土壤重金属污染的微生物修复机理研究进展*

吴 敏，王 锐，关 旸，林海龙

(黑龙江省普通高等学校植物生物学重点实验室，哈尔滨师范大学)

0 引言

19世纪末、20世纪初，随着工业革命的开始，采矿业的增加和工业活动的发展，使金属引起的环境污染变得明显［1］，尤其是金属对土壤的影响，土壤一旦遭受重金属污染就很难恢复，而一般的重金属不能够进行生物降解，会引起重金属滞留在土壤里，并且发挥着重金属离子的毒性效应，破坏了土壤的营养结构和正常的反应机制，并且大大降低了土壤对植物营养供给的有效性，还可通过食物链对人体健康带来严重威胁．

常规的处理重金属的物理化学方法不仅产生大量的有毒物质而且是一项高成本的解决途径．而生物修复技术的产生，代替了常规方法处理重金属污染的土壤［2］．生物修复包括植物修复和微生物修复，其中微生物修复是治理土壤重金属污染的重要应用生物技术，也是最具有发展前景的生物修复技术［3］．目前，通过利用微生物对污染的土壤进行生物治理已经成为可行有效的方法．由此，在这一形势下发展重金属污染土壤的微生物治理与修复技术则显得必要和紧迫．

1 土壤中的重金属来源及其危害

土壤重金属污染是指由于自然现象和人为活动使重金属离子进入到土壤中，致使土壤中重金属明显高于原生含量，并造成生态环境质量恶化的现象．自然原因主要包括火山爆发时的气体排放物、粉尘、矿石的风化．但是，土壤中的重金属污染大部分来源于人类不合理的活动，其来源包括:运输业、能源生产、工业冶金等排放的气体和粉尘，随着大气沉降进入土壤［4］;工业、矿业污水的排放使重金属进入土壤中并以不同的状态被土壤固定［5］．另外，农药、化肥和地膜等长期不合理施用，也导致土壤重金属污染．

土壤重金属污染同样带来了严重的后果．土壤重金属污染干扰土壤酶的活性，使其不能在土壤的有效利用上发挥良好的作用［6］;重金属还可以通过食物链在动植物以及人体内富集，对动植物的生长造成威胁，经研究表明在人类中重金属可能促进多种疾病的并发如钙代谢和维生素组织破坏导致的骨变、肾损伤［7］，在植物中富集，可破坏植物组织，影响植物正常的生理生化反应，例如土壤重金属镉含量过高会破坏植物叶片的叶绿素结构并最终导致植物衰亡，给农业发展带来了严重的影响．

2 土壤重金属污染的微生物修复机制

通过上述对于土壤重金属污染的来源及其危害的了解，在不断地探索和实验过程中，寻求着更加科学的方法与技术．微生物修复是指利用天然存在的或所培养的功能微生物群，在适宜环境条件下，促进或强化微生物代谢功能，从而达到降低有毒污染物活性或降解成无毒物质的生物修复技术．它已成为土壤污染生物修复技术的重要组成部分和生力军．在土壤微生物修复过程中，主要的微生物包括植物促生菌、真菌、酵母菌、藻类等，这些都能与重金属接触产生相应的生化反应，使重金属变成无毒或者含有少量毒性的形式［8］．微生物改变重金属离子在土壤中的化学行为，可以对土壤中重金属进行转化、移动或固定，降解有毒物质，从而达到微生物修复的目的．其修复机理包括细胞代谢、表面生物大分子吸收转运、生物吸附、空泡吞饮和氧化还原反应等．微生物对土壤中重金属活性的影响主要体现在四个方面:生物吸附和富集作用;氧化还原作用;溶解和沉淀作用;菌根与重金属的相互作用［9］．人们也主要是在这四个方面进行深入研究，提高微生物修复对土壤重金属污染的作用机制．

