本文作者：孙璐丛海扬姚一夫作者单位：中节能六合天融环保科技有限公司

土壤中砷的形态分布

砷的常见价态包括0(单质砷)、+III(三价)和+V(五价)。砷的化合物包括有机态砷化合物和无机态砷化合物。有机态砷化合物常见的有甲基砷、二甲基砷等;常见的无机态砷化合物包括三氧化二砷(As2O3)、五氧化二砷(As2O5)、亚砷酸(H3AsO3)及亚砷酸盐(AsO3－3)、砷酸(H3AsO4)及砷酸盐(AsO3－4)［9］。砷对生物的有效性及毒性与其赋存形态有紧密的关系。无机态砷的毒性大于有机态砷，而三价砷的毒性则远远大于五价砷，是其毒性的60倍［10］。在土壤环境中，砷的存在形态以无机态为主，其中又以五价砷的化合物为主。土壤中砷的赋存形态一般分为三类:水溶性砷、吸附性砷和难溶性砷，其中水溶性砷和吸附性砷又被合称为有效态砷或可给态砷［11］。目前，确定土壤中砷的生物可给性一般利用体内试验或体外试验。体外试验方法(如PBET，SBET，IVG)结果快速准确、操作简便可控、成本低廉，因此，正逐步成为世界上很多国家认可并采用的方法［12］。中国研究人员也在使用这类方法研究国内砷污染土壤的生物可给性。崔岩山等［13］比较了体外试验的三种不同方法(PBET，SBET，IVG)在测定浙江上虞某污染土壤中砷的生物可给性上的差异，结果发现，由于模拟胃肠液成分和pH值不同以及土壤性质的变化，3种方法的结果有明显差异。

砷对人体的危害

土壤中的砷能够通过种植的农作物富集进入食物链，从而危害人体健康。同时，土壤中的砷还能够渗入地下水，造成地下水的砷污染问题，而该问题是威胁全球人类饮用水安全的主要问题之一。目前，全球超过一亿人口在饮用被砷污染的地下水，地下水砷污染的高危地区包括孟加拉国、印度、美国、中国等，南亚的一些国家是全世界地下水砷污染最严重的地区［14］。人体砷中毒的轻微症状表现为食欲不振、眩晕恶心，严重症状包括肝肿大、脾肿大、肝腹水等［15，16］。短期接触无机态砷会造成全身或手掌皮肤色素沉积(广泛性黑色素沉积症)和皮肤角质化［16］。长期接触无机态砷会对人体的心血管系统造成严重危害，引起一种独有的黑脚病，这是一种末梢血管疾病，症状包括干性坏疽、自发截肢等严重后果［17］。除了对人体心血管系统的严重危害，砷还是一种致癌物质，能够导致膀胱癌、肺癌、肝癌等疾病。最近，一组美国科学家在对美国密歇根州的74万居民和9000多口水井将近30年的长期调研观察后发现，长期的砷接触还会导致糖尿病、肾功能损害和脑血管疾病［18］。而另一组美国科学家则通过对孟加拉国某地区的201位10岁儿童的观察研究发现，长期的砷接触对于儿童的智力发育有明显的抑制作用［19］。

土壤砷污染治理修复技术

目前，对于砷污染土壤的修复治理方法主要有物理化学、生物方法几大类，而常见的物理化学方法包括原位化学固定、土壤淋洗等，生物方法包括植物修复和微生物修复技术等。

化学及植物修复

原位化学固定是向污染土壤中施加化学固定剂，改变砷元素在土壤中的迁移转化过程，使之稳定化［20］。常见的砷的化学固定剂包括铁氧化物以及铝、锰氧化物等。研究人员还发现，氧化钙、氧化镁、硫酸亚铁等添加剂对于土壤中砷的固定有一定效果［21］。在原位化学固定处理过程中，土壤pH值的控制十分关键，砷酸根离子在pH较低的土壤中比较稳定，因此，要考虑化学固定剂对于土壤pH值的影响［21］。植物修复利用超富集植物清除土壤中存在的砷，是近年来土壤污染修复的热点之一［22］。陈同斌等［23］2001年在中国湖南发现了第一株砷的超富集植物:蜈蚣草。之后，国内外研究人员针对蜈蚣草对砷的富集特征、砷在蜈蚣草体内的形态及转化特征、各种肥料对于蜈蚣草吸收砷的影响等方面都进行了深入的研究［24，25］。同时，研究人员还尝试以蜈蚣草为修复基础构建一个修复砷污染的人工生态系统，利用蜈蚣草和五节芒等砷超富集植物，在人工生态系统中种植砷耐性植物，既去除了土壤中的砷，又保证了土壤的正常生理功能［26］。除了蜈蚣草之外，研究人员还积极寻找其他的砷超富集植物［27］。

