微生物修復土壤重金屬污染的研究進展

楊萌，孫葉芳*，邢海，聞秀娟，智永祺，宋錦，李佳琦

(1.紹興市農業科學研究院，浙江 紹興 312000； 2.紹興市越城區東湖鎮人民政府，浙江 紹興 312000； 3.紹興市柯橋區農業技術推廣中心，浙江 紹興 312030)

重金屬主要指密度大于5 g·cm-3的金屬[1]，在土壤中以有效態和無效態2種形式存在。有效態主要指交換態、碳酸鹽結合態、有機結合態和鐵錳氧化結合態，無效態主要指殘渣態。其中，對土壤環境及生物構成嚴重威脅的是以有效態存在的重金屬。目前，我國農業用地受重金屬污染的面積大約有2 500萬hm2，占耕地總面積的16.1%，每年糧食產量受重金屬污染的大約有1 200萬t，占污染農產品總量的80%以上，主要以Cd、Hg、Pb、Cu為主[2-4]。土壤重金屬污染因其隱蔽、滯后性等特點，其危害的嚴重性不能及時被人們發現并引起重視[5]。而在自然條件下，土壤中的重金屬很難被降解，并且會通過生物鏈的累積作用對人類身體健康構成嚴重的威脅。因此，修復土壤重金屬污染已迫在眉睫。

土壤重金屬污染修復方法有物理修復、化學修復、生物修復[6]。其中物理方法主要有客土法、電動修復、電磁修復、淋洗法、玻璃化技術、工程物理技術等。化學方法主要有化學鈍化法、光催化降解法、改良劑法等。生物方法主要有植物修復法、動物修復法和微生物修復法[7-8]。物理、化學修復方法因其投入成本高，會引入新的化學成分；動物修復方法因其對土壤環境具有較高的要求，并且動物會遷移；植物修復方法因其需要時間較長且對栽培技術要求較高等原因，對土壤重金屬污染修復不是很理想。而微生物具有個體小、數量多、比表面積大、易培養、生長速度快等特點被認為是目前修復土壤污染較為理想的方法。鑒于此，本文詳細介紹重金屬的來源、危害，分析微生物修復土壤重金屬污染的作用機制，并對微生物修復存在的局限性提出一些建議，旨在為土壤重金屬污染修復提供參考。

1 土壤重金屬污染的來源

土壤重金屬污染指由于人類活動，土壤中重金屬含量超過其背景值，引起土壤質量下降，生產的作物受污染等一系列問題，其來源比較廣泛。1)生活、工業污水的排放。我國北方地區水資源缺乏，重工業發展快速，使得部分地區水資源嚴重缺乏，不得不使用被污染的工業、生活、地下污水進行灌溉，從而導致土壤中重金屬超標。2)大氣沉降。工業廢氣的排放，使得大氣中重金屬含量超標，然后通過降水的形式進入到土壤中。3)礦山的開采。礦山開采之后的尾礦一般是堆積處理，這樣就使得尾礦區域土壤中重金屬嚴重超標，并且會通過風土塵揚、降水等方式污染周圍的土壤。4)農藥化肥的使用。現在很多農藥、肥料中都含有Cd、Pb、Cu等重金屬，在農業生產上長時間、大規模的使用，使得土壤中重金屬含量超標[9]。5)大規模養殖場糞便、污水在農業上的使用。為了追求較高的生產價值，現在畜禽養殖多采用集約化的形式，并且在飼料中加入了一定量的重金屬元素，而這些重金屬元素大部分會被排出體外，被用作肥料施入到土壤中，進而污染土壤。

2 土壤重金屬污染的危害

各種來源的重金屬匯聚到土壤中，會對土壤環境、動物、植物、微生物等產生嚴重傷害，尤其是對人體健康產生嚴重危害。1)對土壤環境、植物的影響。土壤為植物生長提供氮、磷、鉀等基本營養元素，當土壤中重金屬超標時，將會影響植物對氮、磷的吸收，改變鉀的形態，從而影響植物的生長[9]。另外，土壤中有效態的重金屬能夠被植物直接吸收，對植物產生毒害作用。土壤中的重金屬能夠吸附于膠體表面，或與土壤中的某些化合物生成沉淀，進而影響植物對養分的吸收。2)對動物、微生物和土壤酶的影響。當土壤中重金屬含量超標時，會對土壤中的動物、微生物產生抑制或毒害作用，降低酶活性，影響土壤質量。3)對人體的危害。Cd能夠對人體的腎、肝、肺、骨骼、神經，以及血液和免疫系統產生傷害[10]。Pb、Cu能夠通過破壞生殖器官的功能，造成生殖障礙。Pb、Hg能夠通過影響人的妊娠，引發胎兒的流產、畸形、死亡等。Pb能通過破壞兒童的中樞神經系統，造成兒童的智力和行為障礙，也能對成人的神經、消化、心血管等系統產生危害。Cu能使血紅蛋白變性，破壞細胞膜，降低酶活性，造成機體代謝紊亂[11]。As能夠造成肝脾腫大，肝腹水，抑制兒童智力發育[12-13]，還能引發黑腳病、糖尿病、腎病、腦血管等方面的疾病[14-15]。

