低溫菌進行環(huán)境修復研究進展

張含含,宮春杰

(湖北工業(yè)大學 生物工程與食品學院,湖北 武漢 430068)

1 我國土壤污染概況

1.1 土壤污染現(xiàn)狀

目前，我國土壤污染形勢較為嚴峻，土壤污染主要分為三種類型：氮磷污染土壤、重金屬污染土壤和有機物污染土壤。(1)農業(yè)生產中，過量地施加肥料會導致土壤中氮素、磷素含量升高，這會造成土壤質量受損退化。(2)土壤重金屬污染是由于在工業(yè)生產中大量地使用重金屬鹽，其中包括工業(yè)排放的廢水、廢渣，汽車廢氣的沉降以及農藥污染等。重金屬元素如汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛 (Pb)、鉻(Cr)等元素在土壤中過量沉積都會導致土壤污染。(3)土壤有機污染是由有毒有害有機物的大量使用造成的，如有機農藥、三氯乙醛、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、石油、甲烷等均會污染土壤。土壤有機污染與農業(yè)生產、工業(yè)生產都有一定的關系，過量使用有機化學農藥、排放工業(yè)廢水、廢渣等是一大主因[1]。

1.2 土壤污染特點

土壤污染類型雖然有多種不同的類型，但它們都具有相似特征，例如：土壤污染都難以修復，僅僅依靠斷絕污染源不會有明顯的效果。由于重金屬污染物難以被降解，也就表示只要土壤被重金屬污染，在短短的時間內是不可能被修復的損害，需要消耗很大的人力精力財力，才能修復污染。土壤污染也具有不均勻性，也就是各地土壤性質各不相同，而且污染物在土壤中的分布和遷移均不是有規(guī)律可循的，所以污染物在土壤的分布具有不均勻性。我們通過檢測來確定土壤的性質一般都是在土壤被污染后才進行的，因為很難在土壤污染一開始時就確定土壤污染的性質。因為與大氣、水體相比較來說，土壤污染有容易擴散、稀釋和遷移不規(guī)律的特點。土壤中的污染物會一直累積，逐漸的增多，所以說土壤污染具有隱蔽和滯后的特點[1]。

2 修復土壤的低溫微生物

2.1 低溫生態(tài)系統(tǒng)

地球有著非常復雜的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，在不同的氣候環(huán)境中有著多種多樣的生態(tài)群落。從整體來看，全球有著廣泛的低溫環(huán)境系統(tǒng)，例如南北兩極、高原、冰川、凍土等。兩極的地理位置決定了其嚴寒的氣候,正是由于極度嚴寒的氣候,使得兩極被冰雪覆蓋,因而形成了獨具特色的景觀。同時，那里人跡罕至,因此留下了極其豐富的礦產資源及生物資源，吸引了世界各地的科學家對兩極展開考察研究。如今科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些生存于兩極的低溫微生物，如南極的變形菌門Pseudomonasflourescens[2]和Pseudomonasyringae[3]。青藏高原是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，其平均海拔超過4000m。青藏高原高寒、缺氧、降水少、日照長、輻射強，也因此形成了非常特殊的自然環(huán)境。作為亞歐大陸最高大的地貌單元，青藏高原對全球氣候變化十分敏感，因此也在全球氣候變化中承擔著非常重要的角色。再如，獨特的生態(tài)系統(tǒng)冰川和凍土，其低溫、寡營養(yǎng)的環(huán)境特點為生命和生命大分子提供了較為適宜的保藏環(huán)境，此極端環(huán)境被稱作是研究地球環(huán)境演化及宇宙生命進化等重大問題的天然寶藏。因而我們對這一特殊生態(tài)系統(tǒng)中微生物的研究可以幫助人們尋找有利的嗜冷微生物。

2.2 低溫微生物

在低溫氣候環(huán)境下新陳代謝能夠正常進行的微生物被稱為低溫微生物，低溫微生物主要可以分為兩大種類，分別是耐冷菌和嗜冷菌。耐冷菌和嗜冷菌對低溫環(huán)境中的物質循環(huán)和降解起著很大的作用，將低溫微生物應用于土壤污染治理可以很大程度地提高修復低溫環(huán)境中土壤的質量和效率。其中屬于低溫微生物的嗜冷菌生長繁殖溫度要低于20℃，0～15℃是其最適宜的生長溫度，嗜冷菌在 0℃下也可以生存。低溫微生物中的另外一類，耐冷菌在溫度低于20℃下可以生長繁殖，最適宜其生長的溫度是15℃，并且在0～5℃可以存活。耐冷菌比嗜冷菌更能適應環(huán)境的變化，在短暫的溫度波動下耐冷菌依然可以很好的生存，耐冷菌比嗜冷菌的分布范圍更加廣泛，所以在常年寒冷或不穩(wěn)定的低溫環(huán)境中可以篩選到嗜冷菌[4]。

