農田重金屬污染微生物修復技術研究進展

張雪峰

摘要：指出了土壤重金屬污染日益成為農業生態環境治理的主要研究課題之一，綜述了我國重金屬土壤污染的現狀、微生物修復技術機理，探討了微生物修復技術在土壤重金屬污染治理過程中存在的問題，對微生物—植物聯合修復技術的強化措施進行了展望。

關鍵詞：土壤污染；重金屬；微生物修復

中圖分類號：X53

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2014）06017602

1 引言

農業生產中使用的農藥、肥料和塑料薄膜以及污水灌溉、污泥農用、冶煉產生的工業三廢所包含的重金屬對土壤生態系統造成嚴重破壞，從而導致土壤微生物種類和數量減少、土壤結構破壞、農作物品質下降、病蟲害增加。土壤的重金屬污染會導致某些成分在糧食等作物中的積累，影響糧食的品質，并通過食物鏈，危害人類健康。我國受鎘、鉛、砷等重金屬污染的農用耕地面積達[1]，其結果是進一步加劇土壤生態系統的破壞。目前，關于土壤重金屬污染的修復方法主要是氣提取、土壤淋洗、固定化等具有二次污染化學修復方法，或者是成本高且不便使用的物理方法。我國農用土壤環境污染復雜嚴峻，需要利用廣泛適用、安全、低成本的生物修復技術，有效安全地去除微量有毒重金屬污染，同時又不能破壞土壤的生態環境功能，微生物修復治理重金屬污染土壤已成為受到關注的經濟環保的技術。

2 微生物修復土壤重金屬污染現狀

重金屬污染的微生物修復是利用對重金屬離子具有抗性的高效微生物降解活性改變和轉換離子形態凈化污染土壤[2]，各國對土壤污染指標的規定或標準多以作物的正常生長和食用部分的污染物含量或殘留量不影響人類健康為前提而制定的，沒有關于土壤中對污染物更為敏感的土壤微生物及其參與的生化過程所受到影響和作用的明確指標。研究表明，由于重金屬污染而產生的土壤微生物生態學變化比其它土壤化學、生化指標更為靈敏，是微生物方法檢測、預警土壤重金屬污染的基礎。

土壤微生物對污染物脅迫響應比較靈敏，農田土壤重金屬負荷下，微生物可以改變土壤中重金屬在土壤中的環境化學行為，促進有毒有害物質降低毒性。利用真菌與根系形成的菌根吸收和固定重金屬形成沉淀，Bargagli[4]在Hg礦附近土壤中分離得到的高級真菌的菌根種和所有腐殖質分解菌能累積Hg達100mg/kg（干重）。一些微生物如動膠菌、藍細菌、硫酸還原菌及某些藻類，能夠產生具有大量陰離子基團的胞外聚合物（如多糖、糖蛋白等），與重金屬離子形成絡合物，從而將其從土壤中有效去除。在我國已構建農藥高效降解菌篩選技術、微生物修復劑制備技術和農藥殘留微生物降解田間應用技術，建立了菌根真菌強化紫花苜蓿根際修復污染農田土壤的固氮植物—根瘤菌—菌根真菌聯合生物修復技術。

3 重金屬污染對土壤微生物的影響

3.1 土壤微生物活性的變化

當土壤中有害重金屬累積到對土壤—植物系統產生毒害的程度，會降低土壤中微生物的數量和土壤酶的活性，而且對土壤氨化和硝化作用會有抑制作用。受到重金屬污染的土壤微生物的主要生物指標發生變化，如土壤微生物總量、重金屬敏感細菌與耐性細菌比、微生物生物量碳與土壤有機碳之比、微生物代謝熵、土壤的生物固氮作用等。因為微生物的生物量的影響因素很多，其不能作為評價土壤重金屬污染的理想指標。重金屬的敏感細菌與耐性細菌比可以作為評價農田土壤質量的指標。

3.2 土壤微生物生態的影響

進入土壤的重金屬容易對土壤的土著微生物造成毒性。研究表明，銅、鋅、鉛、鎘、汞等使土壤微生物群落多樣性發生改變，導致微生物生物量和呼吸強度減低或顯著增加，土壤酶活性嚴重損害。但某些土壤微生物在高濃度的重金屬污染的土壤中能夠生長且活性依然存在。重金屬的生態毒理環境效應與其總含量并無顯著相關性，存在于土壤中的不同重金屬形態各異，處于不同的生物有效性。在污染土壤中，重金屬吸附于礦物質和有機質表面，水溶態所占比例少。因此，重金屬的生物可利用性、其對微生物的毒性和抑制機理都會影響重金屬污染土壤的修復效率。農田施用畜禽糞肥等有機肥含有高濃度的各種重金屬之間的交互作用，各種重金屬的比例如何影響微生物生態功能方面的研究將是未來環境方面的研究重點。

