土壤重金屬污染的微生物修復技術研究進展

姚 航, 張杏鋒*, 吳熾珊

(1.桂林理工大學廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學 廣西巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西桂林 541004)

土壤重金屬污染的微生物修復技術研究進展

姚 航1,2, 張杏鋒1,2*, 吳熾珊1,2

(1.桂林理工大學廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學 廣西巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西桂林 541004)

摘要為了進一步認識土壤重金屬污染的微生物修復技術，綜述了目前國內外微生物修復技術、植物輔助微生物修復技術的作用機理、優缺點及其研究現狀等，并對其發展前景、研究趨勢進行了展望。

關鍵詞土壤污染；重金屬；微生物修復；微生物-植物聯合修復

近年來，隨著采礦、化工、印染紡織業的快速發展及農業生產中化學藥品的過量施用,導致土壤重金屬污染日益加劇。土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性和難降解性的特點,對人類健康存在安全隱患[1-2]。據國家環保局統計，我國受重金屬污染的耕地面積達到2 000萬hm2，約為總耕地面積的20%，每年受重金屬污染的糧食達到1.2×106萬kg，造成的經濟損失超過200億元[3]。因此，土壤重金屬污染的治理修復迫在眉睫，目前受到各級環保部門和科研機構的高度關注。

重金屬污染土壤的修復原理可概括為兩類：一是改變重金屬在土壤中的存在形態，使其固定從而降低其在環境中的遷移和生物可利用性；二是將重金屬從土壤中去除，使其殘留濃度接近或達到背景值[4]。按照處理工藝原理，可分為物理化學修復、農業生態修復、微生物修復[5]。物理化學修復技術主要包括土壤淋洗、化學固化及電動修復等，但該技術存在著一系列的局限性，如成本昂貴，土壤自身的結構受到破壞，可能造成二次污染等[6]。農業生態修復技術是指在農業生產過程中，因地制宜地采用相關的耕作管理手段，改善農田生態環境，具有修復費用相對較低，操作實施方便快捷等特點，但只適用于中輕度污染的土壤修復[7]。相對物理化學修復和農業生態修復而言，微生物修復技術顯示出其獨特的優越性，如處理成本低，處理效果好，對環境影響小，很少造成二次污染，操作簡便，可以就地進行處理等[8]。因此，該修復方法受到土壤修復領域學者的廣泛關注，應用前景廣闊。筆者綜述了近年來國內外關于土壤重金屬污染的微生物修復技術研究進展，以期為土壤重金屬污染治理提供借鑒。

1微生物修復技術

微生物修復技術出現在20世紀80年代，是指在人為強化的條件下，利用自然界中存在的或者人工培育的功能微生物的生長代謝過程，對環境中的污染物進行降解、轉化、去除的方法[9]。 微生物修復技術是實現環境凈化、生態效應恢復的生物措施，是重金屬污染土壤的環境友好型治理技術[10]。微生物修復土壤重金屬污染的機理主要包括表面生物大分子吸收轉運、生物吸附、細胞代謝、空泡吞飲、沉淀和氧化還原反應等[11]。微生物修復技術中較常使用的微生物主要有細菌、真菌、放射菌三大類。不同種類的微生物對重金屬的耐性不同，耐性由大到小依次為真菌、細菌、放射菌[12]。

土壤微生物可以通過多種方式影響土壤重金屬的毒性, 微生物修復土壤重金屬污染主要是利用微生物的以下兩種作用：一是通過微生物的吸附、代謝作用，達到消減、凈化、固定重金屬的目的；二是通過微生物轉化重金屬離子的化學形態，降低重金屬的生物可利用性，以減少重金屬對土壤中植物的危害[13]。

1.1微生物對重金屬離子的吸附作用微生物對重金屬離子的吸附是指微生物通過對重金屬的吸附作用改變重金屬在土壤中的形態，進而影響其生物有效性，或使生物有效性降低從而減小危害性，或使生物有效性增強以便與其他技術聯用修復[14]。表現形式主要有胞外沉淀、胞外絡合、胞內積累。作用方式：①細菌胞外多聚體；②金屬磷酸鹽、金屬硫化物沉淀；③鐵載體；④金屬硫蛋白、植物螯合肽和其他金屬結合蛋白；⑤真菌來源物質及其分泌物對重金屬的去除[15]。微生物細胞壁表面一些化學基團通過絡合、配位作用可與重金屬離子形成離子共價鍵，從而達到吸附重金屬離子的目的[16]。被吸附的重金屬離子通常沉積在微生物細胞的不同部位，如沉積于細胞的胞外基質或者被輕度螯合于生物多聚物。微生物對重金屬的吸附能力通常取決于微生物本身的性質(如吸附類型、活性位點數量、菌齡等)、重金屬種類和價態同時也受外界環境因素(如pH、溫度、共存污染物等)的影響[17]。

