解磷微生物修復(fù)土壤重金屬污染研究進(jìn)展

李 敏,滕澤棟,朱 靜,宋明陽(yáng)

北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,水體污染源控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,我國(guó)土壤污染問(wèn)題日益凸顯,尤其是土壤重金屬污染問(wèn)題亟待解決。土壤中的重金屬污染主要來(lái)自礦物母質(zhì)的風(fēng)化和人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)中廢水、廢氣、廢渣的直接排放,具有普遍性、隱蔽性、表聚性、不可逆性等特點(diǎn)。首次全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查(2005年4月—2013年12月)結(jié)果顯示,Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8種重金屬污染點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%,嚴(yán)重影響了我國(guó)土壤生態(tài)環(huán)境和糧食生產(chǎn)安全[1]。因此,重金屬污染已經(jīng)成為目前最為嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題之一,如何治理已受到極大關(guān)注,成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

植物修復(fù)重金屬污染土壤是一種非常有前途、生態(tài)良性的方法,近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注。但是,超累積植物通常都生物量低、生長(zhǎng)緩慢,尤其是當(dāng)重金屬濃度過(guò)高時(shí),植物的生理活動(dòng)受到阻礙,重金屬抗性機(jī)制被削弱,植物易受病原體攻擊,大大降低了修復(fù)效率[2]。解磷微生物作為土壤微生物的重要組成部分,能夠依靠自身的代謝產(chǎn)物(有機(jī)酸、磷酸酶)或通過(guò)與其他生物的協(xié)同作用,將土壤中難溶態(tài)磷(如鐵磷、鈣磷、中穩(wěn)定性有機(jī)磷、高穩(wěn)定性有機(jī)磷等)轉(zhuǎn)化為可供植物吸收利用的磷,不僅可大幅提高土壤中磷的利用率,改善植物磷營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),促進(jìn)植物生長(zhǎng),而且可以改變重金屬的形態(tài),提高修復(fù)效率。

關(guān)于解磷微生物修復(fù)土壤重金屬污染的研究主要有：重金屬污染土壤中解磷微生物的分離、篩選、鑒定,解磷微生物對(duì)土壤重金屬污染的修復(fù)能力、修復(fù)機(jī)制以及強(qiáng)化技術(shù)措施等。但重金屬壓力下解磷微生物的解磷功能和重金屬抗性功能基因表達(dá)差異,解磷微生物對(duì)重金屬形態(tài)的影響規(guī)律及其對(duì)重金屬固定/活化機(jī)理等方面的研究鮮有報(bào)道,而這些正是制約重金屬污染土壤修復(fù)的重要因素。因此本文即從這幾個(gè)方面對(duì)目前的研究進(jìn)行了總結(jié)和展望,為提高土壤重金屬污染修復(fù)效率、改善我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量、保障土壤生態(tài)安全提供理論意義和實(shí)際價(jià)值。

1 解磷微生物概況

解磷微生物的種類(lèi)多而且復(fù)雜,根據(jù)微生物的種類(lèi)可以分為解磷細(xì)菌、解磷真菌、解磷放線菌。土壤中的解磷微生物群落中,解磷細(xì)菌占1%—50%,而解磷真菌僅占0.1%—0.5%。其中常見(jiàn)的解磷微生物如表1所示：

表1 常見(jiàn)的解磷微生物

有學(xué)者根據(jù)解磷微生物分解底物的不同將它們劃分為能夠溶解有機(jī)磷的有機(jī)磷微生物和能夠溶解無(wú)機(jī)磷的無(wú)機(jī)磷微生物[3],但是由于某些菌株既可以分解無(wú)機(jī)磷也可以分解有機(jī)磷,所以實(shí)際操作過(guò)程中很難區(qū)分。

迄今為止,見(jiàn)諸報(bào)道的解磷微生物已有39個(gè)屬,89種以及數(shù)以萬(wàn)計(jì)的解磷菌株[4- 5]。其中假單胞菌屬作為植物促生菌已經(jīng)被廣泛的研究[6],這是已知的能夠合成激素,作為生物防治劑和解磷菌劑的菌屬[7]。Azziz等[8]從免耕土壤中分離出12株解磷菌株,進(jìn)行TP-RAPD指紋識(shí)別后發(fā)現(xiàn),其中10株為假單胞菌屬,1株為洋蔥伯克霍爾德菌,剩余1株為不動(dòng)桿菌屬。由此可見(jiàn),解磷微生物的種類(lèi)繁多,這為土壤磷素轉(zhuǎn)化提供了足夠的菌源。

