解磷微生物協同磷礦粉強化植物修復鉛污染土壤機制的研究進展

關鍵詞：鉛污染；解磷微生物；磷礦粉；植物修復

土壤是人類賴以生存和發展的物質基礎。由于自然因素或人類采礦活動等的影響，土壤中重金屬積累越來越多，導致土壤重金屬污染并損害生態系統健康。據統計我國耕地約有1千萬公頃受到重金屬污染，易對人類、動植物和微生物造成危害，帶來巨大的經濟損失。目前Pb污染土壤修復成為全球性熱題，應用耐性或超富集植物修復Pb污染土壤最為廣泛，其對環境具有生態友好和無污染的優點。但在運用植物修復的過程中，也存在治理時間長、污染物容易積累的問題。磷礦粉是一種價格便宜天然含磷重金屬鈍化劑，在自然條件下可通過沉淀、吸附、離子交換和改變Pb2+在植物器官中的形態和分布，減少Pb在植物組織內的有效態含量。與此同時，磷礦粉中含有的磷化合物，也能提供植物生長所需要的磷元素，促進植物生長。解磷微生物分泌的有機酸、無機酸、磷酸酶等物質可以降低土壤pH值，活化磷礦粉并促進植物對磷的吸收。同時解磷微生物本身也可通過生物吸附和轉化，將土壤中的Pb2+吸附固定，降低Pb2+對植物的毒害作用。基于此，研究人員提出解磷微生物一磷礦粉的聯合修復技術，以加強植物對土壤中Pb污染的修復效果。解磷微生物和磷礦粉在土壤Pb污染修復上可起到重要作用。在解磷微生物的作用下，磷礦粉可活化為可溶性磷酸鹽，一方面土壤中磷酸鹽的大量存在為鈍化Pb提供條件，另一方面土壤中磷酸鹽的營養元素對植物生長有促生作用。綜上所述，利用解磷微生物一磷礦粉一植物的聯合修復技術可以發揮各自優勢加強對Pb污染土壤的修復效果。因此，本文針對土壤Pb污染，綜述了解磷微生物的解磷機理，結合磷礦粉的物理化學組成及其在土壤中的生物化學反應，分析了解磷微生物、磷礦粉和植物三者協同作用對Pb污染土壤的修復機制，以期為我國重金屬污染土壤修復提供參考。

1解磷微生物緩解Pb毒害機制

Pb脅迫下植物的細胞膜透性、光合特性、抗氧化酶活性等指標會發生明顯的變化，嚴重時會導致植物死亡。解磷微生物可通過生物吸附和生物轉化的方式，降低土壤Pb的有效態含量，保持植物正常生長。解磷微生物吸附機制分為胞內吸附、胞外吸附和靜電吸附。胞內吸附是指重金屬離子進入細胞內部，與其中的谷胱甘肽、植物凝集素、不穩定硫化物等物質結合生成硫蛋白、絡合素、植物螯合肽等穩定物質，在細胞內富集；胞外吸附主要依靠細胞壁、莢膜、表面粘液層，通過絡合、配位、沉淀等方式將重金屬離子吸附結合在細胞表面；靜電吸附指在細胞表面，尤其是細胞壁組分，其含有羧基、羥基、巰基、氨基、酰胺基和磷酸基等活性基團，這些基團中的N、0、P和S等提供孤對電子與重金屬離子結合，從而使溶液中的重金屬離子被吸附。不同解磷微生物對Pb2+的吸附能力也有所差異。Tunali等將分離得到的芽孢桿菌（Bacillus sp.）接種于250 mg/L Pb2+溶液中，在恒溫（25℃）和培養15min條件下，其生物吸附Pb2+量為（92.27±1.17）mg/g。Akar等將灰霉病菌（Botrytis ci-nerea）菌株在Pb2+溶液中25℃培養1.5h，其吸附Pb2+量為242.9mg/dm3。以上說明，生物吸附是解磷微生物有效緩解重金屬Pb毒害的作用機制之一。