1.2微生物對重金屬離子的轉化作用微生物對重金屬離子轉化作用的機理主要包括微生物對重金屬離子的生物氧化和還原、甲基化與去甲基化及其對重金屬離子的溶解作用等[18]。

微生物對重金屬離子氧化還原作用的主要機理是通過改變重金屬離子的化合價來改變重金屬的穩定性及絡合能力[19]。如耐鉻微生物能夠將Cr(VI)還原成Cr(III)，使鉻的毒性降低。張雪霞等[20]在受砷污染的土壤中發現了富集砷抗性的細菌，在厭氧環境中對該細菌進行培養，觀察其對砷的還原能力，結果表明：在21h內，As(V)就被完全還原為As(III)。Chang等[21]在污水處理廠的水體中發現了1株嗜硫酸鹽細菌(Sulfate-reducingacteria，SRB)，該細菌可以將Cr6+還原為低毒的溶解度較小的Cr3+，使水體中重金屬的毒性大大減弱。

在微生物(主要為假單胞菌屬子)的作用下，土壤中Cd、As、Hg、Pb等金屬或類金屬離子都能夠發生甲基化反應，從而降低重金屬離子對其的毒性。

微生物對重金屬離子的溶解作用主要是指土壤中的微生物在土壤濾瀝過程中分泌出的有機酸能將土壤中的重金屬離子絡合、溶解[22]。

2微生物和植物聯合修復技術

目前，單一應用微生物修復方法修復土壤中的重金屬污染仍存在一定局限性，如土壤中的土著菌修復效率低，其活性易受一系列外界環境條件的影響。為了克服這些缺點，改善和提高微生物修復土壤重金屬污染的效果，微生物和植物聯合修復技術被廣泛應用于實踐中[23]。

微生物和植物聯合修復是通過微生物、植物之間的互利作用來提高土壤重金屬的修復效率。植物為微生物提供了良好的生長環境，葉片光合作用、根系分泌物、落葉殘體等為根系土壤微生物提供了生長所需的各種營養元素。微生物則通過活化土壤中的重金屬，促進植物吸收土壤中的有益生長元素，以增加植物生物量的方式提高植物的修復效率[24]。馮莉等[25]將熒光假單胞菌施入煙草根際土壤后，煙草根系數量明顯增多，根長而粗，根系活力明顯提高。目前，對于微生物和植物聯合修復技術的研究主要有：①對微生物和植物聯合修復中菌根作用的研究;②對微生物和植物聯合修復中植物根際分泌物作用的研究。

2.1微生物和植物修復中菌根的作用菌根是指土壤中真菌菌絲和高等植物營養根系形成的一種共生體，廣泛存在于自然界中[26]。在這一共生體中，植物為寄宿在其根部菌根的生長提供必要的碳水化合物。菌根的作用表現在以下3方面：①通過龐大的菌絲網絡伸展到植物根系難以到達的區域，從而促進植物對土壤中礦質養分的吸收；②將土壤重金屬吸附并聚集在菌根菌絲、泡囊和植物根系等部位，以阻止重金屬向植物體內傳輸，同時改變土壤的理化性質，促進植物的穩定生長；③提高植物的抗逆性，進而增加植物根系以及地上部分的生物量[27-28]。

根據菌根生長位置的不同，可將菌根分為外生菌根、內生菌根及內外生菌根，其中應用最廣泛的是外生菌根真菌和內生菌根真菌[29]。

外生菌根是真菌和植物營養根系所形成的一種共生體，其結構可分為哈蒂氏網(Hartingnet)、外延菌絲(Extraradicalhyphae)、菌套(Mantle)、和菌索(Rhizomorph)四大部分。王小敏等[30]通過研究菌根影響超富集植物對Cd、Zn等重金屬富集程度發現，外延菌絲的密集程度與菌絲吸附重金屬的能力呈正相關。

目前，對于植物內生菌根的研究主要集中于叢枝菌根真菌(AMF)及深色有隔內生真菌(DarkSeptateEndophytes，DSE)。

當重金屬脅迫從枝菌根(Glomus intraradices)時，從枝菌根會分泌出一些特殊物質改變重金屬在植物體內的分配以及生物有效性，從而降低重金屬對植物的毒害程度，提高植物對重金屬的耐受性。此外，AMF還可以通過改變土壤的酸堿度、改善植物的營養狀況及植物分泌物組成來改變根際微環境，從而減弱重金屬對植物的毒性。劉茵[31]研究發現，黑麥草在接種從枝菌根后，根部所積累的Cd元素明顯增加，同時改變了黑麥草地上部的品質。王宇濤等[32]研究發現,玉米在接種從枝菌根真菌后，明顯抑制了重金屬對其的毒害作用，生物量和株高明顯增加。

