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本文聚焦土壤污染修复技术。介绍了土壤污染的危害及污染物（如重金属、农药等），探讨传统（物理、化学、植物修复等）和先进（高级氧化、电动力学修复等）修复技术，还涉及基因编辑、纳米技术等在其中的应用，为土壤污染治理提供参考。
1. 引言
土壤本是生物的自然栖息地，但工业化、城市化以及化学物质的暴露，正让土壤变得不再适宜生物生存，即土壤污染。土壤中的污染物会进入食物链，最终危害人类健康。像农药，大部分未被害虫吸收，而是残留在土壤、水等环境中，成为食物和食物链的一部分。一些重金属，如砷（As）、铬（Cr）和铅（Pb），滞留在沉积物中，不仅危害水生生态系统的动植物，还会进入食物链威胁人类。如今，人们对这些化学物质危害的认识不断加深，土壤污染问题也受到国际关注。本文旨在识别土壤污染风险的来源、机制和后果，并探讨当代土壤修复方法，强调生态友好预防措施的必要性。
1.1. 土壤污染：日益增长的威胁
人类活动和环境压力导致地球上的资源被过度利用，极端天气事件增多。同时，合成化学品的使用和处置等不良人类活动，使土壤成为最大的环境污染源之一。土壤污染是指外来物质进入土壤，改变其化学和物理组成，常见原因包括农药、化肥和酸雨等，这会破坏土壤的自然环境，影响动植物和人类健康。一些技术如植物修复（Phytoremediation）、光氧化和植物挥发可用于处理污染物，但污染物浓度过高仍会对植物和健康造成危害。
1.2. 土壤污染物
土壤污染物来源广泛，包括地质成因和人为活动。潜在有毒元素（PTEs）可由母质风化产生，工业污染物则通过化肥、农药和污泥等进入农业土壤。微塑料若改变土壤组成，会对土壤生物构成威胁。重金属如镉、砷、铅等具有生物毒性，通过自然过程和人为活动进入土壤生态系统，会影响土壤微生物群落和自然循环。多环芳烃（PAHs）主要由加热厂、车辆不完全燃烧以及工业和农业活动产生，具有致癌、致畸和致突变性，常与其他重金属共存于土壤中。
2. 修复技术
2.1. 传统修复技术
- 2.1.1. 物理修复：多数物理修复技术设备简单、操作容易且成本较低，主要包括热解吸和土壤置换。但该方法常产生大量需要妥善处理的污染土壤或废料。
- 2.1.2. 化学修复：通过注入化学修复剂，利用吸附、沉淀、氧化、还原、聚合和络合等反应，降低土壤中重金属的迁移性、有效性和毒性。不过，其处理成本较高，包括化学品、设备和劳动力成本。
- 2.1.3. 植物修复（Phytoremediation）：利用植物吸收或分解土壤和水中的污染物，使其变得安全。植物修复因成本低、可行性高，在去除和降解土壤中的无机和有机污染物方面潜力巨大。
- 2.1.3.1. 技术手段：在重金属污染区域的植物修复中，常用的技术有植物提取（Phytoextraction）、植物稳定（Phytostabilization）、植物挥发（Phytovolatilization）和根际过滤（Rhizofiltration）。
- 2.1.3.2. 植物提取（Phytoextraction）：植物根系吸收污染物并转运到地上部分的过程，也叫植物积累、光吸收或植物固定。进行植物提取时，应选择生物量高或污染物积累能力强的植物，超积累植物是最佳选择，生物量大但积累率低的植物也可使用。其基本步骤包括在污染场地种植合适植物、收集富集金属的生物量并处理。
- 2.1.3.3. 植物稳定（Phytostabilization）：利用耐金属植物降低污染土壤中重金属的生物有效性，是一种原位修复技术。植物通过根吸附、沉淀以及释放根分泌物等机制，固定重金属，减少其向地下水和食物链的迁移。植被还能减少侵蚀，降低污染物扩散风险，是一种经济环保的土壤处理方法，已成功用于控制铅、砷和镉污染土壤。
- 2.1.3.4. 植物挥发（Phytovolatilization）：植物吸收土壤中的有害元素，转化为挥发性较低的形式，再通过叶片蒸腾释放到大气中。该方法可用于解毒一些重金属和有机污染物，但存在污染物重新进入大气的风险，应用时需考虑场地条件和污染物特性。
- 2.1.3.5. 根际过滤（Rhizofiltration）：利用植物根系吸附根际周围的污染物，使其在根上或根内浓缩、沉淀。根分泌物会引发生物地球化学过程，促进污染物的吸附和沉淀。纤维根植物因表面积大，根际过滤效率更高，可去除放射性核素和金属污染物。
2.2. 先进修复方法
- 2.2.1. 高级氧化过程（AOPs）：AOPs 具有多种产生羟基自由基（OH）的方法，能满足不同处理需求。常用技术包括芬顿氧化、等离子体氧化、光催化和臭氧化。基于硫酸根自由基（SO4?）的高级氧化具有稳定性高、效率高、操作简单和无二次污染等优点，可将污染物矿化为二氧化碳（CO2）、水（H2O）和无机物，或转化为无害、可生物降解的产物。生物刺激和生物强化在土壤修复中也有应用，生物强化更适合低土著烃降解菌污染的土壤，但二者效果因情况而异。
- 2.2.2. 电动力学修复：利用低密度直流电场中的电迁移、电渗析和电泳作用，去除土壤中的污染物质。该技术在低渗透性土壤中去除重金属具有成本效益高、效率高和生态友好等优势，已成功用于去除碳质土壤中的石油污染物、细粒土壤中的烃污染物以及与交换树脂吸附结合去除铬污染土壤等。通过调整电压梯度、pH 值和使用柠檬酸等，可以提高重金属的去除效率。
