微生物在粉煤灰堆放場生態(tài)治理中的作用
摘要：粉煤灰是燃煤利用過程中形成的固體廢棄物，它既是環(huán)境污染的主要來源之一,，又含有大量的植物必需營養(yǎng)元素——磷,。應(yīng)用解磷細(xì)菌、菌根真菌和根瘤菌等微生物技術(shù),，通過微生物的作用,，挖掘粉煤灰中的營養(yǎng)潛力，構(gòu)造一個適于植物生長的基質(zhì)環(huán)境,，有利于粉煤灰堆放場的生態(tài)修復(fù),，提高了土地生產(chǎn)力，實現(xiàn)了廢棄物的資源化利用,。微生物在粉煤灰中的利用將是改善環(huán)境,，降低污染的一個重要途徑，對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義,。
關(guān)鍵詞：粉煤灰場 微生物 生態(tài)修復(fù)
粉煤灰是煤燃燒后產(chǎn)生的一種粉狀灰粒,，是一種自然界所不存在的而由人工過程產(chǎn)生的粉狀礦物質(zhì)資源。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織的預(yù)測,，燃煤發(fā)電將在21世紀(jì)中占重要地位,，而且燃煤發(fā)電的絕對量可能還會增加,。它是環(huán)境污染的主要來源之一，目前對粉煤灰的綜合開發(fā)與利用的研究就顯得相當(dāng)重要,。發(fā)達(dá)國家已將粉煤灰作為一種新的資源來利用,，其利用率高達(dá)70%～80%，而我國目前的利用率僅為30%左右[1],。如何合理有效地利用粉煤灰,，變廢為寶，實現(xiàn)廢棄物質(zhì)的資源化綜合利用,，對礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義,。
1 粉煤灰堆放場特性
1.1 粉煤灰理化特性
粉煤灰的組成與性質(zhì)隨燃煤的組成、燃燒條件與處理方法等因素的不同而異,。粉煤灰顆粒組成以微細(xì)的玻璃體狀顆粒為主，占60%~80%,，30%左右為蜂窩狀顆粒,。比重為2.0左右，容重小于1,，孔隙率約15%,，機械組成相當(dāng)于土壤的砂質(zhì)土?；瘜W(xué)組成主要為SiO2（50%～60%,，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）,、Al2O3（20%～30%）,、Fe2O3（10%）、CaO（2%～5%）,、MgO（1%-2%）,、Na2O（0.2%～0.5%）、全鉀（1%～2%）,、全磷（0.1%左右）,，速效磷10～200 mg/kg，速效鉀10～100 mg/kg,，全氮含量低,，50-500 mg/kg，pH在8～12[2],。粉煤灰中蘊藏著豐富的磷資源,，其中全磷平均為985 mg/kg（超過我國西北地區(qū)一般荒漠化土壤的全磷），相當(dāng)于全國目前以粉煤灰為載體儲存了98.5萬t的磷素資源,，按30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）折合磷礦粉,，相當(dāng)于儲存了328萬t優(yōu)質(zhì)磷礦粉[3],。粉煤灰貯灰場相當(dāng)于一個天然的磷礦粉倉儲地。如何挖掘粉煤灰中的磷資源,，實現(xiàn)廢棄物的資源化利用是將來研究的重點,。
1.2 粉煤灰堆放產(chǎn)生的危害
目前全國76%的電力是燃煤電廠，每年全國電廠年燃煤約4億t以上,，占全國原煤產(chǎn)量的1/3,，2000年電力系統(tǒng)火力發(fā)電廠粉煤灰排放量達(dá)1.6億t，成為世界上最大的排灰國,，占地將達(dá)到3.3萬hm2以上,，加上歷年庫存約11億t，每年還要遞增400～600萬t的排放量,。如此大量的灰渣排放不僅占用大量的土地,，并對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，粉煤灰含碳量大,，比重約為2.14 g/cm3,，顆粒的細(xì)度極高，粒徑為0.5～300.0 m,，極易產(chǎn)生飛灰天氣,，影響能見度和人類的呼吸。濕法排灰造成水濁度增加,，形成的沉積物堵塞河床,，惡化水質(zhì)。粉煤灰大多呈堿性,，飛灰沉降后造成土壤堿化,，污染土壤，引起土地質(zhì)量的下降,，生態(tài)惡化并影響人體健康,。盡管許多報道都論證了粉煤灰對土壤改良的污染性較小[4-6]，但粉煤灰中含有的較高重金屬如Cd,、Pb,，仍具有潛在的污染能力[7]，制約了我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,。
1.3 粉煤灰的工業(yè)利用途徑
