土壤砷污染微生物修復(fù)研究進(jìn)展

宋麗新，王宇梅，要 媛，唐彬彬，艾 榮，賀 敏

（包頭市疾病預(yù)防控制中心，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

砷（As）作為普遍存在的一種類金屬元素，具有極強(qiáng)的致癌作用，砷元素通過食物鏈進(jìn)入人體威脅人類的生命健康。砷通過巖石沉積物和含砷硫化物礦物的氧化釋放污染地下水和土壤［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國約有230 萬人受砷污染的威脅，土壤砷濃度超過10 μg/L 的地區(qū)總面積為58 萬km2，大部分砷污染地區(qū)都屬于干旱或半干旱地區(qū)［2-5］。微生物在自然環(huán)境中無處不在，某些微生物可以利用砷化物維持生命［6］。利用微生物在砷污染土壤修復(fù)方面的潛力解決被砷污染土壤問題受到眾多研究者的關(guān)注。

1 砷的危害

土壤中砷的生物有效性、遷移性和毒性取決于土壤中砷結(jié)合形態(tài)及其分配比例。從化學(xué)形態(tài)來看，土壤中的砷以無機(jī)砷和有機(jī)砷的形式存在，無機(jī)砷以三價(jià)砷［As（Ⅲ）］和五價(jià)砷［As（Ⅴ）］為主，有機(jī)砷以甲基砷酸鹽（MMAs）、二甲基砷酸鹽（DMAs）為主。一般而言，有機(jī)砷的毒性小于無機(jī)砷，五價(jià)砷［As（Ⅴ）］的毒性小于三價(jià)砷［As（Ⅲ）］［7］。砷化物可經(jīng)皮膚吸收后進(jìn)入體內(nèi)，長期接觸砷化物導(dǎo)致慢性砷中毒。無機(jī)砷通過抑制酶的活性影響身體和器官的功能，加大動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓、糖尿病的發(fā)病率，誘發(fā)皮膚系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、肝、膀胱、腎等器官系統(tǒng)的癌變［6-8］。此外，急性砷中毒常表現(xiàn)為消化道癥狀，如惡心、嘔吐、腹痛，同時(shí)伴有頭痛、幻覺、痙攣和昏迷等。嚴(yán)重者呼吸、循環(huán)、肝、腎功能衰竭導(dǎo)致休克甚至死亡。

2 土壤砷污染微生物修復(fù)

與其他污染物不同，砷會(huì)在環(huán)境中不斷積累無法降解，這主要是因?yàn)樯樽鳛轭惤饘傥镔|(zhì)具有金屬的特性，在土壤中需較長時(shí)間降解［9］。土壤重金屬污染常用的去除方法及各種修復(fù)法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 重金屬污染土壤修復(fù)方法比較

土壤微生物是地球污染物消納的凈化器。研究表明，微生物利用多種策略來對抗金屬的毒性作用，包括減少吸收、外排、細(xì)胞外或細(xì)胞內(nèi)隔離或化學(xué)修飾［14］。微生物法去除砷通過新陳代謝（包括吸附作用、氧化還原作用、甲基化去甲基化作用）將外部環(huán)境中的砷化物作為能量來源，從而促進(jìn)自身的生長，降低砷的生物毒性［14-18］。大多數(shù)報(bào)道的除砷微生物是從高砷環(huán)境中分離出來的，如水稻種植區(qū)，酸性礦山、金礦，砷污染的土壤、湖水或沉積物等，很少是從砷污染較少或不污染的環(huán)境中分離出來的。格魯?shù)路颍?9］在研究嗜酸的硫鐵氧化桿菌和厭氧的硫酸還原桿菌聯(lián)合處理含砷污染的土壤時(shí)發(fā)現(xiàn)，砷由表土層轉(zhuǎn)移到較深亞表層，并形成硫化砷沉淀降低了土壤中砷的含量。真菌在土壤重金屬修復(fù)中應(yīng)用也較為廣泛，其中曲霉菌和青霉菌對重金屬耐受性較強(qiáng)，對如鎘（Cd）、砷（As）、鉻（Cr）、鉛（Pb）等重金屬具有良好的吸附效果［20］。王立等［21］將叢枝菌根真菌接種到Cd 污染的水稻田中，有助于提高水稻對鎘的耐受性。隨著微生物對砷的積累和揮發(fā)作用機(jī)制的深入研究，其低成本、高環(huán)境適應(yīng)性去除砷的優(yōu)勢被廣大研究者應(yīng)用于土壤重金屬污染修復(fù)。

