污染土壤中重金屬鉛鎘的微生物轉(zhuǎn)化與代謝機(jī)制研究進(jìn)展

付田雨，高小童，王 磊，王麗麗，李 捷

(1.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心 青島分中心，山東 青島 266070)

重金屬污染物在冶煉過程中會(huì)被釋放到環(huán)境中，進(jìn)入土壤系統(tǒng)，其中，汞、鉻、鎘、鉛和類金屬元素砷為重點(diǎn)防控元素[1]。鉛、鎘在自然界通常是聯(lián)合分布[2]，在土壤中具有較長的潛伏期，會(huì)通過自然或人工途徑與有機(jī)分子反應(yīng)形成各種有毒化合物[3-4]。

土壤的重金屬修復(fù)，傳統(tǒng)方法有客土法、熱處理法、電動(dòng)修復(fù)法、穩(wěn)定化法、淋濾法等[5]。這些方法因使用大量化學(xué)用品和能源，造成土壤性質(zhì)不可逆、存在二次污染等問題[6]。生物修復(fù)法因具有易操作、成本低，不易引起二次污染，可應(yīng)用于現(xiàn)場原位修復(fù)等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注[7]。土壤中的微生物幾乎參與土壤生態(tài)系統(tǒng)中所有生物化學(xué)過程，與環(huán)境接觸密切，能對(duì)環(huán)境條件的變化做出快速反應(yīng)[8]。利用土壤中的微生物，如細(xì)菌、真菌等生物體，可將土壤中的金屬離子轉(zhuǎn)化至低毒或無毒，操作相對(duì)簡單，同時(shí)也可回收一些有用金屬。

目前，有關(guān)重金屬污染治理的研究主要針對(duì)廢水，對(duì)于土壤中重金屬鉛、鎘的轉(zhuǎn)化或去除研究去的相對(duì)較少，且大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。主要介紹了重金屬污染土壤的微生物修復(fù)方面的研究現(xiàn)狀，以期為重金屬污染土壤的治理提供參考。

1 含鉛土壤的微生物修復(fù)

1.1 含鉛土壤的細(xì)菌修復(fù)機(jī)制

土壤中，鉛主要以Pb-goethite、Pb-MnO2和Pb3(PO4)2形式存在[9]，所以土壤的微生物修復(fù)主要是改變鉛的賦存狀態(tài)，通過生物礦化改變其毒性。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)(MICP,microbially induced calcite precipitation)是目前用于鉛修復(fù)的研究熱點(diǎn)之一，被廣泛用于環(huán)境修復(fù)[10]。脲酶是MICP技術(shù)中具有誘導(dǎo)礦化能力的關(guān)鍵蛋白酶，普遍存在于多種細(xì)菌、真菌、藻類、植物中。雖然在眾多種屬的微生物中都發(fā)現(xiàn)了活性脲酶，但只有在少數(shù)以細(xì)菌為代表的微生物中發(fā)現(xiàn)了極高的活性脲酶，并誘導(dǎo)生物礦化反應(yīng)，有效固定重金屬鉛。已發(fā)現(xiàn)高效礦化鉛的細(xì)菌見表1。

表1 可高效礦化重金屬鉛的細(xì)菌

在MICP技術(shù)中，產(chǎn)脲酶礦化細(xì)菌產(chǎn)生尿素酰胺水解酶使尿素水解為銨鹽和碳酸根離子，提高了周圍土壤的碳酸根濃度和pH[15]；礦化細(xì)菌具有較多表面負(fù)電荷，對(duì)陽離子有較強(qiáng)的吸附作用，環(huán)境中帶有正電荷的Ca2+被大量吸附于礦化細(xì)菌表面。在相對(duì)較高的碳酸根濃度和堿性條件下，鈣離子以細(xì)胞為晶核沉降形成CaCO3結(jié)晶，礦化過程見反應(yīng)式(1)～(3)[16]。經(jīng)過MICP修復(fù)后，土壤顆粒表面會(huì)黏附大量細(xì)小的碳酸鈣晶體，這些晶體是以不規(guī)則團(tuán)聚體形式存在，晶體間隙較大有利于金屬鉛沉積[17]。大部分鉛通過MICP產(chǎn)生的碳酸鈣礦物發(fā)生共沉淀而被去除，也有部分鉛通過直接形成碳酸鉛沉淀而去除。

