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1、探究微生物修复重金属污染土壤的修复机理,微生物论文摘 要：当前, 我们国家土壤重金属污染比拟严重, 重金属对土壤的理化性质、土壤生态特性和微生物群落构造产生明显的不良影响, 也严重影响了土壤生态环境和功能的稳定。微生物修复技术是近年来发展起来的新型有效修复技术。在综述国内外微生物修复技术研究动态的基础上, 重点讨论了当下微生物修复重金属污染土壤的修复机理, 阐述了微生物修复技术的优点和局限性, 并对微生物修复技术的将来研究方向进行了初步讨论。 本文关键词语：重金属; 污染土壤; 微生物; 修复技术; 随着大量矿山的挖掘, 工业废气、废水、废渣的乱排, 农业肥料的喷施, 日常垃圾的堆弃等, 将源
2、源不断的重金属渐渐渗入土壤中, 导致生物群落扰乱、土壤有机物质减少、稳定的土壤环境遭到了毁坏, 对人类生存发展造成了极大的威胁。据有关统计, 当前, 我们国家遭受重金属污染的耕地面积到达2 000万hm2, 这一状况已经超过全国耕地面积的1/61。我们国家每年被重金属污染的粮食多达1 200万t, 且因这种污染状况每年减少的粮食产量也高出1 000万t, 合计财产损失超出200亿元2。并且该形势呈现逐步增长趋势。重金属在土壤中很稳定、难移动, 不容易被水溶液溶解, 且很难被微生物分解, 沉积在土壤中难以去除, 随着在土壤 植物 动物中逐级累积, 最终对人体健康造成极大危害。重金属在土壤中的积累
3、, 不仅降低了土壤的生物量、生物种类和生物多样性, 同时又毁坏了土壤构造, 扰乱了土壤生态系统, 降低了土壤功能。 在重金属污染土壤中存活很多微生物, 这些微生物抵抗金属能力强, 且能够利用本身的性质改变金属的形态, 减轻金属物质对土壤的危害。使用微生物技术修复重金属污染土壤成本低、速度快、实用性强, 最终的产物都是稳定、无毒、无害的物质, 对土壤环境友好, 不会对土壤造成再次污染。因其具有无可比较的修复优势, 现已成为世界各国科学家改进和修复土壤污染的首要选择。 1、微生物修复技术的国内外研究动态 随着工业、农业的快速发展, 重金属污染呈现严峻的局势, 使得修复重金属污染成为全世界都在关注的
4、热门课题。当前, 国内外大量专家针对在土壤中分布广泛的一些细菌、真菌、放线菌等微生物修复重金属污染土壤方面做了很多有效的工作。 1.1 细菌修复重金属污染 细菌作为微生物群体中最多的一类微生物, 在修复重金属污染土壤方面备受关注, 华而不实, 在细菌对重金属的耐受性和吸附富集作用等方面的研究比拟多。当前, 已报道的能够修复重金属污染的细菌主要有:芽孢杆菌 (Bacillus sp.) , 弗兰克氏菌 (Rhizobium Frank.) , 恶臭假单胞菌 (Pseudomonas putida) , 链霉菌 (Streptomyces) , 球菌 (Micrococcus) 等3, 研究较多的
5、是芽孢杆菌, 华而不实, 蜡状芽孢杆菌 (Bacillus cereus) 、苏云金芽孢杆菌 (Bacillus thuringiensis) 、短小芽孢杆菌 (Bacillus pumilus Meyer and Gottheil) 、地衣芽孢杆菌 (Bacillus licheniformis) 等对重金属均具有良好的耐受性和吸附性。刘红娟等4试验发现, 蜡状芽孢杆菌能够在镉浓度200 mg/L的琼脂平板上快速生长, 证明该菌株在抗镉污染方面有着较强的优势;该菌株在液体培养基中Cd2+, Cr3+, Pb2+浓度均为75 mg/L和Mn2+浓度为100 mg/L培养时, 菌株生长正常。曹德
6、菊等5利用大肠杆菌 (Escherichia coli) 、枯草杆菌 (Bacillus subtili) 、酵母菌 (Saccharomyces sp.) 等细菌对重金属离子Cu, Cd进行修复试验, 结果发现, 修复性能与重金属含量呈正相关, 土壤中Cu, Cd含量越低, 微生物修复效果越好。 1.2 真菌修复重金属污染 19世纪就发现了真菌能够吸附土壤中的重金属离子, 后来逐步发现赤霉、出芽短梗霉 (Aureobasidium pullulans) 、丝状真菌、酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 以及一些腐木真菌 (Phellinusribis) 对重金属的抗