2 解磷微生物對(duì)土壤重金屬污染的修復(fù)能力

2.1 解磷微生物的解磷能力

解磷微生物的解磷能力與其對(duì)重金屬的修復(fù)效果有直接的聯(lián)系,解磷能力越強(qiáng),其釋放磷酸鹽的能力就越強(qiáng)。研究表明,解磷微生物釋放的磷素,既可以降低土壤中重金屬活性,避免因外界使用的含磷物質(zhì)而造成污染；還可以促進(jìn)植物生長(zhǎng),有利于植物修復(fù)重金屬污染[9]。解磷圈直徑(D)與菌落生長(zhǎng)直徑(d)的比值可以表征解磷菌的相對(duì)溶磷能力。陳倩等[10]從山西礦區(qū)土壤中分離的菌株Y14 經(jīng)過(guò)鑒定確認(rèn)為泛菌屬,其 D/d 值和解磷率均達(dá)到較高值,無(wú)機(jī)磷與有機(jī)磷平板的D/d值分別為3.28與1.59,降解磷酸鈣、磷礦粉、卵磷脂的解磷率分別為12.61%、1.21%、3.07%。但單純從透明圈直徑與菌落直徑的比值來(lái)判斷菌株解磷能力并不可靠,忽略菌體自身吸收的有效磷會(huì)低估某些解磷菌的解磷能力,單純從培養(yǎng)液中測(cè)定有效磷的含量也不能準(zhǔn)確反映菌體的解磷能力。研究表明,趙小蓉等[11]采用熏蒸、消煮方法測(cè)定砂培過(guò)程中微生物分解出來(lái)的磷,這種測(cè)定方法能準(zhǔn)確測(cè)定微生物解磷能力。田江等[12]從鉛鋅礦表層土壤中分離的嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌和唐菖蒲伯克霍爾德菌,解磷量最高分別達(dá)到402.9 mg/L和589.9 mg/L,解磷率分別達(dá)到19.7%和28.8%。Park等[13]研究表明,陰溝腸桿菌可以溶解加入的6.46 mmol/L磷礦石的17.5%,表現(xiàn)出溶磷能力和對(duì)鉛的抗性。不同解磷菌種解磷能力差異較大,所以篩選高效解磷菌株就顯得尤為重要。

2.2 解磷微生物的重金屬抗性

高濃度的重金屬是土壤重金屬污染修復(fù)過(guò)程中最重要的限制性因素,因此,篩選具有金屬抗性的微生物極為重要。通常解磷微生物對(duì)重金屬的耐受能力與菌株的分離環(huán)境有關(guān)。如田江等[12]從鉛鋅礦區(qū)表層土壤中篩選到的兩株解磷細(xì)菌,除了具有很強(qiáng)的解磷能力之外,對(duì)于重金屬Pb2+、Zn2+和Cr2+的抗性也非常強(qiáng),抗性濃度最高達(dá)到了2000 mg/L。Jiang等[14]從重金屬污染土壤中分離的具有解磷能力的伯克氏菌J62,對(duì)重金屬的最大耐受濃度為分別為Cd(2000 mg/L)、 Pb(1000 mg/L)、Cu(100mg/L)、Zn(400 mg/L)、Ni(50 mg/L)、Cr(20 mg/L),由此可見(jiàn)菌株J62具有很強(qiáng)的鉛、鎘耐性。因此,重金屬污染地區(qū)是重金屬抗性解磷微生物菌株的重要來(lái)源,從礦區(qū)分離的重金屬耐受解磷微生物在重金屬污染土壤修復(fù)方面具有很大應(yīng)用潛力。通常植物根系土壤微生物含量很高[15],故可以從一些植物根系土壤中獲得解磷菌。Misra等[16]從木犀屬植物根際分離的6株解無(wú)機(jī)磷菌株,具有良好的溶磷特性,同時(shí)對(duì)高濃度的硫酸鋅也表現(xiàn)出很強(qiáng)的耐性。

