釩污染土壤生物修復研究進展①

王鑫偉，孫明明*，朱國繁，鄭曉璇，晁會珍，胡 鋒

釩污染土壤生物修復研究進展①

王鑫偉1，孫明明1*，朱國繁2,3，鄭曉璇1，晁會珍1，胡 鋒1

(1南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095；2 合肥工業大學資源與環境工程學院，合肥 230009；3中國科學院土壤環境與污染修復重點實驗室(南京土壤研究所)，南京 210008)

釩污染土壤對生態環境和人體健康存在危害，已成為土壤修復領域關注的熱點之一。選取科學合理的修復方法對釩污染土壤進行精準治理十分必要。生物修復技術是釩污染土壤綠色可持續治理的重要發展方向，具有操作簡便、環境友好、成本低廉、修復效率較高等優勢。本文從植物、動物、微生物單一及聯合修復的角度，綜述了近年來釩污染土壤生物修復的研究進展，探討了影響釩污染土壤生物修復效果的主要因素，總結了現階段的研究不足，并對未來研究方向進行了展望，以期為釩污染土壤生物修復技術的總結與發展應用提供科學依據與理論參考。

釩污染；土壤；生物修復

土壤作為陸地表面重要的物質元素承載界面，能夠收集捕獲環境中的重金屬元素。釩是一種自然界常見的重金屬元素，廣泛存在于地球表面各個圈層中。隨著釩在現代工業領域的應用潛力得到挖掘，對釩的需求量和開采量逐年增長。在人類生產活動過程中產生的大量含釩廢物進入土壤，導致了土壤中釩含量明顯增加，據統計，每年因人類活動而導致的沉積在土壤環境中的釩約有1.32×108kg[1]，形成的土壤釩污染問題亟待解決。

當前，我國釩的儲量和開采量已經位于世界前列，所產生土壤釩污染也引起了土壤修復領域研究者的重視[2]。生物修復法具有性價比高、環境友好的特點，是新興且極具潛力的土壤修復手段，相較于常規修復手段具有明顯優勢。當前研究人員針對釩污染土壤所采取的生物修復方式以植物修復和微生物修復為主，借助植物生長過程的吸收積累機制，以及微生物的吸附、代謝轉化等途徑，完成對釩吸附收集，從而達到降低土壤釩含量的目的。

本文回顧了近年來利用生物修復釩污染土壤的研究進展，總結概括了植物和微生物修復釩污染土壤的相關作用機制，并針對當前生物修復方法尚存的不足，提出了未來的研究重點，以期為生物修復釩污染土壤方法的開發提供理論依據和實踐參考。

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第22位，平均含量為135.00 mg/kg[3]。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[4]。在儲量和開采量上，南非、俄羅斯、中國等國家位居世界前列[5-6]。我國釩礦資源分布較廣，但存在顯著的地區差異，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[1]，主要分布在我國西南和華中地區。四川、安徽、甘肅、湖南等省集中了大量釩礦資源，其中四川省釩儲量位居全國之首，約占全國總儲量的一半[7]。

1.2 土壤中釩的形態

釩在土壤中的賦存形態極為復雜。釩可與其他金屬離子(如Fe、Mn)以及土壤有機質等發生吸附作用，進而以多種化學結合形態存在，可概括為以下5類：殘渣態、可溶態、無定型氧化鐵結合態、易還原錳結合態和有機質結合態[8]。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共同決定其化合價態，常見有 +3、+4和 +5價化合物[9]。其中釩(III)僅存在于嚴格的厭氧條件(如泥炭中)，釩(IV)和釩(V)因其穩定性較強而廣泛存在[10]，大多數情況下土壤中以穩定的釩(V)為主[11-12]。然而在一定的還原條件作用下，釩(V)可以向更低價態的釩進行還原轉化[13]。

