微生物復合菌劑對重金屬超富集植物體快速減容減重應用基礎研究

梁朱明　羅學剛

摘要：針對污染環境生物修復后產生的大量富集植物體低成本快速處理的關鍵技術問題，選用枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）等組成的復合菌劑，用印度芥菜（Brassica juncea）等對重金屬有很強富集能力的植物作為材料進行超富集植物體減容減重應用基礎研究。結果表明，經微生物復合菌劑處理的超富集植物體的體積減容率達到96%，比對照增加23個百分點;纖維素、半纖維素、木質素降解率分別達到69.06%、80.75%、28.59%，分別比對照增加27.35、14.75、5.49個百分點。充分證明微生物復合菌劑對重金屬超富集植物體具有顯著的減容減重能力和潛在的應用推廣前景。

關鍵詞：微生物復合菌劑;重金屬;超富集植物;減容;減重

中圖分類號：X705 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）05-0072-06

Abstract： In order to solve the key technical problems of quickly process large quantities of hyperaccumulator plant bodies at low cost after environmental bioremediation，a composite agent consisting of Bacillus subtilis and Bacillus licheniformis， and plants such as Indian mustard （Brassica juncea） with strong enrichment ability for heavy metals were used in fundamental research of reducing the volume and weight of hyperaccumulator plants. The experiments result showed that the volume-reducing rate of hyperaccumulator plants treated with microbial vomposite agents reached 96% with 23 percentage point more than the control group. And the degradation rates of cellulose， hemicellulose and lignin reached 69.06%， 80.75% and 28.59%，with 27.35，14.75，5.49 percentage point more than the control group. The experimental results show that the microbial composite agents have significant volume reduction and weight reduction abilities for heavy metal hyperaccumulators plants and potential application prospects.

Key words： microbial composite agents; heavy metal; hyperaccumulator plant; volume reduction; weight reduction

針對不同的污染環境開發低成本、經濟高效的生物修復技術來治理和修復污染環境是一個重要的世界性研究課題[1]。與傳統的物理、化學及工程技術方法相比，生物修復技術雖然具有許多優點，且應用前景看好，但真正推廣這項技術仍有許多問題需要解決[2]。其中，生物修復后產生的大量富集植物體的后處理是生物修復技術面臨的一個亟待解決的問題，因為其具有重金屬等污染物含量高，體積、重量龐大等特點，因此使得處理的費用高、風險大，甚至會形成處理場及處理設施的重金屬等二次污染[3]。如果不突破這些瓶頸問題，污染環境控制與生物修復技術的應用和產業化前景就會受到質疑。重金屬等污染物富集生物體的安全處置是今后生物修復技術亟需解決的重要技術難題之一。

目前處理超富集植物體堆積的主要方法有焚燒法、灰化法[4]、壓縮填埋法[5]、化學法[6，7]等，但是這些方法的處理過程和后續處理并不完善，對于場地和設備的要求較高，且費用較為昂貴[8]。目前對于超富集植物體處理處置的研究皆停留于實驗室階段，大部分研究均以植物秸稈粉末為纖維素源在培養基中進行模擬試驗[9，10]，這些研究的可控性較強，但是不能模擬出大量超富集植物體減容減重的實際過程。

超富集植物體中木質纖維素的含量約占80%，其中半纖維素約占30%，纖維素約占45%，木質素約占20%[11]。纖維素主要構成了植物纖維的骨架結構，而半纖維素和木質素一般存在于纖維素的內部和周圍，三者在共價鍵和化學鍵的作用下連接，其中作用最為明顯的是共價鍵。半纖維素是由幾種不同類型的單糖構成的異質多聚體[12]。木質素是不定形的、含有氧代苯丙醇或其衍生物結構單元的芳香性高聚物，它的存在使得超富集植物體木質部能夠維持極高的硬度而足以承拓整株植物的重量[13]，同時作為一個致密的物理屏障存在于植物細胞壁中，能夠起到抵抗氧化壓力和阻止微生物入侵的作用[14]。所以植物體降解速率較慢的重要原因就包括纖維素構成結晶區域和半纖維素、木質素的包裹[15，16]。因此，對于木質纖維素的降解是超富集植物體微生物減容減量技術的重點。

本研究主要利用枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）混合的微生物菌劑對超富集植物體進行應用基礎研究，選用的超富集植物體有印度芥菜（Brassica juncea）、馬尾草（Equisetum arvense）、小白菜（Brassica chinensis）、血莧（Iresine herbstii）。已有文獻報道本研究選用的印度芥菜[17，18]、小白菜[19，20]、馬尾草[21]等對重金屬都有著較強的富集能力。本研究通過在2 m×2 m×1 m減容池中進行印度芥菜、小白菜等超富集植物體的微生物復合菌劑減容減重試驗，觀測超富集植物體減容減重效果和表面微觀形態變化特征，表征其木質纖維素的變化規律，可為污染環境生物修復技術和大量超富集植物體的低成本、高效處理處置提供一定的理論和技術參考。

