隱秘而偉大的微生物

供稿|時(shí)婧蕓 / SHI Jing-yun

內(nèi)容導(dǎo)讀

在大自然中有著千千萬(wàn)萬(wàn)、不可計(jì)數(shù)的微生物，人類通常難以用肉眼看見它。它們雖然是隱秘的角色，卻可以做成許多偉大的事。隨著工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，血鉛、鎘大米事件頻發(fā)，而環(huán)境的修復(fù)通常需要很大的投入。那么，微生物修復(fù)技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)高效修復(fù)呢？本文將介紹當(dāng)前存在的典型環(huán)境問(wèn)題，通過(guò)對(duì)比多種環(huán)境修復(fù)技術(shù)，使微生物修復(fù)技術(shù)走進(jìn)大家的視野，讓大家更加了解微生物的妙用。

隨著城市化進(jìn)程的加快和工業(yè)的快速發(fā)展，場(chǎng)地污染日益加劇。重金屬和多環(huán)芳烴(PAHs)是工業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生的典型無(wú)機(jī)污染物和有機(jī)污染物，重金屬和PAHs物化性質(zhì)較穩(wěn)定，在環(huán)境中不易去除，存在時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)二者同時(shí)存在于同一環(huán)境中時(shí)，二者之間會(huì)發(fā)生各種直接或間接的相互作用，導(dǎo)致重金屬和PAHs復(fù)合污染的修復(fù)也更加困難。微生物修復(fù)技術(shù)具有材料來(lái)源廣、成本低和無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在修復(fù)重金屬和PAHs復(fù)合污染中具有很大優(yōu)勢(shì)。

亟待解決的環(huán)境問(wèn)題

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)工業(yè)固廢的總產(chǎn)生量逐年增加。2018年，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布工業(yè)企業(yè)的冶煉廢渣產(chǎn)生量為3.7億t，占比11.6%。冶煉廢渣產(chǎn)生量最大的行業(yè)是黑色金屬冶煉和壓延加工業(yè)，其產(chǎn)生量為3.3億t，綜合利用率為91.8%；其次是有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)，其產(chǎn)生量為2691.7萬(wàn)t，綜合利用率僅為60.5%[1]。我國(guó)作為全球最大規(guī)模的廢渣生產(chǎn)國(guó)，對(duì)有色金屬行業(yè)產(chǎn)生的冶煉廢渣以堆放和回填為主，因廢渣中有價(jià)值金屬含量低，提取工藝流程復(fù)雜，操作難度高而導(dǎo)致有效利用率很低。這些堆存的廢渣含有大量重金屬和有機(jī)污染物，若不經(jīng)處理會(huì)污染土壤和地下水。

重金屬污染現(xiàn)狀

有色金屬冶煉渣是有色金屬礦物冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣。在鉛、鋅或銅的冶煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量廢物，其中含有潛在的有毒金屬(如鉛、鋅、銅、鎘、錫、汞等)和類金屬(如砷、銻)。冶煉渣的堆放不可避免會(huì)占用大量的土地資源，從而導(dǎo)致土地資源利用率降低。有些廠區(qū)在生產(chǎn)完礦產(chǎn)資源后，直接將冶煉渣排放在空地上，這樣會(huì)直接對(duì)土地造成污染，如圖1(a)所示。到目前為止，我國(guó)的冶煉渣還是以堆存為主，這占用了大量的土地，已成為我國(guó)主要的生態(tài)環(huán)境污染源之一。由于廢渣中含有大量鎘、鉻、銅、鉛和鋅等重金屬和有毒元素，長(zhǎng)期堆置會(huì)導(dǎo)致大量有價(jià)金屬的流失，對(duì)土壤、地下水等生態(tài)環(huán)境造成潛在污染和危害，還會(huì)導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的改變。冶煉渣顆粒及其風(fēng)化過(guò)程會(huì)造成污染物向土壤中的釋放，它們隨后會(huì)與單個(gè)土壤成分結(jié)合。冶煉廠土壤中銅、鋅和鉛向下滲透速度很快，這些重金屬?gòu)耐寥乐羞w移到植物根系，影響在冶煉區(qū)土壤遺留地種植農(nóng)作物的產(chǎn)量和安全性。堆積的冶煉渣由于顆粒較小，很容易散播到空氣中，對(duì)周圍地區(qū)的環(huán)境在一定程度上造成了污染。當(dāng)土壤中重金屬含量超出國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的值后，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成極大的潛在危害，主要包括：