1.3 土壤中釩污染來源及其環境風險

地質變化和人類活動共同驅動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中釩的儲存量具有密切關系。巖石礦物受到外界環境壓力碎裂，釋放出內部貯存的釩元素進入土壤介質。因此含釩巖石礦物的自然風化是天然土壤中釩的主要來源[14]。近現代以來，人們發現釩在鋼鐵、有色金屬、化工等傳統工業領域，以及電池等新興行業中具有重大發展空間和應用價值，釩的開采量、生產量顯著增長[11]。與此同時，人類活動大大加速了土壤釩污染進程。在礦山開掘、金屬冶煉階段排放、堆積了大量含釩廢料，以多種途徑進入土壤環境(圖1)，導致釩礦開采地區周邊的土壤釩污染嚴重。此外，燃燒化石能源、施用化肥農藥，以及日常垃圾再處理過程, 也會顯著提升土壤釩水平[1, 15-16]。

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。但攝入濃度過量的釩對人體、動植物以及微生物則具有毒性[17-19]。釩的毒性強弱取決于其價態和化合物性質，會隨元素價態升高及化合物溶解度的增大而變強，因此釩(V)被認為毒性最強。加拿大曾針對土壤中的釩含量制定過相關質量標準(130 mg/kg)以降低動植物受害風險[20]。在我國《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準》(GB36600—2018)(試行)中，也詳細規定了釩在一類和二類用地中的篩選值(165、752 mg/kg)與管制值(330、1 500 mg/kg)[21]。

2 釩污染土壤生物修復方法

當前修復釩污染土壤可采用物理修復和化學修復技術，物理修復方法有客(換)土法、電化法以及玻璃化法等，化學修復方法包括固化穩定化法和土壤淋洗法等[22]。物化修復方法見效快、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、破壞土壤理化性質等弊端[23-24]。因而生物修復法越來越受到研究者關注。生物修復技術主要包括植物修復、動物修復及微生物修復3種途徑(圖1)。相較物理、化學修復手段，生物修復具有處理成本低、無污染、易操作等優勢[25]。

釩污染土壤生物修復法是指由動植物、微生物介導的釩污染修復體系。通過生命代謝活動完成釩固著或轉化，還可通過調節土壤溶液pH和氧化還原電位，改變土壤中釩化學結合形態，削減釩在土壤中的溶解度和遷移性，從而降低污染程度，并對土壤生態系統功能的恢復帶來積極影響。

2.1 植物修復

植物修復提供了一種廉價、可持久、環境友好的土壤污染修復方法。利用植物體對重金屬污染土壤的修復形式可概括為以下兩方面：栽培具有富集能力的植物對土壤中重金屬進行吸收、提取，將其固定在植物地上或者地下部分的器官組織內；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，降低重金屬移動能力和生物可利用性，將其穩定在土壤顆粒中[26-27]。目前針對釩污染土壤植物修復，多見于植物利用根部對土壤中釩進行吸收并積累在植物體內這一方式。