2．1 微生物对重金属离子的生物吸附和富集作

微生物吸附是指重金属被生物体吸附，当一些微生物中的阴离子型基团，与带着不同电性的重金属离子间相互作用并络合成固定的重金属分子．微生物细胞壁被看做是金属的吸附剂，如一些革兰氏阳性细菌细胞壁能结合质量分子大的有毒金属．微生物细胞壁含有多种带负电荷的基团如-NH2、-SH、PO3-4等，带有较强的负电荷，能吸附金属阳离子，它们之间通过离子交换、络合、螯合、静电吸附以及共价吸附等作用进行结合．Mahesh等［10］研究表明从污水间接反应器中分离出的三种真菌菌种都有吸附重金属的能力，特别是Fusarium solani真菌在碱性溶液pH(8．0 ～10．0)中溶解了 90%Cu2+．Bagdwal等［11］也同样观察到了真菌具有吸附重金属的能力．Mauro等［12］将酵母金属硫蛋白(YMT)串联体在酵母表面展示表达后，四聚体时对重金属吸附能力提高5．9倍，8聚体时提高了8．7倍，并且粗糙脉孢霉的金属硫蛋白(MTs)串联体在E．coli中表达，重组以后的真菌对Cd2+的吸附能力提高了65 倍［13］．Kaewchai等［14］的研究表明铜绿假单胞菌(CW型-96-1)耐受性铬在接种140 h后，金属的耐受性菌种达到99%以上．由于微生物在筛选过程中具有专一的筛选能力和培育微生物的成本偏高等问题，所以只能在小范围的矿区废弃物产地使用生物吸附的方法进行治理，只要在提高微生物特定吸附重金属离子的能力，改进培育微生物的方法，将会通过生物吸附大范围的控制和治理土壤重金属污染［15］．

生物积累又称为生物富集，是一个主动过程，发生在活细胞中．这是一个长期的富集过程，在这个过程中需要细胞代谢活动提供能量．在一定的环境中，可以通过多种金属运送机制如脂类过度氧化、复合物渗透、载体协助、离子泵等增加微生物体内的金属含量．细胞膜的通透性导致有毒元素进一步的暴露在细胞内的金属结合位点，而且增加了细胞的被动积累能力．重金属积累的微生物细胞内，可以通过透射电子显微镜来观察．Rani等［16］用原位生物修复的方法通过透射电子显微镜看到含有P．putida 62BN的细胞内积累了大量的镉，结果表明，这项利用原位生物修复的方法吸收土壤内大量的镉，对大豆的改良起到一定的积极作用．微生物在不同的生理条件的不同对土壤重金属的修复程度也是不同的，如的pH、温度等条件下，吸附的反应不一样．经一些研究表明，白腐真菌(Phanerochaete chrysosporium)吸附时温度在28℃和35℃时的吸附率分别为95．62%和94．81%，但40℃时的吸附率降为82．49%．微生物对重金属离子的吸附能力也受 pH 的制约．Tunali［18］等用头孢霉(Cephalosporium)吸附Pb2+时发现当pH从3．0升到5．0时，吸附量随pH的升高而增大，而当pH升高5．0以后，吸附量逐渐下降．

2．2 微生物对重金属的氧化还原反应

微生物不仅对重金属离子具有吸附能力，而且在一定的情况下可以进行生物转化．一些微生物在新陈代谢的过程中分泌氧化还原酶，催化重金属离子进行变价发生氧化还原反应．例如许多抗亚砷酸盐的细菌能把较大毒性的亚砷酸离子氧化成为毒性较小的砷酸盐，化能自养亚砷酸盐氧化菌和异养亚砷酸盐氧可以将As3+氧化为As5+，从As3+的氧化过程中获得能量，并将获得的能量用于CO2固定为细胞的有机碳，从而进行繁殖．有些微生物如氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁螺旋杆菌能氧化Fe2+假单孢杆菌属能氧化As、Fe和Mn，降低了重金属的毒性．

