土壤重金屬污染的微生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

姚 航, 張杏鋒*, 吳熾珊

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西桂林 541004)

土壤重金屬污染的微生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

姚 航1,2, 張杏鋒1,2*, 吳熾珊1,2

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西桂林 541004)

摘要為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土壤重金屬污染的微生物修復(fù)技術(shù)，綜述了目前國(guó)內(nèi)外微生物修復(fù)技術(shù)、植物輔助微生物修復(fù)技術(shù)的作用機(jī)理、優(yōu)缺點(diǎn)及其研究現(xiàn)狀等，并對(duì)其發(fā)展前景、研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞土壤污染；重金屬；微生物修復(fù)；微生物-植物聯(lián)合修復(fù)

近年來(lái)，隨著采礦、化工、印染紡織業(yè)的快速發(fā)展及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)藥品的過(guò)量施用,導(dǎo)致土壤重金屬污染日益加劇。土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性和難降解性的特點(diǎn),對(duì)人類健康存在安全隱患[1-2]。據(jù)國(guó)家環(huán)保局統(tǒng)計(jì)，我國(guó)受重金屬污染的耕地面積達(dá)到2 000萬(wàn)hm2，約為總耕地面積的20%，每年受重金屬污染的糧食達(dá)到1.2×106萬(wàn)kg，造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元[3]。因此，土壤重金屬污染的治理修復(fù)迫在眉睫，目前受到各級(jí)環(huán)保部門(mén)和科研機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注。

重金屬污染土壤的修復(fù)原理可概括為兩類：一是改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，使其固定從而降低其在環(huán)境中的遷移和生物可利用性；二是將重金屬?gòu)耐寥乐腥コ?，使其殘留濃度接近或達(dá)到背景值[4]。按照處理工藝原理，可分為物理化學(xué)修復(fù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)、微生物修復(fù)[5]。物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要包括土壤淋洗、化學(xué)固化及電動(dòng)修復(fù)等，但該技術(shù)存在著一系列的局限性，如成本昂貴，土壤自身的結(jié)構(gòu)受到破壞，可能造成二次污染等[6]。農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，因地制宜地采用相關(guān)的耕作管理手段，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，具有修復(fù)費(fèi)用相對(duì)較低，操作實(shí)施方便快捷等特點(diǎn)，但只適用于中輕度污染的土壤修復(fù)[7]。相對(duì)物理化學(xué)修復(fù)和農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)而言，微生物修復(fù)技術(shù)顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性，如處理成本低，處理效果好，對(duì)環(huán)境影響小，很少造成二次污染，操作簡(jiǎn)便，可以就地進(jìn)行處理等[8]。因此，該修復(fù)方法受到土壤修復(fù)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注，應(yīng)用前景廣闊。筆者綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤重金屬污染的微生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展，以期為土壤重金屬污染治理提供借鑒。

1微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，是指在人為強(qiáng)化的條件下，利用自然界中存在的或者人工培育的功能微生物的生長(zhǎng)代謝過(guò)程，對(duì)環(huán)境中的污染物進(jìn)行降解、轉(zhuǎn)化、去除的方法[9]。 微生物修復(fù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)環(huán)境凈化、生態(tài)效應(yīng)恢復(fù)的生物措施，是重金屬污染土壤的環(huán)境友好型治理技術(shù)[10]。微生物修復(fù)土壤重金屬污染的機(jī)理主要包括表面生物大分子吸收轉(zhuǎn)運(yùn)、生物吸附、細(xì)胞代謝、空泡吞飲、沉淀和氧化還原反應(yīng)等[11]。微生物修復(fù)技術(shù)中較常使用的微生物主要有細(xì)菌、真菌、放射菌三大類。不同種類的微生物對(duì)重金屬的耐性不同，耐性由大到小依次為真菌、細(xì)菌、放射菌[12]。

土壤微生物可以通過(guò)多種方式影響土壤重金屬的毒性, 微生物修復(fù)土壤重金屬污染主要是利用微生物的以下兩種作用：一是通過(guò)微生物的吸附、代謝作用，達(dá)到消減、凈化、固定重金屬的目的；二是通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化重金屬離子的化學(xué)形態(tài)，降低重金屬的生物可利用性，以減少重金屬對(duì)土壤中植物的危害[13]。