DSE是一類生態學功能多樣、種類組成廣泛、定殖于植物根內、不產孢子或產無性孢子的子囊菌或半知菌。目前，DSE與植物根系形成的共生復合體被廣泛應用于重金屬污染土壤的生物修復及污染土壤植被修復方面。DSE是植物根際重要的益生菌，與宿主植物互作形成共生體，對宿主植物具有促生抗逆作用，包括提高植物對干旱及重金屬污染等逆境脅迫的抗性、誘導植物產生系統抗性、抵御病原菌生物脅迫等[33]。Li等[34]研究表明，種植在含鉛、鋅、鎘混合污染土壤中的玉米在接入DSE菌株(外瓶霉屬H93)后，該菌株成功地與玉米根系形成共生復合體，使玉米有效地緩解了重金屬的脅迫作用，促進了玉米根系與葉的生長發育，限制了土壤中的重金屬離子由植物根部向其地上部分的傳輸、運轉，從而阻斷有毒重金屬在食物鏈中的傳播。

2.2微生物和植物聯合修復中根系分泌物的作用根系分泌物是指植物在生長過程中通過根的不同部位向生長基質釋放的一組種類繁多的物質，這些物質包括低分子量的有機物質、高分子的黏膠物質和根細胞脫落物及其分解產物、氣體、質子和養分離子等[35]。在微生物和植物聯合修復重金屬污染的土壤中，根際分泌物提高植物抗重金屬污染的能力主要通過以下2個方面的作用實現。①根系分泌物可以改變植物根系周圍土壤重金屬離子的形態，酸化土壤中不溶性重金屬離子，螯合、還原土壤重金屬離子等[36]。②根系分泌物可以改變植物根系周圍土壤環境的酸堿度，并使其周圍的土壤持續處于氧化還原狀態。植物根際環境的改變為根際微生物提供了豐富的營養物質，同時吸引了微生物在根際周圍聚集，從而產生根際聚集效應。

3展望

相比于傳統的物理化學方法，應用微生物方法修復土壤重金屬污染簡捷高效，應用范圍廣，具有良好的社會、生態綜合效益，在土壤重金屬污染的修復實踐中必將有廣闊的前景和巨大的潛能。目前，雖然對微生物修復技術研究取得了一定進展，但有待于在以下幾個方面進一步研究。①在已有的研究基礎上，繼續篩選、馴化新的高效降解微生物菌種，開發基因工程菌。②將微生物修復技術與植物修復、生態修復、物理化學修復相結合，提高修復效果和增加修復的經濟效益。③多學科、多技術、多角度研究微生物修復技術的機理、工藝流程。土壤的重金屬污染修復是一項系統、復雜的工程，需要物理、化學、生物學、生態學、地質學等不同學科的交叉應用，運用基因工程、細胞工程、酶工程等新的生物技術解決修復過程中可能出現的各種問題，從而提高生物修復的效率、降低處理成本。④制訂并出臺有關生物修復技術的國家標準及行業規范。針對修復過程中出現的具體情況制訂相應的規范制度，使生物修復具有更強的針對性、規范性與可操作性。⑤生物修復技術應由實驗室向大田試驗驗證的方向不斷推進，將理論研究與修復實踐相結合。⑥建立有關生物修復大田試驗的標準，推動系統修復污染土壤產業發展以及我國生物修復產業化進程。⑦加大對排污企業執法檢查，嚴懲不達標排放，真正做到從源頭上截斷污染源，形成防治并舉的良好格局。

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ResearchAdvancesonMicrobialRemediationofHeavyMetalsContaminatedSoil

YAOHang1,2,ZHANGXing-feng1,2*,WUChi-shan1,2

(1.GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionControlTheoryandTechnology,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004; 2.GuangxiCollaborativeInnovationCenterforWaterPollutionControlandWaterSafetyinKarstArea,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004)

AbstractIn order to further understand microbial remediation technology for heavy metals contaminated soil, the mechanisms, advantages and disadvantages, research status of microbial remediation technology and microbe-plant combined remediation at home and abroad were reviewed, the development prospect and research trend was forecasted.

Key wordsSoil pollution; Heavy metals; Microbial remediation; Microbe-plant combined remediation

基金項目廣西自然科學基金項目(2013GXNSFBA019026)；廣西自然科學基金項目(2013GXNSFEA053002)； 廣西高等學校高水平創新團隊及卓越學者計劃項目(0024010130)。

作者簡介姚航(1993- )，女，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向：土壤重金屬修復。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導師，從事環境污染治理研究。

收稿日期2016-03-22

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)12-068-03