4 微生物修復技術機理

微生物修復技術是利用天然存在的或培養的功能微生物群，在適宜環境條件下促進或強化微生物的代謝功能，達到降低有毒污染物活性或降解毒物的目的，主要利用微生物對土壤中的重金屬元素具有特殊富集、吸收、降解能力，通過溶解和沉淀作用、生物吸附和富集作用、氧化還原作用以及菌根真菌對土壤重金屬的生物有效性影響產生的對土壤重金屬活性的影響。李志超[5]發現有些微生物可以降解劇毒的甲基汞；許多高級真菌如菌根種和所有腐殖質分解菌都能積累汞達100μg/g；利用菌根可以吸收和固定重金屬 5 微生物—植物聯合修復土壤重金屬污染

只能針對一種或幾種污染物的微生物修復技術在土壤復合重金屬污染日益嚴重的今天，有必要搭配種植具有吸附重金屬的植物以增強其修復效果。有研究指出真菌浸染植物根系后形成共生體菌根，能促進植物對營養的吸收并促進對重金屬的富集，還可以提高宿主植物抗逆性，而微生物通過吸附積累土壤中的重金屬，改善植物根際微環境，協助植物對重金屬污染土壤的修復[8]。存在于植物根際的微生物在代謝過程中通過分泌的有機酸、氨基酸及其他代謝產物溶解重金屬物質而改變重金屬的存在狀態[9]，微生物通過刺激植物根系的發育影響植物對重金屬的吸收，如菌根植物可以向宿主植物傳遞營養，使宿主植物抗逆性增強、生長加快，間接地促進植物對重金屬的修復作用[10]。根據不同植物和微生物種類、數量以及特性去有效配合修復土壤中重金屬污染還需要進一步篩選超富集植物和耐性、抗性強的微生物超級工程菌，但是轉基因植物與微生物的應用必須考慮到其對生態系統存在的風險問題。微生物（細菌、真菌）—植物、動物（蚯蚓）—植物聯合修復是農田土壤生物修復技術研究的新內容，關鍵點是要篩選強降解能力的菌根真菌和適宜的共生植物，根據細菌或真菌及發展植物—降解菌群協同修復促進重金屬污染物的吸收、代謝和降解將是微生物聯合植物修復技術發展的研究方向。endprint

6 展望

有研究者通過人為添加外源重金屬來模擬污染土壤，此方法并不能準確反映出土壤長期逐步積累的重金屬脅迫而導致的微生物種群規模、活性及適應性的變化，即使是從野外采集的長期重金屬污染下的土壤，由于重金屬污染種類與程度的不同，以及采樣點多集中于某一地區，所得到的結論也并不能代表基本性質差異較大的不同土壤類型。對于多種重金屬的復合效應包括協作、拮抗等有必要進一步研究重金屬污染的治理技術。微生物作為治理土壤重金屬污染新的研究方向，更優越于傳統的治理方法。隨著基因工程、現代分子生物學等學科的發展，利用微生物與植物聯合體的修復技術篩選出超累積基因導入到生物量大、生長速度快、適應性強的植物中，提高微生物—植物修復重金屬污染的實用性，將會呈現更廣闊的發展前景。

參考文獻：

[1] 顧繼光，周啟星，王 新.土壤重金屬污染的治理途徑及其研究進展[J].應用基礎與工程科學學報，2003，11（2）：144～151.

[2]藺 昕，李培軍，臺培東，等.石油污染土壤植物-微生物修復研究進展[J].生態學雜志，2006，25（1）：93～100.

[3]Macaskie LE，Dean ACR，Cheethan AK，Jakeman RJB，Skamulis AJ. Cadmium accumulation by a citrobacter sp.The chemical nature of the accumulated metal precipitate and its location on the bacterial cells [J].J Gen.Microbiol，1987，133：539～544.

[4]Bargagli R，Baldi F，Mercury and methyl mercury in higher fungi and their relation with the substrata in a cinnabar mining area [J].Chemosphere，1984，13（9）：1059～1071.

[5]李志超. 微生物對甲基汞的降解作用[J]. 環境科學，1984，5（3）： 61～64.

[6]耿春女.菌根生物修復技術在沈撫污水灌溉區的應用前景[J].環境污染治理技術與設備，2002，3（7）：51～55.

[7]戴 欣，王保軍，黃 燕，等.普通和吸收培養基研究太湖沉積物可培養細菌的多樣性[J].微生物學報，2005，45（2）：161～165.

[8]王建林.水稻根際中的形態轉化[J].土壤學報，1992，29（4）：358～363.

[9]王 新，周啟星.重金屬與土壤微生物的相互作用及污染土壤修復[J].環境污染治理技術與設備，2004，5（11）：1～5.

[10]Giasson P， Jacuich A，Gagn S et al. Phytorem ediation of zinc and cadmim：A study of arbuscular mycorrh izalhyphae[J]. Remediation Journal， 2005，15：113～122.