(1)危害人體健康。土壤中重金屬會(huì)通過(guò)呼吸或食物鏈等途徑不斷富集在肝臟、大腦、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)等器官中，對(duì)兒童發(fā)育和人體健康會(huì)產(chǎn)生無(wú)法扭轉(zhuǎn)的毒害作用。

(2)對(duì)土壤的理化性質(zhì)及動(dòng)植物群落造成破壞。重金屬對(duì)土壤的pH值、陽(yáng)離子交換量(CEC)、土壤酶的活性及氮素的固定作用等均會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

(3)污染地表水源及地下水體，如圖1(b)所示。土壤中的重金屬會(huì)隨著雨水沖刷、自然滲透等方式進(jìn)入天然水體或地下水體并不斷發(fā)生遷移，進(jìn)而重金屬污染區(qū)域不斷擴(kuò)大，而且也會(huì)對(duì)水生動(dòng)植物造成危害。

圖1 工業(yè)污染現(xiàn)狀

多環(huán)芳烴污染現(xiàn)狀

多環(huán)芳烴(PAHs)主要由人為來(lái)源產(chǎn)生，主要包括化石燃料和生物質(zhì)的不完全燃燒及化石燃料自然揮發(fā)或泄漏等過(guò)程。PAHs的產(chǎn)生主要有三種途徑：一是由高溫形成，有機(jī)質(zhì)在缺氧環(huán)境下的不完全燃燒；二是自然界底層沉積過(guò)程形成，例如煤、石油的形成過(guò)程，因此煤、石油及一系列衍生產(chǎn)品中都含有較多的PAHs存在；三是由某些植物和微生物合成。有色冶煉過(guò)程中使用了大量燃煤，而燃煤是PAHs的主要來(lái)源之一。煤、石油、木材及有機(jī)高分子化合物的不完全燃燒都能產(chǎn)生PAHs，這些污染物質(zhì)進(jìn)入大氣環(huán)境后，絕大部分通過(guò)沉降進(jìn)入土壤，污染土壤環(huán)境。PAHs是一類廣泛存在于環(huán)境中的具有致癌、致畸、致突變性的持久性有機(jī)污染物，易被土壤顆粒吸附，并能長(zhǎng)期存在于土壤與水環(huán)境中，不斷累積，具有很強(qiáng)的生態(tài)毒性。PAHs可以通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移與富集，土壤中的PAHs除了對(duì)生態(tài)環(huán)境安全造成極大的威脅，還可以通過(guò)手、口途徑及食物鏈等進(jìn)入人體，進(jìn)而對(duì)人體健康產(chǎn)生潛在的危害性。PAHs是脂溶性的有機(jī)物，能夠通過(guò)細(xì)胞膜，也能經(jīng)由離子通道進(jìn)入胞內(nèi)影響細(xì)胞的正常生理活性，比如PAHs能誘發(fā)腫瘤，能通過(guò)影響人體的其他生化反應(yīng)而引發(fā)心腦血管疾病，或抑制單核細(xì)胞轉(zhuǎn)化為巨噬細(xì)胞，破壞人體免疫系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 工業(yè)污染的危害

現(xiàn)有的環(huán)境修復(fù)技術(shù)

