微生物聯合修復土壤重金屬機理研究進展

劉建磊 沈禮來 丁佳鋒 鐘宇馳 王宇峰 田平 卓未龍 劉磊 張杭君

摘 要：隨著經濟的快速發展，土壤重金屬污染已經成為了不可忽視的問題。由于微生物聯合修復具有高效、安全、成本低、無二次污染等諸多優點，已成為了近年來主要的土壤重金屬污染修復方法。該文從植物-微生物、電動-微生物、化學鈍化-微生物等方面概述了微生物聯合修復重金屬污染土壤的機理與技術，并與單純的物理、化學、生物修復技術相比，認為微生物聯合修復重金屬污染土壤是一種更加有效的生物修復途徑，通過優秀菌種的培育、篩選、聯合以及土壤重金屬整體治理體系的構建，可為后續研究重金屬污染土壤提供思路與參考。

關鍵詞：重金屬;微生物;聯合修復;修復機理

中圖分類號 X53文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）22-0029-04

Research Progress on Mechanism of Microbial Combined Remediation of Heavy Metals in Soil

Liu Jianlei1 et al.

（College of Life and Environmental Science，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310018，China）

Abstract：With the rapid development of the economy，heavy metal pollution in the soil has become a problem that cannot be ignored. Due to the advantages of high efficiency，safety，low cost and no secondary pollution，the combined repair of microorganisms has become the main method for repairing heavy metal pollution in soil in recent years. This paper summarizes the mechanism and technology of microbial combined repair of heavy metal contaminated soil，from plant-microbiology，electro-microbiology，chemical passivation-microorganisms，etc. Compared with pure physical，chemical and bioremediation technologies，microbial combined repair of heavy metals Contaminated soil is a more effective bioremediation pathway. Through the cultivation，screening and combination of excellent strains and the construction of soil heavy metal whole treatment system，it provides ideas and reference for the subsequent study of heavy metal contaminated soil.

Key words：Farmland heavy metals;Microorganisms;Remediation technology;Remediation mechanism

1 引言

隨著我國經濟快速發展，土壤重金屬污染形勢日益嚴峻。2014年發布的全國土壤污染狀況調查公報[1]顯示，輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物為鎘、鎳、砷、銅、汞、鉛等有毒物質。重金屬污染物具有在土壤中遷移性差、滯留時間長、難降解、相對穩定等特點，對土壤的理化性質和生物群落結構產生嚴重影響[2]。20世紀50年代，“水俁病”和“骨痛病”在日本大規模暴發，這是由于環境中重金屬Hg和Cd含量超標[3]。因此，土壤重金屬問題引起了全世界的普遍關注。

微生物聯合修復技術是一種高效安全的修復途徑。將微生物與植物、電動或化學鈍化聯合，能夠更好地降解、吸收、轉化土壤中的重金屬污染物，顯著提高微生物的修復能力，極大降低土壤環境中重金屬濃度。微生物聯合修復技術成本低，效果好，綠色環保，不會發生二次污染，在有效去除土壤中重金屬的同時，還不會對土壤生態功能產生破壞。因此，利用微生物聯合修復技術修復重金屬污染土壤的應用前景廣闊。本文系統地介紹了微生物修復土壤重金屬污染機理，從植物-微生物、電動-微生物、化學鈍化-微生物等方面概述了微生物聯合修復重金屬污染土壤技術，旨在為重金屬污染土壤生態修復提供科學依據與理論支持。

2 微生物修復土壤重金屬污染機理

不同類型的微生物對重金屬污染土壤的修復機理不同。根據微生物修復重金屬污染的機理，可以將微生物修復分為生物吸附和生物轉化兩大類。

2.1 微生物對重金屬的生物吸附 微生物吸附的概念最早是由Ruchhoft[4]在1949年提出，他發現活性污泥中存在的微生物能夠去除水中重金屬元素Pu，并認為其原因是微生物的繁殖形成凝膠網，使微生物具有吸附能力。一般將微生物吸附分為胞內吸附、細胞表面吸附和胞外吸附。胞內吸附主要是通過重金屬離子與細胞內的蛋白質結合，進而在細胞內沉淀。細胞表面吸附技術是指細胞表面的一些帶電官能團與重金屬離子發生反應，降低重金屬離子對細胞產生的毒性。劉明學[5]等發現UO22+離子與酵母菌細胞表面發生了顯著的吸附作用。