圖1 釩污染土壤生物修復途徑示意圖

植物修復的關鍵在于篩選出具有釩耐受性且能夠實現高效吸收積累土壤中釩的植株物種。本文在表1中總結了近年來國內外報道的可用于釩污染土壤植物修復潛在的物種資源。方維萱等[28]曾在陜西省境內伴生硒、鉬、釩等金屬元素的石煤地區，考察了礦區植物群落情況。在含釩量為1 134.00 mg/kg的土壤環境中，找到了多種自然狀態下的釩富集植物，其中豆科植物薇菜對釩的富集量最大，達到了28.00 mg/kg。同時，其他對釩具有富集作用的植物也表現出較好的吸收積累能力，如紫陽春茶、菜根、油菜籽和大葉絞股藍，其富集量分別為21.00、21.00、13.00、18.00 mg/kg；林海等[29]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個點位的土壤樣品，累計收集了29個植物樣本，并對土樣和植物體內的重金屬含量進行了分析。檢測后發現，各種植物中，蜈蚣草對釩的富集能力最強，根部可以達到814.25 mg/kg。由于經歷了在重污染地區自然條件下的長期生長和馴化過程，這些植物對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過程中發現植物的不同部位對釩的積累量具有差異性。Yang等[30]以紫花苜蓿(L.)作為試驗植物，在含有不同濃度釩的污染土壤中開展了為期90 d盆栽試驗，對收集的104個土壤樣品和94個植物樣品中釩累積量進行檢測。結果顯示，紫花苜蓿對于土壤中高達400.00 mg/kg的釩表現出了良好耐受性，并且植株根部對釩的吸收量最高達到3 440.14 mg/kg，相較于植物地上部分(最高為154.34 mg/kg)表現出有更高的富集作用；趙婷[31]選取燈芯草(L.)進行為期5個月的盆栽試驗，發現在不同含量(10 ~ 200.00 mg/kg)處理過的釩污染土壤中，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僅為6.31 mg/kg；Qian等[32]在美國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個樣點的6種植物樣本，包括3種草本植物和3種落葉木本植物，對植物體內的釩含量進行檢測分析后發現，在所有樣點的植物樣本中，植物根部吸收量最大，根、莖、葉對釩吸收量分別為25.70 ~ 280.00、0 ~ 0.46、2.06 ~ 12.10 mg/kg，整體表現為根>葉>莖。

通過上述案例可以發現釩在植物體內的分布特點，即根部對釩的富集水平遠高于地上部分。有研究表明，重金屬離子被吸收后與根部細胞產生的金屬硫蛋白、植物絡合素以及多種配體發生絡合反應形成螯合物，附著在細胞壁上，完成重金屬再依賴細胞區室化、化合價轉化等方式，降低重金屬毒性作用。此外，在養分運輸過程中存在自身保護機制阻止了重金屬向上轉移，以減少對地上部分光合作用和代謝活動的影響[27, 33]。

表1 目前已報道的釩富集植物

超富集植物是一類對重金屬具有強大吸收富集能力的植物，區別于常規富集植物的特點之一是其體內重金屬多被蓄積在地上部分。當前研究者根據重金屬類別劃分，植物體內重金屬蓄積量大于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)被認為是超富集植物[27]。

Elektorowicz和Keropian[34]將蕓薹屬植物芥菜(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的生長培養基中，研究其對釩的吸收能力。86 d的溫室試驗之后，發現芥菜根際土壤中釩浸出量高達34 168.00 mg/kg，地上部分的釩積累量也達到了18 858.00 mg/kg(莖部)、10 111.00 mg/kg(葉部)，均遠遠高于芥菜根部(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酸將根際周圍土壤中的釩溶出，增加可溶性釩含量便于根系吸收，再利用體內重金屬載體蛋白，使釩裝載進入木質部，并通過導管輸送至莖、葉部分[35]。

植物對于不同價態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。Tian等[36]采集了四川省攀枝花釩污染地區的農業土壤，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，在溫室條件下進行芥菜(L.)盆栽試驗。結果顯示，芥菜根、莖、葉中釩含量最高分別為6.47、1.56和0.63 mg/kg，并通過比較根際土壤中釩(V)和釩(IV)含量變化，發現釩(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[37]利用白菜在人為添加釩122.00 ~ 672 mg/kg的土壤中，進行為期64 d的盆栽試驗。結果發現，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)被細胞壁上存在的多糖、有機配體(羧基、羥基等)絡合吸附后，進入細胞并在細胞內進行還原，將高價釩進行轉化為較低價態且毒性較弱的釩(IV)，此方式可能作為植物對于釩的一種解毒機制。

