luò)合素以及多種配體發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成螯合物，附著在細(xì)胞壁上，完成重金屬再依賴細(xì)胞區(qū)室化、化合價(jià)轉(zhuǎn)化等方式，降低重金屬毒性作用。此外，在養(yǎng)分運(yùn)輸過(guò)程中存在自身保護(hù)機(jī)制阻止了重金屬向上轉(zhuǎn)移，以減少對(duì)地上部分光合作用和代謝活動(dòng)的影響。

表1 目前已報(bào)道的釩富集植物

Table 1 Reported vegetation accumulating vanadium

超富集植物是一類(lèi)對(duì)重金屬具有強(qiáng)大吸收富集能力的植物，區(qū)別于常規(guī)富集植物的特點(diǎn)之一是其體內(nèi)重金屬多被蓄積在地上部分。當(dāng)前研究者根據(jù)重金屬類(lèi)別劃分，植物體內(nèi)重金屬蓄積量大于100.00 mg/kg干重(Cd)、1 000.00 mg/kg干重(Ni、Cu、Pb)，以及10 000.00 mg/kg干重(Zn、Mn)被認(rèn)為是超富集植物。

Elektorowicz和Keropian將蕓薹屬植物芥菜(Brassica juncea L.)加入到由鋰礦尾礦、泥炭和脫水城市污泥組成的，釩含量約為262.34 mg/kg的生長(zhǎng)培養(yǎng)基中，研究其對(duì)釩的吸收能力。86 d的溫室試驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)芥菜根際土壤中釩浸出量高達(dá)34 168.00 mg/kg，地上部分的釩積累量也達(dá)到了18 858.00 mg/kg(莖部)、10 111.00 mg/kg(葉部)，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于芥菜根部(5 090.00 mg/kg)。超富集植物的吸收策略可能為根部分泌低分子有機(jī)酸將根際周?chē)寥乐械拟C溶出，增加可溶性釩含量便于根系吸收，再利用體內(nèi)重金屬載體蛋白，使釩裝載進(jìn)入木質(zhì)部，并通過(guò)導(dǎo)管輸送至莖、葉部分。

植物對(duì)于不同價(jià)態(tài)釩化合物的吸收能力不同，這可能與釩的溶解性和遷移能力有關(guān)。Tian等采集了四川省攀枝花釩污染地區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤，其原始釩含量為147.00 mg/kg，并人為添加了最低50.00 mg/kg、最高500.00 mg/kg的釩，在溫室條件下進(jìn)行芥菜(Brassica juncea L.)盆栽試驗(yàn)。結(jié)果顯示，芥菜根、莖、葉中釩含量最高分別為6.47、1.56和0.63 mg/kg，并通過(guò)比較根際土壤中釩(V)和釩(IV)含量變化，發(fā)現(xiàn)釩(V)水平顯著降低，而釩(IV)變化并不明顯，證明土壤中釩(V)為芥菜的主要利用形式。這可能是由于釩(V)具有更高的溶解性和遷移能力，更容易被植物根系所吸收利用；Tian等利用白菜在人為添加釩122.00 ~ 672 mg/kg的土壤中，進(jìn)行為期64 d的盆栽試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，白菜在釩含量122.00 ~ 372.00 mg/kg的情況下，根部積累的釩(14.40 ~ 24.90 mg/kg)遠(yuǎn)高于葉部的釩積累量(2.08 ~ 2.71 mg/kg)，但是在白菜葉部，其釩(IV)含量顯著高于釩(V)，可能是植物吸收的釩(V)被細(xì)胞壁上存在的多糖、有機(jī)配體(羧基、羥基等)絡(luò)合吸附后，進(jìn)入細(xì)胞并在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行還原，將高價(jià)釩進(jìn)行轉(zhuǎn)化為較低價(jià)態(tài)且毒性較弱的釩(IV)，此方式可能作為植物對(duì)于釩的一種解毒機(jī)制。

2.2 微生物修復(fù)

