鎘對土壤微生物的影響及微生物修復鎘污染研究進展

摘要：隨著工業(yè)的發(fā)展及農業(yè)化肥和農資物質的廣泛施用，土壤重金屬污染越來越嚴重，其中鎘污染問題尤為突出。闡述了土壤中鎘污染的現(xiàn)狀以及鎘污染對土壤微生物的影響。隨著土壤中鎘濃度的增加，對土壤微生物影響越大，高濃度（1000 mg/kg）能導致微生物種群數(shù)量減少甚至完全消失。在總結已有的研究基礎上，提出微生物生物量受到鎘抑制臨界值（濃度）范圍可能分別為：20～40 mg/kg。同時綜述了微生物（真菌、細菌和藻類菌體）對土壤中污染鎘的修復技術，并對土壤鎘污染治理和修復提出問題和展望。

關鍵詞：鎘污染；微生物量；微生物修復；綜述

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）03-0114-04

隨著礦山資源的開發(fā)利用、工農業(yè)的大力發(fā)展，工業(yè)污水的排放及農業(yè)肥料的施用使含鎘污染物通過各種途徑進入環(huán)境，造成土壤中鎘污染嚴重。2014年7月發(fā)布的《全國污染狀況調查公報》顯示，全國土壤總的超標率達到16.1%，耕地土壤重金屬點位超標率為19.4%，其中鎘元素點位污染超標率7.0%，位居無機污染物之首。鎘具有毒性，在土壤中不易被化學或生物降解，因此鎘污染具有不可逆轉性；鎘具有生物累積性，易通過食物鏈在動植物和人體積累，直接威脅人體健康。近年來，土壤鎘污染已成為日益嚴重的環(huán)境問題，其污染現(xiàn)狀和影響以及各種修復技術等一直是國內外研究的熱點和難點。筆者綜合了目前國內外鎘污染對土壤中微生物的影響，以及微生物（真菌、細菌和藻類）對土壤中鎘的修復技術，以期為土壤鎘污染治理與？虧染修復提供參考和理論支撐。

1我國土壤中鎘污染的現(xiàn)狀

全球土壤中鎘含量為0.01～0.7 mg/kg，而我國土壤鎘背景值為0.097 mg/kg，主要農田土壤中鎘含量為0.01～1.34 mg/kg，平均為0.12 mg/kg。目前全球鎘污染面積達200萬hm²我國鎘污染耕地面積約為2萬hm²，共有11個省25個地區(qū)的耕地被鎘污染。曾希柏等對我國土壤進行重金屬調查發(fā)現(xiàn)，鎘含量超過土壤環(huán)境質量標準一級的樣品比例為42.0%～85.9%，超過二級的為11.9%～21.1%，超過三級的為0.7%～7.5%。樊霆統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)農田土壤中鎘含量是我國土壤背景值的1.2～26.5倍。最嚴重的徐州鎘含量是三級標準最大允許值的2.6倍，已不適合農林生產和植物正常生長。成都、沈陽、西安等市污灌區(qū)土壤中的鎘含量分別為1.65、0.88和0.628mg/kg。湖南等有色金屬大省是重金屬鎘污染的重點區(qū)，湘江流域是鎘污染最嚴重區(qū)域。在湖南省污染嚴重地區(qū)稻米鎘含量高達5.33 mg/kg（早稻）和9.36 mg/kg（晚稻），分別是食品安全規(guī)定鎘標準（0.2mg/kg）的27和47倍。以上這些表明我國土壤中鎘污染已經非常嚴重，甚至嚴重影響到食品安全。

