微生物修復砷污染的研究進展

龍中 黃臣臣

摘要 微生物廣泛參與了砷的地球化學循環(huán)，對砷的遷移轉化過程具有重要影響。利用微生物修復砷污染具有較大的潛力，也是砷污染防治的研究熱點。綜述了微生物作用下砷的地球化學循環(huán)和微生物修復機制，重點分析了各類微生物對砷污染的修復潛力，最后對微生物修復砷污染存在的問題和今后的發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞 砷污染;微生物;修復;積累;存在問題;展望

中圖分類號 X172 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）21-0016-05

Abstract Microorganisms are widely involved in the geochemical cycle of arsenic， which has an important influence on the migration and transformation of arsenic. The use of microorganisms to repair arsenic pollution has great potential and is also a research hotspot in the prevention and control of arsenic pollution. The geochemical cycle of arsenic under the action of microorganisms and the mechanism of microbial remediation were reviewed， and the remediation potential of various microorganisms for arsenic pollution were analyzed. Finally， the existing problems and the future development of microbial remediation of arsenic pollution were prospected.

Key words Arsenic pollution;Microorganisms;Remediation;Accumulation;Existing problem;Prospect

作者簡介 龍中（1992—），男，貴州銅仁人，碩士，從事重金屬污染與防治研究。*通信作者，碩士，從事重金屬污染與防治研究。

收稿日期 2020-04-19;修回日期 2020-05-12

砷（As）是一種全球關注的有毒非金屬元素，來源包括自然活動和人類活動。由于含砷殺蟲劑、防腐劑等的使用以及礦產(chǎn)開采與冶煉、煤炭燃燒等人為因素的影響，加劇了土壤砷污染[1]。As具有極強的毒性和致癌作用，嚴重威脅到人類的身體健康[2]，以致土壤砷污染問題受到廣泛關注。

目前，土壤砷污染修復方法有很多，如玻璃化法、電動修復法、固化/穩(wěn)定化技術、植物修復等，但由于存在投資費用高、可能導致二次污染等問題，其發(fā)展和應用受到了制約[3]。由于微生物修復技術具有環(huán)境協(xié)調(diào)性、修復成本低且對砷污染土壤修復表現(xiàn)出較大的發(fā)展?jié)摿Φ忍攸c，逐漸成為環(huán)境科學領域的研究熱點[4]。微生物可以通過對As的氧化/還原、吸附/解吸、甲基化/去甲基化、沉淀/溶解等作用影響其生物有效性，通過自身細胞壁或代謝產(chǎn)物吸附砷，對砷進行積累而將其固定;或通過氧化或甲基化作用生成毒性較As（Ⅲ）更低的As（V）或三甲基砷（TMA）、三甲基砷氧化物（TMAO）;或通過促進含砷化合物與土壤膠體等的絡合、沉淀，從而達到降低環(huán)境中的砷毒害、修復砷污染土壤的目的[5]。 筆者總結了近年來國內(nèi)外砷污染微生物修復技術的研究進展，并展望了今后的研究方向，以期為微生物修復技術及砷污染的防治工作提供理論基礎。

1 微生物作用下砷的地球化學循環(huán)

自然界中的As以砷酸鹽[As（V）]、亞砷酸鹽[As（Ⅲ）]、元素砷和砷化物4種形態(tài)存在，其中As（V）和As（Ⅲ）在自然界中最常見。土壤中As的存在形態(tài)復雜，包括無機砷和有機砷，在自然條件下土壤As主要以無機形態(tài)存在，在氧化條件下其主要存在形態(tài)為As（V），而在還原條件下則主要以As（Ⅲ）形態(tài)存在[6]。As的毒性主要取決于其形態(tài)，一般認為 As 的毒性順序為無機As（Ⅲ）>有機As（Ⅲ）>有機As（V）>無機As（V）[7]。

微生物在自身代謝As的過程中伴隨著價態(tài)與形態(tài)的轉化，通過氧化/還原、甲基化/去甲基化等作用對砷的地球化學循環(huán)產(chǎn)生重要影響[8]。無機態(tài)As通過土壤微生物甲基化作用轉變成有機態(tài)As，揮發(fā)到大氣中，從而將As以氣態(tài)形式釋放遷移[9-10]。揮發(fā)性的含砷化合物在大氣中能逐漸被氧化，然后隨雨水或大氣干沉降進入到土壤或水體中，最終完成As在土壤/水體與大氣中的循環(huán)。

