微生物在粉煤灰堆放场生态治理中的作用
摘要：粉煤灰是燃煤利用过程中形成的固体废弃物，它既是环境污染的主要来源之一，又含有大量的植物必需营养元素——磷。应用解磷细菌、菌根真菌和根瘤菌等微生物技术，通过微生物的作用，挖掘粉煤灰中的营养潜力，构造一个适于植物生长的基质环境，有利于粉煤灰堆放场的生态修复，提高了土地生产力，实现了废弃物的资源化利用。微生物在粉煤灰中的利用将是改善环境，降低污染的一个重要途径，对区域可持续发展具有深远的现实意义。
关键词：粉煤灰场 微生物 生态修复
粉煤灰是煤燃烧后产生的一种粉状灰粒，是一种自然界所不存在的而由人工过程产生的粉状矿物质资源。根据联合国教科文组织的预测，燃煤发电将在21世纪中占重要地位，而且燃煤发电的绝对量可能还会增加。它是环境污染的主要来源之一，目前对粉煤灰的综合开发与利用的研究就显得相当重要。发达国家已将粉煤灰作为一种新的资源来利用，其利用率高达70%～80%，而我国目前的利用率仅为30%左右[1]。如何合理有效地利用粉煤灰，变废为宝，实现废弃物质的资源化综合利用，对矿区可持续发展具有深远的现实意义。
1 粉煤灰堆放场特性
1.1 粉煤灰理化特性
粉煤灰的组成与性质随燃煤的组成、燃烧条件与处理方法等因素的不同而异。粉煤灰颗粒组成以微细的玻璃体状颗粒为主，占60%~80%，30%左右为蜂窝状颗粒。比重为2.0左右，容重小于1，孔隙率约15%，机械组成相当于土壤的砂质土。化学组成主要为SiO2（50%～60%，质量分数，下同）、Al2O3（20%～30%）、Fe2O3（10%）、CaO（2%～5%）、MgO（1%-2%）、Na2O（0.2%～0.5%）、全钾（1%～2%）、全磷（0.1%左右），速效磷10～200 mg/kg，速效钾10～100 mg/kg，全氮含量低，50-500 mg/kg，pH在8～12[2]。粉煤灰中蕴藏着丰富的磷资源，其中全磷平均为985 mg/kg（超过我国西北地区一般荒漠化土壤的全磷），相当于全国目前以粉煤灰为载体储存了98.5万t的磷素资源，按30%（质量分数）折合磷矿粉，相当于储存了328万t优质磷矿粉[3]。粉煤灰贮灰场相当于一个天然的磷矿粉仓储地。如何挖掘粉煤灰中的磷资源，实现废弃物的资源化利用是将来研究的重点。
1.2 粉煤灰堆放产生的危害
目前全国76%的电力是燃煤电厂，每年全国电厂年燃煤约4亿t以上，占全国原煤产量的1/3，2000年电力系统火力发电厂粉煤灰排放量达1.6亿t，成为世界上最大的排灰国，占地将达到3.3万hm2以上，加上历年库存约11亿t，每年还要递增400～600万t的排放量。如此大量的灰渣排放不仅占用大量的土地，并对环境造成严重污染，粉煤灰含碳量大，比重约为2.14 g/cm3，颗粒的细度极高，粒径为0.5～300.0 m，极易产生飞灰天气，影响能见度和人类的呼吸。湿法排灰造成水浊度增加，形成的沉积物堵塞河床，恶化水质。粉煤灰大多呈碱性，飞灰沉降后造成土壤碱化，污染土壤，引起土地质量的下降，生态恶化并影响人体健康。尽管许多报道都论证了粉煤灰对土壤改良的污染性较小[4-6]，但粉煤灰中含有的较高重金属如Cd、Pb，仍具有潜在的污染能力[7]，制约了我国国民经济的可持续发展。
1.3 粉煤灰的工业利用途径
近几年，我国粉煤灰的处置和利用从“以储为主”改为“储用结合，积极利用”，到现在的“以用为主”，到1995年利用率已达41.7%。粉煤灰在我国工业利用主要途径为[8]：