2.2 微生物修復

微生物擁有環境適應性強、繁殖速度快、數量多等優勢，因此采用微生物方法修復釩污染土壤具有廣闊前景。長期存在于釩污染地區土壤中的微生物進化產生了重金屬耐受機制，通過體內存在的金屬抗性基因、抗氧化酶作用，以及釋放金屬結合蛋白、金屬結合肽等物質與重金屬發生絡合反應，以減輕重金屬污染脅迫。魏清清等[38]報道了釩污染地區土壤中存在的耐釩微生物種類，他們采集了位于四川省攀枝花地區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，并添加有營養元素的無機液、固及有機培養基中，在實驗室條件下進行細菌培養。在最終所篩選出的21株耐釩菌株中，14株屬于變形菌門，7株屬于放線菌門，并證實這些菌在釩離子濃度為200.00 mg/L的條件下可存活，表明其具有較強的釩耐受力。變形菌門和放線菌門細菌在研究微生物對重金屬抗性中也曾有過報道[39-40]，其具備重金屬抗性可能與體內存在的金屬抗性基因，抗氧化酶活性及金屬絡合劑分泌等因素有關[41]；Ceci等[42]從含釩量為198.00 ~ 275.00 mg/kg的農業土壤中分離出6株腐生真菌物種，分別在含有釩1.00、2.00、3.00、6.00 mmol/L的培養基中進行9 d釩耐受性試驗。結果發現，6株真菌均可耐受6.00 mmol/L釩的測試濃度(表2)。真菌對釩具有較強耐受性可能是由于其體內存在的金屬硫蛋白、金屬結合肽等物質與重金屬絡合，降低了釩對菌體的毒性威脅[43]。

表2 潛在的釩污染土壤修復微生物資源

當前針對釩污染地下水微生物修復研究進展較快，已發現金屬還原土桿菌屬()和希瓦氏菌屬()的細菌可將釩作為電子受體進行生理代謝，能夠高效去除地下水中的釩[44-45]。谷倩等[22]已對釩污染地下水微生物修復案例進行了較完整總結。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能力的菌群。目前針對釩污染土壤微生物修復的認識，常見于一些來源于釩污染土壤中的微生物，通過吸附絡合作用，實現對土壤環境中釩的積累，降低土壤污染程度。

微生物可利用細胞壁上攜帶的官能團吸附固著重金屬，并將其通過轉運蛋白載入胞內完成積累[46-47]，達到降低土壤中釩濃度的目的。Hernández等[48]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株具有釩抗性細菌菌株，經分類學鑒定3株細菌均屬于腸桿菌科，分別為2株赫氏大腸桿菌(CNB50、CNB52)和1株陰溝腸桿菌(CNB60)，經實驗室培養后測定了細菌的釩積累能力，結果顯示3株菌對釩的吸收量分別為687.71、918.07、671.70 nmol/mg。積累作用可能是由于細胞表面所攜帶化學基團與重金屬發生吸附過程，進而將其固定導致的。

利用微生物修復釩污染土壤的過程中，修復效果受到細胞的新陳代謝能力的影響，結果導致微生物對釩的富集水平有差距。Fierros Romero等[49]從采礦場土壤分離出了巨大芽孢桿菌() MNSH1-9K-1，并接種到含有鎳和釩均為200.00 mg/L的液體培養基中，探究其在12、24和36 h時細菌對于鎳和釩的去除能力。在36 h時發現培養基中釩的去除率達到最大值，為16.03%。并且發現活性細胞釩富集效果為非活性細胞的16倍，猜測富集過程主要依賴于細胞代謝進行，而非活性細胞因代謝受到抑制而只進行表面吸附，所以富集量差距大[50]。

此外，微生物對于不同賦存形態下的釩化合物結合提取能力存在差異。Xu等[51]嘗試將4種擔子菌門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的液體培養基中，探求真菌對不同形態釩的積累能力。培養后發現真菌中釩含量明顯增加，其中毒蠅鵝膏菌()在含有10.00 mmol/L硫酸氧釩(VOSO4)的處理中積累量高達51.30 mg/g真菌生物量，為對照的57倍。并觀察到真菌對可溶性釩(IV)的積累程度高于可溶性釩(V)，此現象產生的原因可能是釩酰根離子(VO2+)與細胞中有機螯合物的配位能力強于釩酸根離子(VO– 3)。