微生物擁有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、繁殖速度快、數(shù)量多等優(yōu)勢(shì)，因此采用微生物方法修復(fù)釩污染土壤具有廣闊前景。長(zhǎng)期存在于釩污染地區(qū)土壤中的微生物進(jìn)化產(chǎn)生了重金屬耐受機(jī)制，通過(guò)體內(nèi)存在的金屬抗性基因、抗氧化酶作用，以及釋放金屬結(jié)合蛋白、金屬結(jié)合肽等物質(zhì)與重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，以減輕重金屬污染脅迫。魏清清等報(bào)道了釩污染地區(qū)土壤中存在的耐釩微生物種類(lèi)，他們采集了位于四川省攀枝花地區(qū)釩鈦磁鐵礦的表層土壤(釩含量為224.50 mg/kg)，將土壤微生物分離純化后，分別接種到含有釩(IV)和釩(V)10.00 ~ 200.00 mg/L，并添加有營(yíng)養(yǎng)元素的無(wú)機(jī)液、固及有機(jī)培養(yǎng)基中，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)。在最終所篩選出的21株耐釩菌株中，14株屬于變形菌門(mén)，7株屬于放線菌門(mén)，并證實(shí)這些菌在釩離子濃度為200.00 mg/L的條件下可存活，表明其具有較強(qiáng)的釩耐受力。變形菌門(mén)和放線菌門(mén)細(xì)菌在研究微生物對(duì)重金屬抗性中也曾有過(guò)報(bào)道，其具備重金屬抗性可能與體內(nèi)存在的金屬抗性基因，抗氧化酶活性及金屬絡(luò)合劑分泌等因素有關(guān)；Ceci等從含釩量為198.00 ~ 275.00 mg/kg的農(nóng)業(yè)土壤中分離出6株腐生真菌物種，分別在含有釩1.00、2.00、3.00、6.00 mmol/L的培養(yǎng)基中進(jìn)行9 d釩耐受性試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6株真菌均可耐受6.00 mmol/L釩的測(cè)試濃度(表2)。真菌對(duì)釩具有較強(qiáng)耐受性可能是由于其體內(nèi)存在的金屬硫蛋白、金屬結(jié)合肽等物質(zhì)與重金屬絡(luò)合，降低了釩對(duì)菌體的毒性威脅。

表2 潛在的釩污染土壤修復(fù)微生物資源

Table 2 Potential microorganisms remediating vanadium-contaminated soil

當(dāng)前針對(duì)釩污染地下水微生物修復(fù)研究進(jìn)展較快，已發(fā)現(xiàn)金屬還原土桿菌屬(Geobacter metallire-du-cens)和希瓦氏菌屬(Shewanella oneidensis)的細(xì)菌可將釩作為電子受體進(jìn)行生理代謝，能夠高效去除地下水中的釩。谷倩等已對(duì)釩污染地下水微生物修復(fù)案例進(jìn)行了較完整總結(jié)。土壤和地下水中微生物因其具有一定的相似性，所以土壤中同樣存在具有釩污染修復(fù)能力的菌群。目前針對(duì)釩污染土壤微生物修復(fù)的認(rèn)識(shí)，常見(jiàn)于一些來(lái)源于釩污染土壤中的微生物，通過(guò)吸附絡(luò)合作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤環(huán)境中釩的積累，降低土壤污染程度。

微生物可利用細(xì)胞壁上攜帶的官能團(tuán)吸附固著重金屬，并將其通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白載入胞內(nèi)完成積累，達(dá)到降低土壤中釩濃度的目的。Hernández等收集了煉油廠附近釩、鎳污染土壤樣品，從土壤中篩選分離出3株具有釩抗性細(xì)菌菌株，經(jīng)分類(lèi)學(xué)鑒定3株細(xì)菌均屬于腸桿菌科，分別為2株赫氏大腸桿菌(Es-cherichia. hermannii CNB50、Escherichia. hermannii CNB52)和1株陰溝腸桿菌(Enterobacter. cloacae CNB60)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)后測(cè)定了細(xì)菌的釩積累能力，結(jié)果顯示3株菌對(duì)釩的吸收量分別為687.71、918.07、671.70 nmol/mg。積累作用可能是由于細(xì)胞表面所攜帶化學(xué)基團(tuán)與重金屬發(fā)生吸附過(guò)程，進(jìn)而將其固定導(dǎo)致的。

