摘要：相较无机材料固化、有机材料固化、机械化学作用等传统重金属修复方法，利用脲解型微生物修复重金属污染土壤更具环境友好性，在稻田土壤污染治理方面展现出了较大的应用潜力。文章基于微生物固化诱导重金属沉淀机理，总结了脲解型微生物在重金属固化领域的应用进展，探讨了传统固化机制的局限性，并在此基础上展望了微生物在重金属污染稻田土壤修复中的潜在应用，以期为进一步探索作物土壤中微生物固化重金属相关领域提供参考。

　　关键词：重金属；微生物固化；稻田土壤

　　人类生产生活所产生的重金属废料，会随工业废水排放、农业灌溉等进入土壤，在被作物吸收后通过食物链富集转至人体内，进而对人体健康造成威胁。全国土壤污染状况调查公报显示，我国土壤污染总超标率达16.1%。其中，主要重金属污染物包括Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等[1]。固化修复技术能快速将重金属离子转化为化学性质不活泼形态，从而阻止其在环境中迁移、扩散。传统固化修复技术成本高、扰动大，且多仅针对某单一重金属污染物发挥作用。近年来，微生物诱导碳酸钙技术（MICP）受到广泛关注，在修复重金属污染土壤方面展现出了较大的应用潜力。

　　水稻作为我国首要的粮食作物，土壤污染是稻米生产的关键影响因素，具有致病、致癌等风险。文章拟分析对比目前常见的修复方法，并总结MICP修复重金属污染土壤的应用前景，以期为稻田土壤重金属修复技术的发展提供参考。

　　1传统重金属固化修复机制

　　传统重金属修复固化机制按原理可分为无机材料固化、有机材料固化、机械化学作用。

　　以水泥类凝胶材料为代表的无机材料固化表现为水化-沉淀作用：水化产物——水化硅酸钙组装成二聚体或更为复杂的多聚体结构。多聚体通过物理包裹，可将重金属离子封装在内，降低重金属离子的环境有效性和迁移能力[2]。然而，水泥水化过程会产生大量碳排放，使环境pH升高，对土壤生物群落结构造成破坏。

　　高聚物类有机材料固化剂可分为两类：一是通过交联反应构建三维立体结构，使高分子链上的亲水基朝向土颗粒、疏水基朝向外部，包裹土壤颗粒[3]；二是利用表面活性剂改变土壤颗粒表面的亲水性质，确保即使土颗粒双电层厚度减少、电势降低，颗粒间也能达到聚集效果[4]。有机类固化材料成本较高、耐久性不足，一旦受到微生物、紫外线等降解，其内里包裹的重金属离子极易重新释放。

　　机械化学作用主要通过剪切、摩擦、挤压等手段，对重金属污染的土体施加机械作用，重构物理结构，细化土壤颗粒，增大比表面积，为重金属提供吸附位点[5]，同时也能引起土壤颗粒重组，包裹重金属，减少其迁移性和浸出性。然而，该技术多被应用于需要精确控制机械力的施加方式和条件，对技术水平要求较高，难以大面积推广。

　　2 MICP固化修复重金属机制

　　MICP是目前重金属污染土壤治理修复领域的一项新兴技术。脲解型细菌具有稳定的环境适应性，能在富含重金属的极端环境下稳定增殖，确保MICP修复重金属的可行性。脲酶基因表达水平高，可使尿素快速分解为碳酸盐沉淀，确保MICP修复重金属的有效性。

　　细菌胞外聚合物中含有大量羧基、羟基等负电官能团，可吸引环境中的正价重金属离子（Mn+）并与之结合，提供碳酸盐成核位点（见图1）。

　　微生物在矿化过程中主要起两个作用：一是产脲酶催化分解尿素，为矿化沉淀提供CO32-与碱性环境；二是为重金属的矿化沉淀提供成核位点。其反应化学过程具体如下：

　　3 MICP修复重金属的影响因素

　　Ca2+浓度是MICP重金属去除效果的重要影响因素。在含有大量Ca2+离子的环境中，高浓度Ca2+与胞外聚合物的碰撞会增加，加速CaCO3沉淀的形成速度，提升重共沉淀概率，使MICP更为有效。

　　在稻田管理中，土壤干湿交替，会导致水稻根系泌氧水平变化，引发根际土壤环境的周期性pH波动，进而促使土壤中碳酸盐矿物的晶相结构发生转变。碱性环境下平衡右移，钝化效果最佳，且矿化产物晶型会随环境碱性增强逐渐由球霰石转变为方解石形态。

　　4 MICP修复重金属研究应用进展

　　在MICP修复重金属的过程中，重金属离子会被吸附于微生物表面并与之共沉淀，从而降低环境中游离态重金属浓度，有效发挥污染治理作用。目前，国内外学术界已广泛开展了关于MICP技术在重金属污染土壤治理中的实验性研究。

