鎘對土壤微生物的影響及微生物修復鎘污染研究進展

摘要：隨著工業(yè)的發(fā)展及農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)資物質(zhì)的廣泛施用，土壤重金屬污染越來越嚴重，其中鎘污染問題尤為突出。闡述了土壤中鎘污染的現(xiàn)狀以及鎘污染對土壤微生物的影響。隨著土壤中鎘濃度的增加，對土壤微生物影響越大，高濃度（1000 mg/kg）能導致微生物種群數(shù)量減少甚至完全消失。在總結(jié)已有的研究基礎(chǔ)上，提出微生物生物量受到鎘抑制臨界值（濃度）范圍可能分別為：20～40 mg/kg。同時綜述了微生物（真菌、細菌和藻類菌體）對土壤中污染鎘的修復技術(shù)，并對土壤鎘污染治理和修復提出問題和展望。

關(guān)鍵詞：鎘污染；微生物量；微生物修復；綜述

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）03-0114-04

隨著礦山資源的開發(fā)利用、工農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展，工業(yè)污水的排放及農(nóng)業(yè)肥料的施用使含鎘污染物通過各種途徑進入環(huán)境，造成土壤中鎘污染嚴重。2014年7月發(fā)布的《全國污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國土壤總的超標率達到16.1%，耕地土壤重金屬點位超標率為19.4%，其中鎘元素點位污染超標率7.0%，位居無機污染物之首。鎘具有毒性，在土壤中不易被化學或生物降解，因此鎘污染具有不可逆轉(zhuǎn)性；鎘具有生物累積性，易通過食物鏈在動植物和人體積累，直接威脅人體健康。近年來，土壤鎘污染已成為日益嚴重的環(huán)境問題，其污染現(xiàn)狀和影響以及各種修復技術(shù)等一直是國內(nèi)外研究的熱點和難點。筆者綜合了目前國內(nèi)外鎘污染對土壤中微生物的影響，以及微生物（真菌、細菌和藻類）對土壤中鎘的修復技術(shù)，以期為土壤鎘污染治理與？虧染修復提供參考和理論支撐。

1我國土壤中鎘污染的現(xiàn)狀

全球土壤中鎘含量為0.01～0.7 mg/kg，而我國土壤鎘背景值為0.097 mg/kg，主要農(nóng)田土壤中鎘含量為0.01～1.34 mg/kg，平均為0.12 mg/kg。目前全球鎘污染面積達200萬hm²我國鎘污染耕地面積約為2萬hm²，共有11個省25個地區(qū)的耕地被鎘污染。曾希柏等對我國土壤進行重金屬調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鎘含量超過土壤環(huán)境質(zhì)量標準一級的樣品比例為42.0%～85.9%，超過二級的為11.9%～21.1%，超過三級的為0.7%～7.5%。樊霆統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤中鎘含量是我國土壤背景值的1.2～26.5倍。最嚴重的徐州鎘含量是三級標準最大允許值的2.6倍，已不適合農(nóng)林生產(chǎn)和植物正常生長。成都、沈陽、西安等市污灌區(qū)土壤中的鎘含量分別為1.65、0.88和0.628mg/kg。湖南等有色金屬大省是重金屬鎘污染的重點區(qū)，湘江流域是鎘污染最嚴重區(qū)域。在湖南省污染嚴重地區(qū)稻米鎘含量高達5.33 mg/kg（早稻）和9.36 mg/kg（晚稻），分別是食品安全規(guī)定鎘標準（0.2mg/kg）的27和47倍。以上這些表明我國土壤中鎘污染已經(jīng)非常嚴重，甚至嚴重影響到食品安全。

