重金屬污染土壤原位微生物修復(fù)技術(shù)及其研究進(jìn)展

黃春曉

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

重金屬污染土壤原位微生物修復(fù)技術(shù)及其研究進(jìn)展

黃春曉

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

介紹了重金屬污染土壤微生物修復(fù)的主要原理,及微生物修復(fù)技術(shù)的現(xiàn)狀和進(jìn)展,分析了目前微生物修復(fù)存在的問(wèn)題,指出了今后的研究方向與發(fā)展趨勢(shì),為重金屬污染土壤微生物修復(fù)技術(shù)的理論研究和應(yīng)用提供了參考.

重金屬;污染土壤;微生物修復(fù)

由于礦山開(kāi)采、金屬冶煉以及工業(yè)污水和污泥的農(nóng)業(yè)應(yīng)用,大量的有毒有害重金屬元素進(jìn)入土壤系統(tǒng),不僅導(dǎo)致土壤的退化、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的降低,而且還可能通過(guò)食物鏈危及人類的健康和生命.

目前,用于土壤重金屬污染治理的方法包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù).物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)雖能達(dá)到一定的效果,但是能耗大、二次污染等問(wèn)題也限制了其應(yīng)用[1],尤其對(duì)于大面積有害的低濃度重金屬污染,更是難以處理.重金屬污染土壤的原位生物修復(fù)是利用各種天然生物過(guò)程而發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)場(chǎng)處理土壤環(huán)境污染的技術(shù),可利用生物削減土壤中重金屬含量或降低重金屬毒性[2].根據(jù)修復(fù)主體的不同,它主要分為微生物修復(fù)、植物修復(fù)和植物-微生物聯(lián)合修復(fù).微生物修復(fù)較物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性,操作簡(jiǎn)單、處理費(fèi)用低、效果好,對(duì)環(huán)境不會(huì)造成二次污染,可以就地進(jìn)行處理等,具有很大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景.

1 微生物修復(fù)的機(jī)理

微生物不能降解和破壞重金屬,但可通過(guò)轉(zhuǎn)化作用和固定作用改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài),從而改變其毒性、移動(dòng)性和生物可利用性.

1.1 微生物的轉(zhuǎn)化作用

微生物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)化作用包括氧化還原作用和甲基化與去甲基化作用.土壤中的一些重金屬元素可以多種價(jià)態(tài)和形態(tài)存在,不同價(jià)態(tài)和形態(tài)的溶解性和毒性不同,可通過(guò)微生物的氧化還原作用和去甲基化作用改變其價(jià)態(tài)和形態(tài),從而改變其毒性和移動(dòng)性.微生物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)化作用常見(jiàn)的有對(duì)鉻、汞、硒和砷等的轉(zhuǎn)化.如假單胞菌(Pseudomonad sp.)可以把六價(jià)鉻還原為三價(jià)鉻,從而降低其毒性[3].Fw ukowa從土壤中得到假單胞桿菌 K-62,它能分解無(wú)機(jī)汞和有機(jī)汞而形成元素汞,元素汞的生物毒性比無(wú)機(jī)汞和有機(jī)汞低得多.Frankenber等通過(guò)耕作、優(yōu)化管理、施加添加劑等來(lái)加速硒的原位生物甲基化,使其揮發(fā)而降低硒的毒性,此生物技術(shù)已在美國(guó)西部灌溉農(nóng)業(yè)中用于清除硒污染[4].有些真菌和細(xì)菌能使無(wú)機(jī)A s轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機(jī)A s,從而降低其毒性[5].

1.2 微生物的固定作用

土壤中重金屬離子有5種形態(tài):可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài).前3種形態(tài)穩(wěn)定性差,后2種形態(tài)穩(wěn)定性強(qiáng).重金屬污染物的危害主要來(lái)自前3種不穩(wěn)定的重金屬形態(tài)[6].微生物固定作用可將重金屬離子轉(zhuǎn)化為后2種形態(tài)或積累在微生物體內(nèi),從而使土壤中重金屬的濃度降低或毒性減小.微生物固定作用有胞外吸附作用、胞外沉淀作用和胞內(nèi)積累作用3種形式.

