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的生長培養(yǎng)基中，研究其對釩的吸收能力。86 d的溫室試驗之后，發(fā)現(xiàn)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(nèi)重金屬載體蛋白，使釩裝載進入木質(zhì)部，并通過導(dǎo)管輸送至莖、葉部分。

植物對于不同價態(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，在溫室條件下進行芥菜(Brassica juncea L.)盆栽試驗。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，進行為期64 d的盆栽試驗。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(luò)合吸附后，進入細胞并在細胞內(nèi)進行還原，將高價釩進行轉(zhuǎn)化為較低價態(tài)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(fù)

微生物擁有環(huán)境適應(yīng)性強、繁殖速度快、數(shù)量多等優(yōu)勢，因此采用微生物方法修復(fù)釩污染土壤具有廣闊前景。長期存在于釩污染地區(qū)土壤中的微生物進化產(chǎn)生了重金屬耐受機制，通過體內(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。魏清清等報道了釩污染地區(qū)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(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，并添加有營養(yǎng)元素的無機液、固及有機培養(yǎng)基中，在實驗室條件下進行細菌培養(yǎng)。在最終所篩選出的21株耐釩菌株中，14株屬于變形菌門，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，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)基中進行9 d釩耐受性試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(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)前針對釩污染地下水微生物修復(fù)研究進展較快，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。谷倩等已對釩污染地下水微生物修復(fù)案例進行了較完整總結(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。目前針對釩污染土壤微生物修復(fù)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(luò)合作用，實現(xiàn)對土壤環(huán)境中釩的積累，降低土壤污染程度。

微生物可利用細胞壁上攜帶的官能團吸附固著重金屬，并將其通過轉(zhuǎn)運蛋白載入胞內(nèi)完成積累，達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株具有釩抗性細菌菌株，經(jīng)分類學(xué)鑒定3株細菌均屬于腸桿菌科，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)實驗室培養(yǎng)后測定了細菌的釩積累能力，結(jié)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(xué)基團與重金屬發(fā)生吸附過程，進而將其固定導(dǎo)致的。

利用微生物修復(fù)釩污染土壤的過程中，修復(fù)效果受到細胞的新陳代謝能力的影響，結(jié)果導(dǎo)致微生物對釩的富集水平有差距。Fierros Romero等從采礦場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時細菌對于鎳和釩的去除能力。在36 h時發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中釩的去除率達到最大值，為16.03%。并且發(fā)現(xiàn)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。

此外，微生物對于不同賦存形態(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(xiàn)象產(chǎn)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(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，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。近年來許多研究表明，植物根際促生菌及內(nèi)生菌通過調(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；促進生長素(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，進而強化植物修復(fù)能力。

植物內(nèi)生細菌是一類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、器官中的細菌，具有穩(wěn)定性高、受外界環(huán)境擾動程度低的特點。目前利用內(nèi)生細菌聯(lián)合植物修復(fù)對治理重金屬污染環(huán)境已有報道。

根據(jù)現(xiàn)有研究，植物接種內(nèi)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(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60 d盆栽試驗之后，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酸，對根際土壤中的釩產(chǎn)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(huán)境中獲取釩的能力。

2.4 動物修復(fù)

土壤動物的生命活動對于改善土壤生態(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。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(guān)于重金屬在土壤動物體內(nèi)積累之前有諸多研究，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(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，土壤動物的體腔為一相對厭氧體系，可進行大量還原反應(yīng)。基于上述兩點，提出利用土壤動物輔助協(xié)同修復(fù)釩污染土壤的可能性。目前針對釩污染環(huán)境的動物修復(fù)技術(shù)尚未見相關(guān)研究，但是可以從其他重金屬修復(fù)試驗中了解土壤動物應(yīng)用于釩污染土壤的潛力。?rut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(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(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“場所”，如果挖掘其潛力，可能對修復(fù)重金屬污染產(chǎn)生一定積極效果。這為后續(xù)研究釩污染土壤動物修復(fù)技術(shù)帶來啟發(fā)：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(nèi)腸道還原環(huán)境及內(nèi)生菌作用，降低釩價態(tài)使毒性減弱，從而實現(xiàn)土壤動物介導(dǎo)的釩污染土壤還原解毒過程，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(chǎn)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。

