微生物在重金屬離子污染修復及治理中的應用研究

李司宇,劉雪,王文婧,盧松霖,郝雪萌,張杰

(東北林業大學生命科學學院,哈爾濱 150040)

隨著現代化工業體系的不斷發展與進步,各種各樣的污染正在不同程度上影響著人們的生活[1],其中重金屬污染的問題尤為嚴峻,主要包括土壤污染和水環境污染。重金屬指密度大于5g/cm3的金屬,例如：錳、銅、鎘、鉛等。從生態學角度看,任何不能被生物降解而產生累積,從而對環境造成污染的金屬、類金屬都被視為重金屬[2]。當這些重金屬離子含量超過一定限度時,便會造成水體或土壤環境重金屬污染。重金屬污染不僅造成經濟嚴重損失,同時也威脅著各生命體的生存與健康。

1 重金屬污染現狀

重金屬污染主要包括土壤重金屬污染和水環境重金屬污染。土壤重金屬污染是指土壤中重金屬含量超過其背景值,土壤質量下降且產出的作物受到污染的現象[3]。這種污染具有隱蔽性、滯后性等特點,其危害不易被人們察覺,因而很少能引起人們的高度重視[4]。一些研究數據表明,我國大多數地區的農田都遭受到重金屬污染,其中受鉻、汞、鉛、砷和鎘污染的約為3萬畝,每年因污染造成的糧食損失約1000萬噸,經濟損失難以計數[5-6]。

水環境主要包括海洋、河流、湖泊、水庫以及地下水等水體[7]。水環境重金屬污染是指排入水體中的重金屬物質過多,超過了水體的自凈能力,影響了水的性質和水環境中生物的生長發育,并且通過生物累積效應影響到人類生活環境和健康[8]。由我國相關部門對飲用水源的監測情況分析可知,汞在重金屬污染物中排在首位,鎘排在第二位。地表飲用水源中,鉛、鉻污染比較普遍,銅、鎳等元素的超標現象也很嚴重[9-10]。長江是我國第一大河流,流域面積達到180萬km2。學者調查發現,其下游沉積物中錳、鋅、銅、汞含量分別為752.78mg/kg、 33.13mg/kg、 38.5mg/kg、 0.33mg/kg[11]。1996年至今,江河湖庫底泥的污染程度已經達到了80%。其中,太湖底泥中的有害物質含量處于輕度污染水平,黃浦江干流表層沉積物的有害元素含量也超過規定標準要求,并呈現逐年上升趨勢。被譽為母親河的黃河近年來重金屬污染也不斷加重[12-13]。

2 微生物修復

微生物修復是指在特定或者適合的環境條件下,利用在這個條件中的微生物群體,提高微生物降解重金屬的能力,進而達到降低重金屬濃度、降低有毒性污染物活性或者降解重金屬的生物修復技術。

2.1 細菌修復重金屬離子污染

細菌在重金屬離子污染中的作用主要體現在吸收和富集等方面。馬薇等[14]制備了含有200mg/L Cr2+的瓊脂平板培養蠟狀芽孢桿菌,結果顯示蠟狀芽孢桿菌快速生長,而在含有鎘離子、鉻離子和鉛離子濃度分別為75mg/L和錳離子濃度為100mg/L的培養基中,蠟狀芽孢桿菌的生長速度沒有出現異常,維持正常的生長速度。研究表明,在鎘離子的污染治理中,蠟狀芽孢桿菌可以發揮重要的作用和優勢。黃文粵等[15]的研究探討了細菌對重金屬離子銅離子和鎘離子的修復作用,考察了三種細菌：大腸桿菌、枯草桿菌和酵母菌。試驗結果表明,細菌對重金屬離子的修復結果與重金屬的含量呈正相關的關系。

2.2 真菌對重金屬離子污染的修復作用

早在19世紀就有學者發現真菌在修復土壤重金屬離子污染中發揮了作用。有研究表明,真菌對重金屬離子污染的修復作用原理是自身的抗性和對離子的吸附性。后來又有很多研究佐證了真菌對重金屬離子的耐受性。當下,研究較多的是青霉菌、黑曲霉和釀酒酵母菌等真菌。李國卉等[16]利用顯微技術和生物形態學技術,分析釀酒酵母菌在吸附了鉛離子后,真菌本身的形態變化。研究結果表明鉛離子在溶液中的含量降低,大部分都吸附在真菌表面,另外一些鉛離子以沉淀形式存在于溶液中。楊小敏等[17]實地考察了大量汞礦得出結論,土壤中的菌根菌和分解菌可以大量地富集汞,降低汞離子在土壤中的含量,從而降低了汞排放的污染。

2.3 放線菌對重金屬離子污染的修復作用

放線菌具有數量和種類眾多、分布廣和適應力強等優點。NIES等[18]的研究結果表明,放線菌釋放的絮狀活性分泌物和重金屬離子發生絡合反應,引起重金屬離子的價態改變,進而降低重金屬離子的含量,降低污染的程度。海米提·依米提等[19]的研究結果表明,抗性鏈霉菌在含有重金屬離子的土壤中廣泛分布,對重金屬離子有很強的耐受性,并且其本身具有很強的溶解重金屬物質的能力,可以降低重金屬離子的濃度。他們研究了50株放線菌對于重金屬銅離子的降解作用,定量研究結果表明,這些菌株對銅離子的耐受濃度最大可達1000mg/L。菌株種類鑒定結果為鏈霉菌屬。