解磷微生物之所以具有金屬抗性,是因?yàn)槠浣饘倏剐曰蚱鹱饔?。汞抗性基因是目前研究較深入的一類(lèi)基因,包括汞還原酶基因MerA、有機(jī)汞裂解酶基因MerB以及其他轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)基因MerT、MerP、MerC[17]。有解磷功能的無(wú)色桿菌和假單胞桿菌能使亞砷酸鹽氧化成砷酸鹽而降低砷的毒性[18]。微生物體內(nèi)有控制砷毒性的功能基因ArsC,該基因可將As(Ⅴ)還原為毒性更強(qiáng)的As(Ⅲ),而ArsA和ArsB基因控制著As(Ⅲ)從細(xì)胞質(zhì)中釋放[19-20]。此外,丁香假單胞菌和大腸桿菌均含抗Cu基因CopA[21],芽孢桿菌含有抗Cd基因CadA,菌株可通過(guò)該基因編碼的酶將鎘轉(zhuǎn)移出菌體外,從而達(dá)到解毒的作用[22],綠膿桿菌含有抗Zn基因Czr[23],產(chǎn)堿菌含抗重金屬基因CzcD,其編碼的蛋白質(zhì)是離子泵出系統(tǒng)的一員,賦予宿主菌一定的Cd、Ni及Co抗性[24]。細(xì)菌的重金屬抗性基因存在很高的多樣性,不同的重金屬有不同的抗性基因,同一種金屬的抗性基因在不同的細(xì)菌中存在于不同的操縱子上[25]。文獻(xiàn)中只是單純的報(bào)道有關(guān)重金屬抗性基因,或者解磷功能基因研究,但很少有把解磷微生物的重金屬抗性基因和解磷功能基因聯(lián)合起來(lái)研究,這將影響對(duì)解磷微生物修復(fù)重金屬污染機(jī)理的深入理解。

2.3 環(huán)境因子對(duì)解磷微生物重金屬修復(fù)能力的影響

土壤溶液中數(shù)量眾多的根分泌物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、有機(jī)降解產(chǎn)物及微生物等,尤其是土壤性質(zhì)如溫度、pH、Eh、營(yíng)養(yǎng)條件(P、碳水化合物和氨基酸)、重金屬元素的濃度都會(huì)影響解磷微生物對(duì)土壤重金屬的修復(fù)能力[26]。重金屬污染區(qū),溶磷細(xì)菌數(shù)量與綜合污染指數(shù)呈正相關(guān),污染區(qū)中有效磷含量影響溶磷微生物種群豐度[27],有機(jī)質(zhì)可以激活土壤解磷微生物的代謝,同時(shí)也會(huì)影響重金屬的生物可利用性[28]。pH值是影響磷酸鉛沉淀形成的重要因素[13],同時(shí)也可以促進(jìn)土壤中原生礦物重金屬的風(fēng)化溶解。芽孢桿菌通過(guò)分泌有機(jī)酸而降低土壤pH,增加溶解性磷的含量,能夠固定大量的鉛和鋅[29]。土壤有效磷的含量增加,可以暫時(shí)促進(jìn)土壤重金屬的固定,降低高濃度重金屬對(duì)解磷微生物的毒害作用。Cu脅迫下,從枝菌根真菌(AMF菌)可以降低土壤有機(jī)酸的總含量,尤其是草酸和丙二酸的含量,導(dǎo)致海州香薷根際pH值升高[30]。

3 解磷微生物修復(fù)土壤重金屬污染的主要作用機(jī)制

3.1 解磷微生物對(duì)土壤重金屬的轉(zhuǎn)化作用

3.1.1 解磷微生物對(duì)土壤重金屬的甲基化作用

某些解磷微生物能夠把鈷胺素轉(zhuǎn)化為甲基鈷胺素,在ATP及特定的還原劑存在的條件下,甲基鈷胺素作為甲基供體,使金屬離子與甲基結(jié)合而生成甲基汞、甲基砷、甲基鉛。但是有些金屬離子被甲基化后,其毒性反而增強(qiáng),這是在微生物修復(fù)過(guò)程中要避免的[30]。假單胞菌屬在金屬及類(lèi)金屬離子的甲基化作用中具有重要貢獻(xiàn),他們能夠使許多金屬或類(lèi)金屬離子發(fā)生甲基化反應(yīng)。合適的pH和Eh能使微生物對(duì)砷的甲基化速率最優(yōu)[31]。