3 微生物修復土壤重金屬污染的作用機制

3.1 修復土壤Cd污染

微生物除了耐Cd和吸附作用之外，還可以通過活化土壤中的Cd，與植物修復連用，促進植物的吸收進而減少土壤中Cd的含量。如趙會會等[29]從分離出的32株耐Cd根際菌，根據產吲哚乙酸、ACC、脫氨酶活性和溶磷能力選出A02、Oj06和Ps08菌株，將其接種在黑麥幼草苗上，能夠增加土壤中有效態Cd的含量，促進黑麥草的生長，從而降低土壤中Cd的含量。周慧芳等[30]在盆栽和大田試驗中發現，耐Cd菌株對殘渣態的Cd具有較好的活化能力，通過與伴礦景天的聯合使用，能夠起到很好的修復效果。杜東霞等[31]在Cd污染稻田中分離出的耐Cd菌株N-17(伯克氏菌屬)，具有活化碳酸鎘、分泌鐵載體，通過與印度芥菜聯合施用，能夠起到很好的修復作用。

3.2 修復土壤Pb污染

雖然Pb在土壤中的活性低，不容易移動，但由于鉛礦的開采利用，汽油的大量使用，以及電池、印染業等工業廢水的排放，使得土壤中Pb污染越來越嚴重，也引發了研究者們的高度關注。如曹小紅等[32]用濃度梯度法從重金屬污染的土壤中篩選出的細菌G、Y對Pb、Cu具有較好耐性和吸附能力。干菌G對Pb2+、Cu2+的吸附量為126.42和75 mg·g-1，干菌Y對Pb2+、Cu2+的吸附量為61.08和45.86 mg·g-1。濕菌G對Pb2+、Cu2+的吸附量為94.66和92.84 mg·g-1，濕菌Y對Pb2+、Cu2+的吸附量為99.74和97.96 mg·g-1。陳若莉[33]在原鉛鋅礦區篩選出的革蘭氏陰性好氧菌對Pb具有較好的耐性，在堿性環境中生長優于酸性環境，并且干菌對Pb2+的吸附量大于濕菌。王俊麗等[34]通過向土壤中添加Pb馴化出的一株細菌對Pb2+的耐受性是300 mg·L-1，篩選出的曲霉和青酶對Pb2+的耐受性分別是750和900 mg·L-1，細菌、曲霉和青酶對Pb2+的吸附率依次為35.5%、75.5%和48.2%，并且均具有穩定的遺傳性，因此，對土壤重金屬Pb的治理具有很大的潛在價值。羅雅等[35]通過選擇性培養基從礦區篩選出的菌株J3耐Pb2+濃度高達1 000 mg·L-1，并且能在四環素、紅霉素、氯霉素、青霉素存在的條件下生長，說明其與土著微生物競爭存在一定的優勢，存活率高，能夠發揮其修復作用。楊亮等[36]從鉛鋅尾礦周圍分離出4株耐Pb菌株，其中一株為嗜麥芽寡養單胞菌(革蘭陰性菌)在Pb2+濃度為100～400 mg·L-1時，其去除率均大于95%，主要通過細胞表面吸附和胞內富集的形式進行，這與其細胞壁所含的脂質、蛋白質、肽聚糖和—COOH、—NH2、—PO3等官能團有關。Pb-X-1、Pb-Z-3和Pb-Z-45菌株在Pb2+濃度為600 mg·L-1，pH值6，25 ℃，160 r·min-1環境條件下，其去除率分別為78.31%、77.8%和87%。劉永霞等[37]從Pb、Zn冶煉污染土壤中篩出的綠色木霉(Trichodermaviride)，在適宜的環境條件下對Pb2+的吸附率為31.7 mg·g-1。金羽等[38]從鉛礦區篩選出的ArthrobacterscleromaeLY-1，其對Pb2+濃度的最大耐受值為500 mg·L-1，主要是通過胞外絡合作用進行吸附，這與其細胞上的羥基、羰基、羧基、酰胺基和膦酸基等活性基團有關。陳志等[39]從鉛鋅尾礦壩中分離的耐Pb節桿菌12-1對Pb2+耐受濃度最高可達800 mg·L-1，在水溶液中24 h之后對Pb2+的吸附率達97.93%，這主要與其細胞上的羧基、酰胺和磷酸基團有關。陳永華等[40]從鉛鋅礦區試驗中篩選出的蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)、解硫胺素硫胺素芽孢桿菌(Aneurinibacillusaneurinilyticus)和藤黃微球菌(Micrococcusluteus)，對Pb2+具有較好的去除率，主要通過細胞上的羥基、氨基、烷基和酰胺基等活性基團對Pb2+進行胞外和胞內吸附。趙娟娟等[41]從河北棗強縣重金屬污染土壤中篩選出的2株芽孢桿菌屬，ZQq1和DYq2對Pb2+的耐受濃度分別為2.0和2.5 mmol·L-1。