- 2.2.3. 生物修复（Bioremediation）和基因改造在污染物降解中的应用：生物修复是利用活生物体，主要是微生物，将环境污染物降解为毒性较低的形式。研究人员提出多种策略，如修饰酶的特异性和亲和力、改造基因和调控途径等。微生物群落能在重金属压力下进化出特定功能基因，帮助微生物在恶劣环境中生存，并参与污染物的积累、转化和检测。一些酶在多环芳烃（PAHs）降解中起关键作用，通过基因工程可构建具有 PAH 降解能力的微生物。此外，还可以利用微生物降解农药，如 FHE 酶可分解神经毒性农药芬胺磷。
- 2.2.4. 实施转基因生物（GMOs）进行土壤修复面临的挑战：使用转基因微生物进行土壤修复时，需进行生态风险评估，以确定其对本地土壤微生物群落的影响。目前，只有部分污染物能被生物降解，新细菌物种的分离和培养困难。转基因生物存在水平基因转移风险，可能导致基因传播到本地菌株，引发健康问题。一些用于生物修复的微生物可能有害，如伯克霍尔德菌。此外，生物修复完成后，如何控制重组微生物，防止其对环境产生不良影响，也是一个重要问题。
- 2.2.5. 藻类修复（Phycoremediation）：利用大型或微型藻类从固体、液体或气体废物中提取有害和非有害物质，或固定二氧化碳（CO2）。藻类具有多种特性，使其成为去除重金属的理想选择，如能在 3 - 26 天内将营养物质和重金属降低到较低水平，一些藻类如普通小球藻、斜生栅藻等在重金属修复中效果显著。
- 2.2.6. 生物强化：一种有前景的农药降解方法：生物强化是向污染土壤中添加有降解能力的菌株或微生物组合，加速土壤中污染物的降解。随着农药使用增加和人们对其危害的认识加深，生物强化在去除农药及其残留方面更可靠，能提高微生物群落的代谢能力，促进更广泛的生物降解过程。
- 2.2.7. CRISPR/Cas9 技术与废物管理：植物修复存在一些局限性，如生物量低、生长缓慢、金属选择性和环境适应性问题。基因组编辑技术如 CRISPR/Cas9 可改变植物基因表达，提高植物对污染物的耐受性和修复能力。CRISPR 技术包括引导 RNA（gRNA）和 Cas9 核酸酶，可实现基因删除或激活。通过 CRISPR 技术，可提高烟草、拟南芥等植物对重金属的耐受性和积累能力，还能降低水稻中镉的积累，同时不影响产量。此外，CRISPR 技术有助于理解污染积累、蒸发和破坏的机制。
- 2.2.8. CRISPR 介导的植物修复策略：生物技术在植物修复有毒物质，尤其是重金属方面发挥着重要作用。CRISPR 技术可通过基因敲除或敲低等方式调控多个基因或转录工厂，提高植物对重金属的耐受性。植物对重金属的耐受性受基因型和环境影响，近年来在植物抵御重金属胁迫的调控过程研究中取得了进展。同时，植物修复技术成本较低，通过增强植物的生理和分子机制，可提高修复效果，一些实地处理也在探索植物修复的有效性。
- 2.2.9. CRISPR/Cas9 技术在重金属植物修复中的应用：植物的矿质营养受遗传和土壤特性影响，植物需在吸收养分的同时避免重金属干扰代谢。植物在土壤修复中的应用已得到广泛认可，研究人员致力于开发适合的植物基因型、微生物菌株、肥料和土壤改良剂。CRISPR/Cas9 技术可提高植物对高毒性重金属的抗性，扩大可用于修复的植物种类。通过该技术可增强植物应激反应基因的表达，提高植物对重金属的耐受性。但基因编辑存在突变随机性问题，部分 Cas9 诱导突变的机制尚不清楚。此外，气候变化影响植物生产和粮食安全，利用生物技术改良植物意义重大，后续研究应探索更多提高植物耐受性的策略。
- 2.2.10. 纳米处理土壤修复解决方案：纳米技术在多个领域具有优势，纳米粒子（NPs）可用于修复技术，转化和解毒污染物。不同纳米材料因其独特性质在环境修复中的应用方式不同，如聚合物基材料可去除硝酸盐、锰、砷和重金属等化学污染物。纳米粒子表面常与聚合物结合，提高其稳定性，防止聚集。例如，淀粉共轭磁铁矿纳米粒子可用于原位修复污染土壤中的砷酸盐。纳米粒子还可用于检测多种污染物。零价铁纳米粒子成本低、无毒，能快速清洁污染土壤，与其他物质结合使用效果更佳。微生物与生物产生的纳米粒子结合，可使纳米修复更环保、可持续。但纳米材料可能产生活性氧物种（ROS），对生物造成氧化应激，其稳定性和降解行为也影响环境命运。因此，研究人员正在探索使用可生物降解或环保的纳米材料，并采取措施减少其环境影响，未来还需对纳米材料进行生命周期评估。
3. 结论
土壤重金属污染对健康和环境危害严重，传统修复方法存在局限性，而生物强化、CRISPR 介导的基因编辑和纳米修复等先进技术提供了新选择。修复技术的选择受场地特征、污染水平和预期结果等多种因素影响，因此，全面评估对于选择最佳、最可持续的修复策略至关重要。
未来展望
基因工程和微生物群落的发展为增强污染物降解提供了广阔前景。长期有效性、可扩展性和成本效益将是未来发展的关键因素。此外，整合智能监测系统和基于人工智能的实时评估方法，将有助于更好地管理污染土壤修复工作，及时进行干预。跨学科的合作研究对于实现这些变革性解决方案至关重要。