微生物修复

由于传统的治理方法大都具有高成本、高消耗、产生二次污染等问题，微生物修复技术以其绿色、环保、与环境相协调的优势逐步成为环境污染治理领域的研究重点，具有极大的发展潜力。微生物对于土壤中的砷的修复原理一般通过氧化还原、吸附、甲基化、沉淀等作用影响砷的生物有效性，进而达到降低土壤中砷的毒害作用的目的［28］。微生物在砷的地球化学循环过程中起着重要的作用，微生物通过氧化还原、甲基化/去甲基化等过程影响和改变着砷的赋存形态和迁移转化［29］。科学家们发现，很多不同属的细菌都具有耐受高浓度砷的基因片段(arsRDABC)，这些基因片段不仅存在于质粒中，也普遍存在于染色体中［30］。这说明对于砷的耐受及解毒行为广泛存在于细菌界。但不同细菌(和真菌)耐受高浓度砷的机理也不尽相同，某些细菌和真菌能通过自身细胞壁或代谢产物吸附砷［31］;而某些微生物(以真菌为主)能够将砷甲基化而使砷挥发［32］;还有些细菌能够将砷作为自身的能量来源，利用砷促进自身生长［33］。具体说来，微生物修复/去除土壤中的砷的反应机理大致包括:1．将As(III)氧化成为As(V)，从而降低其毒性;2．细胞壁吸附固定;3．通过生成铁锰氧化物而将砷吸附固定在铁锰氧化物中。

As(III)→As(V)的氧化反应

As(III)化合物(arsenite)是毒性最大的无机砷化合物。As(III)能够与氢硫基相结合，从而影响人体内许多蛋白质的功能;此外，它还能通过与硫醇相结合而影响人体的呼吸系统;在pH小于9．2的条件下，As(III)能够直接通过细胞壁的水－甘油通道进入细胞内部［34］。而As(V)化合物通常带负电荷，在很多环境中容易与钙离子和铁离子形成不溶化合物(表现类似磷酸根)［35］，或者极易吸附在矿石氧化物表面，因此在水中和土壤中相对比较稳定固化，迁移转化行为较弱，毒性显著减小。因此，利用微生物作用将As(III)氧化成为As(V)就成为了微生物修复砷污染的一个重要研究方向。自上世纪初，研究人员就已经开始分离得到具有该氧化能力的细菌菌种，之后，越来越多的菌种逐渐被发现，为利用细菌菌种修复砷污染提供了更多可能。1918年研究人员首次在南非发现了能够氧化As(III)的细菌［36］，之后各国的研究人员在全球不同的自然环境中发现了具有这种能力的细菌。Turner［37，38］在澳大利亚分离出15株氧化As(III)的细菌菌株，并重点研究了其中一株菌株:Pseudomonasarsenoxydans－quinque;Os-borne［39］和Phillips［40］此后又分别在土壤环境和生污泥中分离出了Alcaligenesfaecalis菌株。但是以上的三组科学家们都是利用含有有机质的培养条件来分离菌株，这些分离得到的菌株在没有有机质能源的条件下均无法生长，即这些菌株都属于化能有机异养细菌。对于这些菌株而言，氧化As(III)的行为并不能为自身提供能量，因此一般认为细菌的这种氧化能力是细菌自身的一种去毒机制［39］。Santini等［41］在澳大利亚的一处金矿内分离出了一株能够氧化As(III)的细菌菌株(NT－26)，与之前所发现的细菌菌株不同，这株NT－26是化能无机自养细菌，即该菌株能够在不添加有机质的培养条件下生存。研究人员通过实验发现，该菌株能够从氧化As(III)的化学过程中获得能量，这株菌株属于α－Proteobacteria中的Agrobacterium/Rhi-zobium分支。研究人员还发现某些细菌菌株是兼性细菌，即它们既可以在有机质存在的条件下进行化能有机异养方式的生存，又可以在没有有机质存在的条件下进行化能无机自养方式的生存，利用As(III)作为能量来源［42］。而Oremland等人［43］从美国加州的莫诺湖底部发现了能够氧化As(III)的厌氧细菌，该菌株能够利用硝酸根(而非氧气)作为其电子受体，是化能自养细菌，属于γ－Proteobacteria的Ec-tothiorhodospira属。具有氧化As(III)能力的细菌分布非常广泛，并能够耐受和生存在某些极端环境，如高温或酸性环境中。研究发现某些嗜热细菌也具有氧化As(III)的能力。研究人员［44］发现两株在美国黄石国家公园内的几处热泉水中分离出的细菌菌株Thermusaquaticus和Thermusthermophilus具有氧化As(III)的能力，这两株菌株分别能在40－79℃和47－85℃的温度范围内生存，并且它们氧化As(III)的过程非常迅速。由于这两种菌株在自然界分布极为广泛，科学家们推测它们在砷的地球化学循环中起着重要的但一直被忽视的作用。除了高温环境，某些在酸性环境中生存的细菌也具有氧化As(III)的能力，Casiot等人［45］在法国的某处尾矿区域分离得到了能够氧化As(III)的细菌，该尾矿库所排放的酸性矿井水的pH值达到了2．73－3．37，并含有高浓度的溶解砷和铁。研究人员发现，废水中的砷和铁经过30m的排放距离后，含量降低了20－60%，而这一结果归结于水中分离出的同时具有氧化As(III)和Fe(II)能力的三株菌株。