1.2.1 胞外吸附作用

胞外吸附作用主要是指重金屬離子與微生物的產(chǎn)物或細(xì)胞壁表面的一些基團(tuán)通過(guò)絡(luò)合、螯合、離子交換、靜電吸附、共價(jià)吸附等作用中的一種或幾種相結(jié)合的過(guò)程[2].許多研究表明細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物對(duì)溶解態(tài)的金屬離子有很強(qiáng)的絡(luò)合能力,這主要因?yàn)榧?xì)菌表面有獨(dú)特的化學(xué)組成.細(xì)胞壁帶有負(fù)電荷而使整個(gè)細(xì)菌表面帶負(fù)電荷,而細(xì)菌的產(chǎn)物或細(xì)胞壁表面的一些基團(tuán)如-COOH、-NH2、-SH、-OH等陰離子可以增加金屬離子的絡(luò)合作用[7].

1.2.2 胞外沉淀作用

胞外沉淀作用指微生物產(chǎn)生的某些代謝產(chǎn)物與重金屬結(jié)合形成沉淀的過(guò)程.在厭氧條件下,硫酸鹽還原菌中的脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)和腸狀菌屬(Desulfotomaculum)可還原硫酸鹽生成硫化氫,硫化氫與 Hg2+形成 HgS沉淀,抑制了 Hg2+的活性[8].某些微生物產(chǎn)生的草酸與重金屬形成不溶性草酸鹽沉淀.

1.2.3 胞內(nèi)積累作用

胞內(nèi)積累作用是指重金屬被微生物吸收到細(xì)胞內(nèi)而富集的過(guò)程.重金屬進(jìn)入細(xì)胞后,通過(guò)區(qū)域化作用分布在細(xì)胞內(nèi)的不同部位,微生物可將有毒金屬離子封閉或轉(zhuǎn)變成為低毒的形式[9].微生物細(xì)胞內(nèi)可合成金屬硫蛋白,金屬硫蛋白與 Hg、Zn、Cd、Cu、Ag等重金屬有強(qiáng)烈的親合性,結(jié)合形成無(wú)毒或低毒絡(luò)合物.如真菌木霉、小刺青霉和深黃被包霉通過(guò)區(qū)域化作用對(duì)Cd、Hg都有很強(qiáng)的胞內(nèi)積累作用[10].

2 重金屬污染土壤微生物修復(fù)技術(shù)及其研究進(jìn)展

2.1 生物刺激技術(shù)

生物刺激即向污染的土壤中添加微生物生長(zhǎng)所需的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素以及電子受體,刺激土著微生物的生長(zhǎng)來(lái)增加土壤中微生物的數(shù)量和活性.關(guān)于這方面的研究國(guó)外文獻(xiàn)已有報(bào)道.Reddy K R,Cutright T J對(duì)鉻污染土壤的微生物修復(fù)進(jìn)行的研究表明,限制鉻污染場(chǎng)地修復(fù)進(jìn)程的一個(gè)共同因素是污染場(chǎng)地通常缺乏足夠的營(yíng)養(yǎng)以供引進(jìn)的外來(lái)微生物或土著微生物生長(zhǎng),以至這些微生物自身具備的還原Cr6+的潛力得不到充分發(fā)揮;為使其潛力得到充分發(fā)揮,需向其生活的環(huán)境中投加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)刺激鉻還原菌的新陳代謝和繁殖,促進(jìn)鉻污染土壤的修復(fù)[12].Higgins T E將堆肥、鮮肥、牛糞、泥炭加入鉻污染土壤進(jìn)行原位修復(fù),提高了修復(fù)效果[13].

2.2 生物強(qiáng)化技術(shù)

生物強(qiáng)化技術(shù)即向重金屬污染土壤中加入一種高效修復(fù)菌株或由幾種菌株組成的高效微生物組群來(lái)增強(qiáng)土壤修復(fù)能力的技術(shù).所加入的高效菌株可通過(guò)篩選培育或通過(guò)基因工程構(gòu)建,也可以通過(guò)微生物表面展示技術(shù)表達(dá)重金屬高效結(jié)合肽,從而得到高效菌株.