2 微生物修復砷污染

2.1 微生物固定作用

微生物對As的累積包括細胞壁及自身代謝產(chǎn)物對As的吸附，同時也包括新陳代謝作用As在細胞體內(nèi)的累積[11]。其中微生物吸附砷是進入細胞、形態(tài)轉化、固化砷的重要環(huán)節(jié)，由于某些微生物細胞壁外含有氨基、咪唑、碳水化合物、去磷酯酸、肽聚糖等帶電基團和胞外聚合類等物質(zhì)，可與環(huán)境中的金屬元素發(fā)生電荷吸附或專性吸附[12]。魏小凡等[13]研究表明細菌細胞表面存在多種結合As的官能團，如羥基、羧基、酰胺基和苯酚類，能與As發(fā)生離子交換、配位結合或絡合等化合反應而達到吸附As的目的。

大量研究表明真菌對As（Ⅲ）和As（V）具有良好的吸附效果，其中紫青霉（P.purpurogenum）對As（Ⅲ）的最大吸附量為35.6 mg/g[14];黃青霉（P.chrysogenum）在添加表面活性劑或陽離子電解液后對As（V）的最大吸附能力為56.1 mg/g[15];改性擬青霉（Paecilomyces sp.）對1 mg/L As（Ⅲ）的去除率為64.5%[16];黃曲霉（Aspergillus flavus）、擬青霉（Paecilomyces sp.）和煙曲霉（A.fumigatus）對1 mg/L As（V）的去除率分別可達97.1%、89.0%和83.4%[17];黑曲霉（Aspergillus niger）對As（V）的吸附率達95%，As（Ⅲ）的吸附率達75%，DMA的吸附率達50%[18-19]。此外，細菌對砷也有較好的吸附效果，Haris等[20]研究表明，在羥基、酰胺和胺基的參與下，耶爾森菌（Yersinia sp.）對As（Ⅲ）吸附量可達159 ?mg/g，對As（Ⅲ）的回收率高達96%。

大多數(shù)微生物不僅已經(jīng)形成了抗As機制，而且還能利用As進行呼吸作用或作為電子供體[21-22]。盡管As在細胞質(zhì)中不發(fā)揮任何代謝或營養(yǎng)作用，沒有形成專門的As吸收系統(tǒng)，但它可以通過其他分子的轉運體進入細胞，并在細胞中累積[23]。多數(shù)研究表明，部分細菌、真菌和藻類對As都具有一定的積累作用。

呂常江等[24]研究發(fā)現(xiàn)在有光照的厭氧條件下，沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）在濃度01 mmol/L As（V）中培養(yǎng)，細胞中積累As總量為1.32 mg/g，其中9.8%在細胞質(zhì)中，4.9%與細胞膜的脂質(zhì)相結合，其余吸附在細胞表面;海單胞菌（Marinomonas）在As濃度為5 mg/L的溶液中培養(yǎng)，細胞中As的累積量為2.2 mg/g，其中45%在細胞質(zhì)中，10%與膜的脂質(zhì)結合，其余吸附在細胞表面[25];芽孢桿菌（Bacillus sp.）對As的最大積累量為9.8 mg/g，其中80%的砷積聚在細胞質(zhì)中[26];鹵代堿性嗜鹽細菌（Haloalkaliphilic Exiguobacterium sp.）可去除水中約99%的As，由于As在細胞內(nèi)積累，使細胞尺寸增加了4倍[27]。Mallick等[28]通過盆栽試驗證實了抗砷短桿菌（Brevibacillus sp.）通過對土壤砷進行固定，降低砷在植株體內(nèi)的積累。青霉（Penicillin janthinellum）在2.5 mg/L As（V）濃度下培養(yǎng)，對砷的積累量達39.5 μg，木霉（Trichoderma asperellum）和尖孢木霉（Fusarium oxysporum）對胞外砷的吸收和胞內(nèi)砷的積累能力分別可達到總As的82.2%和63.4%[29]。Singh等[30]研究了54株真菌對As的累積能力，結果發(fā)現(xiàn)，As的生物累積量為0.023～0.260 mg/g，其中米曲霉（Aspergillus oryzae）、鐮刀菌（Fusarium sp.）、巢狀曲霉（Aspergillus nidulans）、多變根毛霉（Rhizomucor variabilis sp.）對砷的積累量較高，可作為污染農(nóng)田土壤的修復劑。微囊藻屬（PCC7806）、諾斯托克菌屬（PCC7120）和集囊藻屬（PCC6803）對As的積累分別高達0.39、0.45和0.38 mg/g[31];小球藻（Chlorella vulagaris）能通過細胞壁吸附及新陳代謝作用累積大量的 As（Ⅲ），由小球藻形成的菌藻共生體對砷的積累量高達7.47 mg/g[32-33]。