2鎘對土壤中微生物的影響

土壤微生物生物量是土壤養(yǎng)分的儲存庫和植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源。土壤微生物量在土壤系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展中起著重要的作用，被認為是表征土壤質量變化最敏感、最有潛力的指標。低濃度的重金屬能刺激微生物生長，高濃度的重金屬導致土壤中微生物生物量明顯下降。當土壤中鎘濃度為0.2 mg/L時，完全抑制固氮菌體增殖，當鎘質量濃度為0.5 mg/L時，強烈抑制了厭氧固氮菌的固氮酶活性。當土壤鎘濃度為5 mg/kg時，微生物量氮、碳顯著低于對照，且隨鎘濃度的增加而降低，當土壤鎘濃度為8 mg/kg時，黃松田水稻土微生物量碳、氮生物量出現(xiàn)抑制；當土壤鎘濃度為30 mg/kg時，黃紅壤性水稻土微生物量碳、氮生物量出現(xiàn)抑制。鎘濃度為5 mg/kg時，土壤中細菌、放線菌和真菌數(shù)量均達到最低。當鎘濃度10 mg/kg，鎘顯著減少了水稻土中甲烷氧化菌的種類和pmoA因拷貝數(shù)以及氧化CH₄潛勢。尹軍霞等研究了不同濃度外源重金屬鎘對油菜土壤微生物區(qū)系的影響，發(fā)現(xiàn)濃度為0.5和5.0 mg/kg的鎘對放線菌沒有影響，當濃度為10 mgg時抑制土壤中的放線菌，刺激自生固氮菌和反硝化菌。李勇研究發(fā)現(xiàn)，隨著鎘濃度的增加（1、10、50mg/kg），細菌的數(shù)量依次降低，分別是對照的66.8%、58.1%、49.5%。Khan等采用室內培養(yǎng)研究重金屬對紅壤微生物生物量影響，鎘對微生物生物量的臨界濃度為30mg/kg。許煉烽以抑制率50%為影響的臨界指標，鎘對水稻田中的細菌影響臨界濃度為66.5 mg/kg，對旱地真菌的影響臨界濃度25 mg/kg。鎘污染導致微生物群落的變異性增大，降低群落穩(wěn)定性，鎘污染對根際微生物的群落結構有顯著的影響，高濃度（1000mg/kg）可顯著降低微生物的種群數(shù)量和生物多樣性，甚至使微生物完全消失。綜合以上研究可知，鎘對土壤中微生物生物量的臨界濃度可能為20～40 mg/kg。

3微生物修復鎘污染技術

鎘對土壤中微生物有一定的影響，而微生物也可以對土壤中重金屬進行固定、移動或轉化，改變其在土壤中的環(huán)境化學行為。大多數(shù)微生物與重金屬接觸后都能減少毒害或受毒后迅速恢復生長并產生后代。因此微生物在修復鎘污染土壤方面具有獨特作用。微生物主要通過離子交換、基團的配位絡合、發(fā)生沉淀等原理來吸附金屬離子。活性微生物對重金屬吸附，轉化為低毒產物，改變土壤中重金屬生物有效性，降低重金屬污染程度。用于鎘污染修復的菌種主要有細菌、真菌和藻類等，目前已篩選出的吸附鎘的微生物見表1。

3.1細菌對鎘污染的修復

細菌是地球上最豐富的微生物，許多細菌及其產物對溶解態(tài)的鎘有很強的結合能力，微生物利用細胞表面所帶負電荷，通過靜電吸附或絡合作用固定重金屬離子。微生物將有毒金屬吸收后貯存在細胞的不同部位，通過離子沉淀或螯合在生物多聚物上，或通過重金屬結合蛋白（多肽）。Vasquez等研究顯示光合紅球菌在pH值7.0，起始濃度為15ppm時，對鎘離子去除率為60%。Ziagova等研究發(fā)現(xiàn)革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌和陰性假單胞菌對cd2+吸附量分別為250和278 mg/L。極大螺旋藍細菌吸附Cd²⁺時，最大的吸附量達43.6 mg/g。用堿提取的phormidium valderianum能夠從Cd²⁺溶液中吸收超過90%的Cd²⁺，所吸附的金屬可占生物體干重的18%。細菌亦能強化植物吸收重金屬，主要是重金屬超積累/富集型植物與之相協(xié)同的重金屬耐受細胞。Burkholderia促進了油菜、印度芥菜和玉米對鎘的吸收，增加東南景天對鎘的耐性，促進其對鎘的吸收及轉運。細菌Streptomyces tendae F4還可以通過活化土中的鎘，促進植物吸收鎘。Joshi和Juwarkar發(fā)現(xiàn)固氮菌Azotobacter能鈍化土壤中的鎘。Citrobacter具有抗鎘的酸性磷酸酯酶，可分解有機-2-磷酸甘油，產生HPO₄-與Cd²⁺形成Cd（HPO₄）₂沉淀。