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1.2 含鉛土壤的細(xì)菌修復(fù)

鉛的離子半徑和電負(fù)性相對(duì)較大，更易與MICP技術(shù)產(chǎn)生的碳酸鈣礦物共沉淀，使鉛的可溶-可交換態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的碳酸鹽礦物態(tài)，對(duì)于鉛的去除效果優(yōu)于其他金屬和類金屬。如Govarthanana等[18]從尾礦中分離出的芽孢桿菌可使鉛的可交換態(tài)降低26%，碳酸鹽結(jié)合態(tài)升高38%。礦化細(xì)菌自身對(duì)鉛的耐受性普遍較好，具有應(yīng)用于較高濃度鉛污染場合的潛力。MICP技術(shù)與純粹的生物吸附法相比，對(duì)于鉛的修復(fù)更具優(yōu)勢，因?yàn)楸患?xì)胞吸附的鉛在細(xì)菌死亡后會(huì)重新釋放到環(huán)境當(dāng)中，而MICP技術(shù)共沉淀的鉛則不會(huì)再次進(jìn)入環(huán)境中[14]。

實(shí)際應(yīng)用中，MICP技術(shù)受土壤酸堿度和磷酸鹽、鈣離子濃度的影響。因?yàn)殂U污染土壤整體呈弱酸性，而碳酸鈣沉淀的關(guān)鍵在于細(xì)菌能夠分泌高活性脲酶，脲酶活性易受酸性影響。Bang S.S.等[19]研究發(fā)現(xiàn)，脲酶在較高的pH水平(pH為8～9)下表現(xiàn)出較高的活性。Hu Y.B.等[20]認(rèn)為，pH不僅影響碳酸鈣形成，也影響碳酸鈣形態(tài)(pH升高導(dǎo)致生物沉淀物從表面光滑的單晶型轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娲植诘亩嗑?。孔繁浩等[21]的研究結(jié)果表明，碳酸鈣生成量最多時(shí)的溶液pH為9.0。碳酸鈣沉淀需要足夠濃度的鈣離子和碳酸根離子，以使兩種離子的活度乘積大于碳酸鈣的溶解平衡常數(shù)，自然條件下，沉淀過程非常緩慢[22]。湯鼎等[23]通過添加磷酸鹽和鈣等，使菌株對(duì)鉛的礦化率分別提高23.6%和56.9%。王新花等[14]在利用碳酸鈣沉淀技術(shù)去除鉛污染的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨外源鈣離子濃度增大，鉛去除率明顯升高，在未添加額外鈣離子的對(duì)照試驗(yàn)中，鉛去除率最低。

1.3 含鉛土壤的真菌修復(fù)

真菌因其特殊的菌絲結(jié)構(gòu)，在土壤中可以到達(dá)植物根系觸及不到之處。發(fā)達(dá)的菌絲連接起植物根系、土壤和真菌，形成獨(dú)特的地下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。研究表明，真菌對(duì)重金屬離子的耐性大于細(xì)菌，其主要通過吸附作用實(shí)現(xiàn)對(duì)含鉛土壤的修復(fù)。可高效吸附重金屬鉛的真菌見表2。

表2 可高效吸附重金屬鉛的真菌

以白腐真菌為例：白腐真菌是一類特殊的絲狀真菌，有著發(fā)達(dá)的菌絲體。菌絲體對(duì)重金屬鉛有較強(qiáng)的吸附性，對(duì)于修復(fù)重金屬污染土壤修復(fù)有較好的應(yīng)用前景。白腐真菌吸附去除重金屬離子的一般步驟為：重金屬離子→白腐真菌固液邊界層→ 白腐真菌表面→白腐真菌微孔→與活性位點(diǎn)結(jié)合[28]。吸附作用機(jī)制有以下2種類型：