3 微生物修復(fù)土壤砷污染機(jī)制

3.1 吸附作用

微生物吸附砷是一個(gè)復(fù)雜的過程，簡單來講，肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖既是微生物的重要組成成分又是強(qiáng)有力的重金屬螯合物質(zhì)，微生物表面還存在如羧基、氨基、羥基、酰胺基和苯酚類等多種極性官能團(tuán)，土壤中的砷可與這些物質(zhì)或官能團(tuán)結(jié)合，減少植物對砷的累積量［22-24］。魏小凡等［25］的研究證明了細(xì)菌并非簡單地吸附砷，而是利用細(xì)胞壁外裸露的官能團(tuán)與砷發(fā)生離子交換、配位結(jié)合或絡(luò)合等化合反應(yīng)，降低土壤中砷的含量。Maheswari 等［26］從砷污染土壤中分離的構(gòu)巢曲霉具有吸附污染土壤中砷的能力，在pH 4、溫度35 ℃條件下放置11 d 后，土壤中砷的去除率達(dá)到84.35%。Yang 等［27］將枯草芽孢桿菌YZ-1 與施氏礦物聯(lián)合處理砷污染土壤，土壤中總砷的去除率為82.6%。在土壤環(huán)境下，利用微生物的吸附作用可將砷“固定”，充分去除As（Ⅲ）或低濃度砷，經(jīng)濟(jì)且實(shí)效地調(diào)控砷污染土壤。

3.2 氧化還原作用

重金屬物質(zhì)化合價(jià)的改變影響其毒性大小，經(jīng)過微生物的氧化或還原之后，對土壤的危害也隨之降低［28］。據(jù)報(bào)道，變形桿菌（Proteus bacteria）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、硫-鐵桿菌類（Thiobacillusfer robacillus）、假單孢桿菌（Pseudomonas）具有氧化亞砷酸鹽的能力。1994 年，Ahmann 等［29］首次發(fā)現(xiàn)能夠還原砷的菌并將該菌株命名為MiT-13。經(jīng)研究表明，大腸桿菌R773 質(zhì)粒是最早發(fā)現(xiàn)的具有砷抗性基因，arsRDABC操縱子與砷耐受有關(guān)［30］。金黃色葡萄球菌pI258 質(zhì)粒含有相似但更簡單的arsRBC操縱子，是具有砷酸鹽、亞砷酸鹽等抗性的質(zhì)粒［31］。其中，ArsC基因編碼砷酸鹽還原酶ArsC，該酶能夠以砷酸根為電子受體將砷酸鹽轉(zhuǎn)化為亞砷酸鹽排出細(xì)胞外。已發(fā)現(xiàn)的砷酸鹽還原酶有兩大類。一類是以谷胱甘肽和谷氧還蛋白作為電子供體，包括E.coli773 質(zhì)粒上Ars操縱子中結(jié)構(gòu)基因ArsC編碼的蛋白和啤酒酵母第16 號(hào)染色體上Acr2P 蛋白［32］。第二類則是以硫氧還蛋白作為電子供體的ArsC 蛋白［33］。Malasarn 等［33］利用分子生物學(xué)技術(shù)克隆革蘭氏陰性菌ANA-3中編碼ArrA 的保守基因arrA并進(jìn)行了測序，證明了arrA為砷酸鹽還原酶基因。

細(xì)菌可以通過亞砷酸鹽氧化酶將亞砷酸根中As（Ⅲ）氧化成As（Ⅴ）砷酸根達(dá)到降低砷毒性的目的［34，35］。通過對微生物氧化還原機(jī)制在砷污染修復(fù)技術(shù)的研究，對砷氧化酶有了更多的了解。Santini等［36］第一次在典型的化能自養(yǎng)型砷氧化菌根瘤菌NT-26體內(nèi)分離獲得砷氧化酶，研究發(fā)現(xiàn)此酶屬于二甲基亞砜還原酶家族，由大小亞基構(gòu)成四聚體，分別命名為aioA 和aioB ，aioA基因常被用來表征微生物是否具有砷氧化潛力。Valenzuela 等［37］以高砷污染河流沉積物為研究對象，篩選并分離得到耐砷菌。經(jīng)鑒定該耐砷菌為假單胞菌株，研究發(fā)現(xiàn)，砷濃度為0.5 mmol/L 時(shí)，該菌株的As（Ⅲ）氧化率達(dá)95.6%～100%。利用微生物對某些砷化物的氧化或還原作用，改變土壤中砷的存在狀態(tài)，可增加土壤肥力，去除砷對土壤的污染。