利用微生物修復(fù)釩污染土壤的過(guò)程中，修復(fù)效果受到細(xì)胞的新陳代謝能力的影響，結(jié)果導(dǎo)致微生物對(duì)釩的富集水平有差距。Fierros Romero等從采礦場(chǎng)土壤分離出了巨大芽孢桿菌(Bacillus megaterium) MNSH1-9K-1，并接種到含有鎳和釩均為200.00 mg/L的液體培養(yǎng)基中，探究其在12、24和36 h時(shí)細(xì)菌對(duì)于鎳和釩的去除能力。在36 h時(shí)發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中釩的去除率達(dá)到最大值，為16.03%。并且發(fā)現(xiàn)活性細(xì)胞釩富集效果為非活性細(xì)胞的16倍，猜測(cè)富集過(guò)程主要依賴于細(xì)胞代謝進(jìn)行，而非活性細(xì)胞因代謝受到抑制而只進(jìn)行表面吸附，所以富集量差距大。

此外，微生物對(duì)于不同賦存形態(tài)下的釩化合物結(jié)合提取能力存在差異。Xu等嘗試將4種擔(dān)子菌門(mén)真菌各自加入到分別含有硫酸氧釩(VOSO4)和偏釩酸鈉(NaVO3)濃度為1.00、3.00、6.00、10.00 mmol/L的液體培養(yǎng)基中，探求真菌對(duì)不同形態(tài)釩的積累能力。培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)真菌中釩含量明顯增加，其中毒蠅鵝膏菌(Amanita muscaria)在含有10.00 mmol/L硫酸氧釩(VOSO4)的處理中積累量高達(dá)51.30 mg/g真菌生物量，為對(duì)照的57倍。并觀察到真菌對(duì)可溶性釩(IV)的積累程度高于可溶性釩(V)，此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是釩酰根離子(VO2+)與細(xì)胞中有機(jī)螯合物的配位能力強(qiáng)于釩酸根離子(VO– 3)。

2.3 多種生物修復(fù)聯(lián)用技術(shù)

為了集中發(fā)揮不同生物修復(fù)方法的各自優(yōu)點(diǎn)，往往采用多種生物修復(fù)技術(shù)聯(lián)用方式提升修復(fù)效果。近年來(lái)許多研究表明，植物根際促生菌及內(nèi)生菌通過(guò)調(diào)節(jié)植物激素水平，提升植株內(nèi)抗氧化酶活性，緩解植物所受環(huán)境壓力；促進(jìn)生長(zhǎng)素(Indole-3-Acetic Acid, IAA)、氨基環(huán)丙烷羧酸( l-aminocyclopropane-l- carboxylic acid, ACC)脫氨酶合成，提高植物生物量；還可產(chǎn)生金屬硫蛋白、有機(jī)酸等物質(zhì)與重金屬元素結(jié)合，提高土壤中重金屬生物利用度以刺激誘導(dǎo)植物吸收，進(jìn)而強(qiáng)化植物修復(fù)能力。

植物內(nèi)生細(xì)菌是一類(lèi)普遍存在于高等植物體內(nèi)，生活史部分或全部位于植物組織、器官中的細(xì)菌，具有穩(wěn)定性高、受外界環(huán)境擾動(dòng)程度低的特點(diǎn)。目前利用內(nèi)生細(xì)菌聯(lián)合植物修復(fù)對(duì)治理重金屬污染環(huán)境已有報(bào)道。

根據(jù)現(xiàn)有研究，植物接種內(nèi)生菌后增強(qiáng)了植物體對(duì)土壤中釩的吸收能力，達(dá)到提升土壤修復(fù)效果的目的。Wang等將從蜈蚣草體內(nèi)分離出的2株優(yōu)勢(shì)內(nèi)生菌——粘質(zhì)沙雷氏菌(SerratiaPRE01)和節(jié)桿菌(ArthrobacterPRE05)分別定殖到芥菜種子內(nèi)，使用釩污染土壤經(jīng)過(guò)60 d盆栽試驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)根際土壤中釩含量從6.60 mg/kg分別增加到14.70 mg/kg和13.70 mg/kg，并且接種過(guò)內(nèi)生菌的芥菜，其根部釩積累量相較于不接種組分別增加了16.00% 和14.10%，有可能是內(nèi)生菌刺激了植物根系分泌釋放出有機(jī)酸，對(duì)根際土壤中的釩產(chǎn)生增溶作用，提升了根系周?chē)寥乐杏行рC水平，從而提高了植物從環(huán)境中獲取釩的能力。