1.1微生物對(duì)重金屬離子的吸附作用微生物對(duì)重金屬離子的吸附是指微生物通過(guò)對(duì)重金屬的吸附作用改變重金屬在土壤中的形態(tài)，進(jìn)而影響其生物有效性，或使生物有效性降低從而減小危害性，或使生物有效性增強(qiáng)以便與其他技術(shù)聯(lián)用修復(fù)[14]。表現(xiàn)形式主要有胞外沉淀、胞外絡(luò)合、胞內(nèi)積累。作用方式：①細(xì)菌胞外多聚體；②金屬磷酸鹽、金屬硫化物沉淀；③鐵載體；④金屬硫蛋白、植物螯合肽和其他金屬結(jié)合蛋白；⑤真菌來(lái)源物質(zhì)及其分泌物對(duì)重金屬的去除[15]。微生物細(xì)胞壁表面一些化學(xué)基團(tuán)通過(guò)絡(luò)合、配位作用可與重金屬離子形成離子共價(jià)鍵，從而達(dá)到吸附重金屬離子的目的[16]。被吸附的重金屬離子通常沉積在微生物細(xì)胞的不同部位，如沉積于細(xì)胞的胞外基質(zhì)或者被輕度螯合于生物多聚物。微生物對(duì)重金屬的吸附能力通常取決于微生物本身的性質(zhì)(如吸附類型、活性位點(diǎn)數(shù)量、菌齡等)、重金屬種類和價(jià)態(tài)同時(shí)也受外界環(huán)境因素(如pH、溫度、共存污染物等)的影響[17]。

1.2微生物對(duì)重金屬離子的轉(zhuǎn)化作用微生物對(duì)重金屬離子轉(zhuǎn)化作用的機(jī)理主要包括微生物對(duì)重金屬離子的生物氧化和還原、甲基化與去甲基化及其對(duì)重金屬離子的溶解作用等[18]。

微生物對(duì)重金屬離子氧化還原作用的主要機(jī)理是通過(guò)改變重金屬離子的化合價(jià)來(lái)改變重金屬的穩(wěn)定性及絡(luò)合能力[19]。如耐鉻微生物能夠?qū)r(VI)還原成Cr(III)，使鉻的毒性降低。張雪霞等[20]在受砷污染的土壤中發(fā)現(xiàn)了富集砷抗性的細(xì)菌，在厭氧環(huán)境中對(duì)該細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)，觀察其對(duì)砷的還原能力，結(jié)果表明：在21h內(nèi)，As(V)就被完全還原為As(III)。Chang等[21]在污水處理廠的水體中發(fā)現(xiàn)了1株嗜硫酸鹽細(xì)菌(Sulfate-reducingacteria，SRB)，該細(xì)菌可以將Cr6+還原為低毒的溶解度較小的Cr3+，使水體中重金屬的毒性大大減弱。

在微生物(主要為假單胞菌屬子)的作用下，土壤中Cd、As、Hg、Pb等金屬或類金屬離子都能夠發(fā)生甲基化反應(yīng)，從而降低重金屬離子對(duì)其的毒性。

微生物對(duì)重金屬離子的溶解作用主要是指土壤中的微生物在土壤濾瀝過(guò)程中分泌出的有機(jī)酸能將土壤中的重金屬離子絡(luò)合、溶解[22]。

2微生物和植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

目前，單一應(yīng)用微生物修復(fù)方法修復(fù)土壤中的重金屬污染仍存在一定局限性，如土壤中的土著菌修復(fù)效率低，其活性易受一系列外界環(huán)境條件的影響。為了克服這些缺點(diǎn)，改善和提高微生物修復(fù)土壤重金屬污染的效果，微生物和植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐中[23]。

微生物和植物聯(lián)合修復(fù)是通過(guò)微生物、植物之間的互利作用來(lái)提高土壤重金屬的修復(fù)效率。植物為微生物提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，葉片光合作用、根系分泌物、落葉殘?bào)w等為根系土壤微生物提供了生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素。微生物則通過(guò)活化土壤中的重金屬，促進(jìn)植物吸收土壤中的有益生長(zhǎng)元素，以增加植物生物量的方式提高植物的修復(fù)效率[24]。馮莉等[25]將熒光假單胞菌施入煙草根際土壤后，煙草根系數(shù)量明顯增多，根長(zhǎng)而粗，根系活力明顯提高。目前，對(duì)于微生物和植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的研究主要有：①對(duì)微生物和植物聯(lián)合修復(fù)中菌根作用的研究;②對(duì)微生物和植物聯(lián)合修復(fù)中植物根際分泌物作用的研究。