2.2.1 高效菌株篩選

高效菌株有2個(gè)來(lái)源:一是從重金屬污染土壤中篩選;二是從其他重金屬污染環(huán)境中篩選.從重金屬污染土壤中篩選分離出土著微生物,將其富集培養(yǎng)后再投入到原污染的土壤,這是本土生物強(qiáng)化技術(shù)(本土生物強(qiáng)化技術(shù)是由日本科學(xué)家Ueno A等于2007年首次提出的[14]).篩選、富集的土著微生物更能適應(yīng)土壤的生態(tài)條件,進(jìn)而更好地發(fā)揮其修復(fù)功能.目前已從Cr(V I)、Zn、Pb污染土壤中篩選分離出菌種Pseudomonasmesophillca和maltophilia P,Barton等對(duì)這2種菌株去除Se、Pb毒性的可能性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)上述菌種均能將硒酸鹽、亞硒酸鹽和二價(jià)鉛轉(zhuǎn)化為不具毒性且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的膠態(tài)硒與膠態(tài)鉛.Robinson等研究了從土壤中篩選的4種熒光假單胞菌對(duì)Cd的富集與吸收效果,發(fā)現(xiàn)這4種細(xì)菌對(duì)Cd的富集達(dá)到環(huán)境中的100倍以上[1].

2.2.2 基因工程菌構(gòu)建

基因工程可以打破種屬的界限,把重金屬抗性基因或編碼重金屬結(jié)合肽的基因轉(zhuǎn)移到對(duì)污染土壤適應(yīng)性強(qiáng)的微生物體內(nèi),構(gòu)建高效菌株.

由于大多數(shù)微生物對(duì)重金屬的抗性系統(tǒng)主要由質(zhì)粒上的基因編碼,且抗性基因亦可在質(zhì)粒與染色體間相互轉(zhuǎn)移,許多研究工作開(kāi)始采用質(zhì)粒來(lái)提高細(xì)菌對(duì)重金屬的累積作用,并取得了良好的應(yīng)用效果[15].

2.2.3 微生物表面展示技術(shù)

微生物表面展示技術(shù)是將編碼目的肽的DNA片段通過(guò)基因重組的方法構(gòu)建和表達(dá)在噬菌體表面、細(xì)菌表面(如外膜蛋白、菌毛及鞭毛)或酵母菌表面(如糖蛋白),從而使每個(gè)顆粒或細(xì)胞只展示一種多肽[16].微生物表面展示技術(shù)可以把編碼重金屬離子高效結(jié)合肽的基因通過(guò)基因重組的方法與編碼細(xì)菌表面蛋白的基因相連,重金屬離子高效結(jié)合肽以融合蛋白的形式表達(dá)在細(xì)菌表面,可以明顯增強(qiáng)微生物的重金屬結(jié)合能力,這為重金屬污染的防治提供了一條嶄新的途徑.

LamB、冰晶蛋白、酵母α-凝集素、a-凝集素和葡萄球菌蛋白A都是表面蛋白,在微生物表面展示技術(shù)中用來(lái)定位、錨定外源多肽[17-18].

Sousa C等將六聚組氨酸多肽展示在 E.coli LamB蛋白表面,可以吸附大量的金屬離子,重組菌株對(duì)Cd2+的吸附和富集比 E.coli大11倍[19];Xu Z、Lee S Y將多聚組氨酸(162個(gè)氨基酸)與OmpC融合,重組菌株吸附 Cd的能力達(dá) 32 mol/g干菌[20];Schembri M A等將隨機(jī)肽庫(kù)構(gòu)建于E.coli的表面菌毛蛋白 Fim H粘附素上,經(jīng)數(shù)輪篩選和富集,獲得對(duì)PbO2、CoO、M nO2、Cr2O3具有高親和力的多肽[21];Kuroda K、Ued M將酵母金屬硫蛋白(YM T)串聯(lián)體在酵母表面展示表達(dá)后,四聚體對(duì)重金屬吸附能力提高5.9倍,八聚體提高8.7倍[22].