2.3 多種生物修復聯用技術

為了集中發揮不同生物修復方法的各自優點，往往采用多種生物修復技術聯用方式提升修復效果。近年來許多研究表明，植物根際促生菌及內生菌通過調節植物激素水平，提升植株內抗氧化酶活性，緩解植物所受環境壓力；促進生長素(Indole-3-Acetic Acid, IAA)、氨基環丙烷羧酸( l-aminocyclopropane-l- carboxylic acid, ACC)脫氨酶合成，提高植物生物量[52]；還可產生金屬硫蛋白、有機酸等物質與重金屬元素結合，提高土壤中重金屬生物利用度以刺激誘導植物吸收，進而強化植物修復能力[53-54]。

植物內生細菌是一類普遍存在于高等植物體內，生活史部分或全部位于植物組織、器官中的細菌，具有穩定性高、受外界環境擾動程度低的特點[55]。目前利用內生細菌聯合植物修復對治理重金屬污染環境已有報道[56-57]。

根據現有研究，植物接種內生菌后增強了植物體對土壤中釩的吸收能力，達到提升土壤修復效果的目的。Wang等[58]將從蜈蚣草體內分離出的2株優勢內生菌——粘質沙雷氏菌(PRE01)和節桿菌(PRE05)分別定殖到芥菜種子內，使用釩污染土壤經過60 d盆栽試驗之后，發現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，并且接種過內生菌的芥菜，其根部釩積累量相較于不接種組分別增加了16.00% 和14.10%，有可能是內生菌刺激了植物根系分泌釋放出有機酸，對根際土壤中的釩產生增溶作用，提升了根系周圍土壤中有效釩水平，從而提高了植物從環境中獲取釩的能力[59]。

2.4 動物修復

土壤動物的生命活動對于改善土壤生態系統功能發揮著重要作用，也常被用于指示重金屬污染土壤所存在的環境風險[60]。土壤動物在其生命周期中可吸收利用一定量的重金屬元素，關于重金屬在土壤動物體內積累之前有諸多研究[61-62]，釩作為土壤動物生長過程中的必需元素，被其吸收后參與到體內生物化學循環，并在體內蓄積；相比于外界土壤環境，土壤動物的體腔為一相對厭氧體系，可進行大量還原反應[63]?；谏鲜鰞牲c，提出利用土壤動物輔助協同修復釩污染土壤的可能性。目前針對釩污染環境的動物修復技術尚未見相關研究，但是可以從其他重金屬修復試驗中了解土壤動物應用于釩污染土壤的潛力。?rut等[64]將正蚓()加入到含有重金屬Cd含量為10.00、50.00 mg/kg的污染土壤中，在溫室中進行為期28 d的重金屬暴露試驗。之后研究者對各處理組腸道微生物進行測序，并分別比較了對照組與Cd含量10.00 mg/kg和50.00 mg/kg處理組中細菌在屬水平上的顯著差異性。結果發現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，并與對照組相比具有顯著差異。這些物種因其存在重金屬抗性機制，可在一定程度的污染條件下存活，這表明土壤動物體內存在具有重金屬抗性的內生菌，而蚯蚓腸道則為其定殖提供了適宜的“場所”，如果挖掘其潛力，可能對修復重金屬污染產生一定積極效果。這為后續研究釩污染土壤動物修復技術帶來啟發：利用土壤動物(如蚯蚓、線蟲、跳蟲等)將土壤中釩污染物富集固定，并通過體內腸道還原環境及內生菌作用，降低釩價態使毒性減弱，從而實現土壤動物介導的釩污染土壤還原解毒過程，這一假設值得深入研究。

3 影響釩污染土壤生物修復效果的因素

3.1 土壤理化性質

土壤中釩的生物有效性受到土壤介質的理化性質影響。土壤黏粒礦物的類型及含量影響釩遷移能力，例如硅鋁酸鹽礦物可對重金屬等含氧酸根產生專性吸附，阻礙重金屬的移動能力，黏粒含量高則阻礙程度更大[65-66]。