1)表面配合作用

白腐真菌的細(xì)胞壁含有多種多糖和羧基、磷酰基、硫酸脂基、氨基等官能團(tuán)，官能團(tuán)內(nèi)含有N、O、P、S等電負(fù)性較大的原子，可以提供與金屬離子結(jié)合的孤對(duì)電子[29]，使環(huán)境中的金屬離子在細(xì)胞表面生成配合物或螯合物而被固定下來。

Huang D.L.等[30]在用黃孢原毛平革菌處理含鉛農(nóng)業(yè)廢物時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌的細(xì)胞壁或包裹在細(xì)胞壁表面的胞外多聚物上的羧基、羥基和其他活性官能團(tuán)能夠與鉛螯合，使大部分活性態(tài)鉛都轉(zhuǎn)化為非活性態(tài)鉛，進(jìn)而使鉛的毒性和生物有效性降低。

2)離子交換作用

細(xì)胞物質(zhì)結(jié)合的金屬離子被另外一些結(jié)合能力相對(duì)更強(qiáng)的金屬離子替代的過程稱為離子交換。用白腐真菌處理含鉛廢水，在溶液中檢測出原先不存在的Ca2+和Mg2+，表明白腐真菌菌體在吸附Pb2+的同時(shí)，也釋放出自身所含有的其他金屬離子[24]。

1.4 真菌修復(fù)鉛污染場地的應(yīng)用

真菌對(duì)鉛的吸附量明顯高于對(duì)其他金屬離子的吸附量[31]，特有的菌絲(Hyphae)能增大比表面積，更易接觸到污染物質(zhì)提高處理效率。用真菌處理鉛污染場地不僅效果好，還可以通過用一些化學(xué)解吸劑(或稱脫附劑)把吸附的重金屬離子解吸出來，使其得到回收。使用前，對(duì)真菌進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理，使其適用溫度范圍更廣，甚至不受氣候條件限制。吳涓等[32]在用白腐菌菌絲球吸附鉛試驗(yàn)過程中，對(duì)菌絲球進(jìn)行甲醛交聯(lián)—堿處理，使吸附量提高60%～90%。Iqbal等[31]研究結(jié)果表明，用經(jīng)過固定化處理的黃孢原毛平革菌吸附Cu2+、Zn2+、Pb2+，當(dāng)溫度在10～50 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，吸附能力無顯著變化。真菌對(duì)鉛離子的耐受性與吸附性之間不存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，低耐受Pb2+的梅奇酵母對(duì)于Pb2+的去除率高達(dá)92.56% 以上，而高耐受的膠紅酵母對(duì)鉛的去除率僅23.14%[25]。

目前，關(guān)于實(shí)際場地應(yīng)用真菌吸附去除重金屬的報(bào)道還不多，研究重點(diǎn)主要是微生物與重金屬的吸附及相互影響的機(jī)制方面。

2 含鎘土壤的微生物修復(fù)機(jī)制與應(yīng)用

2.1 含鎘土壤的細(xì)菌修復(fù)機(jī)制

鎘在土壤中主要以酸溶態(tài)形式存在，其次是殘?jiān)鼞B(tài)和還原態(tài)，其中酸溶態(tài)鎘在土壤中易遷移轉(zhuǎn)化，也是毒性最強(qiáng)的部分[33]。細(xì)菌通過胞外吸附、細(xì)胞表面吸附、胞內(nèi)積累實(shí)現(xiàn)對(duì)含鎘土壤的修復(fù)。可以吸附鎘的細(xì)菌見表3。