重金屬和PAHs復(fù)合污染的修復(fù)比單一污染修復(fù)更為復(fù)雜，因?yàn)橹亟饘俸蚉AHs之間存在復(fù)雜的相互作用，而且二者物理化學(xué)性質(zhì)相差較大，所以對(duì)復(fù)合污染修復(fù)手段的要求也更高?，F(xiàn)有的關(guān)于重金屬和PAHs復(fù)合污染修復(fù)技術(shù)的研究包括物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)和微生物修復(fù)技術(shù)。

物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)

用于重金屬和PAHs復(fù)合污染的物理化學(xué)修復(fù)法主要有換土法和淋洗修復(fù)法。換土法雖然修復(fù)快，但并未從根本上把污染物從土壤中去除。淋洗修復(fù)是目前復(fù)合污染土壤修復(fù)中較為有效的方法。淋洗修復(fù)是一種處理污染土壤、污泥和沉積物中無(wú)機(jī)或有機(jī)污染物的物理化學(xué)過(guò)程，通常是指向土壤內(nèi)注入或噴灑溶劑沖洗孔隙介質(zhì)中的污染物，借助溶劑對(duì)污染物的遷移或助溶等作用，達(dá)到污染物質(zhì)脫附、溶解并去除的效果。淋洗修復(fù)重金屬和多環(huán)芳烴的污染，主要是利用淋洗液通過(guò)溶解、離子交換、脫附、螯合等作用將吸附于土壤顆粒表面的重金屬分離出來(lái)。PAHs的淋洗則主要通過(guò)淋洗劑的包覆攜帶或是增溶作用將其從土壤中洗脫。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者致力于研究淋洗法修復(fù)土壤中重金屬與PAHs復(fù)合污染，使用最多的淋洗溶劑是表面活性劑類。表面活性劑是一種同時(shí)含有親水和疏水基團(tuán)的兩性化學(xué)物質(zhì)，正是這樣獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)可以明顯降低溶劑的表面張力和界面張力，提高土壤中污染物的溶解度，特別是對(duì)于疏水有機(jī)物。表面活性劑的種類繁多，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，能夠同時(shí)去除土壤中重金屬與PAHs復(fù)合污染的表面活性劑有環(huán)糊精(CD)及其衍生物、生物表面活性劑等。在實(shí)際應(yīng)用中常與化學(xué)表面活性劑(吐溫80、聚氧乙烯油醇醚和十二烷基硫酸鈉等)、螯合劑(乙二胺四乙酸、苯基乙酸鈉等)、無(wú)機(jī)試劑(酸、堿、鹽)及有機(jī)酸(檸檬酸等)混合使用。

淋洗法對(duì)于有機(jī)和無(wú)機(jī)污染的修復(fù)均有很高的修復(fù)效率，處理速度快，去除效率高，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但也存在它的局限性。首先，部分淋洗劑本身也是一種污染物質(zhì)，大量使用將引起二次污染問(wèn)題；其次，對(duì)于土壤顆粒較細(xì)，滲透系數(shù)低的土壤，淋洗液無(wú)法順利流經(jīng)污染土壤，二者不能充分混合，因此無(wú)法將污染物從污染土壤中洗脫出來(lái)。

植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)是指將某種或多種特定植物種植在污染土壤上，利用植物本身和相關(guān)的根際微生物降解、吸收或轉(zhuǎn)化土壤中污染物質(zhì)的一種原位處理技術(shù)。植物修復(fù)的主要作用機(jī)制有根際修復(fù)、植物提取和根系過(guò)濾。對(duì)于土壤中的有機(jī)污染物如PAHs，植物修復(fù)主要是利用植物自身的吸收、揮發(fā)作用以及根際釋放的酶、分泌物和土著微生物的催化降解實(shí)現(xiàn)去除。根際是植物根系周圍微生物密集活動(dòng)的棲息地，根際分泌物增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，為微生物生長(zhǎng)繁殖提供了有機(jī)碳源，使得微生物的數(shù)量不斷增加，進(jìn)而提高對(duì)PAHs的降解效能。微生物在自身生長(zhǎng)代謝過(guò)程中可以把PAHs作為碳源，將其降解的同時(shí)為自身提供能量。土壤中的重金屬不能像有機(jī)污染物一樣通過(guò)自然降解或生物降解的方法去除，植物修復(fù)重金屬污染土壤主要通過(guò)植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定化。一般來(lái)說(shuō)，修復(fù)效果的好壞取決于能否找到適宜的超富集植物。