　　4.1 Cd

　　“镉大米”事件频发，说明镉治理已迫在眉睫。Cd可替代生物体内的必需金属，与蛋白质分子结合干扰细胞代谢。ZENG等[6]首次在镉污染的污泥中实施MICP处理，使离子态Cd2+从污泥中转移到上清液中，固定化效率达到了98.46%。ZHAO等[7]利用从矿区土壤中分离的芽孢杆菌GZ-22开展重金属修复。其结果显示，在10 mg/L的条件下，MICP法的去除率在48 h可达到60.72%，去除效果显著优于生物吸附法。

　　4.2 Pb

　　ACHAL等[8]首次将MICP技术应用于Pb污染土壤修复领域，使交换态Pb质量浓度下降了83.37%，有效降低了Pb的迁移性。SONG等[9]通过尿素驯化土壤，使土壤中微生物尿素水解基因的表达增加，并通过动态迁移实验，证实了MICP反应可将交换态Pb转化为碳酸盐结合态Pb，有效限制了Pb在土壤剖面的迁移。

　　4.3 As

　　水稻是人体摄入无机砷（As）的重要来源。As(Ⅲ)易穿透细胞膜进入细胞内部，与亲核基团发生反应，破坏蛋白质结构。ACHAL等[10]利用从污染土壤中分离的原生耐砷微生物进行MICP修复，并发现土壤交换态砷迁移率显著降低（500 mg/kg→0.88 mg/kg）。王峰等[11]分析挖掘了稻田土壤中微生物参与As(Ⅲ)固定的两种重要途径，分别为Fe(Ⅱ)氧化成矿耦合As(Ⅲ)固定与As(Ⅲ)直接氧化固定，并分析得出其可有效抑制水稻根系对As的吸收。

　　5展望

　　MICP修复重金属污染土壤虽展现出了较大的应用潜力，但当前仍局限于实验室环境，大规模现场试验较少。在MICP修复重金属的过程中，人为引入脲解型微生物，可能会引起附加效应及生态环境失衡。因此，大规模应用试验将是未来研究的重点。同时，鉴于农业作物与微生物响应的复杂性，还需进一步探索微生物在农田土壤修复领域的作用机制。

　　虽然微生物固化重金属机制研究尚处于探索阶段，但相关研究结果为农作物与微生物协同的重金属修复研究提供了新思路，所以进一步探索稻田土壤重金属修复的未知研究领域，将是广大科研工作者的新课题。

　　参考文献

　　［1］环境保护部,国土资源部.全国土壤污染状况调查公报［EB/OL］.2014-04-17,中华人民共和国中央人民政府门户网,https://www.gov.cn/foot/2014-04/17/content_2661 768.htm.

　　［2］HUANG X Q,ZHOU M.Properties and mechanism of mine tailings solidified and filled with fluorgypsum-based binder material［J］.Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition),2012,27(3):465-470.

　　［3］刘瑾,白玉霞,宋泽卓,等.OPS型固化剂改良砂土工程特性试验研究［J］.东南大学学报(自然科学版),2019,49(3):495-501.

　　［4］任俊,殷鹏,王威振,等.不同类型脱水药剂对底泥固化效果和理化性质的影响［J］.环境科学,2022,43(7):3672-3681.

　　［5］许维通,苑文仪,李培中,等.机械球磨固化修复六价铬污染土壤［J］.环境科学与技术,2019,42(4):155-160.

       ［6］ZENG Y,CHEN Z Z,LYU Q Y,et al.Microbiologically　induced calcite precipitation for in situ stabilization of heavy metals contributes to land application of sewage sludge［J］.Journal of Hazardous Materials,2023,441:129866.

　　［7］ZHAO Y,YAO J,YUAN Z M,et al.Bioremediation of Cd by strain GZ-22 isolated from mine soil based on biosorption and microbially induced carbonate precipitation［J］.Environmental Science and Pollution Research International,2017,24(1):372-380.

　　［8］ACHAL V,PAN X L,ZHANG D Y,et al.Bioremediation of Pb-contaminated soil based on microbially induced calcite precipitation［J］.Journal of Microbiology and Biotechnology,2012,22(2):244-247.

　　［9］SONG H W,LI D,QIU H,et al.Microbial-induced carbonate precipitation effectively prevents Pb2+migration through the soil profile:Lab experiment and model simulation［J］.The Science of the Total Environment,2024,927:172268.

　　［10］ACHAL V,PAN X,FU Q,et al.Biomineralization based remediation of As(III)contaminated soil by Sporosarcina ginsengisoli［J］.Journal of Hazardous Materials,2012,201(1):178-184.

　　［11］王锋,张静,周少余,等.水稻土中氮素对微生物固砷的扰动及效应机制［J］.环境科学,2022,43(11):4876-4887.