柳曉光.芽孢桿菌在植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].南方農(nóng)業(yè),2021,15(24):-12.
摘 要 重金屬污染是影響我國耕地質(zhì)量的重要因素,超富集植物修復(fù)技術(shù)盡管效果明顯,但相應(yīng)的成本也較高,且容易造成二次污染,僅適用于修復(fù)小范圍的土壤。研究表明,結(jié)合微生物修復(fù)技術(shù)和超富集植物修復(fù)技術(shù),可以提高超富集植物對污染土壤的修復(fù)效率。以巨大芽孢桿菌和膠質(zhì)芽孢桿菌為代表,總結(jié)分析了芽孢桿菌在植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)中的應(yīng)用,并就存在的問題進(jìn)行討論。
關(guān)鍵詞 芽孢桿菌;修復(fù)技術(shù);土壤重金屬污染
中圖分類號(hào):X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.24.004
隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,人類活動(dòng)對環(huán)境造成的破壞日益嚴(yán)重,而土壤污染問題近年來也逐漸顯現(xiàn),通過土壤調(diào)查發(fā)現(xiàn),我國有19.4%的耕地土壤存在不同程度的污染,以重金屬污染最為嚴(yán)重。土壤的重金屬污染存在難以消除、時(shí)滯效應(yīng)長、污染面積大等特點(diǎn),重金屬污染易被污染土壤中的植物吸收,進(jìn)入食物鏈,危害人類的健康。因此,消除土壤重金屬污染,修復(fù)被重金屬污染的土壤,保證人民的食品安全是目前亟需解決的問題。
1 超富集植物修復(fù)技術(shù)
土壤重金屬污染的修復(fù)方法主要有物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法及生物修復(fù)法等[1]。物理和化學(xué)修復(fù)法的特點(diǎn)是修復(fù)效果好、修復(fù)效率高,但也存在成本高、容易造成二次污染等弊端,只適合局部開展,不適宜大面積的土壤污染治理。生物修復(fù)技術(shù)具有綠色、穩(wěn)定的特點(diǎn),并且可以降低對環(huán)境的影響,能有效避免二次污染,技術(shù)簡單、成本低廉、環(huán)境友好的特點(diǎn)使生物修復(fù)法成為修復(fù)大面積土壤重金屬污染的主要選擇。
超富集植物修復(fù)技術(shù)是在不破壞生態(tài)環(huán)境和土壤結(jié)構(gòu)的情況下,通過植物發(fā)達(dá)的根系吸收重金屬元素[2]。超富集植物對于重金屬元素的吸收量較大,是一般植物的數(shù)十倍甚至上百倍。超富集植物對重金屬的耐受性較強(qiáng),不但能夠在被重金屬污染過的土壤上正常生長,而且一般不會(huì)出現(xiàn)重金屬毒害現(xiàn)象。超富集植物修復(fù)技術(shù)是一種比較常用的修復(fù)重金屬污染土壤的方法,能夠有效、穩(wěn)定、徹底地對土壤進(jìn)行修復(fù),從根本上降低污染土壤中重金屬元素的含量。
2 微生物-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)
超富集植物修復(fù)技術(shù)盡管能夠有效、穩(wěn)定地吸收土壤中重金屬元素,但是在有毒重金屬濃度很高的情況下,具有極高金屬積累能力的植物往往生長緩慢,產(chǎn)生的生物量也會(huì)大大降低[3]。同時(shí),超富集植物對重金屬的吸收能力雖然較普通植物有大幅提高,但相對物理修復(fù)技術(shù)和化學(xué)修復(fù)技術(shù)立竿見影的修復(fù)效果來說,超富集植物修復(fù)技術(shù)仍然存在修復(fù)效率低、治理周期較長等缺陷。
為了解決超富集植物修復(fù)技術(shù)修復(fù)效率較低的問題,學(xué)者們進(jìn)行了一系列探索。1)不斷篩選對重金屬元素耐受性更強(qiáng)、吸收能力更強(qiáng)、生長周期更短、生物量更大的超富集植物品種,同時(shí)結(jié)合分子生物學(xué),應(yīng)用基因工程技術(shù),通過增大超富集植物的個(gè)體、提高生長速率,達(dá)到提高植物修復(fù)效率的目的。2)探索通過添加化學(xué)藥劑、特種肥料及接種特定微生物等方式來促進(jìn)植物對重金屬元素的吸收。通過添加微生物來加快植物對土壤重金屬元素吸收的“植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)”,也成為近年來土壤重金屬污染治理的研究熱點(diǎn)之一。