2.4 動(dòng)物修復(fù)

土壤動(dòng)物的生命活動(dòng)對(duì)于改善土壤生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮著重要作用，也常被用于指示重金屬污染土壤所存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。土壤動(dòng)物在其生命周期中可吸收利用一定量的重金屬元素，關(guān)于重金屬在土壤動(dòng)物體內(nèi)積累之前有諸多研究，釩作為土壤動(dòng)物生長(zhǎng)過(guò)程中的必需元素，被其吸收后參與到體內(nèi)生物化學(xué)循環(huán)，并在體內(nèi)蓄積；相比于外界土壤環(huán)境，土壤動(dòng)物的體腔為一相對(duì)厭氧體系，可進(jìn)行大量還原反應(yīng)?；谏鲜鰞牲c(diǎn)，提出利用土壤動(dòng)物輔助協(xié)同修復(fù)釩污染土壤的可能性。目前針對(duì)釩污染環(huán)境的動(dòng)物修復(fù)技術(shù)尚未見(jiàn)相關(guān)研究，但是可以從其他重金屬修復(fù)試驗(yàn)中了解土壤動(dòng)物應(yīng)用于釩污染土壤的潛力。Šrut等將正蚓(Lumbricus terrestris)加入到含有重金屬Cd含量為10.00、50.00 mg/kg的污染土壤中，在溫室中進(jìn)行為期28 d的重金屬暴露試驗(yàn)。之后研究者對(duì)各處理組腸道微生物進(jìn)行測(cè)序，并分別比較了對(duì)照組與Cd含量10.00 mg/kg和50.00 mg/kg處理組中細(xì)菌在屬水平上的顯著差異性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)處理組蚯蚓腸道中存在豐度較高的重金屬抗性物種，如諾卡氏菌屬、鏈霉菌屬等，并與對(duì)照組相比具有顯著差異。這些物種因其存在重金屬抗性機(jī)制，可在一定程度的污染條件下存活，這表明土壤動(dòng)物體內(nèi)存在具有重金屬抗性的內(nèi)生菌，而蚯蚓腸道則為其定殖提供了適宜的“場(chǎng)所”，如果挖掘其潛力，可能對(duì)修復(fù)重金屬污染產(chǎn)生一定積極效果。這為后續(xù)研究釩污染土壤動(dòng)物修復(fù)技術(shù)帶來(lái)啟發(fā)：利用土壤動(dòng)物(如蚯蚓、線蟲(chóng)、跳蟲(chóng)等)將土壤中釩污染物富集固定，并通過(guò)體內(nèi)腸道還原環(huán)境及內(nèi)生菌作用，降低釩價(jià)態(tài)使毒性減弱，從而實(shí)現(xiàn)土壤動(dòng)物介導(dǎo)的釩污染土壤還原解毒過(guò)程，這一假設(shè)值得深入研究。

3 影響釩污染土壤生物修復(fù)效果的因素

3.1 土壤理化性質(zhì)

土壤中釩的生物有效性受到土壤介質(zhì)的理化性質(zhì)影響。土壤黏粒礦物的類(lèi)型及含量影響釩遷移能力，例如硅鋁酸鹽礦物可對(duì)重金屬等含氧酸根產(chǎn)生專(zhuān)性吸附，阻礙重金屬的移動(dòng)能力，黏粒含量高則阻礙程度更大。

有機(jī)質(zhì)通過(guò)靜電吸附和螯合作用結(jié)合土壤中的重金屬，如腐殖質(zhì)可與重金屬發(fā)生反應(yīng)形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物，一定程度上降低了生物利用水平。有研究發(fā)現(xiàn)，植物吸收釩的量與土壤中有機(jī)質(zhì)含量呈拮抗效應(yīng)；土壤pH對(duì)于生物吸收釩具有較大影響，土壤在pH為4時(shí)，植物吸收釩的能力最高，而在pH = 10時(shí)，植物吸收量則大幅降低。

此外，土壤陽(yáng)離子交換量(cation exchange capa-city，CEC)以及土壤養(yǎng)分元素含量也對(duì)植物體吸收釩具有一定影響。研究表明，陽(yáng)離子交換量對(duì)于植物芽中釩的吸收量具有顯著的積極作用，而土壤有效磷和有效鉀含量則對(duì)根部釩的積累量起到協(xié)同效應(yīng)。