有機質通過靜電吸附和螯合作用結合土壤中的重金屬，如腐殖質可與重金屬發生反應形成較穩定的絡合物，一定程度上降低了生物利用水平。有研究發現，植物吸收釩的量與土壤中有機質含量呈拮抗效應；土壤pH對于生物吸收釩具有較大影響，土壤在pH為4時，植物吸收釩的能力最高，而在pH = 10時，植物吸收量則大幅降低[67]。

此外，土壤陽離子交換量(cation exchange capa-city，CEC)以及土壤養分元素含量也對植物體吸收釩具有一定影響。研究表明，陽離子交換量對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根部釩的積累量起到協同效應[67]。

3.2 釩的賦存形態

土壤中的釩賦存形態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。植物和微生物對于土壤不同價態的釩化合物吸收能力有所不同。一般來說，植物和微生物對于溶解性強、移動性高的釩化合物具備更好積蓄效果。一部分研究者認為，釩酰根離子(VO2+)被土壤膠體顆粒捕獲，將其鎖在土壤晶格內部，導致生物無法利用[68]。土壤中存在的5種釩形態中，可溶性釩含量極低，絕大部分以殘渣態形式存在，剩余部分會被Fe、Mn等金屬離子及有機質吸附結合后形成較穩定的絡合形態，同樣難以被生物利用。

3.3 生物修復資源

天然修復材料主要包括植株和菌株，其直接承擔了將釩轉移出土壤環境的任務，但因生物性質的局限，污染土壤恢復進程將會受到影響。

重金屬吸收量體現了植物對重金屬的提取能力，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判植物修復效果。對釩有較強富集能力的植物，由于長期遭受重金屬脅迫作用，生長往往受到抑制，導致生物量低。并且植株環境敏感性強，容易受到土壤性質、氣候等自然因素影響，修復速度及效果被顯著限制[69-70]。

微生物菌種需要吸取一定量營養物質才能完成增殖過程，而污染嚴重土壤中碳、氮等營養元素匱乏，導致菌落繁殖速度下降，進而影響修復去除效率。另外，菌種在進行多代繁殖以后，遺傳信息不穩定，容易造成菌種變異或退化現象，也會影響微生物對于釩的去除能力及修復效果。

4 釩污染土壤生物修復技術現有不足

采用生物技術修復釩污染土壤存在一定的不足之處，主要概括為以下幾點。

4.1 生物量限制

生物體只有達到一定生物量之后才能完成對污染物的較高程度積累。由于植物、微生物需花費時間用于生長繁殖，對比于物理、化學方法的快捷高效，則要更長的處理時間。富集植物對釩具有耐受上限，當積累的釩超過一定閾值后，將會嚴重影響植物體內生理生化反應，導致生物量降低，其外部表現為植株生長緩慢、個體發育不良，嚴重時萎蔫甚至死亡，極大影響植物修復能力。

4.2 復雜環境影響

釩污染地區土壤中普遍存在釩與多種重金屬及有機污染物復合污染并存的狀況。植物和微生物可能只對其中某種污染物表現出較高耐受性，其他污染物可能對其有顯著的毒性和限制作用，減緩或抑制其繁殖生長[30]。

4.3 修復材料回收困難

對修復材料的回收存在較大難度。修復工程結束后，重金屬被大量蓄積并分配在用于修復的植株體內，其地上部分可采取收割處置，對埋藏在土壤中、具有高金屬濃度、復雜的植物根系來說，完全收集難度大，若無有效手段處理則仍存在二次污染可能[65]。此外，研究者發現植物、微生物在吸收重金屬過程中會釋放有機酸，降低pH同時活化重金屬，增加了介質中生物有效濃度?；罨蟮闹亟饘俪恍迯筒牧衔椒e累之外，其他生物對其也增加了吸收能力，再經過捕食作用進入到食物鏈，產生的重金屬富集效應會對高等動物的生存造成較嚴重威脅。