重金屬污染土壤中重金屬離子與土壤粒子之間的結(jié)合十分緊密,能夠形成穩(wěn)定的絡(luò)合物,不容易被超富集植物提取和吸收[4]。研究發(fā)現(xiàn),部分微生物的代謝產(chǎn)物可以有效溶解被固定的重金屬元素,提高重金屬元素的生物活性,明顯促進(jìn)超富集植物對于重金屬元素的吸收。同時(shí),微生物能分泌各種植物激素和生物酶,還能通過固氮、固磷等作用改善土壤理化性質(zhì)和生態(tài)環(huán)境,能在一定程度上促進(jìn)植物在重金屬污染土壤環(huán)境中的生長[5]。因此,將微生物應(yīng)用于超富集植物修復(fù)技術(shù)中,可以有效解決植物吸收重金屬效率較低的問題。
3 芽孢桿菌在植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)中的作用
芽孢桿菌是一種常見的革蘭氏陽性菌,對環(huán)境的適應(yīng)能力極強(qiáng),可以在各類型的土壤中大量繁殖,市場上也存在多種類型的芽孢桿菌菌肥,研究芽孢桿菌在植物修復(fù)法中的作用有利于芽孢桿菌的推廣應(yīng)用。
研究發(fā)現(xiàn),芽孢桿菌對超富集植物吸收重金屬元素的影響主要有2種作用機(jī)理。1)以枯草芽孢桿菌為代表,通過分泌物的絡(luò)合作用降低土壤中重金屬元素的活性,阻滯植物對重金屬元素的吸收,減少有害的重金屬元素進(jìn)入食物鏈。2)以巨大芽孢桿菌和膠質(zhì)芽孢桿菌為代表,通過新陳代謝產(chǎn)生草酸、檸檬酸等有機(jī)酸。這些有機(jī)酸對重金屬有溶解作用,可以提高重金屬的生物有效性,促進(jìn)超富集植物對重金屬元素的吸收,從根本上降低土壤中重金屬元素的含量。
芽孢桿菌對于超富集植物吸收重金屬元素具有促進(jìn)作用,這是植物-微生物聯(lián)合修復(fù)法重要研究方向之一。楊榕在印度芥菜修復(fù)土壤Cd污染的試驗(yàn)中接種膠質(zhì)芽孢桿菌,當(dāng)加菌量為2×1010 CFU·kg-1時(shí),發(fā)現(xiàn)pH值明顯降低,并可以顯著提高土壤中Cd的生物有效性,根際、非根際土壤中有效態(tài)Cd元素的含量分別提升了36.54%和45.28%,有效促進(jìn)超富集植物印度芥菜對Cd元素的吸收[6]。地上部分生物富集系數(shù)為16.83,相比對照組提高了77.16%,地下部分生物富集系數(shù)為4.83,相比對照組提高了38.4%,對污染土壤中Cd元素的去除率達(dá)到20.9%,是其他處理的1.58~7.51倍。趙樹民等在修復(fù)Cd、Cu污染土壤時(shí)將黑麥草接種巨大芽孢桿菌,黑麥草對Cd和Cu的吸收量分別較對照組增加了45.8%和27.9%,同時(shí)發(fā)現(xiàn)巨大芽孢桿菌可以明顯增加土壤中有效磷和有效鐵的含量,黑麥草生物量較對照組增加了40.5%~50.0%[7]。丁玲在土壤中添加巨大膠質(zhì)芽孢桿菌菌懸液和檸檬酸調(diào)理劑,不僅可以使土壤中的重金屬元素發(fā)生明顯的活化,還可以提高土壤中的脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性,這也對植物的生長起到了一定的促進(jìn)作用[8]。
以巨大芽孢桿菌和膠質(zhì)芽孢桿菌為代表的芽孢桿菌在植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)中作用主要表現(xiàn)在以下2方面:1)通過微生物新陳代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸對土壤中的重金屬起到活化作用,提升超富集植物在重金屬脅迫下的吸收量;2)微生物的分泌物能夠改善土壤的理化性質(zhì),通過促進(jìn)植物生長的方式提高超富集植物的修復(fù)效率。
4 微生物與有機(jī)肥的聯(lián)合應(yīng)用
通過微生物提高植物的修復(fù)效率需要保證土壤中有一定的微生物含量,紀(jì)宏偉等研究發(fā)現(xiàn),接種25 mL和5 mL巨大芽孢桿菌,在培養(yǎng)24 h后,土壤中有效態(tài)Cd含量25 mL組比5 mL組高39%。但當(dāng)培養(yǎng)72 h后,