3.2真菌對鎘污染的修復

真菌的細胞壁上有葡聚糖、甘露聚糖、纖維素、幾丁質和蛋白質等物質，這些物質帶有較多的負電荷，能吸附金屬離子。醬油曲霉、米曲霉對Cd²⁺的吸附率分別為72.3%和81.3%。Kacar等用海藻酸鈣固定白腐真菌（Phanerochaete chrysosporium）包括活的和加熱滅活的2種形態(tài)菌體處理含cd2十的廢水，最大吸附能力分別為（104.8±2.7）mg/g干重和（123.5±4.3）mg/g干重。真菌亦能促進植物對重金屬的吸收，強化植物提取土壤中的重金屬。Joner和Leyval研究了摩西球囊霉菌（Glomus mosseae）對三葉草吸收鎘的影響，發(fā)現(xiàn)根外的菌絲可以從土壤向植物轉運鎘。Sell等研究發(fā)現(xiàn)楊樹接種卷緣網褶菌（Paxillus involutus）可以顯著增加植物體內的鎘濃度，其中葉片中鎘濃度增加最為明顯，增幅將近100%。接種Paxillus involutus增加了楊樹根部向葉片轉運鎘能力，強化了植物從土壤中提取鎘的能力。肖根林等研究了光合細菌球形紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）能使降低交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)鎘含量，從而降低土壤中鎘的生物有效性。

3.3藻類菌體對鎘污染的修復

藻類菌體對鎘有很強的吸附能力，萊茵衣藻能吸附鎘。海草能積累鎘，對溶液里Cd²⁺的最大吸附量為120 mg/g，狐尾藻在pH值5.0時，鎘吸附量達到最大為17.7 mg/g。潿洲馬尾藻在pH值4.5，鎘初始濃度500 mg/L時，對鎘吸附量最大。尹文珂13剮研究發(fā)現(xiàn)小球藻對鎘的吸附作用受到接觸時間、初始金屬濃度和藻生物量的影響，小球藻對鎘的吸附效率可達到85%以上，最高可達到98%。在污水中，小球藻的吸附效率也可達到60%以上。常秀蓮研究幾種海藻對鎘的吸附，海黍子的吸附性能最好，吸附量最高達181 mg/g，海帶宜于在低濃度區(qū)使用，孔時莼在高濃度區(qū)有較高的吸附容量。Volesky運用海藻進行了吸附柱去除鎘的研究，能將流體中的鎘從10mg/L降低到0.001 5 mg/L水平，去除率為99.985%。藻類吸附鎘，主要是由于藻類含有果膠質、纖維素和多種多糖的多孔結構的細胞壁，具有較大表面積，細胞表面有比如酰氨基、羰基、酚基、羧基、羥基、醛基和氨基等的多種化學基團，可以與金屬離子進行絡合、離子交換以及靜電吸附。

微生物修復土壤中鎘污染是最具有發(fā)展?jié)摿蛻们熬暗募夹g之一。但由于微生物的種類繁多，個體微小，具有吸附重金屬能力的微生物難以發(fā)現(xiàn)、篩選和分離。因此，微生物修復研究主要是篩選和馴化特異性高效降解微生物菌株，提高功能微生物在土壤中的活性、壽命和安全性，修復過程參數(shù)的優(yōu)化，養(yǎng)分、溫度、濕度等關鍵因子的調控。

4問題與展望

目前我國土壤鎘污染已相當嚴重，如何保護土壤和治理土壤中鎘污染是亟待解決的問題。微生物修復技術近些年發(fā)展較為迅速，在篩選修復鎘污染的微生物數(shù)量和種類上都取得一定的研究進展，但微生物修復的研究仍然停留在實驗室或小規(guī)模的現(xiàn)場試驗。其推廣和應用仍然面臨很多需要解決的問題：微生物代謝活動易受環(huán)境條件的影響，微生物只能在一定的條件下吸附利用降解重金屬；微生物種類的篩選及其作用機制的研究；微生物在修復過程中的適應性機制及其是否對環(huán)境存在影響等。

因而，未來微生物修復鎘污染需要運用基因重組技術分離、改良、培育具有高效吸附降解重金屬特性的菌株。尋找礦化固結重金屬的微生物，尋找工藝簡單，具有較高應用價值的微生物進行培植和馴化。加大對微生物修復的盆栽、小區(qū)、田間試驗及示范區(qū)數(shù)據(jù)的完善及修復后環(huán)境變化的研究，利用大數(shù)據(jù)及“互聯(lián)網+”，建立微生物修復重金屬污染的資料庫。這樣才能使微生物修復土壤鎘污染技術盡早地推廣應用，土壤鎘污染的現(xiàn)狀得到控制和改觀。