2.1微生物和植物修復(fù)中菌根的作用菌根是指土壤中真菌菌絲和高等植物營(yíng)養(yǎng)根系形成的一種共生體，廣泛存在于自然界中[26]。在這一共生體中，植物為寄宿在其根部菌根的生長(zhǎng)提供必要的碳水化合物。菌根的作用表現(xiàn)在以下3方面：①通過(guò)龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)伸展到植物根系難以到達(dá)的區(qū)域，從而促進(jìn)植物對(duì)土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收；②將土壤重金屬吸附并聚集在菌根菌絲、泡囊和植物根系等部位，以阻止重金屬向植物體內(nèi)傳輸，同時(shí)改變土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)植物的穩(wěn)定生長(zhǎng)；③提高植物的抗逆性，進(jìn)而增加植物根系以及地上部分的生物量[27-28]。

根據(jù)菌根生長(zhǎng)位置的不同，可將菌根分為外生菌根、內(nèi)生菌根及內(nèi)外生菌根，其中應(yīng)用最廣泛的是外生菌根真菌和內(nèi)生菌根真菌[29]。

外生菌根是真菌和植物營(yíng)養(yǎng)根系所形成的一種共生體，其結(jié)構(gòu)可分為哈蒂氏網(wǎng)(Hartingnet)、外延菌絲(Extraradicalhyphae)、菌套(Mantle)、和菌索(Rhizomorph)四大部分。王小敏等[30]通過(guò)研究菌根影響超富集植物對(duì)Cd、Zn等重金屬富集程度發(fā)現(xiàn)，外延菌絲的密集程度與菌絲吸附重金屬的能力呈正相關(guān)。

目前，對(duì)于植物內(nèi)生菌根的研究主要集中于叢枝菌根真菌(AMF)及深色有隔內(nèi)生真菌(DarkSeptateEndophytes，DSE)。

當(dāng)重金屬脅迫從枝菌根(Glomus intraradices)時(shí)，從枝菌根會(huì)分泌出一些特殊物質(zhì)改變重金屬在植物體內(nèi)的分配以及生物有效性，從而降低重金屬對(duì)植物的毒害程度，提高植物對(duì)重金屬的耐受性。此外，AMF還可以通過(guò)改變土壤的酸堿度、改善植物的營(yíng)養(yǎng)狀況及植物分泌物組成來(lái)改變根際微環(huán)境，從而減弱重金屬對(duì)植物的毒性。劉茵[31]研究發(fā)現(xiàn)，黑麥草在接種從枝菌根后，根部所積累的Cd元素明顯增加，同時(shí)改變了黑麥草地上部的品質(zhì)。王宇濤等[32]研究發(fā)現(xiàn),玉米在接種從枝菌根真菌后，明顯抑制了重金屬對(duì)其的毒害作用，生物量和株高明顯增加。

DSE是一類生態(tài)學(xué)功能多樣、種類組成廣泛、定殖于植物根內(nèi)、不產(chǎn)孢子或產(chǎn)無(wú)性孢子的子囊菌或半知菌。目前，DSE與植物根系形成的共生復(fù)合體被廣泛應(yīng)用于重金屬污染土壤的生物修復(fù)及污染土壤植被修復(fù)方面。DSE是植物根際重要的益生菌，與宿主植物互作形成共生體，對(duì)宿主植物具有促生抗逆作用，包括提高植物對(duì)干旱及重金屬污染等逆境脅迫的抗性、誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性、抵御病原菌生物脅迫等[33]。Li等[34]研究表明，種植在含鉛、鋅、鎘混合污染土壤中的玉米在接入DSE菌株(外瓶霉屬H93)后，該菌株成功地與玉米根系形成共生復(fù)合體，使玉米有效地緩解了重金屬的脅迫作用，促進(jìn)了玉米根系與葉的生長(zhǎng)發(fā)育，限制了土壤中的重金屬離子由植物根部向其地上部分的傳輸、運(yùn)轉(zhuǎn)，從而阻斷有毒重金屬在食物鏈中的傳播。

