真菌-礦物復合體系修復鉛污染的效能研究

中圖分類號：X505 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2025）14-112-6

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2025.14.023

0 引言

土壤重金屬污染已成為威脅土壤生態系統健康與農業生產力的重要環境問題。過量的重金屬在土壤環境中的積累不僅破壞生態平衡，還通過食物鏈傳遞對動植物及人類健康構成嚴重威脅]。據統計，我國每年重金屬污染導致的糧食減產約1000萬t，直接經濟損失高達200億元[2]。因此，我國土壤環境質量總體情況不容樂觀。

在諸多重金屬污染物中，鉛 （Pb²⁺ 因其廣泛的存在性和強毒性受到高度關注。鉛污染不僅會引發人體鉛中毒等健康風險3，還能通過大氣沉降等途徑加劇霧霾與酸雨形成，形成復合型環境污染效應。2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，重金屬鉛的點位超標率達 1.5% ，其中，輕微、輕度、中度和重度污染占比分別為 1.2%，0.2%，0.1% 和 0.1%^[4] 。目前，鉛污染土壤的治理修復技術大致可以分為物理、化學、生物和聯合修復技術，其中，生物修復技術憑借其環境友好性和可持續性優勢備受關注。

溶磷微生物作為功能性微生物的重要類群，在重金屬污染修復領域展現出獨特價值。這類微生物通過解磷作用將難溶性磷轉化為可吸收態，同時借助生物吸附與轉化機制降低土壤 Pb²⁺ 的生物有效性，保持植物正常生長[5]。溶磷微生物對重金屬的作用機制可分為胞內吸附、胞外吸附和靜電吸附[6]。

黑曲霉（Aspergillus，A.niger）是一種典型的溶解真菌，因具有強效解磷能力而成為研究熱點，其通過分泌草酸與磷酸酶促進磷釋放，進而形成穩定態的磷氯鉛礦 [Pb_s（PO₄）_sX] ，實現對 Pb²⁺ 的固定。然而，黑曲霉的生長常常受到環境因素（如重金屬和pH 值等）的影響，這將直接影響黑曲霉對重金屬的固定和轉化能力。然而，黑曲霉在鉛污染修復中的響應機制研究仍存在明顯不足，特別是環境因子（如重金屬濃度梯度、pH波動）對其生理代謝及修復效能的影響機制尚不明確。

基于上述科學問題，研究系統探究不同真菌-礦物配比及環境酸度條件下真菌（黑曲霉）-黏土礦物復合作用對鉛污染修復的效能。研究結果可為重金屬污染土壤的生物修復技術優化提供理論支撐，對構建環境友好型修復體系具有重要的科學價值。

1材料與方法

1.1 試驗材料

供試菌種為分離篩選于南京市大豆根際土壤的黑曲霉NJDL-12菌株（CGMCC保藏號為No.11544，對應處理編號設為ANG，下同）。選取的黏土礦物為購自黏土礦物學會（美國印第安納州普渡大學）的鈉基蒙脫石（SWy-2，Mon）。

1.2 試驗設計

在模擬鉛污染（ Pb²⁺ 質量濃度為 500mg/L 的背景下，通過設置微生物和礦物的不同配比進行多組試驗，結合黑曲霉的生長代謝情況、重金屬離子（Pb²⁺） 的去除效率等指標進行相關分析，綜合探究黑曲霉-礦物的不同配比影響真菌-礦物復合體系修復鉛污染的效能。

具體試驗操作為：將制備好的 100mL PDB培養基裝入 250mL 錐形瓶中，添加 Pb²⁺ 母液（質量濃度為 1000mg/L ）使環境中 Pb²⁺ 質量濃度為 500mg/L （同時設置不添加 Pb²⁺ 的對照處理）， 120^°C 高壓滅菌 20min 。將 60mg 的黏土礦物和不同體積的黑曲霉孢子懸液（濃度為 1.25×10⁷ 孢子數 /mL 培養基）添加到 250mL 錐形瓶中。試驗共設置4個處理，分別為ANG0（對照處理）、ANG0.5（黑曲霉孢子懸液添加量為 0.5mL ）、ANG1（黑曲霉孢子懸液添加量為1mL ）、ANG5（黑曲霉孢子懸液添加量為 5mL ），每個處理設置4個重復。然后在 28^°C，180r/min 的振蕩器中暗培養 7d 。

