微生物修复农田土壤重金属污染技术研究进展_杨海龙.pdf

北方园艺 （）：专题综述第一作者简介：杨海龙（），男，硕士研究生，研究方向为生态修复。：责任作者：刘楠（），男，博士，副教授，现主要从事生态修复等研究工作。：基金项目：国家农业环境中原观测实验点观测监测资助项目（）；河 南 省 科 技 攻 关 资 助 项 目（）。收稿日期：微生物修复农田土壤重金属污染技术研究进展杨 海 龙，周 丹 丹，白 保 勋，吴 小 波，刘楠，陈 东 海（郑州市农林科学研究所，河南 郑州 ；台州市污染防治工程技术中心，浙江 台州 ；郑州轻工业大学 材料与化学工程学院，河南 郑州 ）摘要：随着社会的不断进步，农田重金属土壤污染愈加复杂，微生物修复重金属具有高效简便、推广成本低、无二次污染等特点，已成为土壤修复研究热点。该文从单一微生物技术、微生物植物联合技术、微生物生物炭联合技术、微生物动物联合技术等方面综述了微生物修复土壤重金属的最新研究进展，并对未来发展方向进行了展望，认为微生物和微生物联合技术的修复机理，超级微生物的驯化培养、组合技术的改进创新、细菌修复的工程化推广是未来研究的重点，可为后续研究微生物修复重金属污染土壤提供思路与参考。关键词：土壤重金属污染；微生物修复；组合技术中图分类号：文献标识码：文章编号：（）随着我国经济迅速发展、工业化进程不断加快，环境污染问题逐渐得到人们重视。相比大气污染、水污染可以通过视觉、嗅觉等直观感受来判断，土壤污染往往具有较强的隐蔽性，造成的不良后果要几年、几十年甚至上百年后才会凸显。我国环境治理长期以来，土壤污染并没有得到足够的重视，此外，土壤污染具有积累性，尤其是重金属污染，迁移速率慢、污染后果严重、生态环境效应复杂，不断富集导致污染面积越来越大，污染程度越来越深，影响土壤理化性质、抑制土壤微生物菌落，导致土壤肥力下降，进而通过食物链影响农产品安全和人体健康，潜在的问题逐步显现。根据 全国土壤污染状况调查公报（年），全国土壤环境状况总体不容乐观，耕地土壤环境质量堪忧，污染类型以无机型为主，其中镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍种重金属的点位超标率分别为 、。根据 中国耕地地球化学调查报告（年），重金属重中度污染的点位比例超过 。我国 亿 耕地养活 亿人口，然而，农田的高强度利用，肥料、农药的高投入使用，工业污染物持续排放，煤、石油的化石燃料的大量使用，矿山不合理开采等，加之自然环境的影响，造成了农田重金属污染不断加剧。加强农田土壤环境质量管理是一项意义深远的工作，关系到国家粮食安全和人民身体健康，也是可持续发展和推进国家净土保卫战的必然要求 。我国针对土壤环境安全出台了“土十条”、中华人民共和国土壤污染防治法 农用地土壤环境管理办法（试行）等相关法律法规，为我国土壤环境问题提供法律支持。在土壤污染日益加剧和政策力度加大的背景下，越来越多国内外学者开展对重金属修复技术的研究，传统的化学、物理方法因为其成本高、易产生二次污染、破坏土壤物质性质等问题，很难大面积推广，生物技术适应性强、无二次污染、价格低廉，逐渐受到广大学者的关注 。土壤微生物不仅可以净化土壤有害物质，而且对突然环境质量的变化有着敏感的响应，对土壤环境质量具有很好的警示作用，承担着陆地生态系统各组分之间的桥梁作用，可以利用新陈代新，对土壤的肥力、演变产生重大影响，是土壤生命力和生态功能的重要“调控者”。土壤微生物与土壤中的植物、动物具有千丝万缕的联系，具有复杂的相互作用促进或抑制作用。该研究从微生物在重金属修复的应用等方面进行综述，并据该展望今后发展的方向，为微生物修复土壤重金属的应用提供参考。微生物修复土壤重金属国内外学者做了大量的研究发现，耐受重金属并具有修复能力的微生物主要包括细菌、真菌，微生物种类不同，对重金属的修复能力不一，整体修复能力细菌真菌 ，但各类微生物细分之下修复能力又有所不同，尤其是转基因技术、次代测序技术的引入使微生物增加了靶向吸附能力，大大提高了微生物的修复能力 ，另 外，微 生物生长 外 部 因 素（、温 度、渗 透 压、碳 源）也会影响 微 生 物 的 修 复 能 力 。