（1） 建筑和筑路：粉煤灰代替粘土作水泥原料，粉煤灰水泥；粉煤灰烧结陶粒；粉煤灰烧结砖；硅酸盐密实砌块；石棉粉煤灰板等；路基，沥青路面添加剂。
（2） 填筑类：粉煤灰中加少量水泥或石灰作为一般性建筑物基础的回填，矿井的回填和处理地表塌陷。
（3） 提取有用物质：从粉煤灰中提取许多金属和盐类，主要是提取金属铝和铝盐。
（4） 废水处理：粉煤灰具有多孔性和大比表面积，是很好的吸附材料，可以除去工业废水中的重金属离子。
（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；制农肥。
1.4 粉煤灰堆放场生态治理中存在的问题
目前，粉煤灰在工业上的利用较广，但用量有限，而在农业方面的利用潜力较大。粉煤灰的农用具有投资少、用量大、大多对灰的质量要求不高、需求平稳和潜力大等特点，是适合我国国情的重要利用途径。粉煤灰作为土壤改良剂，用量达75 t/hm2以上才具有显著改土和增产效应[9]，且运输灰工作量大。粉煤灰贮灰场上覆土造田，应用较多，但是覆土、运土工作量大，人力和物力浪费多，且很多土壤贫瘠，生态恢复仍然很慢。纯灰种植与覆土造田相比，不需要动用土方，成本较低，但是单纯在粉煤灰贮灰场上进行环境修复的技术难度也较大。
粉煤灰压占大量耕地，污染大气、土壤和水体，恶化周围环境，微生物种群受到影响；物理结构不良，持水保肥能力差；极端强碱条件也会引起植物的养分不足和酶的不稳定等；粉煤灰极端贫瘠，氮、磷、钾及有机质含量极低，养分不平衡；重金属含量过高，影响植物各种代谢途径，抑制植物对营养元素的吸收及根系的生长；干旱或盐分过高引起的生理干旱[10]。这些不利因素单独或几种同时出现，导致粉煤灰堆放场废弃地大多为不毛之地。因此，对煤系固体废弃物的生态治理应该综合考虑。
2 微生物对粉煤灰堆放场生态治理研究
粉煤灰既是煤矿区环境污染的主要来源，又含有植物必需的营养元素磷。通过微生物的联合作用，利用粉煤灰本身的理化特性来构造一个较适于植物生长的基质环境，既有利于粉煤灰堆放场的环境修复，节约土地，又实现了废弃物的资源化利用。微生物是自然界较为活跃的一类有机体，许多地质大循环的过程中几乎都有微生物的参与，岩石矿物的风化分解、土壤的形成、有机质的分解聚合都离不开微生物的活动。采用多种微生物来联合修复，既降低环境治理的成本，又可以产生明显的环境、经济和社会效益。
2.1 解磷细菌
解磷菌是土壤中能将难溶性磷转化为植物能够吸收利用的可溶性磷的一类特殊的微生物[11]。目前，对磷的溶解与吸收作用较大的微生物主要是菌根真菌和解磷细菌。解磷细菌能够通过分泌多种有机酸性物质[12]或者伴随着呼吸或同化NH4+时H+的释放[13]将难溶性磷释放出来，增加基质磷的生物有效性，有利于植被的生长和恢复。土壤中解磷微生物资源丰富，我国旱地土壤中解无机磷的微生物，平均每克土壤约有1 000万个，占土壤微生物总数的27%～82%[14]，解磷细菌能够溶解基质环境中难溶性磷化合物，将磷释放出来，对于北方石灰性土壤，解磷细菌的解磷作用较为明显[15]。这为利用解磷细菌来挖掘粉煤灰中磷的有效性提供了技术可能。
2.2 菌根真菌