表3 可吸附重金屬鎘的細(xì)菌

細(xì)菌抵御重金屬毒性的第一道防線是細(xì)胞外區(qū)[37]，如圖1所示。細(xì)菌在重金屬的脅迫下分泌一種高分子水溶性生物聚合物(EPS)到細(xì)胞外。EPS上存在帶負(fù)電荷可電離的磷酸根、羧酸根、胺及硫酸根等基團(tuán)，可與帶正電荷的金屬離子反應(yīng)。EPS可增強(qiáng)由毒性或環(huán)境變異性引起的抗逆性，被廣泛認(rèn)為在高金屬濃度下有助于保護(hù)細(xì)胞免受金屬毒性的影響[38]。鎘可能比銅和鋅對(duì)EPS有更高的親和力。除活的生物體外，死亡細(xì)菌的細(xì)胞壁或與細(xì)胞壁相關(guān)的EPS也可以被用于生物吸附，甚至可以保存再利用，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[39]。

圖1 EPS與重金屬相互作用機(jī)制示意

在修復(fù)被重金屬污染的環(huán)境中，微生物除了在金屬脅迫下分泌一些高分子聚合物到細(xì)胞外之外，細(xì)菌也在細(xì)胞表面與金屬離子發(fā)生作用而結(jié)合。Sun R.X.等[40]研究證實(shí)，經(jīng)Cd2+處理后，腸桿菌細(xì)胞表面吸附的鎘是最多的。細(xì)菌吸附分胞內(nèi)吸附和細(xì)胞表面吸附[41]，如圖2所示。細(xì)胞膜是吸附重金屬的關(guān)鍵區(qū)域，膜上存在大量官能團(tuán)，如羧基、羥基、巰基、磷酸根等，使細(xì)胞壁帶有較強(qiáng)的負(fù)電性，且細(xì)胞壁是一種聚合電解質(zhì)，與金屬離子相互作用保持電中性。

圖2 微生物吸收重金屬的機(jī)制示意

2.2 細(xì)菌修復(fù)鎘污染場地的應(yīng)用

細(xì)菌對(duì)Cd2+的吸附去除主要是利用自身的吸附性且以胞外沉淀和胞內(nèi)累積為主。蠟樣芽孢桿菌菌屬(Bacilluscereusstrain H6)對(duì)Cd2+的吸附主要是通過胞外沉淀作用，一部分與Ca2+進(jìn)行離子交換，一部分與烷基、—COOH、—OH等官能團(tuán)發(fā)生配合作用[42]。P.aeruginosa E1的抗鎘基因存在于染色體上，環(huán)境中的Cd2+可通過Mg2+和Zn2+轉(zhuǎn)運(yùn)體系進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),以合成半胱氨酸和離子外流體系2種途徑來降低重金屬對(duì)細(xì)胞的毒害[43]。某些菌株雖然自身對(duì)鎘的吸附能力不高，但能夠通過分泌一些植物生長所必須的激素進(jìn)行促生，具有聯(lián)合超富集植物修復(fù)重金屬污染地區(qū)的潛力[44]。

微生物在鎘污染區(qū)域的生物修復(fù)中具有應(yīng)用潛力，然而目前仍缺少有價(jià)值的微生物，且從種類繁多的微生物群體中鑒定出有價(jià)值的候選者具有一定挑戰(zhàn)性[45]。

2.3 含鎘土壤的真菌修復(fù)機(jī)制

早在19世紀(jì)就已發(fā)現(xiàn)真菌能夠修復(fù)重金屬污染的土壤，而且相比細(xì)菌和放線菌，真菌對(duì)重金屬離子具有更強(qiáng)的耐性[46]。對(duì)重金屬鎘具有較強(qiáng)吸附能力的真菌見表4。