7、性和吸附性3。随后陆续在土壤中发现了越来越多的真菌具有耐受重金属的能力, 尤其是在重金属污染严重的区域。很多报道发现, 真菌对重金属矿物耐受能力较强, 在某些污染土壤中能够选择作为修复重金属污染的优势种群。当前, 侧重于研究的真菌主要有青霉菌 (Penicillium) 、酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 、黑曲霉 (Aspergillus niger) 等。陈灿等6通过外表显微分析技术研究酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 细胞吸附重金属离子Pb2+前后的细胞外表变化, 结果发现, Pb2+和酿酒酵母互相作用后, 溶液中Pb2+浓度极
8、大减少, 大部分吸附在酿酒酵母的细胞外表, 一些在溶液中构成了沉淀物。BARGAGLI等7在大量汞矿附近发现, 土壤中的菌根菌和腐殖质分解菌能够富集Hg, 极大降低了汞的排放对环境的污染7。 1.3 放线菌修复重金属污染 放线菌在土壤环境中分布广泛、种类较多、适应性强, 一些研究发现, 放线菌在修复重金属土壤污染方面也占有重要的地位。NIES等8学者发现, 放线菌在新陈代谢经过中会释放带有絮凝活性的物质, 这些物质分泌到细胞外能够络合重金属构成沉淀物, 引起金属元素的价态变化, 进而降低重金属的生态毒性。AMOROSO等9研究发现, 在重金属污染土壤中分布着很多抗性链霉菌, 这些链霉菌不仅在重
9、金属土壤中有很强的耐受性, 而且还能够通过本身作用溶解一些重金属矿物;并对铜污染区的50株放线菌进行了抗Cu2+研究, 结果发现, 这些菌株对Cu2+的最大耐受浓度可达1 000 mg/L, 经过进一步鉴定, 这些抗性菌株为链霉菌属。 2、重金属污染土壤微生物修复机理 微生物修复重金属污染土壤的机理, 主要表如今4个方面:生物吸附和富集作用、氧化复原作用、溶解和沉淀作用以及菌根真菌作用等。 2.1 生物吸附和富集作用 微生物对重金属离子的吸附作用主要是带阳离子的金属离子很容易与带阴离子的微生物发生反响, 相互作用聚集在微生物内部或外表。微生物细胞一般分布有-NH2, -SH, -P043-等其
10、他阴离子基团, 这些基团通过离子交换、络合等作用与金属离子结合, 进而到达对重金属离子生物吸附的目的。微生物吸附在活细胞、死细胞中都能够作用, 只是当前研究死细胞没有很大的实用性, 所以很多试验偏向于研究在活细胞中微生物的吸附作用。重金属吸附根据金属离子与微生物细胞作用的部位不一样又可分为3种类型:胞内吸附、细胞外表吸附和胞外吸附。华而不实, 胞内吸附主要是微生物细胞内的结合蛋白、络合素与重金属离子结合, 最后积聚在细胞内;细胞外表吸附是与金属离子结合的多肽、植物螯合素等展示到细胞外表, 进而加强微生物吸附重金属的能力;胞外吸附主要是利用微生物分泌到细胞外的蛋白质、糖类、脂类及核素等物质构成具
11、有络合重金属离子作用的胞外聚合物 (Extracellular Polymeric Substances) , 提高吸附效率。PULSAWAT等11研究发现, 胞外聚合物能够快速吸附Mg2+, Pb2+和Cu2+, 华而不实, 对Pb2+有很强的固定作用。如出芽短梗霉 (Aureobasidium pullulans) 能分泌胞外聚合物, 将Pb2+积累在细胞外表, 随着分泌胞外聚合物的增加, 细胞外表固定Pb2+的能力也不断加强。也有很多报道指出, 细菌与金属离子的结合位点主要是肽聚糖、磷酸基等12。 微生物富集作用不同于吸附作用, 它是一种主动运输经过, 必须借助生物代谢活动持续供应能量才
12、能完成, 因而, 在死细胞中不能发生, 只能够在活细胞中作用。另外, 富集作用还需要油脂过氧化、载体蛋白和离子泵的辅助来完成。微生物富集作用与吸附作用机理一样, 都是由于带阳离子的金属易与带阴离子的微生物发生反响构成一定的作用。FOMINA等4使用扫描电镜和X射线吸收谱技术分析发现, 在微生物富集作用中的含氧官能团起到了重要作用。BEVERIDGE等13分离出芽孢杆菌 (Bacillus) 的细胞壁后, 将其放进溶液中, 结果发现, 细胞壁络合了大量的金属元素, 接着又通过研究改变溶液中的溶质成分, 发现当溶质为氯化物时, 细胞壁络合金属能力最强。微生物对重金属的吸附和富集作用主要受微生物多样