2鎘對土壤中微生物的影響

土壤微生物生物量是土壤養(yǎng)分的儲存庫和植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源。土壤微生物量在土壤系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展中起著重要的作用，被認為是表征土壤質(zhì)量變化最敏感、最有潛力的指標。低濃度的重金屬能刺激微生物生長，高濃度的重金屬導致土壤中微生物生物量明顯下降。當土壤中鎘濃度為0.2 mg/L時，完全抑制固氮菌體增殖，當鎘質(zhì)量濃度為0.5 mg/L時，強烈抑制了厭氧固氮菌的固氮酶活性。當土壤鎘濃度為5 mg/kg時，微生物量氮、碳顯著低于對照，且隨鎘濃度的增加而降低，當土壤鎘濃度為8 mg/kg時，黃松田水稻土微生物量碳、氮生物量出現(xiàn)抑制；當土壤鎘濃度為30 mg/kg時，黃紅壤性水稻土微生物量碳、氮生物量出現(xiàn)抑制。鎘濃度為5 mg/kg時，土壤中細菌、放線菌和真菌數(shù)量均達到最低。當鎘濃度10 mg/kg，鎘顯著減少了水稻土中甲烷氧化菌的種類和pmoA因拷貝數(shù)以及氧化CH₄潛勢。尹軍霞等研究了不同濃度外源重金屬鎘對油菜土壤微生物區(qū)系的影響，發(fā)現(xiàn)濃度為0.5和5.0 mg/kg的鎘對放線菌沒有影響，當濃度為10 mgg時抑制土壤中的放線菌，刺激自生固氮菌和反硝化菌。李勇研究發(fā)現(xiàn)，隨著鎘濃度的增加（1、10、50mg/kg），細菌的數(shù)量依次降低，分別是對照的66.8%、58.1%、49.5%。Khan等采用室內(nèi)培養(yǎng)研究重金屬對紅壤微生物生物量影響，鎘對微生物生物量的臨界濃度為30mg/kg。許煉烽以抑制率50%為影響的臨界指標，鎘對水稻田中的細菌影響臨界濃度為66.5 mg/kg，對旱地真菌的影響臨界濃度25 mg/kg。鎘污染導致微生物群落的變異性增大，降低群落穩(wěn)定性，鎘污染對根際微生物的群落結(jié)構(gòu)有顯著的影響，高濃度（1000mg/kg）可顯著降低微生物的種群數(shù)量和生物多樣性，甚至使微生物完全消失。綜合以上研究可知，鎘對土壤中微生物生物量的臨界濃度可能為20～40 mg/kg。

3微生物修復鎘污染技術(shù)

鎘對土壤中微生物有一定的影響，而微生物也可以對土壤中重金屬進行固定、移動或轉(zhuǎn)化，改變其在土壤中的環(huán)境化學行為。大多數(shù)微生物與重金屬接觸后都能減少毒害或受毒后迅速恢復生長并產(chǎn)生后代。因此微生物在修復鎘污染土壤方面具有獨特作用。微生物主要通過離子交換、基團的配位絡(luò)合、發(fā)生沉淀等原理來吸附金屬離子。活性微生物對重金屬吸附，轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物，改變土壤中重金屬生物有效性，降低重金屬污染程度。用于鎘污染修復的菌種主要有細菌、真菌和藻類等，目前已篩選出的吸附鎘的微生物見表1。

3.1細菌對鎘污染的修復

細菌是地球上最豐富的微生物，許多細菌及其產(chǎn)物對溶解態(tài)的鎘有很強的結(jié)合能力，微生物利用細胞表面所帶負電荷，通過靜電吸附或絡(luò)合作用固定重金屬離子。微生物將有毒金屬吸收后貯存在細胞的不同部位，通過離子沉淀或螯合在生物多聚物上，或通過重金屬結(jié)合蛋白（多肽）。Vasquez等研究顯示光合紅球菌在pH值7.0，起始濃度為15ppm時，對鎘離子去除率為60%。Ziagova等研究發(fā)現(xiàn)革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌和陰性假單胞菌對cd2+吸附量分別為250和278 mg/L。極大螺旋藍細菌吸附Cd²⁺時，最大的吸附量達43.6 mg/g。用堿提取的phormidium valderianum能夠從Cd²⁺溶液中吸收超過90%的Cd²⁺，所吸附的金屬可占生物體干重的18%。細菌亦能強化植物吸收重金屬，主要是重金屬超積累/富集型植物與之相協(xié)同的重金屬耐受細胞。Burkholderia促進了油菜、印度芥菜和玉米對鎘的吸收，增加東南景天對鎘的耐性，促進其對鎘的吸收及轉(zhuǎn)運。細菌Streptomyces tendae F4還可以通過活化土中的鎘，促進植物吸收鎘。Joshi和Juwarkar發(fā)現(xiàn)固氮菌Azotobacter能鈍化土壤中的鎘。Citrobacter具有抗鎘的酸性磷酸酯酶，可分解有機-2-磷酸甘油，產(chǎn)生HPO₄-與Cd²⁺形成Cd（HPO₄）₂沉淀。