3.2 釩的賦存形態(tài)

土壤中的釩賦存形態(tài)多樣化也成為影響植物和微生物吸收積累的重要因素之一。植物和微生物對(duì)于土壤不同價(jià)態(tài)的釩化合物吸收能力有所不同。一般來(lái)說(shuō)，植物和微生物對(duì)于溶解性強(qiáng)、移動(dòng)性高的釩化合物具備更好積蓄效果。一部分研究者認(rèn)為，釩酰根離子(VO2+)被土壤膠體顆粒捕獲，將其鎖在土壤晶格內(nèi)部，導(dǎo)致生物無(wú)法利用。土壤中存在的5種釩形態(tài)中，可溶性釩含量極低，絕大部分以殘?jiān)鼞B(tài)形式存在，剩余部分會(huì)被Fe、Mn等金屬離子及有機(jī)質(zhì)吸附結(jié)合后形成較穩(wěn)定的絡(luò)合形態(tài)，同樣難以被生物利用。

3.3 生物修復(fù)資源

天然修復(fù)材料主要包括植株和菌株，其直接承擔(dān)了將釩轉(zhuǎn)移出土壤環(huán)境的任務(wù)，但因生物性質(zhì)的局限，污染土壤恢復(fù)進(jìn)程將會(huì)受到影響。

重金屬吸收量體現(xiàn)了植物對(duì)重金屬的提取能力，而生物量大小則決定了植物的重金屬貯存體量。綜合二者水平后可用于評(píng)判植物修復(fù)效果。對(duì)釩有較強(qiáng)富集能力的植物，由于長(zhǎng)期遭受重金屬脅迫作用，生長(zhǎng)往往受到抑制，導(dǎo)致生物量低。并且植株環(huán)境敏感性強(qiáng)，容易受到土壤性質(zhì)、氣候等自然因素影響，修復(fù)速度及效果被顯著限制。

微生物菌種需要吸取一定量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才能完成增殖過(guò)程，而污染嚴(yán)重土壤中碳、氮等營(yíng)養(yǎng)元素匱乏，導(dǎo)致菌落繁殖速度下降，進(jìn)而影響修復(fù)去除效率。另外，菌種在進(jìn)行多代繁殖以后，遺傳信息不穩(wěn)定，容易造成菌種變異或退化現(xiàn)象，也會(huì)影響微生物對(duì)于釩的去除能力及修復(fù)效果。

4 釩污染土壤生物修復(fù)技術(shù)現(xiàn)有不足

采用生物技術(shù)修復(fù)釩污染土壤存在一定的不足之處，主要概括為以下幾點(diǎn)。

4.1 生物量限制

生物體只有達(dá)到一定生物量之后才能完成對(duì)污染物的較高程度積累。由于植物、微生物需花費(fèi)時(shí)間用于生長(zhǎng)繁殖，對(duì)比于物理、化學(xué)方法的快捷高效，則要更長(zhǎng)的處理時(shí)間。富集植物對(duì)釩具有耐受上限，當(dāng)積累的釩超過(guò)一定閾值后，將會(huì)嚴(yán)重影響植物體內(nèi)生理生化反應(yīng)，導(dǎo)致生物量降低，其外部表現(xiàn)為植株生長(zhǎng)緩慢、個(gè)體發(fā)育不良，嚴(yán)重時(shí)萎蔫甚至死亡，極大影響植物修復(fù)能力。

4.2 復(fù)雜環(huán)境影響

釩污染地區(qū)土壤中普遍存在釩與多種重金屬及有機(jī)污染物復(fù)合污染并存的狀況。植物和微生物可能只對(duì)其中某種污染物表現(xiàn)出較高耐受性，其他污染物可能對(duì)其有顯著的毒性和限制作用，減緩或抑制其繁殖生長(zhǎng)。