3.1.2 解磷微生物對(duì)土壤重金屬的氧化還原作用

解磷微生物可以通過(guò)自身的代謝作用,改變重金屬的價(jià)態(tài),從而達(dá)到解毒的目的。研究表明,細(xì)菌可以在細(xì)胞外沉積鐵和錳的氧化物或氫氧化物并可以調(diào)節(jié)Zn2+、Pb2+和其他金屬的氧化還原反應(yīng)[32]。Hg、Pb、Sn、Se、As等金屬或類(lèi)金屬離子都能在微生物作用下通過(guò)氧化還原作用而失去毒性。芽孢桿菌PSB10有溶解無(wú)機(jī)磷的能力,可以在增強(qiáng)植物分泌激素,促進(jìn)植物生長(zhǎng)的同時(shí)降低重金屬Cr的毒性[29]。在重金屬污染的土壤中施用銅綠假單胞桿菌菌劑,鷹嘴豆的根、芽、種子對(duì)重金屬Cr的吸收分別減少了36%、38%、40%[33]。解磷畢赤酵母P.farinoseFL7在 Ni(NO3)2或 Ni3(PO4)2污染土壤中均表現(xiàn)出解磷活性,并且能夠?qū)?Ni(NO3)2污染土壤中存在的大部分Ni2+轉(zhuǎn)化為無(wú)效態(tài)Ni[34]。

3.2 解磷微生物對(duì)土壤重金屬的溶解與螯合作用

3.2.1 解磷微生物對(duì)土壤重金屬的溶解作用

解磷微生物對(duì)重金屬的溶解主要是通過(guò)各種代謝活動(dòng)直接或間接地進(jìn)行的,其代謝作用能產(chǎn)生多種低分子量的有機(jī)酸,如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸、延胡索酸、琥珀酸和乳酸等[35]。這些有機(jī)酸在環(huán)境中解離成質(zhì)子和低分子有機(jī)酸根,質(zhì)子能引起土壤pH值以及氧化還原電位的變化,促進(jìn)土壤中重金屬原生礦物的風(fēng)化溶解過(guò)程。研究表明,解磷微生物可以溶解生物難以利用的難溶態(tài)Ni[36]、Cu[37]、Zn[38],提高重金屬生物有效性。將巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)用于Cd污染土壤,能夠增加Cd 的流動(dòng)性并提高其生物有效性,使植物提取率增加了2倍[39]。接種AM真菌可以降低盆栽土壤pH值,提高土壤中有效態(tài)銅的含量,促進(jìn)植物對(duì)Cu的吸收[40]。通過(guò)對(duì)溶磷細(xì)菌溶解不同磷礦粉以及連續(xù)發(fā)酵磷礦粉的溶磷效果的研究發(fā)現(xiàn),磷礦粉中的部分伴生性金屬元素會(huì)隨著磷的釋放而溶出,其溶出的難易程度隨伴生性金屬元素在磷礦粉中的位置而不同[27]。