近幾年,，我國粉煤灰的處置和利用從“以儲為主”改為“儲用結(jié)合，積極利用”,，到現(xiàn)在的“以用為主”,，到1995年利用率已達(dá)41.7%。粉煤灰在我國工業(yè)利用主要途徑為[8]：
（1） 建筑和筑路：粉煤灰代替粘土作水泥原料，粉煤灰水泥,；粉煤灰燒結(jié)陶粒,；粉煤灰燒結(jié)磚；硅酸鹽密實砌塊,；石棉粉煤灰板等,；路基，瀝青路面添加劑,。
（2） 填筑類：粉煤灰中加少量水泥或石灰作為一般性建筑物基礎(chǔ)的回填,，礦井的回填和處理地表塌陷。
（3） 提取有用物質(zhì)：從粉煤灰中提取許多金屬和鹽類,，主要是提取金屬鋁和鋁鹽,。
（4） 廢水處理：粉煤灰具有多孔性和大比表面積，是很好的吸附材料,，可以除去工業(yè)廢水中的重金屬離子,。
（5） 改良土壤：覆土造田改良酸性、粘性土壤并增加土壤的蓄水性,；制農(nóng)肥,。
1.4 粉煤灰堆放場生態(tài)治理中存在的問題
目前，粉煤灰在工業(yè)上的利用較廣,，但用量有限，而在農(nóng)業(yè)方面的利用潛力較大,。粉煤灰的農(nóng)用具有投資少,、用量大、大多對灰的質(zhì)量要求不高,、需求平穩(wěn)和潛力大等特點,，是適合我國國情的重要利用途徑。粉煤灰作為土壤改良劑,，用量達(dá)75 t/hm2以上才具有顯著改土和增產(chǎn)效應(yīng)[9],，且運輸灰工作量大。粉煤灰貯灰場上覆土造田,，應(yīng)用較多,，但是覆土、運土工作量大,，人力和物力浪費多,，且很多土壤貧瘠，生態(tài)恢復(fù)仍然很慢,。純灰種植與覆土造田相比,，不需要動用土方，成本較低，但是單純在粉煤灰貯灰場上進行環(huán)境修復(fù)的技術(shù)難度也較大,。
粉煤灰壓占大量耕地,，污染大氣、土壤和水體,，惡化周圍環(huán)境,，微生物種群受到影響；物理結(jié)構(gòu)不良,，持水保肥能力差,；極端強堿條件也會引起植物的養(yǎng)分不足和酶的不穩(wěn)定等；粉煤灰極端貧瘠,，氮,、磷、鉀及有機質(zhì)含量極低,，養(yǎng)分不平衡,；重金屬含量過高，影響植物各種代謝途徑,，抑制植物對營養(yǎng)元素的吸收及根系的生長,；干旱或鹽分過高引起的生理干旱[10]。這些不利因素單獨或幾種同時出現(xiàn),，導(dǎo)致粉煤灰堆放場廢棄地大多為不毛之地,。因此，對煤系固體廢棄物的生態(tài)治理應(yīng)該綜合考慮,。
2 微生物對粉煤灰堆放場生態(tài)治理研究
粉煤灰既是煤礦區(qū)環(huán)境污染的主要來源,，又含有植物必需的營養(yǎng)元素磷。通過微生物的聯(lián)合作用,，利用粉煤灰本身的理化特性來構(gòu)造一個較適于植物生長的基質(zhì)環(huán)境,，既有利于粉煤灰堆放場的環(huán)境修復(fù)，節(jié)約土地,，又實現(xiàn)了廢棄物的資源化利用,。微生物是自然界較為活躍的一類有機體，許多地質(zhì)大循環(huán)的過程中幾乎都有微生物的參與,，巖石礦物的風(fēng)化分解,、土壤的形成、有機質(zhì)的分解聚合都離不開微生物的活動,。采用多種微生物來聯(lián)合修復(fù),，既降低環(huán)境治理的成本，又可以產(chǎn)生明顯的環(huán)境,、經(jīng)濟和社會效益,。
2.1 解磷細(xì)菌
解磷菌是土壤中能將難溶性磷轉(zhuǎn)化為植物能夠吸收利用的可溶性磷的一類特殊的微生物[11]。目前，對磷的溶解與吸收作用較大的微生物主要是菌根真菌和解磷細(xì)菌,。解磷細(xì)菌能夠通過分泌多種有機酸性物質(zhì)[12]或者伴隨著呼吸或同化NH4+時H+的釋放[13]將難溶性磷釋放出來,，增加基質(zhì)磷的生物有效性，有利于植被的生長和恢復(fù),。土壤中解磷微生物資源豐富,，我國旱地土壤中解無機磷的微生物，平均每克土壤約有1 000萬個,，占土壤微生物總數(shù)的27%～82%[14],，解磷細(xì)菌能夠溶解基質(zhì)環(huán)境中難溶性磷化合物，將磷釋放出來,，對于北方石灰性土壤,，解磷細(xì)菌的解磷作用較為明顯[15]。這為利用解磷細(xì)菌來挖掘粉煤灰中磷的有效性提供了技術(shù)可能,。
2.2 菌根真菌
