重金屬污染環境的微生物修復原理研究

程為波，楊麗娟

（1.山東正潤環境科技有限公司；2.山東藍城分析測試有限公司，濟南 250101）

重金屬具有特殊的化學性質，對環境具有較大的危害。微生物修復技術可以運用于重金屬污染環境的治理中，具有無二次污染的優勢，其發展前景良好，研究微生物修復重金屬污染環境的原理具有理論意義，也具有較強的應用價值[1]。

1 微生物的絡合固定作用

1.1 絡合固定

在真菌細胞壁被動吸附金屬離子的過程中，細胞上存在的部分物質（如多糖）為重金屬的離子交換提供了交換點，在結合點飽和的情況下，真菌就需要通過絡合作用富集重金屬離子。有研究發現，在適當條件下，姬松茸子實體中的Cd質量比可達到5～ 16 mg/kg，姬松茸內含有較高含量的特定氨基酸，這種氨基酸可以結合Cd，進而達到治理重金屬污染的目的，同時部分結合蛋白也可以絡合固定重金屬離子。

1.2 礦化固定

微生物可通過礦化固定作用將重金屬固定，在生物作用下，離子態的重金屬被轉化為固相礦物，重金屬離子沉淀，降低了重金屬對生物的有效性。不僅如此，微生物的代謝產物也具有治理重金屬的作用，某些微生物代謝產物含有磷酸根離子與硫離子，這些離子接觸金屬離子后產生化學反應而生成沉淀，原本有害、有毒的重金屬元素轉化成低毒或無毒的金屬沉淀物。

Cd2+離子與H2S經化學反應生成CdS沉淀，可對Cd2+離子予以固定；硫酸鹽在硫酸鹽還原細菌的作用下被還原為硫化物，導致土壤中的重金屬沉淀鈍化，經過碳源和沸石的配合，2 d內可將100%的可交換態Sr與Ba鈍化；革蘭氏陰性細菌接觸磷酸酶后，分泌的碳酸氫根離子于細菌的表面結合重金屬形成礦物。有研究者向BaCl2、SrCl2溶液中加入尿素酶，化學反應后的沉淀呈堿性，其主要成分為BaCO3和SrCO3。

除此之外，真菌體內的酸根離子也能與重金屬反應，進而生成沉淀，幾丁質等真菌細胞壁組分物質對重金屬具有鈍化固定的作用，在這種作用下，土壤中原本有毒、有害的重金屬離子的移動性降低，重金屬被固化，此時宿主植物即可不受重金屬的毒害。

常見的微生物固定金屬類型如下：微生物中的尿素酶可固定Sr、Ba；微生物中的有機酸根離子可固定Mn、Pb、Cd以及Cu；微生物中的碳酸根離子可固定Cd；微生物中的磷酸根離子可固定Sr、Ba以及Cd；微生物中的硫離子可固定Cd、Sr、Ba、Pb、Zn以及Ag等[2]。

2 微生物的淋濾作用

2.1 生物淋濾作用

生物淋濾也被稱為微生物濕法冶金，它利用部分桿菌的微生物代謝，將重金屬被氧化還原成重金屬鹽。其具有較為理想的溶解度，可以分離浸提固相中的硫、重金屬以及其他不溶性成分。有研究者接種嗜酸性硫桿菌復合菌株，利用生物淋濾作用來處理生活垃圾飛灰中的重金屬，發現其對Pb、Cu、Zn以及Cd的去除率分別為29.3%、72.6%、81.8%以及89.7%。

2.2 通過表面活性劑提高重金屬的溶解性

細菌表面產生的活性劑的相對分子質量較低，具有水溶性，因此具備自由穿過土壤微孔的能力，生物表面活性劑對重金屬的親和力極強。利用其分子小的特點，表面活性劑絡合重金屬后，對含有重金屬的土壤進行清洗即可去除污染物。

3 微生物的轉化作用

微生物的轉化作用主要包括甲基化與去甲基化、間接還原和直接轉化等。

3.1 甲基化與去甲基化作用

微生物可促使Pb、Cd以及Hg等重金屬離子發生甲基化。例如，微生物可以將Hg2+甲基化，將其還原為Hg，其他有機汞、甲基汞化合物也被裂解并原為Hg。

汞離子可以被部分匙形梭菌、厭氧產甲烷細菌轉化為二甲基汞和甲基汞，導致汞的危害性增強。人們可以利用部分假單細胞菌、金黃色葡萄球菌、氧化鐵硫桿菌、芽孢桿菌以及大腸桿菌的作用，將有機汞化合物或汞離子還原為金屬Hg，生成的金屬Hg擴散至空氣中被稀釋，因此其毒害作用減輕。假單細胞菌K62可以將有機汞、無機汞轉變為金屬Hg；變形桿菌、銅綠色假單胞菌可以將汞離子轉化為金屬Hg；燕麥核腔菌、粗糙脈菌、青霉以及黑曲霉對有機汞和無機汞化合物具有一定的抗性[3]。