2.2 微生物對重金屬的生物轉化 微生物對重金屬進行生物轉化主要作用包括：氧化還原、甲基化與去甲基化以及絡合等，通過這些作用轉化重金屬離子，降低其生態毒性，減少環境中的有毒重金屬離子濃度。其中甲基化與去甲基化是很多重金屬的重要轉化過程。對于砷來說，經甲基化后的產物其生物毒性比原來低。許多微生物可以將無機砷轉化為甲基化合物等毒性較低的物質。而對于汞而言，恰恰相反，去甲基化是一種重要的解毒機制。目前已經發現的耐汞細菌有兼性好氧菌、革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌等。

3 微生物對土壤重金屬聯合修復技術

微生物聯合修復技術修復重金屬污染土壤是一種高效安全的修復途徑。將微生物與植物、電動或化學鈍化聯合，可以顯著提高微生物的修復能力，可以極大降低土壤環境中重金屬濃度。與單一的物理、化學、生物修復技術相比，該方法修復兼具兩者優勢，成本低，修復能力強，可以修復重度污染的土壤，不產生二次污染，表1比較了不同微生物聯合修復技術。

3.1 植物—微生物聯合修復技術 植物—微生物聯合修復技術就是將植物和微生物聯合，集合了微生物修復與植物修復兩者的優點，直接或間接地吸收、轉化土壤中的重金屬元素，降低土壤中重金屬濃度與毒性效應。根際微生物以菌根、內生菌等方式與根系形成聯合體，能夠顯著增強植物對重金屬的富集能力，從而降低土壤環境中的重金屬濃度。表2和3分別總結歸納了具有修復能力的真菌與細菌。Petrovic J J[9]等人發現木霉菌可以有效提高土壤降解Cu、Hg、Cd的能力。除此之外，有研究表明[10]，紅球菌對Cd、Ni、Pb、Cu、Zn、Fe等重金屬有吸附、轉化、降解作用。

3.1.1 植物—內生菌聯合修復 植物內生菌是指在一定階段或全部階段寄生于植物組織細胞內或者細胞間隙的真菌或細菌[22]。內生菌能夠吸附重金屬離子，分泌脫氨酶、脫羧酶和植物激素以增加植物代謝能力，降低重金屬對植物的傷害，緩解重金屬離子對植物的脅迫。肖瀟[23]等人從鎘超積累植物龍葵葉中分離出內生菌EB L14，EB L14能在24h培養時間內，從初始濃度為10mg/L不同重金屬的培養基中去除80.48%的鉛75%～78%的鎘和21.25%的銅。這說明了EB L14能夠通過抑制其ATP酶的活力來緩解重金屬離子對植物的脅迫。EB L14具有良好的適應能力和高效的重金屬去除能力，表明它在低濃度重金屬生物修復領域具有較好的應用前景。

3.1.2 植物—叢枝菌根聯合修復 在生態系統中，真菌與植物根系之間存在著共生關系，它們所形成的聯合體稱為菌根。根據共生的真菌、植物種類和形成的共生體的特點將菌根分7種類型，其中的叢枝菌根是由叢枝菌根真菌與植物根部形成的一種內生菌根。一方面，叢枝菌根可以增加植物營養，另一方面則能夠影響到植物對土壤重金屬的吸收與累積[24]。叢枝菌根的根外菌絲能夠吸附環境中的重金屬離子，極大地降低其濃度，并可以直接影響重金屬離子在真菌和植物體內的分配[25]。

3.1.3 植物—根瘤菌聯合修復 根瘤菌與豆科植物共生能夠固定空氣中的氮氣，也可以直接沉淀、轉化、吸附重金屬，降低重金屬濃度。除此之外，根瘤菌可以通過固氮、磷溶解、植物激素合成、鐵載體釋放等促進豆科植物生長，同時降低重金屬毒性。侯文潔[26]等人研究表明天藍苜蓿根瘤菌EPS能有效吸附去除Cu2+。陳雯莉[27]等人研究發現，褐土接種根瘤菌后固相結合態Zn總量能夠降低10%，專性吸附態、氧化錳結合態和有機結合態Zn總量減少可達9%～26%。植物—微生物聯用技術集合了植物修復與微生物修復的優點，并彌補了各自的不足之處，在一定程度上提高了吸附重金屬的能力。