1.3測定項目及試驗方法

1.3.1 溶液pH值

采用pH計（雷磁PHS-3C）進行測定。

1.3.2 磷質量濃度

采用電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES，Agilent710）進行測定。

1.3.3 草酸質量濃度

采用高效液相色譜儀［Agilent1260InfinityII，安捷倫科技（中國）有限公司進行測定。測試條件：流動相濃度為 0.25% 磷酸二氫鉀與甲醇的比例為 ，色譜柱為SB-Aq（Agilent），柱溫為30^°C ，進樣量為 20μL ，流速為 0.8mL/min ，波長為210nm 。測定前配置有機酸標準溶液的質量濃度分別為 1000，500，200，100，50，0mg/L 。內標曲線的 R² 為0.999，符合測試條件。

1.3.4酸性磷酸酶活性

將培養液通過濾紙過濾得到的濾液過 0.45μm 濾膜后，采用酸性磷酸酶（ACP）試劑盒（A060-1-1，南京建成生物有限公司），并按照試驗操作步驟配制溶液，然后根據式（1）測定酸性磷酸酶活性。

ACP

式（1）中， m_☉M? 取 0.005mg;V_# 為樣本取樣量，取0.05mL;A_ijj∈ 為試驗樣品所測平均吸光度； A_{ΠfiR：ΠfiR} 為標準溶液所測平均吸光度。

1.3.5 真菌生物量

將過濾后的菌絲分泌物放置在 65^°C 條件的烘箱中烘 10h 后，用分析天平測定黑曲霉生物量。

1.3.6 Pb²⁺ 質量濃度及 Pb²⁺ 去除率

培養結束后，將培養液經濾紙過濾獲得濾液和真菌菌絲沉淀物，將濾液過 0.45μm 濾膜后利用Agilent200火焰原子吸收光譜儀［Agilent200SeriesAA，安捷倫科技（中國）有限公司測定 Pb²⁺ 濃度。

重金屬 Pb²⁺ 的去除率計算方法見式（2）。

重金屬的去除率 （%）=（C_ξA^A-C_ξA^A ） /C_tf^′×100%

式（2）中， C_☉ 為重金屬離子的初始質量濃度，mg/L C_☉ 為重金屬離子的最終質量濃度， mg/L

1.4 統計分析

pH值、黑曲霉生物量、有機磷質量濃度、草酸質量濃度和磷酸酶活性、 Pb²⁺ 質量濃度、 Pb²⁺ 去除率均使用SPSS26.0軟件進行單因素方差分析（ANOVA）， Plt;0.05 為差異顯著。

2結果與分析

2.1溶液pH值

黑曲霉在代謝活動中分泌的草酸、檸檬酸等低分子量有機酸，通過絡合作用、離子交換及共沉淀等途徑與 Pb²⁺ 發生特異性結合反應，顯著影響鉛的生物有效性與賦存形態[8]。如圖1所示，培養7d后，黑曲霉展現出顯著的 pH 值調控能力。對照處理組的溶液pH值為 5.19 。當接入 0.5mL 孢子懸浮液時，溶液pH 值顯著降低至2.78 （Plt;0.05） 。當接種量持續增加至1mL（ANG1處理）和 5mL （ANG5處理）時，溶液pH值減少至2.27和2.40，但處理間沒有顯著差異。

圖1黑曲霉-礦物的不同配比對溶液pH值的影響

注：相鄰兩列不同小寫字母表示處理間差異顯著 （Plt;0.05） ，下同。

2.2黑曲霉生物量

微生物的生長會受到很多因素的影響，生物量能夠很好地表現生物對環境的適應程度（抗逆性）。如圖2所示，在鉛污染脅迫環境（ Pb²⁺ 質量濃度為 500mg/L ）中，經7d培養后，接入 0.5mL 孢子懸浮液時，生物量為 1.14g（Plt;0.05） 。值得注意的是，接種量增至 1mL 時生物量達到峰值 1.19g ，但繼續增加至 5mL 時反而回落至 1.14g 。

