微生物技術(shù)在重金屬土壤修復中的應用

張 輝，黃敏銳，姚靖靖

1.浙江省環(huán)境科技有限公司,浙江 杭州 310000；2.浙江紅獅環(huán)保股份有限公司，浙江 蘭溪 321100

重金屬污染已成為全球性的環(huán)境問題，威脅著自然環(huán)境和人類健康。重金屬，即密度大于5 g/cm3的金屬元素，其具有毒性較大、耐久性強等特點，一旦進入土壤和水源，在生物鏈中不易被分解及消除。如果人體長期攝入鎘會導致骨質(zhì)疏松、腎臟損害、貧血等癥狀；汞對中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腎臟有毒性，長期接觸會出現(xiàn)視力減退、神經(jīng)衰弱等癥狀。對此，人們一直在尋求有效的技術(shù)手段來解決這個問題。目前，微生物修復技術(shù)逐漸受到廣泛關(guān)注，這是一種利用微生物代謝活動對污染物進行降解、轉(zhuǎn)化和去除的技術(shù)，具有成本低、治理效果好的優(yōu)勢。

1 重金屬污染土壤中微生物技術(shù)的修復機理

1.1 生物吸附作用

微生物修復技術(shù)主要是利用微生物的代謝能力來降解或轉(zhuǎn)化重金屬。在土壤中，微生物可通過吸附、沉淀作用將重金屬去除，微生物菌體表面的胞外聚合物和菌體內(nèi)金屬結(jié)合蛋白，可以與重金屬離子形成絡(luò)合物，從而將其吸附在菌體表面或沉淀到土壤中，減少重金屬的毒性。可見，微生物吸附是基于金屬離子與微生物進行反應的。通常情況下，微生物細胞的陰離子基團（-PO43-、-NH2、-SH）與金屬離子進行離子交換、絡(luò)合進而將其吸附。根據(jù)金屬離子與微生物細胞作用部位的不同，可分為胞內(nèi)、胞外、細胞表面的吸附。其中，胞內(nèi)作用就是金屬離子通過離子通道或離子轉(zhuǎn)運蛋白進入細胞內(nèi)部，影響微生物細胞的代謝活動，即重金屬離子與微生物細胞內(nèi)結(jié)合蛋白、絡(luò)合素進行結(jié)合，積聚在細胞內(nèi)部。胞外作用就是微生物菌體表面的胞外聚合物，通過離子交換、靜電作用與重金屬離子形成絡(luò)合物，從而將其吸附在菌體表面或沉淀到土壤中[1]。其中，胞外聚合物可吸附Ph2+、Mg2+、Cu2+，固定Pb2+，例如出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）的胞外聚合物可將Pb2+積累并固定在細胞表面。細胞表面吸附就是金屬離子與微生物細胞表面蛋白質(zhì)、多糖等相互作用。微生物細胞表面的蛋白質(zhì)、多糖等分子具有負電性，可與帶正電的重金屬離子結(jié)合，形成不溶性沉淀物，從而將重金屬離子從土壤中去除。

1.2 氧化還原作用

微生物氧化還原作用主要借助微生物的代謝活動使重金屬元素發(fā)生氧化還原反應，從而將其轉(zhuǎn)化為不易被生物吸收的形態(tài)，降低其毒害作用，即多價金屬離子基于氧化還原反應發(fā)生價態(tài)變化。例如被污染土壤中的Cr 元素——高價Cr6+、低價Cr3+特性不同，前者毒性強、水溶性強，而后者移動性差、毒性與水溶性低。土壤中含有的微生物可以將高價Cr6+轉(zhuǎn)化為低價Cr3+，促使Cr 無機鹽還原。此類微生物就包括產(chǎn)堿菌屬（Alcaligenes Castellani）、芽抱桿菌屬（Bacillus Cohn）、棒桿菌屬（Corynebac-terium）、假單胞菌屬（Pseudomonadaceae）、 微球菌屬（Micrococcaceae Pribram）等，能夠減輕Cr 元素對土壤的污染。另外，根據(jù)微生物代謝中金屬離子起直接作用與否，可將氧化還原作用分為同化氧化還原（As-similatory）和異化氧化還原（Dissimilatory）[2]。前者是金屬離子在微生物體內(nèi)借助電子受體進行新陳代謝，后者則是金屬離子沒有借助電子受體參與氧化還原反應。其實，微生物代謝時通常會分泌氧化還原酶來提高氧化還原反應效率，去除重金屬離子的污染。例如汞離子受到汞還原酶的影響將高價Hg2+還原為低價汞，或Hg2+在異化還原細菌的電子供體下進行還原，以降低汞污染。