3.3 甲基化作用

微生物通過轉(zhuǎn)甲基酶（Methyltransferase，ArsM）催化無機(jī)砷化合物甲基化，最后形成還原態(tài)甲基砷釋放到微生物體外。有研究表明，一些微生物代謝甲基基團(tuán)生成CO2揮發(fā)到大氣中［38］。此外，在此過程中還可能產(chǎn)生有毒氣體砷化氫，但砷化氫不穩(wěn)定，易被氧化，不會(huì)對環(huán)境構(gòu)成危害。沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）、梭狀芽孢桿菌（Clostridium sp.）、枯草芽孢桿菌和厭氧產(chǎn)甲烷菌（Anaerobic methanogens）具有砷甲基化功能基因arsM［39-41］?？莶菅挎邨U菌可在接觸亞砷酸鹽的48 h內(nèi)將As（Ⅲ）轉(zhuǎn)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［41］。Huang等［42］從水稻土中分離出1 株能將As（Ⅲ）全部轉(zhuǎn)化為MMAs并且一半轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性三甲基胂的菌株。

4 微生物法與其他方法聯(lián)用技術(shù)

微生物修復(fù)土壤砷污染具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、投入成本低且無二次污染的特點(diǎn)，但面對復(fù)雜的土壤環(huán)境，僅靠單一修復(fù)技術(shù)都存在不足之處［43］。多手段結(jié)合的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)可發(fā)揮取長補(bǔ)短的優(yōu)勢，提高修復(fù)效率。在砷污染修復(fù)研究中，微生物土壤修復(fù)具有環(huán)境影響小、適應(yīng)性強(qiáng)、投入成本低、處理形式多樣的特點(diǎn)。微生物法與其他修復(fù)技術(shù)聯(lián)合，利用微生物吸附、氧化或還原和甲基化砷的能力，與其他技術(shù)結(jié)合成為土壤砷污染修復(fù)領(lǐng)域的研究發(fā)展方向［44］。

4.1 微生物與植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

土壤微生物是維系陸地生態(tài)系統(tǒng)地上-地下相互作用的紐帶，作為地球生態(tài)圈的分解者在植物養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分循環(huán)兩個(gè)過程中扮演著不可或缺的角色。早在1999 年，湖南省建立了第一個(gè)研究土壤砷污染的植物修復(fù)基地，現(xiàn)場修復(fù)試驗(yàn)中利用蜈蚣草富集砷的能力達(dá)到凈化和去除土壤中砷的目的［45］。此外，植物與其共生微生物聯(lián)合可改變土壤中砷的化學(xué)形態(tài)，降低砷的生物毒性，促進(jìn)植物生長。砷污染的水稻土中接種中華根瘤菌屬的DWY-1 菌株培育14 d 后，土壤中的總砷降低了32.9%［46］。風(fēng)車草在CP3 和CP7 菌株聯(lián)合作用下，對砷的富集率和遷移率分別提高了65%和21%［47］。龍葵在添加淡紫擬青霉菌和綠色木霉菌混合菌液后，不僅提高了對污染土壤中鎘和鉛的富集能力，而且長勢優(yōu)良［48］。李丹［49］在研究蘆葦富集重金屬的能力時(shí)發(fā)現(xiàn)，蘆葦在添加微生物后對鎘和鉛的積累量有所提高。微生物聯(lián)合植物修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)，充分結(jié)合了微生物和植物分布范圍較廣、材料易得、非侵入性的優(yōu)點(diǎn)。因此，在砷污染的土壤治理中，結(jié)合不同的地質(zhì)環(huán)境篩選適合的微生物-植物組合，能在美化環(huán)境的同時(shí)，在砷污染土壤的修復(fù)治理中發(fā)揮更大的作用。

4.2 微生物-化學(xué)鈍化聯(lián)用技術(shù)