圖2黑曲霉-礦物的不同配比對真菌生物量的影響

2.3酸性磷酸酶活性

解磷微生物通過分泌酸性磷酸酶催化有機磷酸鹽的礦化反應，其產生的可溶性磷酸根離子可與Pb²⁺ 形成穩定沉淀。如圖3所示，在無外源接種的對照組中，培養終點酸性磷酸酶活性為 4.2U?100mL^-1 當接入 0.5mL 孢子懸浮液時，酸性磷酸酶活性顯著提升至 4.82U/100mL 。接種量增至 1mL 時酸性磷酸酶活性反而下降至 2.94U/100mL ，推測可能由底物抑制效應或代謝反饋調節所致。進一步增加至 5mL 時，酸性磷酸酶活性維持在 3.12U/100mL ，溶液中的酸性磷酸酶活性與添加 1mL 黑曲霉的孢子懸浮液處理無差異。

圖3黑曲霉-礦物的不同配比對酸性磷酸酶活性的影響

2.4草酸質量濃度

解磷微生物可以分泌多種有機酸，如草酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸、琥珀酸、葡萄糖酸、酮葡萄糖酸等。其中，草酸是黑曲霉分泌的主要有機酸[，此次處理測量的有機酸為草酸。圖4顯示，隨著黑曲霉添加量的增加，有機酸的質量濃度逐漸增加，但隨著加入更多比例的黑曲霉，有機酸質量濃度增長效率降低，提示高密度接種可能觸發群體感應調控機制[]。微生物分泌草酸的多少可以直接影響環境的pH值，而pH值又是影響微生物生長和代謝活動的重要因素。在微生物培養過程中， pH 值的變化不僅影響微生物分泌酸的數量，還影響其對養分的吸收[12]。

2.5有效磷質量濃度

黑曲霉通過協同分泌有機酸與酸性磷酸酶，催化難溶態磷酸鹽向可溶性 PO₄³ 轉化，其釋放的磷酸根離子通過離子交換與共沉淀機制，與 Pb²⁺ 形成熱力學穩定的鉛-磷酸鹽沉淀[如 Pb₅（PO₄）₃OH，Pb₅（PO₄）₃Cl 等][13]，從而實現對鉛污染土壤的有效修復。如圖5所示，在鉛污染體系中（ Pb²⁺ 質量濃度為 500mg/L ），未接種對照組磷質量濃度維持在 74.94mg/L 。當接入 0.5mL 孢子懸浮液時，可溶性磷濃度顯著提升至84.65mg/L 。但當接種量超過 1mL 時，有效磷釋放的效率下降 58% ，提示高菌體密度可能引發代謝。

圖4黑曲霉-礦物的不同配比對草酸質量濃度的影響物的反饋抑制。

圖5黑曲霉-礦物的不同配比對有效磷質量濃度的影響

黑曲霉能通過分泌有機酸或磷酸酶促進磷的釋放，并促進含鉛礦物的形成，提高低環境中重金屬離子（Pb²⁺） 的質量濃度。如圖6（a）所示，隨著黑曲霉生物量的逐漸攀升，培養后溶液中的 Pb²⁺ 質量濃度呈現出穩步下降的趨勢。當加入黑曲霉的孢子懸浮液分別達到0.5mL，1mL 和 5mL 時，溶液中 Pb²⁺ 的質量濃度相對于不添加黑曲霉分別降低了 31.5%.56.8% 和 72.9% （見圖6（b））。 Pb²⁺ 去除率則分別為 99.3%.99.5% 99.7% 和 99.8% 。黑曲霉在去除環境中鉛污染方面表現出顯著優勢，是一種極具潛力的生物修復真菌。

3討論

研究系統探究了黑曲霉-蒙脫石復合體系對鉛污染（ Pb²⁺ 質量濃度為 500mg/L ）的修復效能，揭示了真菌-礦物協同作用的核心機制及關鍵調控因素。以下結合試驗結果與現有理論展開討論。