3.2.2 解磷微生物對(duì)土壤重金屬的絡(luò)合與螯合作用

細(xì)菌表面的羧基和磷酸鹽基團(tuán)可以與重金屬離子配位生成內(nèi)圈絡(luò)合物[41],提高植物磷利用率的同時(shí)也提高了對(duì)Cu、Cd、Zn的吸收,其含量與土壤溶液中溶解性有機(jī)物呈正相關(guān),因?yàn)樾纬闪擞袡C(jī)物金屬絡(luò)合物[42]。低分子有機(jī)酸根對(duì)重金屬有很強(qiáng)的親和力,能絡(luò)合和螯合重金屬陽(yáng)離子而形成重金屬有機(jī)結(jié)合體,在環(huán)境中,低分子有機(jī)酸根與固體顆粒之間形成對(duì)重金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合,可見(jiàn)低分子有機(jī)酸的存在有利于重金屬的遷移[43]。菌根真菌通過(guò)分泌檸檬酸和蘋(píng)果酸螯合作用,以提高不溶性ZnO和Zn3(PO4)2中Zn釋放[44]。鐵載體能與重金屬離子結(jié)合,形成金屬-鐵載體螯合物,提高植物根際環(huán)境中重金屬的活性,增加植物對(duì)重金屬的吸收和累積[45]。腸桿菌屬的鐵載體高產(chǎn)突變解磷微生物NBRI K28 SD1不僅可以增加植物的生物量,而且加強(qiáng)了芥菜對(duì)Ni、Cr的吸收[46]。

3.3 解磷微生物對(duì)土壤重金屬的吸附與沉淀作用

3.3.1 解磷微生物對(duì)土壤重金屬的吸附與累積作用

重金屬污染土壤中的微生物通過(guò)各種機(jī)制來(lái)抵抗重金屬的危害,微生物對(duì)重金屬吸附可分為三類(lèi)：胞外吸附,表面吸附和胞內(nèi)吸收[47]。細(xì)胞壁是細(xì)菌個(gè)體與重金屬接觸最早的部分,富含羧基陰離子和磷酸陰離子,使得細(xì)菌表面具有陰離子的性質(zhì),很容易與金屬發(fā)生反應(yīng),因而金屬很容易結(jié)合到細(xì)菌的表面[48]。芽孢桿菌和銅綠假單胞桿菌在修復(fù)土壤Pb污染的過(guò)程中,可以通過(guò)生物的吸附作用,與細(xì)胞表面的官能團(tuán)或細(xì)胞壁上的酸性物質(zhì)相互作用形成鉛化合物,降低Pb的移動(dòng)性[49]。生物積累主要依賴微生物的新陳代謝[50],研究表明,在重金屬培養(yǎng)基中培養(yǎng)的蠟狀芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌細(xì)胞內(nèi)的重金屬濃度遠(yuǎn)高于培養(yǎng)基中的濃度[51]。芽孢桿菌(Bacillus)對(duì)Cd的富集可以達(dá)到其生物量(干重)的21.4%,對(duì)Pb的富集可高達(dá)61%[52]。

3.3.2 解磷微生物對(duì)土壤重金屬的沉淀作用

解磷微生物將土壤礦物磷或有機(jī)磷中的磷酸根釋放,與重金屬結(jié)合形成磷酸鹽沉淀,降低重金屬在土壤環(huán)境中的移動(dòng)性和生物可利用性,起到固定或鈍化的作用[53]。具有解磷活性的陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)能夠溶解土壤中的磷酸鹽并形成磷酸鉛復(fù)合物從而降低土壤中Pb的流動(dòng)性[13]。解磷菌對(duì)Pb污染土壤修復(fù)不僅使土壤中游離態(tài)的Pb得到了固定,從而有效抑制了植物對(duì)重金屬Pb的吸收[54]。接種G.mosseae菌,抑制了Cd、Zn從地下部分向地上部分的轉(zhuǎn)移,可以降低鋅對(duì)植物的毒害作用,同時(shí)加強(qiáng)Zn在土壤中的固定作用[40]。

革蘭氏陰性細(xì)菌Citrobacter通過(guò)磷酸酶分泌大量磷酸氫根離子在細(xì)菌表面與重金屬形成礦物[55]。檸檬酸桿菌等能分泌酸性磷酸酶,催化2-磷酸甘油水解,釋放無(wú)機(jī)磷酸鹽,無(wú)機(jī)磷酸鹽在細(xì)胞表面大量積累,與細(xì)胞表面的金屬發(fā)生沉淀反應(yīng),形成金屬磷酸鹽沉淀。解磷微生物對(duì)重金屬的沉淀主要是釋放的磷酸鹽起作用,伴隨著微生物自身的富集作用,使土壤中的重金屬固定在土壤中,而不被農(nóng)作物吸收。