国内外许多研究表明，菌根真菌能够帮助植物吸收磷元素，促进植物的生长。在逆境条件下，丛枝菌根能够通过扩大根系吸收范围、活化土壤养分等机制，显著改善植物的营养状况，尤其是在低磷状况下，施用菌根能帮助植物吸收磷、改良土壤结构、提高植物的抗逆性（如抗寒、抗旱、耐盐碱）、促进根瘤菌的生长和根瘤活性、提高植物对土传病害的免疫能力[16]。以粉煤灰为基质来培养菌根，菌根真菌孢子数量、菌丝长度以及侵染率均较高，植物生长很好，菌根效应明显，而且对基质具有一定的改良培肥能力，粉煤灰也可作为菌根菌剂培养的基质[17]。许多研究表明，菌根与解磷细菌还能够互相促进植物对氮磷的吸收[18]。利用废弃物粉煤灰作为研究对象，结合解磷细菌与菌根真菌，来挖掘粉煤灰的磷营养，为粉煤灰开辟一条高效的微生物综合利用的新技术，利于植被的恢复，降低环境污染，促进环境的稳定与可持续发展。丛枝菌根和解磷细菌联合应用将成为固废粉煤灰综合修复的又一新突破口。
粉煤灰除了含有有益的营养成分外，还含有较高的重金属元素，如Hg、As、Cr、Pb和Cd[19]，但是重金属的有效态含量较低。重金属在土壤中的迁移、转化和生物有效性与植物根系的吸收、分泌作用及根表的理化性质有着密切关系[20]。pH是影响重金属生物有效性的一个重要因子。对于大多数重金属，土壤pH越低，其溶解度就越高，生物有效性就越强[21]。解磷细菌和菌根联合对粉煤灰中磷的溶解和吸收过程，必然会引起根际分泌物组分、种类和数量的变化，基质pH发生改变，引起重金属生物有效性的变化。许多研究表明丛枝菌根具有增强植物抗重金属毒害的能力，申鸿等[22]在3个锌水平下研究丛枝菌根真菌对玉米苗期生长的影响。结果表明，即使在土壤锌施入量达600 mg/kg时，菌根真菌对玉米仍有近50%的侵染率，说明菌根真菌对重金属锌具有相当的抗性。黄艺等[23]研究结果表明，菌根能够通过调节宿主根际中金属形态来影响金属有效性，从而达到阻止过量金属进入植物，提高植物对过量金属污染的抗性。所以，解磷细菌和菌根联合对粉煤灰进行利用，具有很大的应用潜力。针对粉煤灰生态治理中存在着潜在污染的主要问题，研究微生物联合作用对粉煤灰无污染生态治理，将是微生物对粉煤灰综合利用的又一方面。
2.3 根瘤菌
不同种类的微生物如丛枝菌根真菌和根瘤菌，它们间的相互促进作用已经被报道[24]，近来的研究表明，在煤矿废弃物煤矸石和粉煤灰中联合接种菌根与根瘤菌，显示出它们在矿区粉煤灰生态治理中极大的利用潜力和应用前景，尤其对氮和磷吸收中可以互相促进，先锋豆科植被的选择也是必不可少的[25]。
3 展 望
采用多种微生物来联合修复矿区环境，既降低环境治理的成本，又可以产生明显的环境、经济和社会效益。综合应用解磷细菌、菌根真菌和根瘤菌等微生物技术，加速粉煤灰贮灰场的环境修复，是改善区域环境和降低污染的一个重要途径。基质中的微生物种类和数量是基质性质的重要标志，所以能否成功借用现代农业技术中施用微生物肥料的方法，即通过人为接种优势微生物，利用植物根际微生物本身的生命活动，来挖掘粉煤灰的潜在肥力，达到一种持续稳定的生态系统，实现资源的可持续发展是有效利用粉煤灰的核心所在。21世纪是生物学的世纪，发掘利用生物基因资源中适应、抵抗逆境的潜力，不仅可以达到维护和改善环境质量的目的，而且也为矿区环境修复提供一条有用的生物技术途径，具有重大的理论价值和现实生态意义。
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