生物轉化是解磷微生物通過氧化還原、礦化、絡合反應等方式，將重金屬轉化為其他低毒或無毒的物質，降低其危害性。氧化還原是指某些本身具有氧化還原能力的微生物，可使重金屬價態發生改變，使之變成低毒或無毒的物質。Senko等研究發現，菌株SRB（Desulfosporostnus）可以與游離的Pb2+發生氧化還原反應生成難溶性的PbS沉淀。解磷微生物可通過礦化作用固定重金屬，重金屬離子在解磷微生物體內、外發生沉淀，主要包括磷酸鹽礦化、硫化物礦化和碳酸鹽礦化等。Jiang等研究發現，對于腸桿菌（Enter-obacter sp.），Pb2+可以在其細胞壁上與P03-反應形成磷酸鹽沉淀．Pb2+的存在加速了磷酸鹽的消耗，導致Pb2+被礦化而積聚在細胞膜上：Harmon等用硫酸鹽還原細菌從有機分子中去除氫原子，并使硫酸鹽作為末端電子受體，產生HS2-將硫酸鹽還原為硫化物沉淀。Li等研究發現，部分解磷微生物分泌脲酶促進土壤中碳酸鹽含量上升，碳酸鹽與Pb2+和Ca2+等經礦化形成沉淀，礦化率可高達88%～99%。綜上所述，解磷微生物通過礦化作用降低重金屬Pb有效態含量是其修復重金屬污染的重要機制之一。絡合反應是指解磷微生物胞外分泌物（如羧基、羥基、磷酰基、酰胺基、硫酸脂基、氨基和巰基等）或細胞壁上的某些組分（蛋白質、脂類等）與重金屬相互作用，形成金屬絡合物，被吸附固定在細胞表面。Teng等研究發現，解磷微生物胞外多糖與Pb2+絡合，降低了細胞內的Pb2+濃度，加強了解磷微生物對Pb的抗性。解磷微生物可以分泌大量含有羧基的化合物，如草酸、蘋果酸、檸檬酸等，它們在中性pH值環境下帶負電荷，通過吸引帶正電的Pb2+形成有機金屬絡合物。蔡紅等研究發現，產脲酶菌（Urease-producing microorganisms）通過誘導碳酸鹽沉淀和細胞壁的表面絡合來降低土壤中Pb的有效態含量。枯草芽孢桿菌（Bacillussubtilis）吸附Pb2+過程中，與細胞官能團絡合反應形成不溶物Pbs（P04） 30H、Pbio（P04）6（OH）2和Pbs（P04） 3Cl。

2解磷微生物的解磷機理

2.1解磷微生物溶解無機磷機制

解磷微生物的解磷機制與其在生長繁殖過程中產生的有機酸有關。如乙酸、乳酸、蘋果酸、草酸、琥珀酸、檸檬酸、葡萄糖酸、酮葡萄糖酸等。有機酸可以降低土壤pH值，促進難溶性磷酸鹽的溶解。針對微生物溶磷特性的研究發現，解磷微生物溶液中有效磷含量與乙酸、葡萄糖酸含量呈正相關，其機制是乙酸能降低溶液pH值使難溶性磷酸鹽轉化為可溶性磷酸鹽。而葡萄糖酸能促進磷酸鹽轉化為P03-，增加溶液有效磷含量。另外，解磷微生物還能夠分泌無機酸活化土壤中難溶性磷，化能自養型解磷微生物產生的H2S04、HN03、H2S等，能夠與磷酸鹽反應而促進其溶解。于海洋等研究發現，解磷微生物分泌的無機酸可以將環境中的PO轉化為H2P04或HP04-，但與有機酸相比，無機酸的解磷率相對較低。另一方面，解磷微生物能通過代謝過程中NH的同化或呼吸作用分泌H，從而降低環境pH值，使土壤中磷酸鹽溶解。Asea等研究表明，鐮刀青霉（Penicillium cf．fLLSCUm）只有在NH;存在的情況下才能溶解磷酸鹽，且其溶磷量與其發酵液pH值變化間呈顯著負相關。Illmer等研究發現，金灰青霉（Peni-cillium aurantiogriseum）和假單胞菌（Pseudomonas sp.）培養液中未發現任何有機酸的產生，但pH值明顯下降，并且溶液中有效磷含量明顯上升，經分析發現H+是隨著微生物呼吸作用或其同化NH：而釋放的，降低了土壤pH值，利于土壤中磷素的溶解。