3.4 解磷微生物對(duì)重金屬超累積植物的促生作用

解磷微生物在土壤和植物根際大量存在,具有多重植物促生作用,如圖1所示。重金屬污染條件下,由于應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫的需要,解磷微生物更多提供植物吸收生存所需的礦質(zhì)元素,改善宿主植物N、P等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀況,提高營(yíng)養(yǎng)元素(P、N、S等)與重金屬元素(As、Cd、Pb等)含量之比,被認(rèn)為有助于增強(qiáng)重金屬超累積植物耐受重金屬的能力,提高植物對(duì)重金屬的累積量。通過(guò)接種AMF菌增加植物組織中的磷含量,使得植物依賴ATP提取Mn或形成低溶解性的P-Mn化合物,從而降低Mn對(duì)植物組織的毒害作用[56]。盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),接種AMF顯著提高萬(wàn)壽菊對(duì)Cd的吸收,增加Cd向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)；在各種Cd處理水平下,萬(wàn)壽菊地上部分的吸收量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于根系的吸收量,表現(xiàn)出促進(jìn)植物提取的應(yīng)用潛力[57]。

鐵載體能為重金屬脅迫下的植物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(尤其是鐵元素),緩解脅迫產(chǎn)生的毒害,促進(jìn)植物生長(zhǎng)[58-59]。研究表明,解磷微生物能夠增加植物對(duì)K、Ca、Mg、Fe、Zn等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。Cu、Zn污染的土壤中接種AMF可以顯著的促進(jìn)咖啡苗的生長(zhǎng),可能是由于根外菌絲的作用增加了根系表面土壤中可溶性磷的含量[60]。許多植物根部土壤中的解磷微生物能夠分泌生長(zhǎng)素(IAA),增加植物生長(zhǎng)素含量,從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)[61]。目前具有產(chǎn)鐵載體能力的微生物強(qiáng)化植物重金屬修復(fù)的研究仍處于初步階段,鐵載體產(chǎn)生菌如何影響植物獲取重金屬的確切機(jī)制仍不清楚。

除了上述植物促生作用,解磷微生物產(chǎn)生的細(xì)胞壁溶解酶、抗生素等能夠抵抗植物病毒,減緩病毒對(duì)植物的侵害[62-63]。解磷微生物還可以產(chǎn)生抗病原菌代謝產(chǎn)物、1-氨基環(huán)丙烷- 1-羧酸(ACC)脫氨酶等物質(zhì),增加植物抗病能力,可以降低乙烯含量[46]提高植物對(duì)重金屬污染的修復(fù)效率。從Cd污染土壤中分離的抗鎘性菌株銅綠假單胞菌MKRh3,不但具有溶磷特性,而且還可以產(chǎn)生鐵載體,提高1-氨基環(huán)丙烷羧酸脫氨酶的活性,促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[64]。具有汞抗性的熒光假單胞菌表現(xiàn)出了較高的溶磷能力,并且可以產(chǎn)生吲哚乙酸(IAA)和鐵載體。從鎳超富集植物庭薺屬植物(Alyssumserpyllifolium)根莖葉組織內(nèi)部分離的內(nèi)生細(xì)菌對(duì)重金屬鎳的耐受性高達(dá)750—1000 mg/kg,并具有分泌ACC脫氨酶、鐵載體、植物激素以及溶磷等特性,從而顯著地促進(jìn)植物對(duì)鎳的提取和吸收[65]。

圖1 解磷微生物對(duì)重金屬超累積植物的促生作用Fig.1 Growth promoting effect of phosphate solubilizing microorganisms on heavy metal accumulation in plants

3.5 解磷微生物對(duì)土壤重金屬的固定/活化雙向作用及修復(fù)措施

近年來(lái),具有重金屬解毒能力和促進(jìn)植物生長(zhǎng)功能的解磷微生物在土壤重金屬污染修復(fù)中被應(yīng)用和探索[32],如表2所示。

表2 重金屬污染土壤中常見(jiàn)的解磷微生物及其修復(fù)重金屬種類(lèi)