13、性、影响微生物生长的外界环境条件 (土壤酸碱性、温度、有机物) 以及重金属的类型、浓度、毒性等多种因素的影响。 2.2 氧化复原作用 氧化复原作用主要是多价的金属离子在微生物氧化复原作用下价态发生变化, 重金属离子的活性和毒性降低, 进而到达治理污染的目的。例如被列为重金属污染 五毒 之一的Cr元素, 在土壤中Cr处于高价Cr6+时, 其毒性和水溶性很强;当处于低价Cr3+时, 在土壤中移动性较差, 其毒性和水溶性也很低。土壤中生存着大量能够使含铬无机盐复原的微生物, 如产碱菌属 (Alcaligenes Castellani) 、芽孢杆菌属 (Bacillus Cohn) 、棒杆菌属 (Co
14、rynebacterium) 、肠杆菌属 (Enterobacter Hormaeche and Edwards) 、假单胞菌属 (Pseudomonadaceae) 和微球菌属 (Micrococcaceae Pribram) 等菌通过复原作用, 把高活性的Cr6+复原成低活性的Cr3+, 减小了Cr随水溶解的能力和对土壤的污染14。 生物氧化复原反响能够根据金属离子在微生物代谢经过中能否起直接作用, 又分为同化 (Assimilatory) 氧化复原反响和异化 (Dissimilatory) 氧化复原反响15。华而不实, 同化氧化复原反响是金属离子直接通过电子受体介入微生物的新陈代谢活动;
15、异化氧化复原反响则是金属离子在生物代谢经过中没有利用电子受体直接作用, 而是间接介入了氧化复原反响。另外, 有些土壤微生物在新陈代谢经过中也会通过分泌氧化复原酶, 加速微生物氧化复原反响的进行, 进而促进金属离子溶解16。用微生物氧化复原作用去除重金属汞离子的污染研究较多, 土壤中分布着多种细菌, 能够在汞复原酶的作用下将高价Hg2+复原为低价汞 (0) , 非活性的汞 (0) 通过挥发作用降低了在土壤中的含量;另外, Hg2+可以以通过异化复原细菌在电子供体的条件下复原成汞 (0) , 以实现汞污染土壤生物修复的目的。 2.3 沉淀和溶解作用 生物沉淀主要是微生物在新陈代谢经过中能够分泌多种
16、物质与金属反响构成沉淀, 它是一种新兴的技术。根据代谢产物的多样性, 沉淀作用分为多种形式:第一, 金属离子能够通过代谢产物无机盐与金属离子反响构成沉淀, 这类机制一般固定Cu, Pb等重金属元素。MCGOWEN等17研究发现, P能够降低Cd, Pb和Zn的溶解, 而使用石灰能够提高土壤的酸碱度, 固定更多的Cr3+, 降低Cr在土壤中的迁移性。第二, 当微生物代谢产物是氢氧化物时, 同样会与金属离子反响产生沉淀, 这一作用还会使基质外表化学性质发生变化。LU等18研究发现, 当p H值为4.0时, Pb2+与Fe (OH) 3极易构成沉淀, 效果是同等条件下吸附作用的好几倍。第三, 微生物
17、的代谢产物S2-, PO42-也能够与金属离子发生作用, 使活性的金属离子构成沉淀。VAN ROY等19研究证明, 硫酸盐复原细菌生长经过中释放的代谢产物能够将硫酸盐复原成硫化物, 与迁移能力强的重金属离子反响生成沉淀, 减小污染物对土壤的危害。 微生物溶解作用也是利用微生物代谢经过中分泌出来的酸类物质, 与金属离子发生反响。发现最早的是真菌能够利用代谢活动中释放小分子量的有机酸、氨基酸等酸类物质溶解重金属矿物。另外, 微生物可以以利用土壤环境中有效的养分和能量, 促进微生物的代谢经过释放更多的有机酸, 加速土壤重金属的溶解作用20, 减小金属对土壤的毒害作用。张溪等14通过设置不同含碳量条件
18、下, 微生物使用土壤中有效的营养物质和能源进行代谢反响分泌有机酸, 结果发现, 在一定条件下含碳量越高, 微生物分泌的有机酸含量越多, 溶解的重金属也越多。 2.4 菌根真菌生物有效性作用 菌根真菌作用是在某些植物根部分布的一些真菌微生物通过代谢活动分泌有机酸, 进而活化重金属离子, 同时还能够通过离子交换、分泌激素等作用影响植物对重金属的吸收。THOMPSOM21通过盆栽试验发现, 在撂荒地的土壤上通过接种丛枝菌根 (Vesicalar-Arbuscular) , 能够加强亚麻对磷、锌等重金属的吸收。菌根真菌与植物是一种互利共生的系统, 二者互相作用能够有效降低重金属污染, 其作用表如今3个