5 釩污染土壤生物修復技術未來發展趨勢

5.1 生物修復材料優選改良及安全化處置

從污染地區內搜尋并采集釩富集植物，從污染土壤中分離并篩選高效、耐受性強的釩還原微生物，在實驗室模擬條件下對其進行人為馴化培養，提高其耐受閾值；結合生物工程技術手段，將外源目的基因導入到植物和微生物體內，實現生物體的定向改造，培育出環境適應能力強、生物量高、生長速度快，且具備更高釩抗性和富集水平的生物修復材料，達到高效快速修復，尤其要深入發掘研究植物、微生物代謝產物對釩形態的轉化機理。修復材料安全處置將會成為修復完成后的關鍵點，例如使用500 ℃ 高溫對植物修復材料進行熱解處理，重金屬被穩定保留在植物殘渣內，將熱解產物轉化為生物質炭還可作為亞甲基藍(methylene blue)吸附劑實現再利用[71]。

5.2 多種修復方法協同使用

多學科進行系統性交叉研究，有機整合各種生物修復方法，形成植物-微生物、動物-微生物等多種跨界生物綜合修復技術，并闡明生物學互作機制，研發高效、實用的生物組合修復方法。另外還可將生物修復與物化技術采取適當的方法進行協同應用，擺脫單一方法的局限性，極大程度彌補在釩污染土壤生物修復中存在的因污染程度高、養分不足而導致的富集植物生長緩慢、生物量低、修復時間較長等劣勢，并同步配套使用農業生態修復手段，通過調控水肥、改良耕作技術等農業管理措施，促進植物生長發育，增加生物量，從而提升生物修復的污染處理效率。

5.3 擴大場地示范研究

就目前而言，大多數生物修復的研究仍然停留在實驗室模擬階段，采取的是異位修復的思路，并且其評價方式多以釩作為單一目標污染物來進行。但是在實際釩污染場地土壤修復工程中，生物會受到復雜外界環境以及多種重金屬復合污染的影響。因此需要考慮修復材料在污染場地中的生存狀況，應嘗試進行原位驗證試驗，監控生物修復過程中有效釩形態及濃度變化，尋找生物活化與吸收之間的平衡，評估外界環境對修復生物的影響，設計出較為完整全面的生物技術修復方案并加以改進，最終使生物修復法應用到釩污染土壤環境的修復工程，形成經典修復模式，實現推廣應用。

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Research Progresses of Vanadium-contaminated Soil Bioremediation

WANG Xinwei1, SUN Mingming1*, ZHU Guofan2,3, ZHENG Xiaoxuan1, CHAO Huizhen1, HU Feng1

(1 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 3 Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Vanadium contaminated soil is harmful to ecological environment and human health, and it has become one of the hot spots in the field of soil remediation. It is necessary to adopt scientific and reasonable remediation methods for accurate treatment of vanadium contaminated soil. Bioremediation is an important development direction for the green and sustainable treatment of vanadium contaminated soil, it has advantages of simple operation, environmental friendliness, low cost and high repair efficiency. In this paper, the research progress of bioremediation of vanadium contaminated soil in recent years was reviewed from the perspective of single and combined plant, animal and microbial remediation, the main factors affecting the bioremediation effect of vanadium contaminated soil were discussed, the insufficiency of current research was summarized, and the future research direction was also forecasted. This review can provide scientific basis and theoretical reference for the development and application of vanadium contaminated soil bioremediation technology.

Vanadium contamination; Soil; Bioremediation

X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.05.002

王鑫偉, 孫明明, 朱國繁, 等. 釩污染土壤生物修復研究進展. 土壤, 2020, 52(5): 873–882.

國家青年人才托舉項目(2018QNRC001)、國家自然科學基金面上項目(41771350)和中央高?；究蒲袠I務費(KYZ201715)資助。

王鑫偉(1996—)，男，河北保定人，碩士研究生，主要研究方向為重金屬污染土壤生物修復。E-mail: 2019103020@njau.edu.cn