2.2微生物和植物聯(lián)合修復(fù)中根系分泌物的作用根系分泌物是指植物在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)根的不同部位向生長(zhǎng)基質(zhì)釋放的一組種類繁多的物質(zhì)，這些物質(zhì)包括低分子量的有機(jī)物質(zhì)、高分子的黏膠物質(zhì)和根細(xì)胞脫落物及其分解產(chǎn)物、氣體、質(zhì)子和養(yǎng)分離子等[35]。在微生物和植物聯(lián)合修復(fù)重金屬污染的土壤中，根際分泌物提高植物抗重金屬污染的能力主要通過(guò)以下2個(gè)方面的作用實(shí)現(xiàn)。①根系分泌物可以改變植物根系周圍土壤重金屬離子的形態(tài)，酸化土壤中不溶性重金屬離子，螯合、還原土壤重金屬離子等[36]。②根系分泌物可以改變植物根系周圍土壤環(huán)境的酸堿度，并使其周圍的土壤持續(xù)處于氧化還原狀態(tài)。植物根際環(huán)境的改變?yōu)楦H微生物提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)吸引了微生物在根際周圍聚集，從而產(chǎn)生根際聚集效應(yīng)。

3展望

相比于傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法，應(yīng)用微生物方法修復(fù)土壤重金屬污染簡(jiǎn)捷高效，應(yīng)用范圍廣，具有良好的社會(huì)、生態(tài)綜合效益，在土壤重金屬污染的修復(fù)實(shí)踐中必將有廣闊的前景和巨大的潛能。目前，雖然對(duì)微生物修復(fù)技術(shù)研究取得了一定進(jìn)展，但有待于在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究。①在已有的研究基礎(chǔ)上，繼續(xù)篩選、馴化新的高效降解微生物菌種，開(kāi)發(fā)基因工程菌。②將微生物修復(fù)技術(shù)與植物修復(fù)、生態(tài)修復(fù)、物理化學(xué)修復(fù)相結(jié)合，提高修復(fù)效果和增加修復(fù)的經(jīng)濟(jì)效益。③多學(xué)科、多技術(shù)、多角度研究微生物修復(fù)技術(shù)的機(jī)理、工藝流程。土壤的重金屬污染修復(fù)是一項(xiàng)系統(tǒng)、復(fù)雜的工程，需要物理、化學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等不同學(xué)科的交叉應(yīng)用，運(yùn)用基因工程、細(xì)胞工程、酶工程等新的生物技術(shù)解決修復(fù)過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題，從而提高生物修復(fù)的效率、降低處理成本。④制訂并出臺(tái)有關(guān)生物修復(fù)技術(shù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范。針對(duì)修復(fù)過(guò)程中出現(xiàn)的具體情況制訂相應(yīng)的規(guī)范制度，使生物修復(fù)具有更強(qiáng)的針對(duì)性、規(guī)范性與可操作性。⑤生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)由實(shí)驗(yàn)室向大田試驗(yàn)驗(yàn)證的方向不斷推進(jìn)，將理論研究與修復(fù)實(shí)踐相結(jié)合。⑥建立有關(guān)生物修復(fù)大田試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)系統(tǒng)修復(fù)污染土壤產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及我國(guó)生物修復(fù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。⑦加大對(duì)排污企業(yè)執(zhí)法檢查，嚴(yán)懲不達(dá)標(biāo)排放，真正做到從源頭上截?cái)辔廴驹?，形成防治并舉的良好格局。

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ResearchAdvancesonMicrobialRemediationofHeavyMetalsContaminatedSoil

YAOHang1,2,ZHANGXing-feng1,2*,WUChi-shan1,2

(1.GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionControlTheoryandTechnology,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004; 2.GuangxiCollaborativeInnovationCenterforWaterPollutionControlandWaterSafetyinKarstArea,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004)

AbstractIn order to further understand microbial remediation technology for heavy metals contaminated soil, the mechanisms, advantages and disadvantages, research status of microbial remediation technology and microbe-plant combined remediation at home and abroad were reviewed, the development prospect and research trend was forecasted.

Key wordsSoil pollution; Heavy metals; Microbial remediation; Microbe-plant combined remediation

基金項(xiàng)目廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFBA019026)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFEA053002)； 廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及卓越學(xué)者計(jì)劃項(xiàng)目(0024010130)。

作者簡(jiǎn)介姚航(1993- )，女，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向：土壤重金屬修復(fù)。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)境污染治理研究。

收稿日期2016-03-22

中圖分類號(hào)S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)12-068-03