3.2 電動—微生物聯合修復技術 在微生物修復過程中施加電場作用可以加速傳質過程，提高重金屬離子與微生物的接觸效率，有利于活化土壤，并在電場力的作用下將改變形態的重金屬離子定向遷移至特定區域而去除。Ma. YS[7]等發現在最佳操作條件下，電生物修復30d后TPH降解率為77.4%，鎳去除率為58.5%，這說明在使用陰離子和陽離子交換膜的情況下，EK的應用促進了微生物的生長和重金屬的降解。電動—微生物聯合修復技術能有效地修復重金屬和有機污染物污染的土壤，除此之外，也可以利用電動—生物聯合修復技術將六價鉻轉化為低毒三價鉻后遷移去除[28]。

3.3 化學鈍化—微生物聯合修復技術 除了單純微生物、微生物—植物聯合修復之外，將微生物與化學鈍化劑進行聯用也是當前土壤重金屬污染修復的一個研究方向。化學鈍化是指向土壤中投加化學鈍化劑，通過吸附、沉淀和氧化還原等一系列的物理化學反應，從而來降低環境中污染物的生物有效性與可遷移性，來達到修復目的。微生物與化學鈍化劑聯合施用可以提高修復能力。熊力[29]等人以受鎘和砷嚴重污染的土壤為研究對象，發現單一化學鈍化劑處理對水稻生長無顯著的影響，添加微生物后有一定的促進作用，這表明了化學鈍化劑聯用在一定程度上提高了微生物修復能力。化學鈍化劑和微生物聯合處理降低了糙米中Cd和As的含量，其中1%化學鈍化劑與微生物聯合處理使水稻糙米中Cd和As的含量較空白對照組分別降低了46%和29%。

4 展望

重金屬污染土壤微生物修復聯合技術目前還存在很多局限性：（1）目前這種技術尚未成熟，大多處于研究試驗階段，在實際應用上可能還會存在一些現實問題。比如，可能會存在一定的生物風險。（2）重金屬污染土壤微生物聯合修復技術是一種新興技術，前期開發與后期評估地投入較大，具有一定的不確定性，同時存在著比較高的技術門檻。因此，應從以下幾個方面加強微生物聯合修復研究工作：

（1）應該在現有基礎上，提高篩選與馴化優勢菌株的效率。基因工程菌的構建能夠高效轉化吸附固定重金屬。隨著微生物表面展示技術的成熟與完善，生物強化技術能夠在重金屬修復中發揮出更大的作用。

（2）對微生物修復機理展開進一步的研究。微生物修復重金屬污染土壤包括生物吸附、轉化、溶解沉淀等多種作用，機理復雜而多樣化。因此，應該從分子領域展開更加深入的研究，并利用紅外分析等技術更好地解釋修復機理，為修復技術的應用提高理論基礎與數據支持。

（3）做大量的試驗從而獲得準確的參數，避免在實際應用上發生的一些現實問題。因此，微生物修復重土壤金屬技術的大規模應用必須結合環境化學及土壤學等多學科知識，構建一套完整治理體系，以實現微生物修復技術在大規模應用上質的飛躍。

參考文獻

[1]全國土壤污染狀況調查公報[J].中國環保產業，2014（05）：10-11.

[2]崔德杰，張玉龍.土壤重金屬污染現狀與修復技術研究進展[J].土壤通報，2004（03）：366-370.

[3]宋偉，陳百明，劉琳.中國耕地土壤重金屬污染概況[J].水土保持研究，2013，20（02）：293-298.

[4]Rushhoft C C. The possibilities of disposal of radioactive wastes by biological treatment methods[J]. Sewage works journal，1949，21（5）：877-83.

[5]劉明學，張東，康厚軍，等.鈾與酵母菌細胞表面相互作用研究[J].高校地質學報，2011，17（01）：53-58.

[6]周顯勇，劉鴻雁，劉艷萍，等植物修復重金屬和抗生素復合污染土壤微生物數量和酶活性的變化[J].農業環境科學學報，2019，38（06）：1248-1255.

[7]Ma Yongsong，Li Xi，Mao Hongmin，et al. Remediation of hydrocarbon-heavy metal co-contaminated soil by electrokinetics combined with biostimulation[J]. Chemical Engineering Journal，2018，353：410-418.

[8]高楠雄.農田重金屬污染土壤的化學微生物修復及植物效應研究[D].南京：南京農業大學，2015.