2.2 氧化作用

無機砷中As（Ⅲ）的毒性最強，并且As（Ⅲ）在多數(shù)環(huán)境下相比于As（V）更難以被吸附，因此具有更強的移動性[34-35]。微生物As氧化一是能將As（Ⅲ）氧化為毒性和移動性更低的As（V）[36]，降低環(huán)境中的砷污染毒性;此外，As（Ⅲ）氧化菌還能通過As氧化反應過程中產(chǎn)生的能量完成自身的生長代謝[37]，如硫單胞菌（Thiomonas）可以在沒有任何有機化合物的情況下利用As（Ⅲ）作為唯一的能源生長[38]。

楊宇等[39]研究表明假單胞菌屬（Pseudomonas）對As有極強的氧化作用，在20 h內(nèi)能將As（Ⅲ）幾乎完全氧化;惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）在35 h內(nèi)將1 mmol/L的As（Ⅲ）完全氧化為As（V）[40];假單胞菌（Pseudomonas sp.）在有氧條件下，對0.25 μmol/L的亞砷酸鹽氧化率達到92%[41];Valenzuela等[36]從高砷污染河流沉積物中分離得到的9種假單胞菌株，對初始濃度為0.5 mmol/L的As（Ⅲ）氧化率達95.6%～100%。

硫單胞菌對As（Ⅲ）也具有較強的氧化能力，硫單胞菌（Thiomonas）能介導As和Fe氧化，使As通過與Fe（Ⅲ）共沉淀作用去除20%～60%[42]。硫單胞菌屬（Thiomonas）對As（Ⅲ）氧化速率可達160 mg/（L·h）[43]。Battaglia-Brunet等[44]分離出的硫單胞菌屬（Thiomonas）能在指數(shù)生長階段氧化亞砷酸鹽，該菌若能以As（Ⅲ）作為能量底物，將會在砷的生物地球化學循環(huán)中發(fā)揮重要作用。

短桿菌屬（Brevibacterium sp.）和北京芽孢桿菌（Bacillus beijingensis）對As（Ⅲ）具有較強的耐受性，在72 h內(nèi)YZ-1和YZ-2分別氧化73.5和66.0 mg/L As（Ⅲ），2株菌對堿性砷污染土壤的生物修復具有較好的經(jīng)濟效益[45]。YZ-1在最佳培養(yǎng)條件下，對土壤中水溶性As（Ⅲ）和NaHCO3提取態(tài)As（Ⅲ）去除率分別達92.3%和84.4%，若生物氧化再結合生物施韋特曼石固定作用，對As污染土壤會有更好的處理效果，對水溶性和NaHCO3提取態(tài)As的固定效率分別為993%和82.6%[46]。

根瘤菌（Rhizobium sp.）能以亞砷酸鹽作為電子供體，從亞砷酸鹽氧化中獲取能量[47-48];周武先等[49]研究發(fā)現(xiàn)將中華根瘤菌屬（Sinorhizobium sp.）菌株接種到淹水的As污染水稻土中，土壤底泥中磷酸可提取態(tài)的As（Ⅲ）含量降低了800%。Paul等[50]研究也證實根瘤菌屬（Rhizobium）具有高的As（Ⅲ）氧化活性，且As（Ⅲ）抗性與As（Ⅲ）氧化之間呈正相關關系，這種具有高度As（Ⅲ）氧化活性且代謝良好的細菌菌株可用于對砷污染的生物修復。