3 微生物土壤修復研究3.1 解磷微生物的研究

3.1.1 供氧機制影響低溫解磷微生物修復土壤

鄒海明等人[5]在對低溫環(huán)境下聚磷微生物的富集馴化研究中針對低溫環(huán)境下生物強化除磷工藝的啟動與運行，研究了厭氧-好氧和厭氧-缺氧兩種模式富集馴化好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌的效果。研究結果表明，以城市污水處理廠活性污泥為接種污泥的實驗中，在8～11℃的低溫環(huán)境下能夠很好地富集馴化好氧和反硝化聚磷菌。同時發(fā)現(xiàn)，厭氧-好氧反應器處理磷的效率高于厭氧-缺氧反應器。好氧聚磷菌在缺氧的條件下，以硝酸鹽作為電子受體吸收磷的能力要弱于反硝化聚磷菌在氧氣充足的條件下，以氧作為電子的受體吸收磷的能力。

3.1.2 pH影響低溫解磷微生物修復土壤

pH是生物除磷效率的一個重要影響因素。pH值的改變會使細胞膜的電荷發(fā)生改變，從而會使新陳代謝過程中的酶的活性受到影響，還會影響到微生物吸收和利用營養(yǎng)物質。如果生物除磷系統(tǒng)的pH發(fā)生改變，會引起活性污泥的微生物種群生長情況的明顯改變。因為全國各地土壤環(huán)境不盡相同，而且各地土壤的pH值也各不相同，因此加大了土壤生物處理工藝的難度。而且在低溫條件下運行的生物除磷系統(tǒng)的性能波動很大，其性能也會隨著土壤中不同的pH值的變化而變化。因此研究在不同的pH值條件下生物除磷系統(tǒng)的聚磷菌生長代謝特征和種群結構的不同，即低溫條件下pH值對生物除磷性能的影響具有重要意義。李楠等人[6]在pH對低溫除磷微生物種群與聚磷菌代謝的影響研究中通過靜態(tài)試驗檢測了在低溫條件下不同的pH值對聚磷菌生長代謝的影響，并比較長時間生存于不同pH值下的生物除磷反應器的性能和微生物群落結構特點，總體分析比較了pH值對低溫微生物除磷性能的影響。

研究結果表明在低溫生物除磷系統(tǒng)中，生物除磷的性能、微生物種群結構以及聚磷菌的生長代謝都會因為pH值的變化而受到影響。如果生物除磷反應器長期運行于酸性條件下(pH值=6)時，其去除磷酸鹽的性能會大大降低。聚磷菌大量存在于活性污泥中，其在活性污泥中的含量在60%左右，因此其種群結構占有很大的優(yōu)勢。當其運行在中性(pH值=7)或弱堿性(pH值=8)條件下的生物除磷反應器中時，聚磷菌的厭氧釋磷性能會隨著pH值的升高而提高。當pH值在6到8之間變化時，pH值的升高會加強聚磷菌對乙酸吸收，而且Polyhydroxybutyrate(PHB)的合成也隨之加強，但是pH值高達8.5時，用于分解釋放聚磷酸鹽的能量大多都用于克服 △φ，導致用于提供Polyhydroxybutyrate(PHB)合成的能量不足，從而對好氧段磷的吸收造成抑制。過高或過低的pH值都不利于生物除磷的進行，會大大降低生物除磷的效率。最適宜低溫微生物除磷反應器運行的pH值范圍是7～8[6]。

3.2 重金屬降解菌的研究

3.2.1 重金屬污染概況

受到重金屬離子污染的土壤由于有很大毒性且難以降解,常常被認為是第一類污染物。震驚世界的日本“水俁病”就是汞污染所導致的，而“骨疼病”則是鎘污染引起的[7]。環(huán)境污染方面所說的重金屬,主要是指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等具有生物毒性的重金屬,也指鋅、銅 、鈷 、鎳 、錫等具有一定毒性的一般重金屬。由于近年來工農業(yè)廢棄物和城市生活垃圾劇增，以及農藥和化肥的大量使用,對人類賴以生存的土壤環(huán)境造成了嚴重的重金屬污染,并且污染情況越來越嚴重,所以對重金屬污染的治理刻不容緩。 低溫下重金屬污染的微生物修復機制是利用微生物的生物活性對重金屬有親合吸附效果或將重金屬轉化為低毒物質的方法,從而達到降低土壤重金屬污染的目的。