3.1黑曲霉對鉛脅迫的耐受性及其生理響應特征

研究證實，黑曲霉在高濃度鉛脅迫（ 500mg/L 0下仍能維持生長（生物量 gt;1.14g ），且通過分泌草酸等有機酸將環境pH值穩定調控至2.2（見圖1）。這一現象與湛方棟等[14]提出的絲狀真菌重金屬耐受機制一致：草酸分泌不僅可以降低 pH 值以緩解鉛毒性，其羧基基團還可與 Pb²⁺ 形成穩定的草酸鉛沉淀 （PbC₂O₄） 。

圖6黑曲霉-礦物的不同配對 Pb²⁺ 質量濃度及去除率的影響

3.2真菌-礦物配比對修復效能的影響

當黑曲霉孢子懸液添加量從 0.5mL 增至 5mL 時 Pb²⁺ 質量濃度從 2.35mg/L 降低至 0.93mg/L （圖6）。然而，生物量并未隨孢子懸液量增加而線性增長（ANG5處理生物量回落至 1.14g ，見圖2），表明過高的菌體密度可能導致資源競爭或代謝產物積累，進而抑制自身生長。此外，ANG1處理（ 1mL 孢子懸液）在酸性磷酸酶活性 （4.82U/100mL 和有效磷質量濃度 87.4mg/L ）方面表現最優（圖3和5），提示中等菌體密度可能更有利于酶活性的表達與磷的釋放，表明微生物-礦物配比的優化應綜合考慮生物量、代謝產物分泌及環境適應性[15]。鈉基蒙脫石的添加為黑曲霉提供了吸附位點，其層狀結構可通過離子交換吸附 Pb²⁺ ，并與微生物代謝產物協同形成穩定礦物相[16]。

4結論

研究通過系統分析微生物-礦物配比對黑曲霉生長和鉛固定的影響，得出以下結論： ① 黑曲霉具備極強的鉛耐受性，可在 500mg/LPb²⁺ 和酸性環境1 pH=2.5 ）中維持代謝活性，并通過分泌草酸將環境pH值穩定調控至2.2，為鉛的固定轉化創造有利條件。 ② 真菌-礦物配比顯著影響修復效能：當孢子懸液添加量為 1mL （ANG1處理）時，體系達到最優平衡，可最大化酸性磷酸酶活性與有效磷釋放，顯著提升鉛固定效率。

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Study on the Remediation Efficiency ofLead Contamination by Fungus-Mineral Composite System

MAOKun CHENGenqiang ZHANG Xiaofang ZHU Guangwei ZHANG Lin

College of HorticultureandPlantProtection，Henan UniversityofScienceandTechnology，Luoyang 47Ooo，China

Abstract：Lead（ Pb²⁺ ）pollution has become a global environmental issue，posing serious threats to ecosystems and human health due to its ecological toxicity and bioaccumulation.Among current pollution remediation technologies，microbial remediation has attracted much attention for its eniromental friendliness and cost-efectiveness.Insoil environments，fungi-mineral interactions are widespread，and they significantly regulate the environmental behavior of heavy metal ions through biogeochemical processes.However，there is limited research on how the fungus （Aspergillus niger）-mineral composite system affects the eficiency of lead pollution remediation.To address this issue，this study systematically measured key indicators，including solution pH，available phosphorus concentration，Aspergillus niger biomass，acid phosphatase activity，oxalic acid content，and Pb²⁺ removal rate， by seting different Aspergillus niger-mineral ratios to explore the remediation efficiency of the Aspergillus niger-mineral composite system for Pb²⁺ pollution. The results indicate that Aspergillus niger exhibits strong resistance to Pb²⁺ ，capable of surviving and maintaining metabolic activity in a strongly acidic environment （pH=2.5） and high Pb²⁺ concentrations （Pb2+=50O mg/L）. The metabolism of Aspergillus niger can regulate the environmental pH，keeping the solution pH around 2.2.The Pb²⁺ removal rate of the Aspergillus niger-mineral composite system exceeded 99.9% in all treatment groups，and under the specific condition of a specific addition amount of Aspergillus niger spore suspension （1mL），the composite system exhibited the optimal polution remediation performance.This study provides important theoretical support and practical references for microbial remediation technologies of heavy metal pollution.

Keywords： lead pollution; Aspergillus niger;minerals;pHvalue; bioremediation