2 微生物技術(shù)在重金屬土壤修復中的具體應用

2.1 細菌修復技術(shù)應用

微生物修復技術(shù)利用本源微生物或經(jīng)人工篩選培養(yǎng)的外源微生物的吸附、溶解、沉淀、氧化還原等作用減輕重金屬對土壤的毒性，從而達到修復重金屬污染土壤的目的。具體而言，微生物修復技術(shù)可以利用微生物對重金屬的吸附和沉淀作用，將重金屬離子從土壤中去除；或者通過微生物的還原作用，將重金屬離子還原為無毒的金屬形態(tài)，從而減輕其對土壤的毒性。

其中，對于細菌修復技術(shù)的應用而言，一般使用產(chǎn)堿菌、耐性細菌等進行重金屬土壤修復。例如盆栽+產(chǎn)堿菌，可以削弱Cr（鉻）元素的毒性；當土壤中沒有Cd（鎘）和Pb（鉛）時，則耐性細菌可以強化植物吸收重金屬元素的能力。具體應用如下：（1）蠟狀芽抱桿菌在礦渣上進行Mn 處理，往往可以達到98.9%的吸附率[3]。這是因為蠟狀芽抱桿菌的羧基、酰胺、磷酸基團等表面化學官能團可以與Mn 發(fā)生離子交換或絡(luò)合作用，從而在細菌表面或內(nèi)部吸附Mn。（2）蘇云金桿菌在pH 為7.42、有機質(zhì)含量達到1.83%的土壤中吸收Cd，將蘑菇生物量提高到了26.68%～43.58%，Cd 積累量達到14.29%～97.67%。這是因為蘇云金桿菌能夠產(chǎn)生1-氨基環(huán)丙基-1-羧酸（ACC）脫氨酶、吲哚-3-乙酸（IAA）、鐵載體等促進生長因子，激發(fā)了抗氧化酶的活性，從而降低了Cd 毒害蘑菇的作用，促使蘑菇不斷生長，實現(xiàn)蘑菇子實體或菌絲生物量的增加。

可見，微生物修復是可以改變重金屬形態(tài)的。首先，微生物的官能團（如羥基、羰基、羧基等）可以和重金屬離子發(fā)生離子交換、絡(luò)合等反應，進而改變重金屬形態(tài)。其次，微生物可以分泌有機酸（如檸檬酸、蘋果酸、草酸等）與重金屬進行溶解、絡(luò)合，或者分泌多胺等堿性化合物與重金屬進行沉淀，又或者產(chǎn)生酶實現(xiàn)重金屬的氧化還原，如將Cr6+還原為Cr3+。

2.2 真菌修復技術(shù)應用

真菌由于接觸面大、生長快、對土壤環(huán)境要求低，因而其土壤修復效果比細菌更好。目前一般使用類酵母、木霉屬、青霉屬、從生菌根等真菌進行重金屬吸附，其具體應用如下：（1）豬肚菇在pH 為6.33、有機質(zhì)含量為1.84%的土壤環(huán)境下進行Cd、Cu 富集，促使酸溶態(tài)下Cd 提高2.70%～8.07%、Cu 提高0.54%～6.85%，殘渣態(tài)下Cd 提高25.50%～61.56%，Cu 提高5.00%～36.71%。其中，Cd 的最大富集量達到4.58 mg·kg-1，Cu 的最大富集量為20.43 mg·kg-1。其作用機理是：豬肚菇通過分泌有機酸（如檸檬酸、酮戊二酸、琥珀酸、草酸等），來促進土壤中Cd、Cu的解吸[4]；同時，豬肚菇可以提高土壤中的微生物量，促進鐵載體生成以結(jié)合Cd、Cu，從而增加Cd、Cu生物的有效性。（2）平菇在pH 為8.1 的環(huán)境下進行Cd、Cr 去除，促使培養(yǎng)基中Cd 去除率達到44.85%～80.36%、Cr 的去除率達到14.49%～45.55%，而土壤中Cd 最大去除率達到4.7%，Cr 最大去除率則為2.9%。其作用機理為：細胞壁上的活性基團（如巰基、羧基、羥基等）與Cd、Cr 發(fā)生反應生成不溶性物質(zhì)或沉淀。