3.2.2 微生物降解重金屬污染研究

長期受到某種重金屬污染的土壤里存在有很多可以在重金屬污染環(huán)境中生長繁殖，甚至能修復土壤重金屬污染的耐冷微生物種群。土壤里存在多種多樣的可以還原鉻酸鹽和重鉻酸鹽的微生物,如產堿菌屬(Alcaligenes)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、棒桿菌(Corynebacterium)、腸桿菌屬(Enterobacteiaceae)、假單胞菌屬(Pseudomonas)和微球菌屬(Micrococcus)等[7],這些微生物可以把高毒性的Cr6+還原為低毒性的 Cr3+。重金屬具有強烈的毒性作用而且它會通過食物鏈逐漸積累，從而會引起嚴重的生物健康和生態(tài)環(huán)境問題。近年來,生物修復技術受到廣泛的關注，其應用于修復土壤的重金屬污染。Minamisawa[8]等證明處理廢水中重金屬經(jīng)濟有效的方法是利用生物材料。Yasemin Kacar[9]等利用包埋固定后的白腐真菌(Phanerochaetechrysosporium)對 Hg2+和 Cd2+進行吸附的實驗中指出溫度在15～45 ℃之間變化時,其生物吸附能力沒有明顯改變。因此,Phanerochaetechrysosporium在低溫重金屬修復方面具有較好的應用前景和生態(tài)效益。季秀玲等[7]基于在日本京都大學的部分研究成果，在利用低溫微生物進行環(huán)境污染的研究中，運用低溫微生物進行重金屬污染廢水的治理工作。目前，多株低溫微生物從污染的廢水中被分離出來，并觀察了它們對Zn2+的耐受性,研究結果表明混合菌對Zn2+的耐受性大多可達到 800 mg/L,其中一株菌株可高產蛋白酶,且表現(xiàn)出高達900 mg/L的Zn2+耐受性,并表現(xiàn)出15℃溫度條件下良好的長勢。因此,從受到重金屬污染的土壤和水體等低溫環(huán)境中篩選和馴化對重金屬具有富集和解毒功能的高活性耐冷菌,再結合固定化等工藝,就可以有效地解決廣大寒冷地區(qū)的重金屬污染問題,同時不會給環(huán)境帶來二次污染,有效地修復和保護了環(huán)境，符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。修復重金屬污染的低溫微生物在處理低濃度和大面積污染等方面已經(jīng)具有獨特的優(yōu)勢,可以預見其具有非常好的經(jīng)濟效益和社會前景。

3.3 降解有機污染物微生物的研究

芳香烴類化合物是指苯及苯的衍生物，比如甲苯等物質。在實際應用的過程中，由于芳香烴類化合物自身所具有的合成屬性，其很難被一般的微生物降解。因此就對人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境產生了不良影響。但是通過有關學者以及科學家的研究發(fā)現(xiàn)這類化合物能夠被一些微生物所降解。如churchail分離出的一種可以有效降低三環(huán)，四環(huán)芳香脂肪烴類化合物的分枝桿菌Mycobacterium。在污染條件下，它的降解基因可以進行有效的表達，從而加強芳香烴類的降解能力[10]。