表面展示技術(shù)用于重金屬污染土壤原位修復(fù)的研究雖然取得了許多成果,但離實(shí)際應(yīng)用尚有一段距離.其主要原因是用于展示金屬結(jié)合肽的受體微生物種類及適應(yīng)性有限,并且缺乏選擇金屬結(jié)合肽的有效方法[16].

3 結(jié) 語(yǔ)

3.1 存在的問(wèn)題

重金屬污染土壤原位微生物修復(fù)技術(shù)目前還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:

(1)修復(fù)效率低,不能修復(fù)重污染土壤.

(2)加入到修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中的微生物會(huì)與土著菌株競(jìng)爭(zhēng),可能因其競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)土著微生物,而導(dǎo)致目標(biāo)微生物數(shù)量減少或其代謝活性喪失.

(3)重金屬污染土壤原位微生物修復(fù)技術(shù)大多還處于研究階段和田間試驗(yàn)與示范階段,還存在大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題.

(4)微生物個(gè)體微小,難以從土壤中分離;重金屬回收困難.

3.2 研究趨勢(shì)

通過(guò)以上分析,我們認(rèn)為今后應(yīng)從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究和應(yīng)用:

(1)應(yīng)加強(qiáng)具有高效修復(fù)能力的微生物的研究.分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)的應(yīng)用有助于構(gòu)建具有高效轉(zhuǎn)化和固定重金屬能力的菌株,尤其是微生物表面展示技術(shù)的不斷成熟與完善將會(huì)極大地提高微生物對(duì)重金屬的固定能力,在重金屬修復(fù)中發(fā)揮重要作用.

(2)加強(qiáng)微生物修復(fù)技術(shù)與其他環(huán)境修復(fù)技術(shù)有效的集成.可以采用植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù),充分發(fā)揮植物與微生物修復(fù)技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)它們的不足;研究土壤環(huán)境條件變化對(duì)重金屬微生物轉(zhuǎn)化的影響,通過(guò)應(yīng)用化學(xué)試劑(絡(luò)合劑、螯合劑)或土壤改良劑、酸堿調(diào)節(jié)劑等加速微生物修復(fù)作用;結(jié)合生物刺激技術(shù)添加修復(fù)微生物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),以增加其競(jìng)爭(zhēng)力和修復(fù)效果.

(3)做大量的野外試驗(yàn)以獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相比較,以期微生物修復(fù)技術(shù)的推廣.

(4)研究固定化微生物用于重金屬污染土壤修復(fù),以克服微生物顆粒小、機(jī)械強(qiáng)度低、難以分離微生物和回收重金屬的缺點(diǎn).

雖然金屬重污染土壤的原位微生物修復(fù)技術(shù)還存在一定的問(wèn)題,目前的應(yīng)用和市場(chǎng)還很有限,但是這種方法具有物理和化學(xué)方法所不及的經(jīng)濟(jì)上和生態(tài)上的雙重優(yōu)勢(shì),潛力巨大.微生物修復(fù)將成為一種廣泛應(yīng)用、環(huán)境良好和經(jīng)濟(jì)有效的重金屬污染土壤修復(fù)方法,為重金屬污染土壤的治理開(kāi)辟了一條新途徑.

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M icrobial Remediation of Soils Polluted by Heavy Metal

HUANG Chun-xiao
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Themechanism of microbial remediation technology of soils polluted by heavy metal is introduced in this paper.Statusand advancement in research of microbial remediation technology are summarized.The problems existed in the technology are discussed while study direction and trend are suggested.The discussion and suggestion could provide reference for the study and application in the future.

heavy metal;polluted soils;m icrobial remediation

X5;Q93

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.03.010

1671-6906(2011)03-0041-04

2011-05-16

河南省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2010B610013)

黃春曉(1968-),女,河南葉縣人,副教授,碩士.