化學(xué)鈍化是指向土壤中添加化學(xué)鈍化劑，通過與土壤中砷或其他重金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成沉淀或轉(zhuǎn)化為其他存在形式，抑制或降低砷或其他重金屬吸收帶來的潛在危害。常用的無機(jī)鈍化劑有磷酸鹽、石灰和硅酸鹽等，有機(jī)鈍化劑有秸稈堆肥和畜禽糞便等，可使土壤砷或其他重金屬形成難溶性的沉淀，改善土壤理化性狀和改良土壤鹽堿環(huán)境，減緩對土著生物的危害。土壤理化性質(zhì)的改變直接表現(xiàn)在土壤孔隙度、含水量、pH 以及有機(jī)質(zhì)含量等方面，這些因素能夠直接影響土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性。熊力等［50］研究受砷和鎘嚴(yán)重污染的稻田土壤時(shí)發(fā)現(xiàn)，微生物-化學(xué)鈍化組合處理的污染稻田土壤中水稻長勢優(yōu)于單純施用化學(xué)鈍化劑，表明化學(xué)鈍化劑在一定程度上提高了微生物的修復(fù)能力。Jiang 等［51］利用紫外誘變工程菌、諾沃肥（土豆淀粉、玉米淀粉等原材料的發(fā)酵殘?jiān)┮约皟烧叩幕旌衔锾幚硎蹸d 污染土壤時(shí)發(fā)現(xiàn)，二者一起添加的修復(fù)效果優(yōu)于單獨(dú)添加諾沃肥或工程菌。表明諾沃肥能促進(jìn)工程菌的增殖，大量的工程菌能夠吸附固定重金屬元素，二者有機(jī)結(jié)合起到協(xié)同作用。朱小嬌［52］對比草木灰和工程菌處理Cd 污染小麥田治理效果，研究表明兩者聯(lián)合施用小麥籽粒中Cd 含量更低?；瘜W(xué)鈍化劑促進(jìn)具有吸附或轉(zhuǎn)化砷作用的微生物生長，二者協(xié)同作用不僅降低土壤中砷的生物毒性，而且能夠起到增加土壤肥力的作用。

4.3 生物電化學(xué)修復(fù)技術(shù)

電化學(xué)修復(fù)技術(shù)是指將電極對插入污染土壤中，通過電滲透和電遷移兩種機(jī)制使重金屬離子最終富集在電極區(qū)附近或進(jìn)入電解槽內(nèi)。微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFCs）則是利用產(chǎn)電細(xì)菌作為在分解化合物時(shí)釋放的電子和質(zhì)子，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置［53］。1991 年，英國植物學(xué)家Potter［54］首次提出微生物燃料電池這一概念，具有成本投入低、清潔污染小的特點(diǎn)。生物電化學(xué)修復(fù)技術(shù)利用金屬離子作為電子受體與產(chǎn)電細(xì)菌催化氧化有機(jī)污染物釋放出的電子結(jié)合，產(chǎn)生低毒性或其簡單物質(zhì)的狀態(tài)，以達(dá)到修復(fù)生態(tài)的目的。Yu 等［55］發(fā)現(xiàn)MFCs 可應(yīng)用于多環(huán)芳烴的去除。Hu 等［56］對微生物群落厭氧污泥進(jìn)行馴化富集，篩選可去除氮雜環(huán)化合物底物的COD 值最高達(dá)到90.4%的產(chǎn)電菌。Ma 等［57］利用生物刺激和選擇性膜聯(lián)合修復(fù)總石油烴（TPH）和鎳復(fù)合污染土壤，30 d 后土壤中TPH 的降解率為77.4%，鎳的去除率為58.5%。Dong等［58］將電動(dòng)修復(fù)與生物降解相結(jié)合處理復(fù)合污染土壤，經(jīng)處理后土壤Pb 含量和濃度均達(dá)到中國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，Pb 和TPH 的去除率達(dá)到80%以上。生物電化學(xué)修復(fù)技術(shù)具有二次污染少、綠色清潔的特點(diǎn)，但僅適用于低滲透性、高傳導(dǎo)性的土壤，對大規(guī)模污染土壤的就地修復(fù)技術(shù)還處于不斷研究和探索階段。

5 展望

土壤中砷的積蓄嚴(yán)重影響地下水資源和耕地的質(zhì)量，嚴(yán)重威脅環(huán)境和糧食安全。土壤砷污染的修復(fù)研究對保護(hù)人類舌尖上的安全和生態(tài)環(huán)境都具有重要意義。研究土壤砷污染的修復(fù)機(jī)制，有利于現(xiàn)有修復(fù)技術(shù)的更廣泛應(yīng)用，有利于促進(jìn)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，提高土壤修復(fù)效率。聯(lián)合修復(fù)技術(shù)雖具有融合其他修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢，但仍受到重金屬種類、濃度及價(jià)態(tài)等理化性質(zhì)和環(huán)境因素的影響。因此，在砷污染土壤的修復(fù)過程中，科學(xué)全面的背景考察在選擇修復(fù)技術(shù)時(shí)至關(guān)重要；同時(shí)要充分發(fā)揮土著生物的種質(zhì)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)土壤砷污染的高效治理，保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境。