表4 可吸附重金屬鎘的真菌

真菌細(xì)胞對(duì)重金屬污染的土壤的修復(fù)是基于真菌細(xì)胞壁的多孔結(jié)構(gòu)。真菌細(xì)胞壁由幾丁質(zhì)、無機(jī)離子、脂質(zhì)、含氮多糖、多聚磷酸鹽和蛋白質(zhì)組成。真菌細(xì)胞能通過主動(dòng)吸收、胞外和胞內(nèi)沉淀、價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化等方式耐受和解毒金屬離子，將大量重金屬離子吸收進(jìn)入菌絲和孢子削弱金屬毒性。真菌的細(xì)胞壁是結(jié)合金屬離子的配體。在一定條件下，將篩選出的抗鎘淡紫擬青霉菌加入到被鎘污染的土壤中，測定發(fā)現(xiàn)，它對(duì)Cd2+有較好的活化作用[51]。利用海藻酸鈣固定活的和加熱滅活的白腐真菌同時(shí)用于處理含Cd2+廢水，對(duì)Cd2+的吸附量分別為(104.8±2.7)mg/g和(123.5±4.3)mg/g[52]。有些真菌不僅能吸附土壤中的重金屬，其分泌的代謝產(chǎn)物還可以促進(jìn)植物生長。

2.4 真菌修復(fù)鎘污染場地的應(yīng)用

真菌細(xì)胞壁中的幾丁質(zhì)、無機(jī)離子、脂質(zhì)、含氮多糖、多聚磷酸鹽等帶有較多的負(fù)電荷，可用于吸附鎘。比起細(xì)菌，真菌更為耐受高濃度鎘的生物毒性，在鎘的重污染區(qū)域，大部分細(xì)菌都死亡，但真菌可存活。真菌和植物聯(lián)合修復(fù)鎘污染土壤取得了良好的效果，接種真菌的植物與未接種對(duì)照相比，過氧化氫酶活性顯著提高，寄主植物對(duì)Cd的富集量提高[53]。接種叢枝菌根真菌能夠改變水稻根部細(xì)胞壁的化學(xué)成分，接種真菌后，Cd脅迫下水稻地上部生物量、株高和根長顯著增加，地上部和根部Cd含量降低。傅里葉變換紅外光譜結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，處理組中觀察到更多的根細(xì)胞壁中的羥基和羧基，說明細(xì)胞壁成分可能是Cd固定的位置，這減少了Cd從根部到枝條的運(yùn)輸[54]。

目前，關(guān)于應(yīng)用真菌和植物聯(lián)合修復(fù)鎘污染土壤的研究報(bào)告很多，但主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，真正的場地應(yīng)用還不多。

3 結(jié)束語

細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)(MICP)適合吸附去除金屬鉛，對(duì)于中高濃度鉛污染場地的修復(fù)有一定潛力。MICP技術(shù)主要是利用產(chǎn)脲酶細(xì)菌產(chǎn)生尿素酰胺水解酶分解尿素而固化鉛離子，實(shí)際應(yīng)用中，受土壤環(huán)境的酸堿度影響較大，可直接采用催化酶作為微生物加以替代。另外，為促進(jìn)碳酸鈣生成，人為添加外源物質(zhì)磷酸鹽和鈣可加快修復(fù)效率并提高鉛去除率。對(duì)于較高濃度鉛污染場地，添加解磷真菌亦可有效幫助產(chǎn)脲酶細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀固定重金屬鉛。

一些細(xì)菌和真菌的生物吸附對(duì)于鎘的去除效果較好，且可以在較寬的pH、溫度范圍內(nèi)應(yīng)用，不受氣候條件影響。利用一些化學(xué)解吸劑(或稱脫附劑)也可把吸附的重金屬離子解吸出來，使重金屬得到回收。生物吸附不受堿土和常見輕金屬的影響，與其他金屬去除技術(shù)都不存在競爭，可以與其他常規(guī)金屬去除技術(shù)耦合應(yīng)用。

土壤是一個(gè)非常復(fù)雜的環(huán)境體系，一般而言，會(huì)存在多種重金屬交叉污染的現(xiàn)象，利用單一細(xì)菌或真菌來修復(fù)效率較低，因此研發(fā)高效且耐重金屬離子濃度高的微生物菌劑來聯(lián)合降解土壤重金屬污染，以及探討重金屬污染土壤的修復(fù)機(jī)制，還有待進(jìn)一步研究。