3.2 間接還原

硫還原菌可以通過多種途徑將硫酸鹽還原為硫化物。一是經硫酸鹽合成氨基酸（其中包括脫氨酸、蛋氨酸等），硫經脫硫作用被分解，之后與Cd反應生成沉淀。二是硫還原菌呼吸期間，硫酸鹽成為電子受體而被還原。

在厭氧條件下，硫酸鹽還原菌包括腸狀菌屬、脫硫弧菌屬，二者將硫酸鹽還原，最終生成硫化氫，腸狀菌屬菌體的金屬硫團結合汞，汞被富集于菌體上，在體外或膜上的生化反應作用下，汞被還原或降解；腸狀菌屬還與Hg2+反應而產生HgS沉淀，因此Hg2+的活性被抑制。

3.3 直接轉化

部分微生物可以利用直接轉化重金屬離子，被轉化后，重金屬離子的價態發生變化，重金屬離子的穩定性也發生改變。例如，部分細菌可氧化As3+、Fe2+，部分細菌可還原Se4+、Hg2+以及As3+。

隨著重金屬的價態發生改變，重金屬的絡合能力也不斷變化，部分微生物產生的分泌物可以與重金屬離子發生絡合作用，使得重金屬的毒性降低。此外，微生物可以產生具有還原性的產物，促進金屬離子的價態轉化。

4 微生物的吸附與累積作用

4.1 微生物吸附重金屬

4.1.1 經細胞壁吸附重金屬

微生物的細胞壁結構與微生物的吸附能力關系密切。生物吸附是指細胞表面存在多種官能團，細胞表面帶有電荷，經絡合作用、靜電吸附作用將重金屬離子予以固定。微生物吸附期間，細菌的細胞壁表面具有陰離子，因此這種細菌極易結合金屬，能有效吸附重金屬離子。

真菌經細胞壁吸附重金屬時，一是形成無機沉淀，導致重金屬污染物在細胞壁上沉積，或出現物理性吸附；二是細胞壁上存在的羥基、羧基以及琉基等活性基團經過絡合、配位結合以及離子交換等定量化合反應吸收重金屬離子。

細胞具有螯合作用，可以吸附重金屬，這與真菌細胞壁的結構有關。例如，細胞壁具有多孔結構，因此活性化學配位體得以合理排列于細胞表面，減輕與金屬離子的結合難度[4]。細胞多糖提供的硫酸根、氨基、羧基、羥基以及醛基等官能團均具有較強的金屬離子絡合能力。

藻類細胞壁的酚醛樹脂、羧基、羥基以及醛基可以與重金屬結合而形成復合物。例如，扁藻屬用于吸附Cd2+，鈍頂螺旋藻用于吸附Cu2+等。

4.1.2 利用細胞外聚物吸附重金屬

微生物細胞外多聚物是微生物代謝過程中分泌的多聚化合物，其中含有羧基、羥基等官能團，官能團與金屬離子發生作用，進而螯合或吸附金屬離子。生物膜可以利用特殊的化學物理微環境，將重金屬離子轉化為碳酸鹽、硫化物、磷酸鹽以及氧化物等沉淀，沉積于特定部位。大量研究表明，微生物吸附重金屬時，微生物細胞并非與重金屬等量，避免生物膜中的細胞被重金屬完全毒害，同時重金屬也并非均勻分布于微生物膜中。

4.2 微生物細胞的吸收累積作用

微生物的吸收累積作用是指微生物活細胞去除重金屬離子的作用。細胞內的金屬硫蛋白（MT）與微生物積累重金屬具有密切的關系，MT對Ag、Cu、Cd、Zn以及Hg均具有明顯的親和性，因此重金屬出現富集，同時重金屬的毒性被抑制。諸多微生物通過包括金屬硫蛋白在內的蛋白質，調節金屬離子的含量[5]。

多數真菌細胞內均存在金屬硫蛋白，金屬硫蛋白對金屬離子具有較強的親和力，二者結合后，重金屬離子發生轉變，產物不具有生物活性，也無毒，從而達到治理重金屬污染的目的。

5 結語

微生物修復技術治理重金屬污染，當前已經取得了較大的進步，但是其修復原理的研究仍較為缺乏。同時，受土著微生物的干擾，微生物修復技術在重金屬污染治理中的應用受到一定限制，因此有待開展更為深入的研究，以便明確其修復原理，擴大其適用范圍。