土壤中鐵氧化物對重金屬的微生物吸附原理及現(xiàn)狀分析

馬垚

摘要：土壤中鐵氧化物對重金屬元素及某些陰離子有富集作用，同時決定這些元素在土壤中的遷移、存在形態(tài)及其對植物的有效性，常見于水稻根際的鐵膜主要由鐵氧化物組成。土壤中氧化鐵一般由微生物介導(dǎo)產(chǎn)生，鐵氧化細(xì)菌（Fe（II）-oxidizing bacteria，F(xiàn)eOB）就是典型代表。我國對于嗜中性微好氧鐵氧化茵的研究還很少，雖然它們作用較大，但因其較難培養(yǎng)且生長速度緩慢，給研究造成一定困難。試驗采用揚(yáng)州水稻土為樣品，測定其pH、游離鐵含量、有機(jī)質(zhì)含量等理化性質(zhì)，并且利用半固態(tài)梯度管法和單茵落稀釋轉(zhuǎn)接法對鐵氧化細(xì)菌FeOB進(jìn)行稀釋培養(yǎng)計數(shù)、分離和純化，對分離方法作部分探討。結(jié)果表明，水稻根內(nèi)外每1g干土可培養(yǎng)鐵氧化茵為1.5×10⁷細(xì)胞，高通量測序結(jié)果顯示根內(nèi)外細(xì)茵群落組成接近，而處理間有所差異。

關(guān)鍵詞：水稻;鐵氧化茵;重金屬;培養(yǎng)

1鐵元素的基本屬性及其存在形式

鐵是一種分布廣泛的過渡金屬元素，占地殼質(zhì)量的5.1%，在元素分布序列中排名第四，僅次于氧、硅和鋁。對于大多數(shù)原核生物和真核生物來說，鐵是必需的微量營養(yǎng)素，也是細(xì)菌的重要潛在來源。在缺氧環(huán)境中，鐵通常是二價的，在自然界中是活躍的，在氧的存在下很容易形成氧化物。這些氧化鐵顆粒具有較大的活性表面積，對有機(jī)物和重金屬元素（如鎘、砷和鉛）具有吸附作用。

鐵氧化菌廣泛分布于環(huán)境中，嗜中性微氧鐵氧化菌常分布于濕地植物根系、海底熱液端口和含鐵量高的地下水氧化還原過渡帶。由于鐵的氧化作用，在這些生境中經(jīng)常觀察到鐵銹的顏色特征。

2治理重金屬污染土壤的途徑

對于土壤重金屬污染，一般采用鈍化或是生物吸附的方法治理。例如：在土壤中施用鈍化劑，種植高蓄積體植物，在土壤中添加特殊的菌群等等阻我國農(nóng)田重金屬污染面積大，常采用鈍化法，但鈍化劑的施用常常造成土壤性質(zhì)和土壤微生物群落的改變和衰退。因此，鈍化劑的質(zhì)量相對較高，要求成本低、效率高，不含重金屬等污染物，不存在二次污染的風(fēng)險。

3土壤中鐵氧化物對重金屬元素的作用機(jī)理

大量研究表明，土壤中的氧化鐵對重金屬和某些陰離子有富集作用，同時也決定了這些元素在土壤中的遷移、存在和有效性。例如，稻田常見的周叢花生物主要由鐵氧化物、有機(jī)質(zhì)、微生物和微生物分泌的有機(jī)質(zhì)組成，可以有效地固定稻田中的重金屬。氧化鐵及其氫氧化物具有特殊的電化學(xué)性質(zhì)，具有較大的表面積和豐富的-OH官能團(tuán)，能與多種離子反應(yīng)形成吸附一解吸反應(yīng)。除對鈣、磷等大分子營養(yǎng)物質(zhì)有較強(qiáng)的吸附作用外，對重金屬離子和有機(jī)污染物在地表環(huán)境中的遷移和沉淀也有重要影響。鐵礦物的氧化還原和沉淀溶解在一定程度上決定了土壤中金屬的形態(tài)、轉(zhuǎn)化和生物活性，被稱為固定重金屬元素的改性劑和地球化學(xué)屏障。

濕地植物根系具有通氣的結(jié)構(gòu)，能將氧氣輸送到根系周圍的土壤中，形成氧化還原電位差，氧氣和Fe²⁺濃度梯度，為微氧FeOB提供良好的生活環(huán)境。FeOB氧化鐵，形成的氧化物吸附在植物的根際周圍。這些氧化物被稱為鐵膜。微生物氧化亞鐵是水稻土的一種常見現(xiàn)象，是水稻土生物地球化學(xué)過程的中心環(huán)節(jié)。因此，在日益嚴(yán)重的農(nóng)田重金屬污染中，使用微生物氧化鐵鈍化鎘是一個不錯的選擇。

4目前鐵氧化菌培養(yǎng)研究面臨的問題

微生物處理環(huán)境污染具有傳統(tǒng)方法無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如無二次污染、運(yùn)行能耗低、操作方便。鐵氧化細(xì)菌（FeOB）對重金屬污染的自然環(huán)境有顯著影響。鐵氧化物細(xì)菌在許多元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中也起著重要作用。國內(nèi)對嗜中性微氧鐵氧化菌的研究較少。探討FeOB修復(fù)有機(jī)，無機(jī)污染物的能力，研究FeOB的電子輸運(yùn)和生長機(jī)理，以及新物種的分離和篩選有待進(jìn)一步探索。