3.2真菌對鎘污染的修復

真菌的細胞壁上有葡聚糖、甘露聚糖、纖維素、幾丁質(zhì)和蛋白質(zhì)等物質(zhì)，這些物質(zhì)帶有較多的負電荷，能吸附金屬離子。醬油曲霉、米曲霉對Cd²⁺的吸附率分別為72.3%和81.3%。Kacar等用海藻酸鈣固定白腐真菌（Phanerochaete chrysosporium）包括活的和加熱滅活的2種形態(tài)菌體處理含cd2十的廢水，最大吸附能力分別為（104.8±2.7）mg/g干重和（123.5±4.3）mg/g干重。真菌亦能促進植物對重金屬的吸收，強化植物提取土壤中的重金屬。Joner和Leyval研究了摩西球囊霉菌（Glomus mosseae）對三葉草吸收鎘的影響，發(fā)現(xiàn)根外的菌絲可以從土壤向植物轉(zhuǎn)運鎘。Sell等研究發(fā)現(xiàn)楊樹接種卷緣網(wǎng)褶菌（Paxillus involutus）可以顯著增加植物體內(nèi)的鎘濃度，其中葉片中鎘濃度增加最為明顯，增幅將近100%。接種Paxillus involutus增加了楊樹根部向葉片轉(zhuǎn)運鎘能力，強化了植物從土壤中提取鎘的能力。肖根林等研究了光合細菌球形紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）能使降低交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘含量，從而降低土壤中鎘的生物有效性。

3.3藻類菌體對鎘污染的修復

藻類菌體對鎘有很強的吸附能力，萊茵衣藻能吸附鎘。海草能積累鎘，對溶液里Cd²⁺的最大吸附量為120 mg/g，狐尾藻在pH值5.0時，鎘吸附量達到最大為17.7 mg/g。潿洲馬尾藻在pH值4.5，鎘初始濃度500 mg/L時，對鎘吸附量最大。尹文珂13剮研究發(fā)現(xiàn)小球藻對鎘的吸附作用受到接觸時間、初始金屬濃度和藻生物量的影響，小球藻對鎘的吸附效率可達到85%以上，最高可達到98%。在污水中，小球藻的吸附效率也可達到60%以上。常秀蓮研究幾種海藻對鎘的吸附，海黍子的吸附性能最好，吸附量最高達181 mg/g，海帶宜于在低濃度區(qū)使用，孔時莼在高濃度區(qū)有較高的吸附容量。Volesky運用海藻進行了吸附柱去除鎘的研究，能將流體中的鎘從10mg/L降低到0.001 5 mg/L水平，去除率為99.985%。藻類吸附鎘，主要是由于藻類含有果膠質(zhì)、纖維素和多種多糖的多孔結(jié)構(gòu)的細胞壁，具有較大表面積，細胞表面有比如酰氨基、羰基、酚基、羧基、羥基、醛基和氨基等的多種化學基團，可以與金屬離子進行絡(luò)合、離子交換以及靜電吸附。

微生物修復土壤中鎘污染是最具有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的技術(shù)之一。但由于微生物的種類繁多，個體微小，具有吸附重金屬能力的微生物難以發(fā)現(xiàn)、篩選和分離。因此，微生物修復研究主要是篩選和馴化特異性高效降解微生物菌株，提高功能微生物在土壤中的活性、壽命和安全性，修復過程參數(shù)的優(yōu)化，養(yǎng)分、溫度、濕度等關(guān)鍵因子的調(diào)控。

4問題與展望

目前我國土壤鎘污染已相當嚴重，如何保護土壤和治理土壤中鎘污染是亟待解決的問題。微生物修復技術(shù)近些年發(fā)展較為迅速，在篩選修復鎘污染的微生物數(shù)量和種類上都取得一定的研究進展，但微生物修復的研究仍然停留在實驗室或小規(guī)模的現(xiàn)場試驗。其推廣和應(yīng)用仍然面臨很多需要解決的問題：微生物代謝活動易受環(huán)境條件的影響，微生物只能在一定的條件下吸附利用降解重金屬；微生物種類的篩選及其作用機制的研究；微生物在修復過程中的適應(yīng)性機制及其是否對環(huán)境存在影響等。

因而，未來微生物修復鎘污染需要運用基因重組技術(shù)分離、改良、培育具有高效吸附降解重金屬特性的菌株。尋找礦化固結(jié)重金屬的微生物，尋找工藝簡單，具有較高應(yīng)用價值的微生物進行培植和馴化。加大對微生物修復的盆栽、小區(qū)、田間試驗及示范區(qū)數(shù)據(jù)的完善及修復后環(huán)境變化的研究，利用大數(shù)據(jù)及“互聯(lián)網(wǎng)+”，建立微生物修復重金屬污染的資料庫。這樣才能使微生物修復土壤鎘污染技術(shù)盡早地推廣應(yīng)用，土壤鎘污染的現(xiàn)狀得到控制和改觀。