Discussion of Basic Principles of Microbial Remediation Technique of

Soils Contaminated by Heavy Metals

Zhang Xuefeng

（Liaoning Green Food Development Center， Shenyang 110032， China

）

Abstract： This article analyzes the current situation of soil pollution by heavy metals， discusses the basic concept and main ways of microbial remediation technique for the polluted soils. And then it analyzes the problems existing in the process of treating soil pollution by using microbial remediation technique， and also prospects the researches on strengthening the microbe-plant biorremediation techniques.

Key words： soil pollution； heavy metal； microbial remediationendprint

6 展望

有研究者通過人為添加外源重金屬來模擬污染土壤，此方法并不能準確反映出土壤長期逐步積累的重金屬脅迫而導致的微生物種群規模、活性及適應性的變化，即使是從野外采集的長期重金屬污染下的土壤，由于重金屬污染種類與程度的不同，以及采樣點多集中于某一地區，所得到的結論也并不能代表基本性質差異較大的不同土壤類型。對于多種重金屬的復合效應包括協作、拮抗等有必要進一步研究重金屬污染的治理技術。微生物作為治理土壤重金屬污染新的研究方向，更優越于傳統的治理方法。隨著基因工程、現代分子生物學等學科的發展，利用微生物與植物聯合體的修復技術篩選出超累積基因導入到生物量大、生長速度快、適應性強的植物中，提高微生物—植物修復重金屬污染的實用性，將會呈現更廣闊的發展前景。

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[5]李志超. 微生物對甲基汞的降解作用[J]. 環境科學，1984，5（3）： 61～64.

[6]耿春女.菌根生物修復技術在沈撫污水灌溉區的應用前景[J].環境污染治理技術與設備，2002，3（7）：51～55.

[7]戴 欣，王保軍，黃 燕，等.普通和吸收培養基研究太湖沉積物可培養細菌的多樣性[J].微生物學報，2005，45（2）：161～165.

[8]王建林.水稻根際中的形態轉化[J].土壤學報，1992，29（4）：358～363.

[9]王 新，周啟星.重金屬與土壤微生物的相互作用及污染土壤修復[J].環境污染治理技術與設備，2004，5（11）：1～5.

[10]Giasson P， Jacuich A，Gagn S et al. Phytorem ediation of zinc and cadmim：A study of arbuscular mycorrh izalhyphae[J]. Remediation Journal， 2005，15：113～122.

Discussion of Basic Principles of Microbial Remediation Technique of

Soils Contaminated by Heavy Metals

Zhang Xuefeng

（Liaoning Green Food Development Center， Shenyang 110032， China

）

Abstract： This article analyzes the current situation of soil pollution by heavy metals， discusses the basic concept and main ways of microbial remediation technique for the polluted soils. And then it analyzes the problems existing in the process of treating soil pollution by using microbial remediation technique， and also prospects the researches on strengthening the microbe-plant biorremediation techniques.

Key words： soil pollution； heavy metal； microbial remediationendprint

6 展望

有研究者通過人為添加外源重金屬來模擬污染土壤，此方法并不能準確反映出土壤長期逐步積累的重金屬脅迫而導致的微生物種群規模、活性及適應性的變化，即使是從野外采集的長期重金屬污染下的土壤，由于重金屬污染種類與程度的不同，以及采樣點多集中于某一地區，所得到的結論也并不能代表基本性質差異較大的不同土壤類型。對于多種重金屬的復合效應包括協作、拮抗等有必要進一步研究重金屬污染的治理技術。微生物作為治理土壤重金屬污染新的研究方向，更優越于傳統的治理方法。隨著基因工程、現代分子生物學等學科的發展，利用微生物與植物聯合體的修復技術篩選出超累積基因導入到生物量大、生長速度快、適應性強的植物中，提高微生物—植物修復重金屬污染的實用性，將會呈現更廣闊的發展前景。

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[7]戴 欣，王保軍，黃 燕，等.普通和吸收培養基研究太湖沉積物可培養細菌的多樣性[J].微生物學報，2005，45（2）：161～165.

[8]王建林.水稻根際中的形態轉化[J].土壤學報，1992，29（4）：358～363.

[9]王 新，周啟星.重金屬與土壤微生物的相互作用及污染土壤修復[J].環境污染治理技術與設備，2004，5（11）：1～5.

[10]Giasson P， Jacuich A，Gagn S et al. Phytorem ediation of zinc and cadmim：A study of arbuscular mycorrh izalhyphae[J]. Remediation Journal， 2005，15：113～122.

Discussion of Basic Principles of Microbial Remediation Technique of

Soils Contaminated by Heavy Metals

Zhang Xuefeng

（Liaoning Green Food Development Center， Shenyang 110032， China

）

Abstract： This article analyzes the current situation of soil pollution by heavy metals， discusses the basic concept and main ways of microbial remediation technique for the polluted soils. And then it analyzes the problems existing in the process of treating soil pollution by using microbial remediation technique， and also prospects the researches on strengthening the microbe-plant biorremediation techniques.

Key words： soil pollution； heavy metal； microbial remediationendprint