植物修復(fù)是一種生態(tài)友好型的修復(fù)手段，不僅具有材料來(lái)源廣、成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能美化環(huán)境、保持水土，高大植物還能起到防風(fēng)固沙的作用。然而植物修復(fù)也存在一定的缺陷，它所針對(duì)的污染場(chǎng)地主要是低濃度污染，因?yàn)楦邼舛鹊奈廴疚飼?huì)抑制植物的生長(zhǎng)；而且植物修復(fù)的周期一般較長(zhǎng)。

微生物修復(fù)技術(shù)

污染土壤的微生物修復(fù)是指利用天然存在的土著微生物或添加人為培養(yǎng)的微生物，通過(guò)創(chuàng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)微生物代謝，最終達(dá)到降解或轉(zhuǎn)化土壤中污染物質(zhì)的效果。微生物對(duì)重金屬和多環(huán)芳烴復(fù)合污染的修復(fù)主要分為對(duì)PAHs的吸附降解和對(duì)重金屬的累積和轉(zhuǎn)化。環(huán)境中的重金屬無(wú)法像有機(jī)物一樣被降解，只能通過(guò)改變其存在形態(tài)和遷移能力，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害或低毒的物質(zhì)從而達(dá)到改善環(huán)境的目的。微生物能夠?qū)h(huán)境中的重金屬固定在微生物細(xì)胞膜表面，或富集于細(xì)胞內(nèi)，降低重金屬的遷移轉(zhuǎn)化能力，達(dá)到污染修復(fù)的目的。能夠修復(fù)重金屬和多環(huán)芳烴復(fù)合污染的微生物包括細(xì)菌、真菌和藻類。

微生物修復(fù)技術(shù)成本較低，去除效率高，無(wú)二次污染且微生物來(lái)源廣，易得到。但微生物活動(dòng)易受環(huán)境變化影響，某些微生物只能修復(fù)特定污染物。目前應(yīng)用微生物進(jìn)行實(shí)際場(chǎng)地修復(fù)的實(shí)例還較少，微生物的固定化、再生利用等都還需要進(jìn)一步研究。

微生物修復(fù)技術(shù)的研究

環(huán)境中的微生物數(shù)量和種類都十分龐大，在環(huán)境中分布廣泛，甚至在高溫、低溫、高鹽度、無(wú)氧等極端條件下均有微生物生存。在這些種類豐富的微生物中，部分微生物能夠在降解PAHs的同時(shí)吸收或吸附一定量的重金屬，同時(shí)去除復(fù)合污染中的重金屬和PAHs，而且微生物修復(fù)具有材料來(lái)源廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合污染的修復(fù)領(lǐng)域越來(lái)越被重視。

微生物對(duì)重金屬的去除

生物礦化通過(guò)生物代謝影響金屬及類金屬物質(zhì)的形態(tài)分布，進(jìn)而改變金屬及類金屬物質(zhì)的生物有效性及毒性，在環(huán)境污染治理領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)[2]。重金屬污染土壤中存在能夠固定重金屬離子的微生物，通過(guò)對(duì)這些特異性礦化菌的實(shí)驗(yàn)研究確定：①微生物或胞外聚合物具備吸附重金屬離子的能力；②細(xì)胞代謝產(chǎn)生的CO32-、S2-和PO43-等改變了周圍環(huán)境的物化性質(zhì)，使得環(huán)境中的金屬離子在局部過(guò)飽和條件下形成晶核并生長(zhǎng)，進(jìn)而改變這些元素的存在形態(tài)。微生物對(duì)重金屬離子的礦化過(guò)程中，形成的礦物類型主要為碳酸鹽、鐵錳氧化物、硫化物和磷酸鹽。