在微生物对土壤重金属的还原反应中某些还原物将毒性强的氧化态的金属离子还原为无毒性或低毒性的离子．有些微生物可把难溶性的Pu4+还原成可溶性的Pu3+，亚砷酸盐氧化和铬酸盐通过Hg-还原酶把Hg2+还原成挥发性的Hg，芽孢杆菌属和假单胞菌属等，这些菌能将高毒性的Cr6+，还原为低毒性的Cr3+，金属还原细菌可以使把难溶性的Fe3+还原成Fe2+，Mn4+还原成为Mn3+．魏甜甜［19］等发现地衣芽孢杆菌(BacilluslicheniformisCapsules)TT1可在3mmol/L Cu2+环境中生长，30℃ 24 h内可以还原71%的Cu2+．在微生物对重金属的解毒机制中，人们也越来越重视微生物通过氧化还原反应对重金属的解毒［20］．

2．3 微生物对土壤重金属污染的溶解和沉淀作用

微生物对重金属的溶解和沉淀作用主要是通过各种代谢活动直接或间接地进行的．土壤微生物能够利用土壤中有效的营养和能源，土壤微生物的代谢作用能产生多种低分子量的有机酸，通过有机酸以及其他代谢产物溶解重金属及含重金属的矿物，还可以通过分泌有机酸络合溶解土壤中的重金属［21］．

目前人们关注于真菌分泌的低分子量的有机酸对重金属污染土壤的研究．研究发现真菌体内产生的有机酸(乙二酸、柠檬酸等)可以作为对其营养变化和并存金属的溶解状况的重要参考指标［22］．Zandra Arwidsson等研究发现真菌中分泌的有机酸对土壤重金属铜污染的再次分配的过程中，Aspergillusniger，Penicillium bilaiae，和a Penicillium sp．等真菌产生的有机酸形成可溶性金属铜的配合物［23］，这样大大降低了铜对土壤的毒性．

2．4 菌根与重金属的相互作用

菌根是真菌与植物的根形成的复合体，菌根形成的分泌物具有很强的酸溶和酶解能力，菌根根际分泌物及根际提供的微生态，使菌根根际维持较高的微生物种群密度和生理活性，菌根真菌的活动可改善根际微生态环境，增强植物抗病能力，极大地提高植物在逆境(干旱、有毒重金属污染等)条件下的生存能力［24］．

植物根际促生菌(PGPR)产生的ACC-(1-氨基环丙烷-1-羧酸)可以在重金属含量高的生态环境中促进植物营养成分的增加和水分的产生．PGPR不仅给植物提供重要的营养物质而且在重金属解毒方面也扮演着重要的角色．一些研究发现，把大米上的植物促生菌Methylobacterium oryzae菌种 CMBM20、Burkholderia sp．CMBM40接种到马铃薯中，让这些马铃薯生长在铬镍含量高的土壤中，这些菌种能够降解铬镍的毒性，并且提高了马铃薯的产量［25］．由此看来，可以种植含有植物促生菌的植物来增加植物的生物量从而巩固其稳定性，提高植物的再生能力和恢复调整受重金属污染的土壤．

3 问题与展望

土壤微生物在土壤生态系统中起着重要的作用，它不仅能够指示污染土壤的生态系统稳定性，而且还具有潜在的巨大的环境修复能力．微生物修复技术是目前低成本、高效率、无污染的方法．但是它是一项复杂的系统工程，其中涉及多种科学技术问题．比如说对于外源微生物引入的条件与其引入后不违背生态环境原则问题、对微生物修复技术的生态毒理诊断与评价问题等．并且真正用于实践的修复技术并不多见，不仅由于技术上的欠缺，而且需要多种学科知识的综合才能解决实际问题．

现在微生物修复处于初级阶段所以应该增加对微生物修复技术的研究，使其更有效的利用在土壤污染的治理中．现在微生物修复作为一个有效地新途径，已经显示出了良好的应用前景．这项技术对土壤肥力和代谢活性没有影响，也不会影响人类的健康和生活环境．目前微生物修复技术已经被作为一项新兴的、高效的生物修复技术，扮演着越来越重的角色．随着科学的发展人们会通过污染的程度类型更有针对性微生物修复措施，也会深入对生物分子技术和基因工程技术与微生物修复综合技术的研究．

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