3.3.1 對石油烴類物質的降解

在我國北方地區(qū)，冬季溫度極低，低溫嚴重地降低了降解油烴類微生物對石油的降解吸收效果。全球常年低于5℃的低溫地區(qū)不少于生物圈的80%，因而利用低溫微生物治理寒冷地區(qū)的石油污染，已引起廣大科學家們的研究興趣。因為石油烴類污染物中含有的物質，大多都不溶于水，在低溫條件下這些物質通常以固態(tài)形式存在。而中溫微生物在低溫條件下不能發(fā)揮作用，因此加大了降解污染的難度。而早在20世紀80年代就有科學家從土壤、淡水和海洋系統(tǒng)中分離出耐低溫的微生物，它們能廣泛利用自然環(huán)境中各種各樣的石油烴類污染物，并將其作為碳源使用。鄭洲[11]等從385株南極海洋細菌中篩選出2株石油烴降解菌 NJ276(Pseudoalteromonas)和NJ341(Colwellia)。以柴油作為唯一碳源進行降解實驗發(fā)現(xiàn)，這兩株菌在低溫下均具有良好的降解效果。李兵[12]等從遼河油田低溫石油樣品中篩選得到1株低溫石油烴降解菌，經(jīng)鑒定為嗜麥芽窄食單胞菌(Stenotrophomonasmaltophiliav)。該菌不僅降解石油有良好的效果，而且具有穩(wěn)定的遺傳特性。將該菌在最適宜其生長的溫度下培養(yǎng)10天，發(fā)現(xiàn)石油中的C15～C34長鏈烷烴被完全降解，其對石油的降解效率高達80.16%。王紅旗等人[13]以石油為唯一碳源，從大港石油污染土壤中篩選得到2株耐低溫高效石油降解菌，分別是副球菌和鹽單孢菌，研究發(fā)現(xiàn)這兩株菌也具有良好的石油降解特性。以原油作為唯一的碳源培養(yǎng)20天，其降解效率可達40%～50%。

3.3.2 對芳香烴類廢水的降解

芳香烴類化合物包括苯及其衍生物，如苯酚、甲苯、萘、菲等。一般的，微生物都難以降解這些物質。但仍有研究表明分離純化出了能夠降解該類污染物且具有較高降解性能的耐冷菌。Chauret等[14]篩選出可發(fā)揮反硝化作用的耐冷細菌Pseudomonasfluorescens，其在低于10℃的溫度條件下依然可以降解鄰苯二甲酸。Robert等[15]分離到1株耐低溫微生物，其能夠降解高分子多環(huán)芳香烴。Margesin 等[16]在含有烴類污染物的高山土壤里分離得到4株耐冷微生物，2株Rhodococcussp.，2株Basidiomycetousyeasts，都是可降解高含量苯酚的微生物。其中從屬于繡菌綱的1株酵母菌是一個新型的物種，在1℃時降解含量為 5 mM 的苯酚，當溫度高于20℃時不能生長，其降解苯酚的速率高于普通耐冷細菌在10℃時的降解速率。

3.3.3 對氯酚類廢水的降解

氯酚類物質是廣泛應用于農藥、防腐和造紙工業(yè)中的化工原料，具有抗菌和消毒的作用，是一種水溶性很高且難以被降解的有機物。這類物質會引起許多河流、土壤等自然生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的污染。大量研究發(fā)現(xiàn)，耐冷菌中的一些菌種如Pseudomonas putida CPI[17]能夠降解存在于土壤和水體中的2-氯酚。Jarvinen等[18]從地下水中分離純化出的一種低溫菌能夠高效降解氯酚類物質。將其應用于好氧流化床反應器中觀察其在低溫條件下氯酚的降解效果。結果表明，在5～7℃低溫條件下，使用740mg/(L·d)氯酚負荷時，能夠降解99.9%的氯酚類物質。通過比較可知該低溫系統(tǒng)比中溫系統(tǒng)更具有經(jīng)濟效益。Zilouti等[19]從受到五氯苯酚污染和農藥污染的土壤中分離純化出幾株能夠高效降解氯酚的耐冷微生物。將其接種到流化床和生物反應器中，觀察其對氯酚污染水的凈化效果。實驗結果表明，這2種方法對氯酚的降解率均能高達到99%以上。

4 研究展望

地球上大部分的生態(tài)環(huán)境溫度均低于 5℃，這些環(huán)境中生存著大量的微生物，這些微生物長期生存于低溫環(huán)境中，被馴化出能夠適應低溫環(huán)境的分子機制。這類微生物是地球生物圈的重要組成成分，與生態(tài)環(huán)境相互影響、相互依存，關聯(lián)著整個生態(tài)環(huán)境的變化，并且在環(huán)境工程中起著重要的作用。例如治理土壤污染及石油污染等。其中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和馴化的低溫微生物被應用于各個類型的土壤修復中，它們分解代謝的途徑各不相同，但都有顯著的修復效果。目前，低溫微生物抗低溫的分子機制還沒有被完全解析出來。近幾年來世界各地的科學家越來越重視研究低溫微生物，低溫微生物可研究的領域也越來越廣泛。我們相信隨著低溫微生物研究的不斷深入和生物工程技術的持續(xù)發(fā)展，對微生物土壤修復領域的研究和應用將會越來越廣泛和深入。