通過試驗組與對照組的數據對比，試驗組和對照組半纖維素降解率都超過了50%，而試驗組和對照組木質素降解率均偏低，試驗組為28.59%，對照組為23.10%，差距不大。這證明在超富集植物體減容減重過程中，半纖維素和纖維素含量的變化并不是決定性的指標。半纖維素較容易被降解，無論是否加入復合菌劑其降解率均在50%以上，此結果與韓瑋等[26]的研究結論相近。木質素是極其難降解的，即使添加了復合菌劑，木質素的降解率仍低于30%，說明木質素的降解依然是超富集植物體減容減重過程中需要克服的難題，此結果與黃得揚等[22]的研究結果一致。

2.4 ?減容減重過程中微生物菌劑有效活菌數變化

對減容池試驗組中試驗初期和后期樣品中有效活菌數（芽孢桿菌）進行檢測，結果顯示，有效活菌數（芽孢桿菌）在試驗初期和后期分別為18.33、140.00億CFU/g。表明試驗組添加的復合菌劑中的微生物有著良好的生長。

2.5 ?減容減重過程中菌體重金屬含量變化

對減容池試驗組中試驗前后菌體中鉛、錳、鎘的含量進行檢測，結果如表3所示。數據證明本研究中所使用的復合菌劑中的微生物在進行超富集植物體減容減重的同時，也對其重金屬進行了一定的吸附和固定，且吸附量與司慧[27]的研究結果相近但仍有一定的差距，其原因可能是試驗原材料重金屬的初始濃度不同，微生物的富集效果也不同。

2.6 ?減容減重過程中富集植物體的形態

如圖7所示，對照組池中剩余超富集植物體與初始狀態變化并不明顯，還有大量未被降解完全的植物纖維存在;而在試驗池中已無可見的植物纖維存在，池中僅有降解后的菌體、腐殖質等泥漿狀物質存在。通過對烘干后的樣品進行觀察發現，試驗組的烘干樣顏色更深且更易碎，而對照組的烘干樣依然保持著莖稈的形態，韌性較高。

2.7 ?減容減重中超富集植物體微觀結構變化

由圖8可以看出，試驗組超富集植物體的組織結構破壞較為嚴重，植物干樣中的纖維結構明顯扭曲和破壞，多處發生斷裂（圖8A、圖8B）;而對照組超富集植物體烘干樣中纖維結構基本并未受到過多的破壞，結構依然緊密、清晰可見。

3 ?討論

在超富集植物體微生物減容減重研究中，最主要的過程是微生物對超富集植物體木質纖維素的降解。纖維素的降解主要原理是依靠微生物分泌的CX酶（內切型葡聚糖酶）、C1酶（外切型葡聚糖酶） 和Ch酶（β-葡萄糖苷酶）等酶進行協同作用[28]，斷裂纖維素的長鏈，最終水解為葡萄糖[29]。

結合減容池中剩余物質的溫度變化和半纖維素、纖維素、木質素含量的變化以及超富集植物體體積變化來進行分析可以看出，試驗開始前7 d，微生物的生長處于遲緩期，半纖維素、纖維素、木質素的含量下降緩慢。微生物在降解超富集植物體半纖維素、纖維素、木質素的過程中會放出大量的熱量，從而導致剩余物質的溫度開始上升。這些熱量既促進了微生物的生長與繁殖，同時蒸發了超富集植物體中剩余的水分，使得減容池中超富集植物體的體積大幅下降[22]。在試驗14 d時，減容池中剩余物質的溫度達到59.7 ℃，體積減容率達到66%，纖維素的含量下降到9.43%，半纖維素的含量下降到7.32%。在7～21 d，微生物的生長處于對數期和穩定期，微生物的大量繁殖使得超富集植物體的半纖維素、纖維素、木質素的降解速率達到最大，剩余物質的溫度保持穩定的高溫。隨后在大量微生物代謝物積累和過高溫度的影響下，微生物的活性開始下降，生長進入衰亡期，超富集植物體半纖維素、纖維素、木質素的降解速率開始減緩，剩余物質溫度開始下降，并最終趨于穩定。最終超富集植物體的減容率為96%，半纖維素、纖維素、木質素的降解率為69.06%、80.75%、28.59%。

4 ?結論

本研究利用微生物復合菌劑對印度芥菜等超富集植物體進行減容減重研究，使得超富集植物體的減容率達96%，比對照組增加23個百分點;半纖維素、纖維素、木質素的降解率分別達69.06%、80.75%、28.59%，分別比對照增加14.75、27.35、5.49個百分點;超富集植物體的纖維結構基本被分解、破壞。本研究數據證實了該處理方法能有效減少超富集植物體的體積，并可大幅降低超富集植物體中的半纖維素、纖維素和木質素含量。本研究結果為污染環境生物修復技術和大量超富集植物體的低成本、高效處理處置提供一定的理論和技術參考。

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