19、方面:第一, 自然界存在大量能够富集重金属的植物, 能够络合活性强、毒性高的金属离子, 同时植物根系还能够释放大量的代谢物质, 为微生物代谢活动供给必需的能量和营养物质, 提高微生物在土壤中的活性;另外, 代谢活动分泌的大量有机物可以以络合重金属元素, 构成更多的沉淀物。第二, 微生物代谢活动经过中分泌的有机物能够促进微生物与重金属的氧化复原和溶解作用的发生, 降低金属矿物在土壤中的危害。第三, 菌根真菌与植物互生关系同时能够促进植物的生长发育, 尤其是在贫瘠的环境中, 菌根菌利用庞大的菌丝构成复杂的网络构造, 能够为植物根系供应必要的水分、营养矿物和一些植物必需的微量元素等22。 3、微生物
20、修复技术的优点和局限性 微生物修复技术具有独特的优势:微生物个体微小, 肉眼难见, 比外表积大, 细胞构造复杂, 自然界分布广, 土壤中资源丰富, 能够快速处理金属污染问题, 同时处理多种重金属的混合污染;修复重金属能力强, 不会对土壤构成再次污染, 对土壤构造、土壤功能和微生物生态环境影响小;微生物繁衍较快, 代谢能力强, 修复费用少, 与植物联合修复成为当前修复重金属污染的重点研究方向。各种优势使得微生物在修复土壤经过中占有独特的地位。 从当下研究发现, 运用微生物修复重金属污染是最具使用价值的一项技术, 然而, 由于微生物本身的性质, 其在使用经过中存在局限性。首先, 遗传稳定性差、易变
21、化, 难以去除所有污染物等;其次, 微生物对重金属离子的吸附和富集能力是一定的, 并且与土着微生物菌株存在生存竞争关系, 最终这些微生物可能因竞争失利而被淘汰;最后, 微生物修复容易遭到外界环境温度、p H等其他因素的影响, 进而影响修复效果。因而, 在大田应用前必须通过田间试验反复验证, 确保修复地区能够适应微生物生长, 这一条件极大限制了微生物修复技术在实际生产中的应用。 4、瞻望 重金属污染土壤不仅扰乱土壤生态环境, 而且也严重影响人类的生活和社会的发展。因而, 快速解决污染土壤问题成为当前刻不容缓的议题。由于利用微生物技术修复具有多重优势, 因此被越来越广泛地应用, 今后研究的重点主要
22、是下面几个方面。 4.1 特种微生物菌种的挑选 除了针对特定微生物的挑选, 还需要挑选一些能在特定环境下生长的微生物, 例如耐盐碱化、耐干旱、耐高温、耐低温等类型的微生物。同时, 能够应用相关的分子生物学方式方法构建 超级工程菌 , 选取去除重金属能力强、修复时间短的菌种使用在工农业生产中, 提高修复重金属污染土壤的效率。除此之外, 有必要进一步研究修复微生物与土着微生物之间的关系, 为多菌株的构建提供理论根据。 4.2 微生物修复机理的进一步研究 利用微生物修复重金属污染土壤是一个极其复杂的经过, 不仅牵涉微生物的分子作用, 还包括微生物与金属发生物理、化学等反响。华而不实, 修复机理也是多
23、样化, 包括生物吸附、富集、氧化复原、溶解沉淀、菌根真菌等多种作用。为了将来更高层次效地到达修复目的, 需要更深程度研究微生物的修复机理, 从分子领域更好地解释机理的发生, 并利用扫描、红外分析等技术的分析修复效果, 更好地为实际工程应用提供理论支持。 4.3 优化组合修复技术的建立 优化多种组合修复技术, 构建如动物 微生物、植物 微生物、动物 植物 微生物、物化方式方法 微生物等组合, 结合每一种修复方式方法的优势, 更有效更快速解决各种重金属污染问题。多种方式方法组合修复技术的建立, 将是将来修复重金属污染的首要选择。华而不实, 运用植物 微生物联合修复重金属污染, 成本低, 对环境友好
24、, 效率高, 且可利用性强, 因而, 必将成为今后研究多种组合修复重金属污染的核心。 以下为参考文献 1向捷, 陈永华, 向敏, 等.土壤重金属污染修复技术比拟研究J.安徽农业科学, 2020, 42 (22) :7367-7369. 2宋伟, 陈百明, 刘琳.中国耕地土壤重金属污染大概情况J.水土保持研究, 2020 (2) :293-298. 3薛高尚, 胡丽娟, 田园.微生物修复技术在重金属污染治理中的研究进展J.中国农学通报, 2020, 28 (11) :266-271. 4刘红娟, 志, 张慧, 等.蜡状芽孢杆菌抗重金属性能及对镉的累积J.农业环境科学学报, 2018, 29 (1
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