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

柳曉光

（中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北保定 072750）

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類活動對環(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、時滯效應(yīng)長、污染面積大等特點，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，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)生的生物量也會大大降低［3］。同時，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，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 污染的試驗中接種膠質(zhì)芽孢桿菌，當(dāng)加菌量為2×1010CFU·kg-1時，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，尤其是廢棄礦山、建設(shè)用地的修復(fù)治理時，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)過一段時間微生物總量會明顯降低。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)的研究還停留在實驗室階段，實驗室研究環(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。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。