[9]Petrovic J J，Danilovic G，Curcic N，et al. COPPER TOLERANCE OF TRICHODERMA SPECIES[J]. Archives of Biological Sciences，2014，66（1）：137-142.

[10]Goswami L，Manikandan N A，Pakshirajan K，et al. Simultaneous heavy metal removal and anthracene biodegradation by the oleaginous bacteria Rhodococcus opacus[J].3 Biotech，2017，7.

[11]Deng Xinhui，Chen Runhua，Zhuo Shengnan，et al. Bioleaching Characteristics of Heavy Metals from Polluted Soil with Indigenous Aspergillus niger F2[J]. Journal of Biobased Materials and Bioenergy，2019，13（3）：401-409.

[12]Iram S，Zaman A，Iqbal Z，et al. Heavy Metal Tolerance of Fungus Isolated from Soil Contaminated with Sewage and Industrial Wastewater[J]. Polish Journal of Environmental Studies，2013，22（3）：691-697.

[13]Sousa N R，Ramos M A，Marques A P G C，et al. The effect of ectomycorrhizal fungi forming symbiosis with Pinus pinaster seedlings exposed to cadmium[J]. Science of the Total Environment，2012，414：63-67.

[14]Klauberg-Filho O，Siqueira J O，Moreira F M S. Fungos micorrízicos arbusculares em solos de área poluída com metais pesados[J].Revista Brasileira de Ciência do Solo，2002，26（1）：125-134.

[15]Levinskaite L，Smirnov A，Luksiene B，et al. Pu （IV） and Fe（III） accumulation ability of heavy metal-tolerant soil fungi[J].Nukleonika，2009，54（4）：285-290.

[16]Wu Bin，Cheng Guanglei，Jiao Kai，et al. Mycoextraction by Clitocybe maxima combined with metal immobilization by biochar and activated carbon in an aged soil[J]. Science of the Total Environment，2016，562：732-739.

[17]Emenike C U，Agamuthu P，Fauziah S H. Blending Bacillus sp.，Lysinibacillus sp and Rhodococcus sp for optimal reduction of heavy metals in leachate contaminated soil[J]. Environmental Earth Sciences，2016，75（1）.

[18]David Pena-Montenegro T，Lozano L，Dussan J. Genome sequence and description of the mosquitocidal and heavy metal tolerant strain Lysinibacillus sphaericus CBAM5[J]. Standards in Genomic Sciences，2015，10.

[19]Gomaa E Z. Production and Characteristics of a Heavy Metals Removing Bioflocculant Produced by Pseudomonas aeruginosa[J]. Polish Journal of Microbiology，2012，61（4）： 281-289.

[20]Bhattacharya A，Naik S N，Khare S K. Harnessing the bio-mineralization ability of urease producing Serratia marcescens and Enterobacter cloacae EMB19 for remediation of heavy metal cadmium（II）[J]. Journal of Environmental Management，2018，215：143-152.

[21]Bafana A，Chakrabarti T，Krishnamurthi K. Mercuric reductase activity of multiple heavy metal-resistant Lysinibacillus sphaericus G1[J]. Journal of Basic Microbiology，2015，55（3）：285-292.

[22]楊晶，孟曉慶，李雪瑞.植物-微生物聯合修復重金屬污染土壤現狀研究[J].環境科學與管理，2018，43（11）：67-70.

[23]肖瀟.基于鎘超累積植物內生菌的重金屬污染修復研究[D].長沙：湖南大學.2011.

[24]姚航，張杏鋒，吳熾珊.土壤重金屬污染的微生物修復技術研究進展[J].安徽農業科學，2016，44（12）：68-70.

[25]李曉潔.基于植物內生菌Lk9重金屬吸附劑的制備與應用[D].長沙：湖南大學，2014.

[26]侯文潔.苜蓿中華根瘤菌胞外聚合物吸附銅機制研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2015.

[27]陳雯莉，黃巧云，郭學軍.根瘤菌對土壤銅、鋅和鎘形態分配的影響[J].應用生態學報，2003（08）：1278-1282.

[28]王慧，馬建偉，范向宇，等.重金屬污染土壤的電動原位修復技術研究[J].生態環境，2007（01）：223-227.

[29]熊力，熊雙蓮.化學和微生物聯合鈍化對水稻鎘和砷吸收累積的影響[C].中國土壤學會土壤環境專業委員會第二十次會議暨農田土壤污染與修復研討會，2018：1.

（責編：王慧晴）