芽孢桿菌在植物-微生物聯合修復技術中的應用研究進展

柳曉光

（中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院，河北保定 072750）

隨著經濟的高速發展，人類活動對環境造成的破壞日益嚴重，而土壤污染問題近年來也逐漸顯現，通過土壤調查發現，我國有19.4%的耕地土壤存在不同程度的污染，以重金屬污染最為嚴重。土壤的重金屬污染存在難以消除、時滯效應長、污染面積大等特點，重金屬污染易被污染土壤中的植物吸收，進入食物鏈，危害人類的健康。因此，消除土壤重金屬污染，修復被重金屬污染的土壤，保證人民的食品安全是目前亟需解決的問題。

1 超富集植物修復技術

土壤重金屬污染的修復方法主要有物理修復法、化學修復法及生物修復法等［1］。物理和化學修復法的特點是修復效果好、修復效率高，但也存在成本高、容易造成二次污染等弊端，只適合局部開展，不適宜大面積的土壤污染治理。生物修復技術具有綠色、穩定的特點，并且可以降低對環境的影響，能有效避免二次污染，技術簡單、成本低廉、環境友好的特點使生物修復法成為修復大面積土壤重金屬污染的主要選擇。

超富集植物修復技術是在不破壞生態環境和土壤結構的情況下，通過植物發達的根系吸收重金屬元素［2］。超富集植物對于重金屬元素的吸收量較大，是一般植物的數十倍甚至上百倍。超富集植物對重金屬的耐受性較強，不但能夠在被重金屬污染過的土壤上正常生長，而且一般不會出現重金屬毒害現象。超富集植物修復技術是一種比較常用的修復重金屬污染土壤的方法，能夠有效、穩定、徹底地對土壤進行修復，從根本上降低污染土壤中重金屬元素的含量。

2 微生物-植物聯合修復技術

超富集植物修復技術盡管能夠有效、穩定地吸收土壤中重金屬元素，但是在有毒重金屬濃度很高的情況下，具有極高金屬積累能力的植物往往生長緩慢，產生的生物量也會大大降低［3］。同時，超富集植物對重金屬的吸收能力雖然較普通植物有大幅提高，但相對物理修復技術和化學修復技術立竿見影的修復效果來說，超富集植物修復技術仍然存在修復效率低、治理周期較長等缺陷。

為了解決超富集植物修復技術修復效率較低的問題，學者們進行了一系列探索。1）不斷篩選對重金屬元素耐受性更強、吸收能力更強、生長周期更短、生物量更大的超富集植物品種，同時結合分子生物學，應用基因工程技術，通過增大超富集植物的個體、提高生長速率，達到提高植物修復效率的目的。2）探索通過添加化學藥劑、特種肥料及接種特定微生物等方式來促進植物對重金屬元素的吸收。通過添加微生物來加快植物對土壤重金屬元素吸收的“植物-微生物聯合修復技術”，也成為近年來土壤重金屬污染治理的研究熱點之一。

重金屬污染土壤中重金屬離子與土壤粒子之間的結合十分緊密，能夠形成穩定的絡合物，不容易被超富集植物提取和吸收［4］。研究發現，部分微生物的代謝產物可以有效溶解被固定的重金屬元素，提高重金屬元素的生物活性，明顯促進超富集植物對于重金屬元素的吸收。同時，微生物能分泌各種植物激素和生物酶，還能通過固氮、固磷等作用改善土壤理化性質和生態環境，能在一定程度上促進植物在重金屬污染土壤環境中的生長［5］。因此，將微生物應用于超富集植物修復技術中，可以有效解決植物吸收重金屬效率較低的問題。

3 芽孢桿菌在植物-微生物聯合修復技術中的作用

芽孢桿菌是一種常見的革蘭氏陽性菌，對環境的適應能力極強，可以在各類型的土壤中大量繁殖，市場上也存在多種類型的芽孢桿菌菌肥，研究芽孢桿菌在植物修復法中的作用有利于芽孢桿菌的推廣應用。