(1)碳酸鹽。土壤和水體中廣泛分布著促進(jìn)碳酸鹽礦物形成的微生物(CMM)，其中部分微生物代謝過(guò)程中產(chǎn)生碳酸根及其他堿性產(chǎn)物(NH4+)，并促使液相環(huán)境中pH上升，利于金屬離子形成碳酸鹽沉淀。目前碳酸鹽礦化菌(CMM)的研究中產(chǎn)脲酶菌的碳酸根產(chǎn)率高、產(chǎn)量大。多數(shù)碳酸鹽礦化菌可以直接形成碳酸鹽礦物(PbCO3、CdCO3、ZnCO3、CuCO3和SrCO3等)；另外一些研究提出，碳酸鈣晶核生長(zhǎng)過(guò)程中金屬或類金屬離子取代鈣離子或陰離子形成共沉淀物或被方解石吸附形成復(fù)合體。

(2)鐵錳氧化物。鐵氧化菌(FeOM)和錳氧化菌(MnOM)可以將Fe2+和Mn2+氧化為Fe3+和Mn4+。Fe3+和Mn4+分別形成的水合物和氧化物能有效吸附游離態(tài)重金屬。如果FeOM周圍環(huán)境pH＞4時(shí)，F(xiàn)e3+易形成氫氧化物沉積，形成的鐵氧化物能夠顯著吸附游離重金屬離子。

(3)硫化物。硫酸鹽還原菌(SRB)在厭氧條件下可以將SO42-還原為H2S，形成的S2-與游離重金屬形成硫化物沉淀硫化物溶度積遠(yuǎn)小于碳酸鹽礦物。

(4)磷酸鹽。溶磷菌(PSM)分布在植物根際圈中，幫助植物吸收土壤中難溶性磷化物。溶磷菌產(chǎn)生的磷酸根可以與大部分重金屬及類金屬形成磷酸鹽礦物，如礦化菌Vibrio harveyi和Providencia alcalifaciens可以將Pb2+礦化形成Pb9(PO4)6，這些代謝產(chǎn)物對(duì)重金屬污染區(qū)微生物的適應(yīng)生存起到關(guān)鍵作用。

微生物對(duì)PAHs的去除

微生物對(duì)PAHs的降解有兩種形式：一種是生長(zhǎng)代謝，即微生物把PAHs當(dāng)作惟一碳源，在降解過(guò)程中提供自身生長(zhǎng)所需能量；另一種是共代謝，PAHs不作為惟一碳源和能源，微生物依靠其他物質(zhì)獲取能源來(lái)降解PAHs。研究表明微生物對(duì)四環(huán)以下低分子量PAHs的降解，多為生長(zhǎng)代謝形式，而對(duì)四環(huán)及以上高分子量的PAHs主要是以共代謝的形式。細(xì)菌、古菌、真菌均能降解PAHs。它們不僅能通過(guò)釋放生物表面活性劑等方式提高PAHs的生物可利用性，而且還能通過(guò)生物轉(zhuǎn)化、礦化作用將有機(jī)物分解為一些復(fù)雜的代謝產(chǎn)物及無(wú)機(jī)物，如H2O、CO2和CH4。在好氧環(huán)境下，微生物易培養(yǎng)、降解效率高，但在降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有毒中間產(chǎn)物，容易對(duì)環(huán)境造成二次污染。在厭氧環(huán)境下，PAHs的降解會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、毒性小、分解更完全的中間產(chǎn)物，且在降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生清潔能源CH4[3]。