4.3 修復(fù)材料回收困難

對(duì)修復(fù)材料的回收存在較大難度。修復(fù)工程結(jié)束后，重金屬被大量蓄積并分配在用于修復(fù)的植株體內(nèi)，其地上部分可采取收割處置，對(duì)埋藏在土壤中、具有高金屬濃度、復(fù)雜的植物根系來(lái)說(shuō)，完全收集難度大，若無(wú)有效手段處理則仍存在二次污染可能。此外，研究者發(fā)現(xiàn)植物、微生物在吸收重金屬過(guò)程中會(huì)釋放有機(jī)酸，降低pH同時(shí)活化重金屬，增加了介質(zhì)中生物有效濃度。活化后的重金屬除被修復(fù)材料吸附積累之外，其他生物對(duì)其也增加了吸收能力，再經(jīng)過(guò)捕食作用進(jìn)入到食物鏈，產(chǎn)生的重金屬富集效應(yīng)會(huì)對(duì)高等動(dòng)物的生存造成較嚴(yán)重威脅。

5 釩污染土壤生物修復(fù)技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 生物修復(fù)材料優(yōu)選改良及安全化處置

從污染地區(qū)內(nèi)搜尋并采集釩富集植物，從污染土壤中分離并篩選高效、耐受性強(qiáng)的釩還原微生物，在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下對(duì)其進(jìn)行人為馴化培養(yǎng)，提高其耐受閾值；結(jié)合生物工程技術(shù)手段，將外源目的基因?qū)氲街参锖臀⑸矬w內(nèi)，實(shí)現(xiàn)生物體的定向改造，培育出環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生物量高、生長(zhǎng)速度快，且具備更高釩抗性和富集水平的生物修復(fù)材料，達(dá)到高效快速修復(fù)，尤其要深入發(fā)掘研究植物、微生物代謝產(chǎn)物對(duì)釩形態(tài)的轉(zhuǎn)化機(jī)理。修復(fù)材料安全處置將會(huì)成為修復(fù)完成后的關(guān)鍵點(diǎn)，例如使用500 ℃ 高溫對(duì)植物修復(fù)材料進(jìn)行熱解處理，重金屬被穩(wěn)定保留在植物殘?jiān)鼉?nèi)，將熱解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭還可作為亞甲基藍(lán)(methylene blue)吸附劑實(shí)現(xiàn)再利用。

5.2 多種修復(fù)方法協(xié)同使用

多學(xué)科進(jìn)行系統(tǒng)性交叉研究，有機(jī)整合各種生物修復(fù)方法，形成植物-微生物、動(dòng)物-微生物等多種跨界生物綜合修復(fù)技術(shù)，并闡明生物學(xué)互作機(jī)制，研發(fā)高效、實(shí)用的生物組合修復(fù)方法。另外還可將生物修復(fù)與物化技術(shù)采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行協(xié)同應(yīng)用，擺脫單一方法的局限性，極大程度彌補(bǔ)在釩污染土壤生物修復(fù)中存在的因污染程度高、養(yǎng)分不足而導(dǎo)致的富集植物生長(zhǎng)緩慢、生物量低、修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)等劣勢(shì)，并同步配套使用農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)手段，通過(guò)調(diào)控水肥、改良耕作技術(shù)等農(nóng)業(yè)管理措施，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，增加生物量，從而提升生物修復(fù)的污染處理效率。

5.3 擴(kuò)大場(chǎng)地示范研究

就目前而言，大多數(shù)生物修復(fù)的研究仍然停留在實(shí)驗(yàn)室模擬階段，采取的是異位修復(fù)的思路，并且其評(píng)價(jià)方式多以釩作為單一目標(biāo)污染物來(lái)進(jìn)行。但是在實(shí)際釩污染場(chǎng)地土壤修復(fù)工程中，生物會(huì)受到復(fù)雜外界環(huán)境以及多種重金屬?gòu)?fù)合污染的影響。因此需要考慮修復(fù)材料在污染場(chǎng)地中的生存狀況，應(yīng)嘗試進(jìn)行原位驗(yàn)證試驗(yàn)，監(jiān)控生物修復(fù)過(guò)程中有效釩形態(tài)及濃度變化，尋找生物活化與吸收之間的平衡，評(píng)估外界環(huán)境對(duì)修復(fù)生物的影響，設(shè)計(jì)出較為完整全面的生物技術(shù)修復(fù)方案并加以改進(jìn)，最終使生物修復(fù)法應(yīng)用到釩污染土壤環(huán)境的修復(fù)工程，形成經(jīng)典修復(fù)模式，實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。