由此可見，微生物修復中使用的真菌（如平菇、雞腿菇等），可收割菌體降低土壤重金屬含量。真菌細胞的官能團（如巰基、羧基、羥基等）與重金屬離子相結(jié)合生成不溶性物質(zhì)或沉淀，同時真菌的細胞壁還可以吸附重金屬。

2.3 植物聯(lián)合技術(shù)的應用

為克服單一微生物修復重金屬污染的局限性，微生物和植物聯(lián)合修復技術(shù)得到了廣泛應用。該技術(shù)將植物修復技術(shù)和微生物修復技術(shù)共同應用于重金屬土壤修復中，即借助植物的吸收作用與微生物的代謝作用去除土壤中的重金屬元素。植物的光合作用、根系分泌物、落葉殘體都可以為微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)[5]，而微生物可以活化重金屬，幫助植物從土壤中吸收有益元素。例如煙草根際+熒光假單胞菌可以提高煙草根系活力；油菜+芽孢桿菌，可以提高油菜對鎘的吸收；小麥+假單胞菌，能夠?qū)U元素轉(zhuǎn)化為不易被吸收的形態(tài)。下文以伴礦景天、東南景天、蜈蚣草為例展開探討。

針對伴礦景天+根菌研究，首先去除土壤中大部分重金屬，并增加微生物菌劑，然后栽種植物伴礦景天，進而探究重金屬的去除率。通常情況下，在一定的重金屬濃度范圍內(nèi)，伴礦景天的生物量與重金屬濃度的變化呈正相關(guān)。同時，去除土壤中重金屬元素容易流失掉氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，因而可以通過增加根菌觀察伴礦景天的生物量。實驗證明伴礦景天的生物量得到增加，范圍為6.9%～38.5%，重金屬去除率得到提高，范圍為9.2%～20.9%，同時伴礦景天植物內(nèi)部重金屬的含量也有所增加，范圍為3.4%～53.7%。由此可見，根瘤菌可以促進伴礦景天的生長和對重金屬的吸收。此外，伴礦景天還可以富集重金屬Pb、Cd、Zn、Cu，伴礦景天根部富集Pb、Cu，系數(shù)可達0.5。并且，伴礦景天根部、地上部分都可以積累Cd、Zn，其中Zn 在地上部分的含量比根部含量多，其轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1,伴礦景天對Zn 具有較強的轉(zhuǎn)運能力[6]。

針對東南景天+內(nèi)生細菌SaMR12 的研究，東南景天可以通過分泌有機酸對Cd 重金屬進行活化與富集，借助Cd 特異性轉(zhuǎn)移蛋白進行有效態(tài)Cd 的吸收。其中添加內(nèi)生細菌SaMR12 可以不斷刺激東南景天分泌有機酸，從而促進以上反應的進行，提高東南景天對Cd 的提取量與去除率，實驗證明Cd 的提取量從330.13 mg 增加到947.84 mg，去除率從5.1%提高至14.39%。

3 結(jié)語

綜上所述，重金屬毒性較強，且具有蓄積性特質(zhì)，會對生物造成嚴重傷害，因此，重金屬土壤污染的修復顯得尤為重要。在眾多修復技術(shù)中，微生物技術(shù)較為環(huán)保、高效，具有廣闊的應用前景。通過微生物的代謝特性和生態(tài)系統(tǒng)的自我修復能力，能夠有效降低土壤中重金屬元素的含量，同時也可以促進土壤健康和植物生長。因而，深入研究微生物技術(shù)在重金屬污染土壤修復中的作用機制，探索更加有效的修復方法，具有重要意義。