國內(nèi)外許多研究表明,，菌根真菌能夠幫助植物吸收磷元素，促進植物的生長,。在逆境條件下,，叢枝菌根能夠通過擴大根系吸收范圍、活化土壤養(yǎng)分等機制,，顯著改善植物的營養(yǎng)狀況,，尤其是在低磷狀況下，施用菌根能幫助植物吸收磷,、改良土壤結(jié)構(gòu),、提高植物的抗逆性（如抗寒、抗旱,、耐鹽堿）、促進根瘤菌的生長和根瘤活性,、提高植物對土傳病害的免疫能力[16],。以粉煤灰為基質(zhì)來培養(yǎng)菌根，菌根真菌孢子數(shù)量,、菌絲長度以及侵染率均較高,，植物生長很好，菌根效應(yīng)明顯,，而且對基質(zhì)具有一定的改良培肥能力,，粉煤灰也可作為菌根菌劑培養(yǎng)的基質(zhì)[17]。許多研究表明,，菌根與解磷細(xì)菌還能夠互相促進植物對氮磷的吸收[18],。利用廢棄物粉煤灰作為研究對象，結(jié)合解磷細(xì)菌與菌根真菌，來挖掘粉煤灰的磷營養(yǎng),，為粉煤灰開辟一條高效的微生物綜合利用的新技術(shù),，利于植被的恢復(fù)，降低環(huán)境污染,，促進環(huán)境的穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展,。叢枝菌根和解磷細(xì)菌聯(lián)合應(yīng)用將成為固廢粉煤灰綜合修復(fù)的又一新突破口。
粉煤灰除了含有有益的營養(yǎng)成分外,，還含有較高的重金屬元素,，如Hg、As,、Cr,、Pb和Cd[19]，但是重金屬的有效態(tài)含量較低,。重金屬在土壤中的遷移,、轉(zhuǎn)化和生物有效性與植物根系的吸收、分泌作用及根表的理化性質(zhì)有著密切關(guān)系[20],。pH是影響重金屬生物有效性的一個重要因子,。對于大多數(shù)重金屬，土壤pH越低,，其溶解度就越高,，生物有效性就越強[21]。解磷細(xì)菌和菌根聯(lián)合對粉煤灰中磷的溶解和吸收過程,，必然會引起根際分泌物組分,、種類和數(shù)量的變化，基質(zhì)pH發(fā)生改變,，引起重金屬生物有效性的變化,。許多研究表明叢枝菌根具有增強植物抗重金屬毒害的能力，申鴻等[22]在3個鋅水平下研究叢枝菌根真菌對玉米苗期生長的影響,。結(jié)果表明,，即使在土壤鋅施入量達(dá)600 mg/kg時，菌根真菌對玉米仍有近50%的侵染率,，說明菌根真菌對重金屬鋅具有相當(dāng)?shù)目剐?。黃藝等[23]研究結(jié)果表明，菌根能夠通過調(diào)節(jié)宿主根際中金屬形態(tài)來影響金屬有效性,，從而達(dá)到阻止過量金屬進入植物,，提高植物對過量金屬污染的抗性。所以,，解磷細(xì)菌和菌根聯(lián)合對粉煤灰進行利用,，具有很大的應(yīng)用潛力,。針對粉煤灰生態(tài)治理中存在著潛在污染的主要問題，研究微生物聯(lián)合作用對粉煤灰無污染生態(tài)治理,，將是微生物對粉煤灰綜合利用的又一方面,。
2.3 根瘤菌
不同種類的微生物如叢枝菌根真菌和根瘤菌，它們間的相互促進作用已經(jīng)被報道[24],，近來的研究表明,，在煤礦廢棄物煤矸石和粉煤灰中聯(lián)合接種菌根與根瘤菌，顯示出它們在礦區(qū)粉煤灰生態(tài)治理中極大的利用潛力和應(yīng)用前景,，尤其對氮和磷吸收中可以互相促進,，先鋒豆科植被的選擇也是必不可少的[25]。
3 展 望
采用多種微生物來聯(lián)合修復(fù)礦區(qū)環(huán)境,，既降低環(huán)境治理的成本,，又可以產(chǎn)生明顯的環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益,。綜合應(yīng)用解磷細(xì)菌,、菌根真菌和根瘤菌等微生物技術(shù)，加速粉煤灰貯灰場的環(huán)境修復(fù),，是改善區(qū)域環(huán)境和降低污染的一個重要途徑,。基質(zhì)中的微生物種類和數(shù)量是基質(zhì)性質(zhì)的重要標(biāo)志,，所以能否成功借用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)中施用微生物肥料的方法,，即通過人為接種優(yōu)勢微生物，利用植物根際微生物本身的生命活動,，來挖掘粉煤灰的潛在肥力,，達(dá)到一種持續(xù)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展是有效利用粉煤灰的核心所在,。21世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì),，發(fā)掘利用生物基因資源中適應(yīng)、抵抗逆境的潛力,，不僅可以達(dá)到維護和改善環(huán)境質(zhì)量的目的,，而且也為礦區(qū)環(huán)境修復(fù)提供一條有用的生物技術(shù)途徑，具有重大的理論價值和現(xiàn)實生態(tài)意義,。
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