3 微生物在重金屬離子污染治理中的作用機制

3.1 溶解和沉淀

微生物可以通過自身代謝活動產生有機酸等分泌物,對重金屬離子進行溶解或者絡合沉淀。微生物對重金屬的這種作用可以是直接的也可以是間接的。一般來說,微生物在代謝過程中可以產生有機酸,有甲酸、丙酸等。劉曉俊等[20]對微生物溶解重金屬離子的效果和作用參數進行了研究,結果表明,氧化亞鐵硫桿菌對重金屬離子的溶解作用受到很多因素的影響,例如培養基成分、pH值、溫度等。通常來說,營養充足、pH值和溫度條件都適中的環境條件下,微生物的代謝越旺盛,分泌的有機酸就越多,對重金屬離子的溶解和沉淀作用就越強,對污染的治理效果就越好。李淑更等[21]在研究中,以加入了馴化污泥的城市污泥作為培養基,檢測污泥中重金屬離子的濾除率,結果顯示,污泥中重金屬離子的濾除率分別為銅離子67.2%、鋅離子88.9%、鉻離子82.4%和鎳離子68.4%。

3.2 吸附作用

微生物對重金屬離子的吸附作用,主要體現在吸收、吸附和沉淀三方面。鄒春艷等[22]研究發現：膠質芽孢桿菌(Bacillus mucilaginosus)K02菌株制得的微生物吸附劑對鉛、鋅、鎘、銅和鉻等離子都有一定的吸附作用。此外,劉建英等[23]認為,螺旋藍細菌對重金屬的吸附會受到有機陰離子的影響,這種影響可以是促進也可以是抑制。例如,檸檬酸根可以促進吸附作用,而乙酸根會抑制吸附作用的產生。黃民生等[24]考察了微生物吸附重金屬離子的影響因素,考察的微生物包括嗜熱性真菌、啤酒酵母、銅綠假單胞菌、酒曲霉菌屬、白腐真菌,當重金屬起始濃度、溫度、pH值、微生物量等影響因素變量發生改變時,微生物對鋅、鎳、鉛、銀等離子吸附程度也會發生改變。

3.3 氧化和還原作用

一般來說,重金屬元素以穩定價態的化合物形式存在時,溶解度小,穩定性好；以低價態或者過高價態存在時就會非常不穩定,溶解度增大,對土壤和水體產生不利的影響。利用微生物對重金屬的氧化還原作用,使重金屬以其穩定的價態存在,從而使重金屬的活性降低,可以降低其對水體和土壤的污染。王澤煌等[25]學者的研究發現：細菌能夠與多種重金屬離子發生體內轉換,將高毒離子轉變成低毒或無毒離子。何德文[26]對微生物的氧化還原作用進行了定量研究,根據鉻離子的濃度,調整培養基成分組成,改變微生物的存在環境。研究結果表明,微生物可以完全還原低于150mg/L濃度的鉻離子,此時的培養基即為最優培養基。

3.4 菌根真菌的生物作用

當真菌感染了植物的根并與其一起生長時,就成為菌根。菌根可以更好地吸收土壤中的營養物質。菌根真菌對于重金屬離子可以產生直接影響,也可以產生間接影響。羅繼鵬等[27]研究表明,東南景天體內分離的內生菌顯著地增加了東南景天的根長、根表面積和根毛數,最終提高了植物對重金屬的吸收和積累。王江等[28]研究了五節芒對于土壤污染的修復作用,結果顯示,五節芒根際土壤微生物的濃度明顯高于周圍土壤中微生物的濃度。黃晶等[29]將紫花苜蓿用菌根真菌浸染,考察其對土壤中重金屬離子的吸收。結果表明浸染后的紫花苜蓿對重金屬離子的吸收效果明顯增加。與此同時,不同菌根真菌浸泡,對于重金屬離子的吸收也有差異。

4 結論與展望

綜上所述,微生物在治理重金屬離子污染的問題上發揮著重要的作用。微生物修復法因其費用低廉、可循環利用等優點,取得了不小的成就,有著十分良好的發展前景,但它在重金屬污染修復上仍有其局限性：(1)現階段培養的微生物大多需要特定的理化環境,而在實際應用中的環境是復雜可變的,用于修復的微生物不能很好地發揮作用；(2)菌種的安全性和可控性也是一大局限性因素。培養的微生物在某些特定環境條件下,其自身大量繁殖或變異,這不僅起不到修復重金屬污染的作用,還會成為環境的污染源；(3)實際應用中通常為多種重金屬污染復合,單一類別的菌種很難達到完全去除的效果,而多菌種同時進行修復一是無法同時滿足各種菌的生存條件,二是菌種之間的相互作用致使達不到理想的修復效果。

針對這些問題,我們提出以下幾個方面的建議：(1)優化微生物篩選過程,并對篩選出的高效降解菌進行嚴格馴化,從而培養出在普遍環境中均耐受、可控的菌種；(2)要想同時對環境中重金屬進行微生物修復,要結合污染土壤、水體類型特點篩選出高效微生物群,并建立資源庫,同時結合菌種群落開發出適用的多菌種聯合修復技術,使其向技術化發展；(3)微生物修復技術與其他相關學科和技術并不是割裂的,應探求與植物、化學、物理吸附等方法聯合,共同作用,更加妥善地治理重金屬污染,改善環境。