25 mL組的微生物由于土壤中的營養(yǎng)成分不夠充分,菌體間相互競爭營養(yǎng)成分,造成菌體數(shù)量減少且新陳代謝受到影響,土壤中的有效態(tài)Cd含量25 mL組反而比
5 mL組低22%[9]。高濃度接種并不能保證土壤中有足夠的目的微生物,在進(jìn)行污染土壤修復(fù)時(shí),尤其是廢棄礦山、建設(shè)用地的修復(fù)治理時(shí),往往土壤中的營養(yǎng)成分過低,不僅對植物的生長有一定的影響,也限制了土壤中微生物的含量,直接向土壤中接種微生物菌粉、溶液等,經(jīng)過一段時(shí)間微生物總量會(huì)明顯降低。解決這一問題的常規(guī)方法就是綜合使用微生物和有機(jī)肥,在有機(jī)肥中接種微生物,制備生物菌肥,使微生物菌落的數(shù)量滿足應(yīng)用需求。
5 問題及展望
1)大多數(shù)的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段,實(shí)驗(yàn)室研究環(huán)境過于理想,微生物的環(huán)境適應(yīng)問題、微生物的最佳接種濃度問題、制備適用大田的特種微生物菌肥配方問題、超富集植物重金屬耐受問題等都需要進(jìn)一步開展研究。2)巨大芽孢桿菌、膠質(zhì)芽孢桿菌等對超富集植物吸收重金屬的促進(jìn)作用是明確的,但還需對其他微生物進(jìn)行試驗(yàn)。爭取篩選出對超富集植物吸收重金屬效率提升更為有效的菌種,并嘗試使用分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)等生物技術(shù)改造出特種微生物,不同菌種按比例混合,以獲得最佳的效果。3)使用部分芽孢桿菌等常見微生物提高超富集植物修復(fù)土壤重金屬污染的技術(shù)路線是可行的。進(jìn)一步開發(fā)適合推廣應(yīng)用的相關(guān)菌肥產(chǎn)品、總結(jié)一套成熟可靠的技術(shù)方法是需要進(jìn)一步解決的問題。
參考文獻(xiàn):
[1] 余勁聰,何舒雅,曾潤穎,等.芽孢桿菌修復(fù)土壤重金屬鎘污染的研究進(jìn)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,43(1):73-78.
[2] 楊榕,李博文,劉微.膠質(zhì)芽孢桿菌對印度芥菜富集土壤Cd及土壤pH的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(6):1648-1654.
[3] 唐小飛.植物-微生物聯(lián)合修復(fù)重金屬污染土壤研究進(jìn)展[J].廣東化工,2018,45(14):148-149.
[4] 常海偉,劉代歡,賀前鋒.重金屬污染農(nóng)田微生物修復(fù)機(jī)理研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)雜志,2018,38(2):114-121.
[5] 李海燕,熊幟,李欣亞,等.植物-微生物聯(lián)合修復(fù)重金屬污染土壤研究進(jìn)展[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào),2017,42(3):81-88.
[6] 楊榕.膠質(zhì)芽孢桿菌促進(jìn)印度芥菜富集土壤鎘的效應(yīng)研究[D].保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.
[7] 趙樹民,李曉東,虞方伯,等.巨大芽孢桿菌LY02對黑麥草修復(fù)重金屬污染土壤的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2017,31(5):340-344.
[8] 丁玲.巨大/膠質(zhì)芽孢桿菌與檸檬酸聯(lián)合強(qiáng)化植物修復(fù)鉛鋅鎘污染的土壤[D].保定:河北大學(xué),2017.
[9] 紀(jì)宏偉,王小敏,龐宏偉,等.枯草芽孢桿菌與巨大芽孢桿菌對土壤有效態(tài)Cd的影響研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2015,29(3):325-329.
(責(zé)任編輯:劉寧寧)