细胞壁吸附

细菌、藻类、真菌等多类微生物的细胞壁都具有与金属离子结合的能力，生物吸附技术也逐渐成为重金属污染修复领域的一个研究重点。真菌是对自然界生态系统以及人类具有重大意义的一大类生物，真菌在自然界分布极其广泛，适应几乎所有的生存环境，在很多土壤类型，尤其是低pH值条件中真菌都是占主导地位的生物体［46］，因此对生态系统的影响深远而复杂。真菌的生长特征使得它们与重金属的大规模密切接触成为可能，大部分真菌具有数目庞大的菌丝，生长至各个方向［46］，独特的生长方式使得真菌无论是在土壤中还是水中都能够具有与重金属接触的巨大比表面积(表面积/质量)，因此，真菌对于土壤中重金属离子的吸附是土壤重金属污染微生物修复的重要组成部分。Visoottiviseth等［47］从泰国一处砷污染的区域中分离得到了近四十种真菌菌种，在对这些菌种吸附砷的实验中，研究人员得到了一株对于As(III)和As(V)都具有良好吸附效果的菌株，该菌株经鉴定属于Penicilliumsp．。Loukidou等［48］利用真菌菌株来吸附废水中的As(V)，真菌菌体经过表面活化剂的预处理之后，对于As(V)具有良好的吸附处理效果。除了真菌之外，藻类也具有吸附重金属离子的能力，藻类吸附过程一般比较迅速并具有专一性［49］。小球藻是一种常见的藻类，研究发现小球藻具有较好的吸附As(III)的能力，在合适的条件下，吸附效率能达到50%以上［50］。

铁氧化物吸附

在自然界中，很多微生物(多为细菌)都具有调节Fe(II)的氧化反应而生成铁氧化物的能力［51］。在微生物调控作用下生成的铁氧化物具有疏松多孔、晶体结构不规则、比表面积大等特性，是优良的吸附材料。铁氧化物的吸附在修复治理砷污染领域里也起着重要的作用。铁氧化细菌在含有砷的培养基中培养一段时间后，培养基里的砷浓度明显下降，表明铁氧化细菌生成的铁氧化物对砷有良好的吸附作用，有研究表明，这种吸附作用是一种表面络合反应［52］。研究人员还发现，一些铁氧化细菌还同时能够氧化As(III)，更加促进了砷在铁氧化物上的吸附效果［51］。铁氧化物对砷的吸附在治理水体砷污染领域有一定的应用。Joshi［53］等利用表面是铁氧化物涂层的沙石来去除地下水体中的砷化合物。Katsoyiannis［54］等制成表面是铁氧化物涂层的聚合物，这种材料对于去除水体中的砷化合物也有较好的效果。此外，含有铁氧化物的柱撑粘土也被证实是一种优良的吸附水体中砷的基体［55］。

展望

土壤的砷污染是亟待治理的环境问题，世界各国的科学家都在积极寻找解决这一问题的有效方法。随着人们在生物尤其是微生物领域的知识和研究的不断深入，微生物治理砷污染土壤的技术以其明显的优势越来越受到关注和重视。利用微生物菌种的吸附转化等作用从而达到对土壤中的砷进行去除或固定无毒化必将成为治理土壤砷污染的一个重要发展方向。