綜上,不同種類(lèi)的解磷微生物對(duì)不同重金屬作用機(jī)制不同,但綜合起來(lái)可以分為兩個(gè)方面,首先,解磷微生物可將土壤難溶礦物磷或有機(jī)磷中的磷酸根釋放,與重金屬結(jié)合形成磷酸鹽沉淀,同時(shí)通過(guò)生物吸附、積累等作用,降低重金屬在土壤中的移動(dòng)性和生物可利用性,對(duì)重金屬起到固定或鈍化的作用。其次,解磷微生物也可以通過(guò)分泌有機(jī)酸、鐵載體、吲哚乙酸、金屬還原酶、HCN等作用,與重金屬形成絡(luò)合物或改變重金屬的形態(tài)和價(jià)態(tài),提高重金屬生物有效性和植物抗病性,從而增加植物對(duì)重金屬吸收。其作用機(jī)理如圖2所示。

圖2 解磷微生物修復(fù)土壤重金屬污染作用機(jī)理Fig.2 Mechanisms of phosphate solubilizing microorganisms in remediation of heavy metal contaminated soils

因此,解磷微生物對(duì)土壤中的重金屬起到雙向調(diào)節(jié)的作用,相對(duì)應(yīng)的就有兩種修復(fù)機(jī)制：①生物固定,包括微生物本身對(duì)重金屬的生物沉淀、吸附、細(xì)胞內(nèi)累積以及促進(jìn)重金屬的植物固定；②生物活化,通過(guò)提高重金屬的生物有效性,促進(jìn)重金屬的轉(zhuǎn)移并積累在植物組織中。但是生物固定僅改變了重金屬污染物在土壤中的賦存形式,并不能減少重金屬總量,而且穩(wěn)定劑聯(lián)合使用會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)、微生物群落帶來(lái)一定的負(fù)面效應(yīng)。因此,解磷微生物與植物的聯(lián)合修復(fù)是一種被公眾認(rèn)可的環(huán)境友好型、生態(tài)可持續(xù)的修復(fù)方式,具有良好的應(yīng)用前景。

4 存在的問(wèn)題及展望

綜上所述,土壤重金屬污染修復(fù)依然是一個(gè)世界性問(wèn)題,解磷微生物在土壤重金屬污染修復(fù)中發(fā)揮著重大作用,但目前研究還存在很多不足。

(1)解磷微生物增加和降低重金屬活性的研究結(jié)論都有,很少?gòu)奈⒂^層面研究解磷微生物及其胞外代謝產(chǎn)物與重金屬的作用方式。重金屬濃度、土壤環(huán)境因子、解磷微生物代謝產(chǎn)物、相關(guān)功能基因等對(duì)解磷微生物固定或活化重金屬的影響及其雙向作用機(jī)制尚不明確,嚴(yán)重阻礙了重金屬修復(fù)效率的提高。

(2)目前,關(guān)于解磷微生物參與化學(xué)鈍化修復(fù)方面的研究不多。解磷微生物有可能會(huì)減弱磷酸鹽原位固定重金屬長(zhǎng)時(shí)間尺度的修復(fù)效果,從而質(zhì)疑解磷微生物在長(zhǎng)期化學(xué)鈍化修復(fù)重金屬污染方面的應(yīng)用潛力,因此,應(yīng)加強(qiáng)研究不同土壤環(huán)境條件下,解磷微生物對(duì)重金屬鈍化的應(yīng)用效果和修復(fù)機(jī)理。

(3)缺乏對(duì)解磷微生物代謝產(chǎn)物、解磷功能及重金屬抗性等功能基因的深入研究,沒(méi)有從宏基因組的層面研究重金屬壓力下,解磷功能基因的多樣性及對(duì)解磷能力的影響,關(guān)于解磷功能基因在修復(fù)重金屬中的調(diào)控策略則尚未涉及。

因此,針對(duì)不同區(qū)域的重金屬污染狀況,研究施加解磷菌株后土壤微生物群落的變化情況,解磷微生物與植物的協(xié)同作用對(duì)土著微生物菌群的多樣性和結(jié)構(gòu)的影響,分析植物根際不同形態(tài)重金屬含量,結(jié)合重金屬抗性基因的變化,從代謝產(chǎn)物和功能基因角度闡明解磷微生物對(duì)土壤重金屬固定或活化的雙向作用機(jī)制,可為改善我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量、保障土壤生態(tài)安全提供有力支撐。

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