研究發現，芽孢桿菌對超富集植物吸收重金屬元素的影響主要有2 種作用機理。1）以枯草芽孢桿菌為代表，通過分泌物的絡合作用降低土壤中重金屬元素的活性，阻滯植物對重金屬元素的吸收，減少有害的重金屬元素進入食物鏈。2）以巨大芽孢桿菌和膠質芽孢桿菌為代表，通過新陳代謝產生草酸、檸檬酸等有機酸。這些有機酸對重金屬有溶解作用，可以提高重金屬的生物有效性，促進超富集植物對重金屬元素的吸收，從根本上降低土壤中重金屬元素的含量。

芽孢桿菌對于超富集植物吸收重金屬元素具有促進作用，這是植物-微生物聯合修復法重要研究方向之一。楊榕在印度芥菜修復土壤Cd 污染的試驗中接種膠質芽孢桿菌，當加菌量為2×1010CFU·kg-1時，發現pH 值明顯降低，并可以顯著提高土壤中Cd 的生物有效性，根際、非根際土壤中有效態Cd 元素的含量分別提升了36.54%和45.28%，有效促進超富集植物印度芥菜對Cd 元素的吸收［6］。地上部分生物富集系數為16.83，相比對照組提高了77.16%，地下部分生物富集系數為4.83，相比對照組提高了38.4%，對污染土壤中Cd 元素的去除率達到20.9%，是其他處理的1.58～7.51 倍。趙樹民等在修復Cd、Cu 污染土壤時將黑麥草接種巨大芽孢桿菌，黑麥草對Cd 和Cu 的吸收量分別較對照組增加了45.8%和27.9%，同時發現巨大芽孢桿菌可以明顯增加土壤中有效磷和有效鐵的含量，黑麥草生物量較對照組增加了40.5%～50.0%［7］。丁玲在土壤中添加巨大膠質芽孢桿菌菌懸液和檸檬酸調理劑，不僅可以使土壤中的重金屬元素發生明顯的活化，還可以提高土壤中的脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性，這也對植物的生長起到了一定的促進作用［8］。

以巨大芽孢桿菌和膠質芽孢桿菌為代表的芽孢桿菌在植物-微生物聯合修復技術中作用主要表現在以下2方面：1）通過微生物新陳代謝產生的有機酸對土壤中的重金屬起到活化作用，提升超富集植物在重金屬脅迫下的吸收量；2）微生物的分泌物能夠改善土壤的理化性質，通過促進植物生長的方式提高超富集植物的修復效率。

4 微生物與有機肥的聯合應用

通過微生物提高植物的修復效率需要保證土壤中有一定的微生物含量，紀宏偉等研究發現，接種25 mL 和5 mL 巨大芽孢桿菌，在培養24 h 后，土壤中有效態Cd含量25 mL 組比5 mL 組高39%。但當培養72 h 后，25 mL 組的微生物由于土壤中的營養成分不夠充分，菌體間相互競爭營養成分，造成菌體數量減少且新陳代謝受到影響，土壤中的有效態Cd 含量25 mL 組反而比5 mL 組低22%［9］。高濃度接種并不能保證土壤中有足夠的目的微生物，在進行污染土壤修復時，尤其是廢棄礦山、建設用地的修復治理時，往往土壤中的營養成分過低，不僅對植物的生長有一定的影響，也限制了土壤中微生物的含量，直接向土壤中接種微生物菌粉、溶液等，經過一段時間微生物總量會明顯降低。解決這一問題的常規方法就是綜合使用微生物和有機肥，在有機肥中接種微生物，制備生物菌肥，使微生物菌落的數量滿足應用需求。

5 問題及展望

1）大多數的研究還停留在實驗室階段，實驗室研究環境過于理想，微生物的環境適應問題、微生物的最佳接種濃度問題、制備適用大田的特種微生物菌肥配方問題、超富集植物重金屬耐受問題等都需要進一步開展研究。2）巨大芽孢桿菌、膠質芽孢桿菌等對超富集植物吸收重金屬的促進作用是明確的，但還需對其他微生物進行試驗。爭取篩選出對超富集植物吸收重金屬效率提升更為有效的菌種，并嘗試使用分子生物學和基因工程技術等生物技術改造出特種微生物，不同菌種按比例混合，以獲得最佳的效果。3）使用部分芽孢桿菌等常見微生物提高超富集植物修復土壤重金屬污染的技術路線是可行的。進一步開發適合推廣應用的相關菌肥產品、總結一套成熟可靠的技術方法是需要進一步解決的問題。