其他細菌對As（Ⅲ）也具有較強的氧化能力，如產(chǎn)堿菌（Alcaligenes sp.）在21 h對As（Ⅲ）氧化率近100%[51];嗜麥芽窄食單胞菌（Stenotrophomonas panacihumi）在12 h內(nèi)將500 μmol/L的As（Ⅲ）完全氧化為As（V）[52];Bosea sp.AS-1可以完全氧化2 mmol/L的As（Ⅲ），AS-1結合針鐵礦體系能去除99%初始濃度為500 μg/L的As（Ⅲ）[53];黑鏈球菌（Paracoccus niistensis）接種到淹水土壤中，能大大增強As（Ⅲ）在土壤的溶液相和吸附相中氧化為As（V）的能力，并從As（Ⅲ）氧化為As（V）過程中獲取能量[54];側孢短芽孢桿菌在最佳條件下培養(yǎng)在10 h，能將200 mg/L的As（Ⅲ）氧化為As（V），對苗期水稻As（Ⅲ）毒害具有顯著修復效果[55]。Aliihoeflea sp.能氧化亞砷酸鹽，可去除天然地下水中64%的砷[56]。鉤蟲屬（Ancylobacter）、硫桿菌（Thiobacillus）、嗜氫菌屬（Hydrogenophaga）在有氧條件下，將10 mmol/L的亞砷酸鹽氧化為砷酸鹽[57];有一些細菌在厭氧條件下也能將As（Ⅲ）氧化，如嗜堿菌（Alkalilimnicola ehrlichii）能以As（Ⅲ）作為電子供體，以硝酸鹽作為電子受體，在加利福尼亞州莫諾湖的富As（Ⅲ）的缺氧水底中將As（Ⅲ）氧化成As（V）[58]。α-變形桿菌不僅對As（Ⅲ）具有較強的氧化作用，還對Li、Pb、Hg、Sb（Ⅲ）、Cd、Cr（VI）、Ni等重金屬有抵抗作用，可用于As與多種重金屬復合污染的土壤修復[59]。

2.3 揮發(fā)作用

砷的生物揮發(fā)在全球砷的生物地球化學循環(huán)中起著重要的作用，也是砷生物修復的潛在方法。因此，當環(huán)境中或生物體內(nèi)的無機砷被轉化為毒性較弱的有機砷或以氣體形式揮發(fā)到大氣中，一定程度上能夠降低砷的環(huán)境風險和健康毒害。

砷的甲基化在自然界很普遍，很多微生物如部分真菌、酵母菌、細菌都具有砷甲基化功能。在微生物作用下，無機As可以被轉化為毒性較低的一甲基砷酸（MMAA）、二甲基砷酸（DMAA）、三甲基砷氧（TMAO）以及無毒的芳香族化合物arsenocholine（AsC）和arsenobetaine（AsB）[9]，甲基砷酸可以在某些微生物的作用下分別轉化為一甲基砷（monomethy-larsine，MMA）、二甲基砷（dimethylarsine，DMA）和三甲基砷（trimethylarsine，TMA）[10]。甲基砷酸的毒性比砷酸鹽小得多，其形態(tài)的轉化降低了砷的毒性風險，最終形成的甲基砷沸點較低，很容易揮發(fā)進入到大氣中，As可以得到有效的去除。目前已發(fā)現(xiàn)多種微生物能通過甲基化過程將砷揮發(fā)到大氣中，包括多種真菌、細菌、真核藻類等，他們揮發(fā)砷的能力各有不同[60]。

真菌是首先被發(fā)現(xiàn)具有砷揮發(fā)能力的微生物，Gosio[61]研究發(fā)現(xiàn)曲霉（Aspergillus sp.）和青霉（Penicilluium sp.）能夠將砷化物轉化為一種劇毒的大蒜味道的氣體（Gosio氣體），后來Challenger等[62]證實了微生物可以通過一系列生物甲基化反應將無機 As 轉化為揮發(fā)性的Gosio氣體TMA，而后越來越多具有砷揮發(fā)能力的真菌被報道出來，如黑曲霉和青霉在500 mg/L的As（V）培養(yǎng)15 d，細胞中分別積累313%和32.4%的DMA，8.3%和2.3%的MMA;Guimares等[63]研究也表明青霉（Penicillium sp.）、曲霉（Aspergillus sp.）和黑曲霉（A.niger）分別能產(chǎn)生57.8%、46.4%和5.2%的揮發(fā)性砷，產(chǎn)生的揮發(fā)性砷主要為TMAs，其次是MMAs和DMAs;Edvantoro等[64]也證實了青霉的強化作用能夠提高土壤中砷的釋放速率;此外，鏈霉菌屬（Streptomyces）也能將As（Ⅲ）轉化為MMAA和DMA[65]。Srivastava等[66]研究發(fā)現(xiàn)根霉（Rhizopus sp.）、新宇宙孢子菌屬（Neocosmospora sp.）、青霉（Penicillium sp.）、曲霉（Aspergillus sp.）等10種真菌對砷的去除率在10.9%～65.8%，生物揮發(fā)砷的平均去除率為371%～2986%，這些真菌菌株可有效地用于砷污染農(nóng)田土壤的生物修復。