有些微生物對多種重金屬具有修復作用，如林曉燕等[42]在Cd污染稻田中篩選出的銅綠假單胞菌和陰溝腸桿菌對多種重金屬離子具有吸附作用，尤其是Pb2+和Cd2+，其中銅綠假單胞菌的吸附能力高于陰溝腸桿菌。蘭翔等[43]在耐Pb、Cd真菌的試驗中發現，產黃頭孢霉和頭孢霉能夠降低土壤中交換態、碳酸鹽結合態和鐵錳結合態的Pb、Cd，顯著增加有機結合態的Pb、Cd，從而使土壤中的Pb、Cd活性降低。

3.3 修復土壤Cu污染

Cu作為一種能夠促進畜禽生長的微量元素被大量添加到飼料中，而飼料中90%以上的Cu會通過畜禽的新陳代謝被排出體外[44-45]，隨著飼料的大規模生產以及畜禽糞便在土壤中的使用，使得部分土壤中的Cu含量嚴重超標。另外，銅尾礦廢棄地及周圍土地由于風吹和水土流失等作用使其Cu污染嚴重[46]，這些銅礦區的再利用及Cu污染土壤治理引起大量學者的關注。

王金等[47]在安徽銅陵銅尾礦的土壤中篩選的曲霉屬對Cu2+吸附量為12.87 mg·g-1，桿菌體對Cu2+去除率達84.65%。李軍紅等[48]在銅尾礦土地中篩選出一株耐390 mg·L-1Cu2+濃度的菌株，并且對Zn2+、Pb2+也具有較好的耐性。王海鷗等[49]采用濃度梯度法篩選出的不動桿菌屬對Cu2+的耐受濃度為560 mg·L-1，并且對其具有良好的吸附率能力，大部分被吸收在細胞質內，小部分在細胞膜和細胞壁上。王海鷗等[50]從銅礦污染區篩選出的假單胞菌，對Cu2+的最高耐受性也是560 mg·L-1，被吸附的Cu2+大部分存在于細胞膜和細胞壁上，小部分存在于細胞質內，主要通過將Cu2+大部分固定在細胞膜和細胞壁上，進而減少Cu2+的毒害。傅冬等[51]從養豬場周圍的土壤中篩選出10株耐不同Cu2+濃度的菌株，其中煙曲霉的耐Cu2+濃度最高，為940 mg·L-1。謝麗坤等[52]在Cu污染的紅壤試驗中，使用稀釋平板法篩選出的淡紫色擬青霉和土曲霉對Cu2+的耐受性為300 mg·L-1，對Cu2+的吸附率達85.45%和87.54%。柴新義等[53]在銅礦區的土壤中篩選出的微生物Cladosporiumsp．對Cu2+的耐受性為15 000 mg·L-1，在適宜生長環境條件下對Cu2+的吸收量可達38.19 mg·g-1。康薇等[54]從湖北銅綠山礦分離出的芽孢桿菌屬細菌(Bacillussp.)對Cu2+的耐受性為700 mg·L-1，對Cu2+具有很強的吸附能力。楊帥等[55]從銅礦區篩選出的瓦氏葡萄球菌NT-4對Cu2+的最大耐受性為200 mg·L-1。李哲等[56]從長期施用畜禽糞便的土壤中篩選出的氧化木糖無色桿菌對Cu2+的最高耐受濃度是115 mg·kg-1，通過細胞吸附、生物礦化和化學沉淀對Cu2+的去除率分別為93%、85%和72%，其中通過生物礦化生成的Cu2(OH)2CO3礦物晶體及CuCO3對短期的淹水和反復凍融具有較好的抗性。