微 生 物 具 有比表面积大、吸附络合能力强、表面基团丰富等特点，对重金属作用机制可以分为吸附、溶解、转化类 ，其中吸附、转化降低生物毒性，而溶解则是提高生物可利用有效态含量，与植物、动物等联合修复土壤重金属。该节对吸附、转化机理进行论述，使用机制见图。生物吸附微生物的吸附分为胞内吸附和胞外吸附，胞内吸附指重金属进入细胞内部，与细胞内的谷胱甘肽、植物凝集素、不稳定硫化物等结合成硫蛋白、络合素、植物螯合肽等稳定物质，在细胞内富集。胞外吸附主要依靠细胞壁、荚膜、表面粘液层，通过络合、配位、沉淀等将重金属吸附结合在细胞表面，细胞表面带有阴离子基团，如羧基、羟基、氨基、磺酸基等官能团，呈负电，对重金属具有吸附效果，此外，胞外聚合物（肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖）对重金属离子具有很高的亲和力 。韩辉等 研究发现 和 质量浓度为，产多胺细菌.和.对其吸附率均大于。邓敏等 研究发现，硫酸盐还原菌对 、的 去 除 率 可 达 、。等 从矿井废水中筛选出来的铜绿假单胞菌（）和芽孢杆菌（）对重金属 有较强的吸附效果。等 从绿豆根部土壤筛选出的耐 根瘤菌，其胞外多糖的蛋白质、糖醛酸明显增多，提高了根瘤菌对 的吸附作用。等 研 究 发 现，月 桂 假 单 胞 菌（）可以与、和 发生络合作用，从而将重金属固定在细胞壁上，起到降低生物毒性的作用。生物转化生物转化指通过还原氧化、络合、甲基化等过程，将重金属转化为低毒或无毒的物质，改变重金属赋存状态，降低生态危害性 ，如：将六价铬转化为三价铬，二价汞转化为零价汞。等 利用硫酸盐还原菌（）和产甲烷菌（）将甲基汞转化为汞离子和二氧化碳等降低生物毒性。熊智慧等 利用盆栽接种产碱杆菌（）发现，菌种提高土壤的，降低土壤重金属有效态含量，显著缓解重金属铬（）胁迫对玉米生长的不利影响。蔡红等 接种产脲酶菌（）做盆栽试验，发现产脲酶菌通过诱导碳酸盐沉淀、细胞壁的吸附和表面络合来降低土壤中 和 的有效态含量。郝丽娜等 在堆肥试验中接种外源微生物长枝木霉（）、解淀粉芽孢杆菌（）和 酿 酒酵 母（），研究发现种微生物中明显降低了重金属、和 的生物有效性。等 从皮革工业废水污染的土壤样品分离出纤维假单胞菌（），可还原 为 ，降低其 生 物 毒 性。等 发 现 了 根 癌 农 杆 菌（）中的氧化还 原 酶（）可 以 氧 化，此 外，等 研究表明，在厌氧石灰性土壤中，存在微生物可以将 还原为 后与铁（氢）氧化物迅速结合使其固定。北方园艺月月（上上）图微生物与重金属作用机制 微生物植物修复土壤重金属由于富岛效应等因素，植物根际土壤营养物质往往高于其它区域，微生物群落的数量也大于根际之外，微生物就充当植物与土壤之间的桥梁作用。植物利用根际作用改变土壤理化性质，提供适宜微生物生长的环境，利用光合作用为根际微生物提供养分和能量，而微生物分解植物的凋落物、分泌物，为植物提供有机肥料，改善土壤肥力和结构，促进植物生长。有研究证明，南芥可以分泌有益物质调控根际微生物群落，根际微生物会通过新陈代谢分泌、和植物激素促进植物生长。利用如此特性，与植物联合修复土壤重金属，是目前热点研究方向之一。根据物生物与植物的关系可以分为类，其作用机理见图，一种是促进植物生长提高植物积累重金属程度，利用微生物改善土壤环境的作用，提供适宜植物生长代谢的最佳环境，强化植物对污染物的降解能力。另一种是改变重金属有效态含量强化植物修复，植物与微生物在污染胁迫下互利共生，为植物富集污染物提供条件，在根际附近形成紧密的种间互作关系。植物生长能力促进微生物生长代谢的过程促进植物的生长，大多数的 均可以产生吲哚乙酸等生长激素刺激植物的发育，增强植物的生长，部分微生物可以分泌 脱氨酶降低生长激素乙烯的含量，提升植物的抗逆能力，此外，微生物能够产生抗生素、氰化氢（）等增强植物抗病虫害的能力。有研究表明，在 污染胁迫下，根瘤菌与丛枝菌根真菌共生能够促进紫花苜蓿对、的吸收，促进植株生长的同时增强植株抗 毒害的能力。在 的污染背景下，接种根瘤菌有助于鹰嘴豆的生长及 的累积量。孙楠等 研究发现，拟青霉菌（）和 嗜 麦 芽 窄 食 单 胞 菌（）能促进 胁迫下黑心菊和黑麦草的生长，显著提高黑心菊的富集系数和转运系数，有效促进植株对 的吸收，增加 向地上部分的转移。