首先，在鐵氧化物細(xì)菌的研究中，鐵氧化物細(xì)菌的生物量低、生長速度慢是2個主要問題。Emerson和Weiss為了增加細(xì)胞生物量，在培養(yǎng)皿底部加入含1%瓊脂的FeS，在厭氧環(huán)境中濃縮，加入MWMM并接種，然后將培養(yǎng)皿置于微好氧氣體產(chǎn)生袋中。該袋在厭氧池中培養(yǎng)，梯度的表面產(chǎn)生生物氧化鐵膜，估計該方法可使鐵細(xì)菌產(chǎn)量提高10～100倍。此外，一些人試圖使用大型生物反應(yīng)器來豐富鐵細(xì)菌FeOB，但細(xì)胞濃度似乎沒有顯著增加。

此外，F(xiàn)eOB和MOB的應(yīng)用幾乎都是單一菌株。雖然處理效果好，但由于菌株對環(huán)境的適應(yīng)性有限，一旦環(huán)境變化超過其耐受性，細(xì)菌就會被氧化、衰弱甚至死亡。為了彌補(bǔ)這一缺陷，可以利用混合菌株提高其對環(huán)境的適應(yīng)性，提高治理效率。

5水稻田微生物鐵膜的效應(yīng)

關(guān)于控制水稻根表鐵膜養(yǎng)分富集、吸收和重金屬污染的報道較多，但對鐵膜形成及其對氧化鐵微生物影響程度的研究還相對較少。氧的分泌通過影響根際微生物的氧化作用，影響根際有毒物質(zhì)的氧化沉淀。受氧分泌影響的根際鐵氧化還原菌高于根外土壤。土壤鐵的氧化還原不僅決定了鐵的生物利用度，而且通過改變土壤氧化還原電位來調(diào)節(jié)其他元素的氧化、恢復(fù)過程。可以看出，與鐵（II）氧化或鐵（III）礦物沉淀有關(guān)的微生物會影響環(huán)境中有毒重金屬的遷移、轉(zhuǎn)化和命運(yùn)，從而產(chǎn)生重要的環(huán)境影響。稻田鐵氧化微生物的過程主要是微好氧和厭氧反硝化。前者更傾向于水稻根系和土壤表層氧合所產(chǎn)生的微氧環(huán)境，而后者在稻田外的土壤中更為常見。在濕地環(huán)境中，靠近水層的土壤表面也更有可能產(chǎn)生氧化鐵。空氣中的氧氣通過淺水層擴(kuò)散到土壤表面，形成類似于根際的微氧條件。因此，氧化鐵對稻田的影響范圍不容忽視。

影響鐵膜形態(tài)和數(shù)量的因素很復(fù)雜，包括鐵的有效性、根系氧化能力、微生物活性和土壤質(zhì)地。其中，根系氧的分泌被認(rèn)為是控制鐵膜形成的最重要的生物學(xué)因素。吳川等認(rèn)為，氧分泌對水稻吸收砷的影響可能是由于其對鐵膜形成的影響。不同品種的水稻，以及不同的水稻生長階段，由于其不同的氧分泌能力，在根系中有不同程度的鐵積累，從而影響了水稻根系表面氧化鐵膜中重金屬的富集和對水稻的吸收和運(yùn)輸。研究表明，微生物對環(huán)境鐵氧化物的形成起著重要的調(diào)節(jié)作用，約50%～90%的鐵氧化物是由微生物形成的。Chan發(fā)現(xiàn)鐵氧化細(xì)菌分泌的有機(jī)聚合物影響鐵氧化物的老化和礦物形成。目前還沒有關(guān)于鐵氧化物在同一環(huán)境中形成不同微生物種類的成分的報告。水稻可能通過釋放氧對鐵氧化微生物活性的影響間接調(diào)節(jié)鐵膜的形成，進(jìn)而影響重金屬的吸附效率。這一過程可以更好地闡明鐵植物微生物系統(tǒng)對鐵膜的影響，以減少土壤中重金屬污染。

研究發(fā)現(xiàn)，大量的鐵膜阻止植物吸收重金屬元素，并在一定的數(shù)量范圍內(nèi)促進(jìn)其生長。例如，不同氧化鐵的添加對降低土壤中鎘的生物利用度、抑制作物吸收和積累鎘有不同的作用。纖維巖優(yōu)于針鐵礦，最差的作用是鎂赤鐵礦。土壤根際和根系中的氨氧化菌、甲烷氧化菌、硫還原菌、鐵還原菌等微生物群落已經(jīng)比較成熟，而與稻田氧化鐵膜形成有關(guān)的微生物則是特別純菌株。生理生態(tài)學(xué)研究還處于起步階段。本試驗采集水稻根際與根外樣品，對其基本理化性質(zhì)、細(xì)菌多樣性以及鐵氧化菌數(shù)量進(jìn)行分析，并利用該土壤對鐵氧化細(xì)菌進(jìn)行富集分離。

（收稿：2019-09-21）