2.2解磷微生物溶解有機磷機制

解磷微生物通過分泌磷酸酶、植酸酶和C-P裂解酶等礦化有機磷酸鹽，使其變成可溶性磷。磷酸酶可以使有機磷磷酸酯鍵中的磷脫落，增加有效磷含量。磷酸酶活化有機磷對植物礦化有機磷具有重要作用，如芽孢桿菌屬（Bacil-lus）可以產生磷酸酯酶、磷酸二酯酶和磷脂酶礦化有機磷酸鹽。其中針對磷酸酶，研究更偏向于酸性磷酸酶和堿性磷酸酶。大部分植物根系可以分泌大量酸性磷酸酶和少量堿性磷酸酶，而堿性磷酸酶可以水解多種有機磷如核糖核苷酸、脫氧核糖核苷酸、生物堿、磷酸酯和磷酸酐等，所以解磷微生物分泌堿性磷酸酶活化有機磷對植物礦化有機磷具有更重要的作用。植酸是土壤有機磷的主要組分且占比很大，但植物能直接利用它的能力有限。解磷微生物能分泌植酸酶，將植酸磷降解為肌醇和無機磷酸酯，從而釋放出有效磷。鐘傳青研究發現，巨大芽孢桿菌和青霉菌能夠產生植酸酶，降解磷酸酯增加發酵液中的有效磷含量。據報道，大約30%至48%的可培養微生物通過產植酸酶來利用植酸。C-P裂解酶可促使土壤中有機磷C-P鍵的斷裂，促進有效磷含量的增加。Rodriguez等研究發現，解磷微生物可分泌C-P裂解酶將有機磷轉化為正磷酸鹽，提高了解磷微生物溶解磷酸鹽的能力。

3磷礦粉鈍化Pb的作用機理

磷礦粉作為金屬鈍化劑已被證實能有效地從各種受污染的水和土壤中鈍化重金屬。其主要是通過沉淀、吸附絡合和離子交換的方式改變Pb在土壤中的形態從而修復Pb污染土壤，同時含有的Ca2+在一定程度上還能與Pb2+產生拮抗作用，釋放出PO與Pb形成難溶性Pb3（P04）2，降低Pb的有效性。

磷礦粉施用于土壤后，經降水或植物根系分泌物的作用，反應解離出H2P04。H2P04可以與重金屬發生反應形成難溶性的磷酸鹽沉淀，進而降低土壤中Pb的有效性。陳世寶等研究表明，土壤經磷礦粉處理后生成了較多的Pb3（P04）2沉淀，不同程度地降低了土壤中Pb2+的遷移，使Pb2+向殘渣態形式轉換。Wang等研究發現，添加磷礦粉增加了土壤P03-含量，促進水溶性和可交換Pb向沉淀物轉換，降低土壤中有效態Pb含量。在pH值較高環境中磷礦粉表面帶負電荷，環境中的Pb2+可靜電吸附于磷礦粉表面，也可以羥基絡合物的形式在磷礦粉表面發生吸附。Garrido等研究發現，磷礦粉能有效吸附土壤中的Pb，土壤中的Pb2+帶正電，易與磷礦粉含有的OH-、HS-結合吸附于磷礦粉表面。研究發現磷礦粉在與Pb2+之間的固液界面反應體系中，Pb2+會直接吸附于磷礦粉表面，降低Pb的有效性。在pH值較低的環境下，磷礦粉中所含的Ca2+在一定程度上能與重金屬發生離子交換。Suzuki等研究證明，在低pH值（3.0、4.0和5.0）條件下，各種陰離子（F-、Cl-和N03）的水溶液中，Pb2+與磷礦粉中的Ca2+之間進行離子交換，降低Pb2+濃度。Takeuchi等研究認為，磷礦粉鈍化Pb是由于形成了更穩定的進行的離子交換，即Pb2+取代了羥基磷灰石晶格上的Ca2+。磷礦粉添加可有效降低Pb2+的生物有效性和遷移率。研究發現，磷礦粉游離出的PO；—被植物吸收后可以改變Pb2+在植物細胞內的形態與分布，以磷酸鹽沉淀的形式分布于根系表面細胞壁或液泡內，減少植物地上部Pb2+的累積，降低重金屬對植物的毒性。陳世寶等采用透射電鏡技術觀察芥菜植株體內Pb的易位，發現Pb以磷酸鉛化合物的形式沉積在植物根表，從而有效地阻止Pb向植物體內的運輸。