3.4 修復土壤Hg、As污染

Hg因其低沸點易揮發，通過大氣沉降到土壤中，它主要來源于金礦開采、工業廢水及廢氣排放、金屬冶煉[57]。由于其高制毒性，引起研究者的高度關注。如陽菊華等[58]從Hg污染土壤中篩選出的惡臭假單胞菌對Hg2+的耐受濃度高達100 mg·L-1，當Hg2+濃度在5～50 mg·L-1的條件下，此菌株2 d之后把Hg2+還原為Hg0的效率為94.3%～82.8%。張梅華等[59]從Hg污染土壤中篩選出的細極鏈格孢菌(Alternariatenuissima)對高濃度Hg2+污染的吸附率高達96%，低濃度Hg2+污染的水經過吸附作用可達到污水排放標準，主要作用方式是表面吸附，并且能通過某種機理將Hg2+轉化為晶體結構。耐Hg菌種除了大腸桿菌、變形桿菌和酵母菌等外，還有假單胞菌。楊文等[60]從富Hg土壤中篩選出的變形假單胞菌(Pseudomonasplecoglossicida)在適宜的環境下對Hg2+的去除率在90%以上，在Hg2+濃度為10～15 mg·L-1時去除率高達93.88%，并且有隨Hg2+濃度增加去除能力降低的趨勢。

As雖然不屬于重金屬，但由于其來源和危害與重金屬具有一定的相似性，所以一般情況下將其列入重金屬類進行討論[61]。As具有很強的致癌性，主要來源于有色金屬、硫化物的開采，農藥、印染業、玻璃、酸制造業等工業廢水的排放。微生物主要通過吸收、氧化還原、甲基化等作用來降低環境中As的毒性[62-63]。另外，微生物也能夠借助于自身特異系統，自身代謝的酶、鐵載體、有機酸等物質絡合或溶解部分重金屬離子[64-68]。鑒于上述原因及微生物修復的優點，人們紛紛對其進行研究。蘇世鳴等[69]從重金屬礦周圍的土壤中篩選出的微紫青霉(Penicillinjanthinellum)、尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)和棘孢木霉(Trichodermaasperellum)可以耐受30 000、30 000和20 000 mg·L-1As濃度，并且在As濃度為0～80、0～50和0～50 mg·L-1條件下，微紫青霉、尖孢鐮刀菌和棘孢木霉的生物量有隨As濃度的增加而增加的趨勢。吳丹等[70]從鉛鋅礦區篩選出的假單胞菌屬、蒼白桿菌屬、芽孢桿菌屬、威廉氏菌屬和節細菌屬5個屬，對As5+和As3+的耐受值分別為800和20 mmol·L-1，這主要與它們所含的還原酶基因arsC和外排基因arsB、ACR3(2)有關。唐萌等[71]篩選出的庫克菌(Kocuriacarniphila)在一定條件下對As的去除率可達55%。

4 展望

土壤重金屬污染修復作為全球共同研究的熱點之一，常用的有物理、化學、生物等修復方法，微生物修復因其花費低、易操作、可重復等優點成為理想的方法，但它也有其局限性。1)培養修復特定重金屬的微生物，需要特定的環境，如適宜的溫度、pH值等條件，而復雜的自然環境很難與試驗培養條件一樣。2)培養出來的微生物可能與土著微生物存在競爭關系，進而影響修復效果。3)微生物在繁殖過程中可能存在變異，從而達不到理想的修復結果。4)微生物修復不論是通過吸收還是轉化重金屬，最終都沒有徹底根除土壤中的重金屬，隨著自然環境條件的變化，重金屬有可能重新被釋放到土壤中。針對以上問題提出以下建議：1)優化特定微生物的篩選，建立相關基因庫，培養超強工程菌；2)加強聯合修復方法的建立，如植物-微生物修復，從而徹底清除土壤中的重金屬；3)加強土壤環境方面相關法律的修訂，嚴格監控工業污水的排放，從源頭上切斷污染源。