具有甲基化As能力的微生物在細菌中也廣泛分布。沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）可以催化As（Ⅲ）生成大量甲基化中間體，最終產(chǎn)物為三甲基胂[67];水稻土中分離出的梭狀芽孢桿菌（Clostridium sp.）也具有甲基化As的能力，其甲基轉移酶（CsArsM）催化亞砷酸鹽形成甲基化產(chǎn)物[68]。枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）可將無機As在48 h內(nèi)轉化為二甲基胂和三甲基胂氧化物，并揮發(fā)大量的二甲基胂和三甲基賴氨酸[69]。噬纖維菌屬（Cytophagaceae）具有較強的甲基化和揮發(fā)能力，將幾乎所有的亞砷酸鹽（10 μm）轉化為二甲基胂酸鹽和三甲基氧胂氣體，在砷污染水稻土修復方面顯示出巨大的潛力[70]。砷的甲基化還受其他因素的影響，Huang等[71]研究表明砷的甲基化和揮發(fā)隨著有機質(zhì)的添加量增加而顯著增加。

藻類和一些原生動物也具有一定的甲基化砷能力。Yin等[31]研究發(fā)現(xiàn)微囊藻（Microytis sp.）、諾斯托克藻（Nostoc sp.）和集囊藻（synecyocystis sp.）在As濃度較高時，每種藍細菌的細胞都會產(chǎn)生揮發(fā)性砷，最終產(chǎn)物為三甲基胂;紅藻（Cyanidioschyzon sp.）能使As（Ⅲ）甲基化形成三甲氧基胂氧化物（TMAO）和二甲基胂[DMAS（V）]，這也說明真核微生物對地熱系統(tǒng)中砷的生物地球化學循環(huán)具有重要的意義[72];此外，原生動物梨形四膜蟲（Tetrahymena pyriformis）也具有甲基化作用，其中轉移酶TpyArsM起主要作用，能將無機甲基化合成了單、二甲基亞砷酸鹽，并能生成三甲基亞砷酸鹽[TMA（Ⅲ）]和二甲基亞砷酸鹽（Me2AsH）氣體[73]。

目前的研究表明，具有砷揮發(fā)能力的微生物種類較多，但微生物揮發(fā)As的能力較弱，揮發(fā)率也較低，普遍在10% 以內(nèi)。此外，土壤中As的揮發(fā)受環(huán)境條件的影響較大，如氧化還原條件、pH、含水率、溫度和其他重金屬離子等[74-75]。

3 微生物修復存在的問題及展望

3.1 存在的問題

雖然生物修復作為環(huán)境友好型的治理技術廣受關注，但其本身也存在一定的局限性：

①許多微生物被分離并證實具有生物累積、氧化與揮發(fā)砷的能力，但這些微生物需要一定的生長條件，目前研究報道還主要集中在室內(nèi)研究階段，應用到修復場地中的微生物可能難以適應野外自然環(huán)境，可能導致實際作用與試驗結果有較大出入，利用微生物來修復砷污染仍然面臨較大的挑戰(zhàn);

②單獨采用砷污染微生物修復的效率往往不高，還需結合物理化學、植物等修復技術;

③目前發(fā)現(xiàn)和篩選出來的砷修復微生物多屬于專一型，但現(xiàn)實中的污染多為復合型污染，生物修復的效率和利用價值會受到限制;

④微生物修復技術受環(huán)境因子影響很大，如土壤pH、Eh、溫度、濕度、養(yǎng)分狀況等，這些環(huán)境因素在實際修復中難以控制或控制成本較高。

3.2 展望

微生物修復是生物修復技術的核心技術，今后的研究方向可著重于以下幾點：

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