有機質(zhì)通過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質(zhì)含量呈拮抗效應(yīng)；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。

此外，土壤陽離子交換量(cation exchange capa-city，CEC)以及土壤養(yǎng)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(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。植物和微生物對于土壤不同價態(tài)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(nèi)部，導(dǎo)致生物無法利用。土壤中存在的5種釩形態(tài)中，可溶性釩含量極低，絕大部分以殘渣態(tài)形式存在，剩余部分會被Fe、Mn等金屬離子及有機質(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)進程將會受到影響。

重金屬吸收量體現(xiàn)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(fù)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(dǎo)致生物量低。并且植株環(huán)境敏感性強，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養(yǎng)物質(zhì)才能完成增殖過程，而污染嚴(yán)重土壤中碳、氮等營養(yǎng)元素匱乏，導(dǎo)致菌落繁殖速度下降，進而影響修復(fù)去除效率。另外，菌種在進行多代繁殖以后，遺傳信息不穩(wěn)定，容易造成菌種變異或退化現(xiàn)象，也會影響微生物對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。

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(xué)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(dāng)積累的釩超過一定閾值后，將會嚴(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)為植株生長緩慢、個體發(fā)育不良，嚴(yán)重時萎蔫甚至死亡，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污染物復(fù)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(xiàn)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。

4.3 修復(fù)材料回收困難

對修復(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，對埋藏在土壤中、具有高金屬濃度、復(fù)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。此外，研究者發(fā)現(xiàn)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(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，其他生物對其也增加了吸收能力，再經(jīng)過捕食作用進入到食物鏈，產(chǎn)生的重金屬富集效應(yīng)會對高等動物的生存造成較嚴(yán)重威脅。

5 釩污染土壤生物修復(fù)技術(shù)未來發(fā)展趨勢

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(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)，實現(xiàn)生物體的定向改造，培育出環(huán)境適應(yīng)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(fù)材料，達到高效快速修復(fù)，尤其要深入發(fā)掘研究植物、微生物代謝產(chǎn)物對釩形態(tài)的轉(zhuǎn)化機理。修復(fù)材料安全處置將會成為修復(fù)完成后的關(guān)鍵點，例如使用500 ℃ 高溫對植物修復(fù)材料進行熱解處理，重金屬被穩(wěn)定保留在植物殘渣內(nèi)，將熱解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭還可作為亞甲基藍(methylene blue)吸附劑實現(xiàn)再利用。

5.2 多種修復(fù)方法協(xié)同使用

多學(xué)科進行系統(tǒng)性交叉研究，有機整合各種生物修復(fù)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(fù)技術(shù)，并闡明生物學(xué)互作機制，研發(fā)高效、實用的生物組合修復(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行協(xié)同應(yīng)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(fù)中存在的因污染程度高、養(yǎng)分不足而導(dǎo)致的富集植物生長緩慢、生物量低、修復(fù)時間較長等劣勢，并同步配套使用農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)手段，通過調(diào)控水肥、改良耕作技術(shù)等農(nóng)業(yè)管理措施，促進植物生長發(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 擴大場地示范研究

就目前而言，大多數(shù)生物修復(fù)的研究仍然停留在實驗室模擬階段，采取的是異位修復(fù)的思路，并且其評價方式多以釩作為單一目標(biāo)污染物來進行。但是在實際釩污染場地土壤修復(fù)工程中，生物會受到復(fù)雜外界環(huán)境以及多種重金屬復(fù)合污染的影響。因此需要考慮修復(fù)材料在污染場地中的生存狀況，應(yīng)嘗試進行原位驗證試驗，監(jiān)控生物修復(fù)過程中有效釩形態(tài)及濃度變化，尋找生物活化與吸收之間的平衡，評估外界環(huán)境對修復(fù)生物的影響，設(shè)計出較為完整全面的生物技術(shù)修復(fù)方案并加以改進，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，實現(xiàn)推廣應(yīng)用。