4解磷微生物強化磷礦粉鈍化Pb

磷礦粉作為難溶性磷酸鹽，在土壤中溶解度較低，因此提高磷礦粉溶解度有利于鈍化重金屬Pb。解磷微生物通過向土壤中分泌有機酸、磷酸酶和植酸酶等物質降低土壤pH值、活化磷酸鹽，從而使磷礦粉溶解為可溶性磷酸鹽，釋放出更多的P03-與土壤中的重金屬相互作用形成磷酸鹽沉淀，降低土壤重金屬有效性。Hao等研究發現，在磷礦粉存在條件下接種草酸青霉（Peni-cilliurn oxalicum），土壤中草酸含量明顯升高，土壤pH值降低，增加了磷礦粉溶解能力，釋放出更多P03-，提高了土壤速效磷濃度，并在土壤中形成穩定的Pb3（P04）2化合物，顯著降低了土壤Pb的生物有效性、浸出性和遷移性。Bolan等研究證明，解磷微生物釋放磷酸酶，增強了土壤中磷礦粉的活化，并且活化后的磷酸鹽與Pb發生反應，形成Pb3（P04）2沉淀，降低了Pb對植物的毒害性。此外，Wang等研究發現，菌株LA（Pseu，domonas sp.）具有高效活化磷礦粉的能力，溶解的磷酸鹽可以與土壤中的Pb結合形成Pb3（P04）2沉淀物，從而固定土壤中的Pb2+，有效修復Pb污染土壤。解磷微生物還能促進磷礦粉對Ca2+的釋放，加速Ca2+與重金屬離子的交換，形成穩定的沉淀。Adhikari等研究表明，解磷微生物如接種桔灰青霉菌（Penicillium aurantiogrise-um），可以使添加磷礦粉的溶液中Ca2+濃度增加，增強與Pb2+的交換能力，促進其轉化為低毒或無毒形式，減少其毒害作用。

5解磷微生物一磷礦粉一植物聯合修復Pb污染土壤的作用機理

解磷微生物一磷礦粉一植物聯合修復Pb污染土壤是一種有效的手段，適用于擴散性、具有細粒結構、污染面積較廣等的Pb污染土壤。在Pb污染土壤中，解磷微生物與磷礦粉可以促進植物的生長和增殖，且更加高效地將Pb轉化為其他低毒或無毒的物質，降低其危害性。解磷微生物接種協同施用磷礦粉可有效提高土壤有效磷含量及其酶活性。Xu等研究發現，在Pb污染土壤中接種蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringzensLs）并施磷礦粉，植物新梢、生物量和凈光合速率以及土壤生物有效性磷酸鹽濃度顯著增加，而Pb的植物利用率大大降低：微生物分泌的有機酸促進了磷礦粉中磷酸鹽的溶解，強化了其對重金屬Pb的鈍化，增加了土壤有效磷含量，促進植物生長。解磷微生物分泌的促生因子如吲哚乙酸、赤霉素、細胞分裂素等均可提高植物的生物量和抗性，增強植物對Pb2+的富集作用。解磷微生物能從植物根系分泌的初級和次級代謝產物中獲取所需的營養物質，磷礦粉也可被植物根系分泌物活化，增強對Pb2+的鈍化。解磷微生物在感知植物根系釋放的信號后，會釋放相關物質并將其轉化成植物所需的營養物質，從而對植物的生長和抗性產生影響。Lu等研究發現，擬南芥根系分泌代謝產物可影響解磷微生物群落變化，微生物反過來也可通過代謝分泌營養物質（N、植物生長激素等）促進植物生長。此外，楊松花等研究表明，大豆根系分泌物（草酸、酒石酸、蘋果酸等）對磷礦粉有著較好的活化效果。綜上所述，解磷微生物一磷礦粉一植物聯合對Pb污染土壤的修復治理發揮著重要作用。

6展望

目前，磷礦粉在我國土壤重金屬修復綜合利用方面尚處于初步發展階段，雖利用途徑呈現多元化特征，但更集中于其作為一種緩釋磷肥對作物促生方面的研究和單獨用于鈍化重金屬方面，很少有人將其聯合解磷微生物用于Pb污染土壤的治理。因此，磷礦粉作為一種廉價的含磷鈍化劑，可經微生物與植物根系分泌物活化而強化其鈍化土壤重金屬Pb，并可為植物生長發育提供必要的磷元素。因此解磷微生物一磷礦粉一植物體系聯合修復重金屬Pb污染土壤具有可持續、低成本、生態綜合效益、低碳等諸多優勢，具有廣闊的應用前景。在此方面今后研究的重點和熱點應集中在以下幾個方面：一是因地制宜篩選培育優良的超富集或耐性植株。自然界中有很多優良的植物，在生態環境不被影響及破壞的前提下，因地制宜培養馴化以滿足實際治理需求。二是篩選更高效、更具抗性的微生物菌株。微生物資源種類豐富，進一步篩選出針對修復Pb污染土壤的優勢菌株至關重要。三是深入了解磷微生物一磷礦粉一植物共存體系的機理機制研究，以期在基礎領域取得突破。四是在解磷微生物一磷礦粉一植物共存體系下開展修復效果評價，修復評價不能僅單一針對土壤重金屬，應綜合考慮給整個生態系統帶來的變化。