刘琛等 接种丛枝菌根真菌后，金叶六道木的根、茎和叶 浓度分别为不接菌处理的 、倍和 倍，大大增加了金叶六道木对 的富集系数。等 从碱性土壤中筛选出来的镍抗性细菌，能够显著提高印度芥菜地上部生物量并且提升根、茎镍的富集量。杨雪艳等 在研究“双耐”细菌香根草对 和 复合污染土壤修复时，发现菌种可以在促进植物生长的同时提高了 和 的修复效果。第第期期 北方园艺 重金属形态改变植物修复重金属污染，尤其是超富集植物，重金属生物有效形态很大程度上影响植物修复效率，因此微生物活化重金属形态的功能可以大大促进植物积累重金属的速率。如微生物的溶解作用，微生物代谢过程中产生的有机酸（甲酸、草酸、柠檬酸等）与重金属离子发生反应，促进重金属的溶解性，提高重金属有效态，加大对重金属的吸收转移。等 研究发现，在东南景天根部接种耐、细菌后，水溶态重金属含量明显增加，与微生物分泌的有机酸的量息息相关。葡糖醋杆菌（）可以 分 泌 葡 糖 酸，进 而 增 加 土 壤 中 和图微生物植物与重金属作用机制 的溶解度，促进植 物 的 吸收。此外，微生物代谢过程产生的铁载体（铁载体蛋白与重金属具有螯合作用）、表面活性剂（生物表面活性剂能与重金属形成配合物）等，能够促进从土壤基质中解析重金属，对根际重金属具有明显的生物有效态促进作用，促进重金属从地下部分向地上部分转移。等 研究发现，链霉菌（）能够产生铁载体蛋白，显著提 高 向 日 葵 对 的 富 集 效 率。等 研究发现溶磷菌属（）等产生铁载体蛋白，增加芥菜生物量的同时促进芥菜积累、等重金属。等 筛选出的 外 生 菌 根（）产生的胆酸盐铁载体和异羟肟酸铁载体能够与重金属发生络合反应，增强的重金属的修复效果。黄文 筛选出来的根际微生物（），能够产生表面活化剂，显著提高龙葵对 的富集能力，地 下 和 地 上 部 分 对 的 累 积 量 增 加 和 。等 接种能够产生表面活化剂的芽孢杆菌（），结果发现玉米、高粱、油菜和番茄地上部的重金属浓度均有一定程度的增加。微生物生物炭修复土壤重金属生物炭密度小、表面积大、化学性质稳定，具有极佳的吸附性能，能够提高土壤营养元素含量、保持土壤水分、改良土壤结构、缓解土壤酸化，有利于植物和微生物生长繁殖，由于刀耕火种的南美亚马逊盆地黑土的营养成分是普通土壤的倍，有研究表明，生物炭微生物改性土壤，土壤中速效磷和速效钾的含量明显升高。近年来生物炭联合微生物修复土壤污染物成为研究热点，生物炭的引入不仅可以改良土壤的理化性质，而且土壤中的微生物群落结构也会发生变化，尤其对菌根菌这一类微生物具有显著的促进生长的作用。生物炭联合微生物处理重金属，生物炭还可以作为外源微生物的保护屏障，避免其因为环境改变或者本土菌种竞争造成大量死亡。其作用机制见图。韩光明等 研究发现当生物炭施入菠菜农田后，菠菜根际微生物的数量显著增加。等 发现种生物炭的添加能够分别提高土壤中真菌与革兰氏阴性菌的生物量。生物炭在土壤污染修复上具有很大的潜力，多孔、高比表面积的特性使其对污染物具有很高吸附性能，在缺氧环境下，会形成高度芳香化、富含碳的多孔颗粒固体物质，此外，能够影响土壤理化性质间接改变重金属生物有效性 。目前研究较多的是利用动物粪便或者秸秆做生物炭添加菌种修复土壤，其中添加的菌种主要为木霉属、青霉菌属、芽孢杆菌属和酵母属，在生物炭的作用 下，对 重 金 属 具 有 更 好 的 修 复 效 果。等 研究发现，生物炭可以促进细菌与重金属之间的电子传递作用，改变重金属转化速率，进而降低重金属毒性。等 通过水稻盆栽试验发现，猪粪生物炭联合真菌可以显著降低北方园艺月月（上上）水稻对重金属的吸收积累，促进水稻生长。邵佳等 生物质炭施用可减轻重金属污染对土壤微生物活性的胁迫作用，促进微生物生长，进而促进对重金属修复能力。李琋等 利用生物炭负载微生物修复石油烃镉复合污染土壤，发现组合技术可以显著提高土壤微生物的活性，降低土壤石油烃和 的含量。戚鑫等 研究发现，生物炭与微生物的联合作用能有效降低土壤中镉、铀含量。图微生物生物炭与重金属作用机制 图微生物动物与重金属作用机制 微生物动物修复土壤重金属土壤中的动物有蚯蚓、蚂蚁、鼹鼠、变形虫、轮虫、螨虫、跳虫、线虫、壁虱、蜘蛛、潮虫、千足虫等，与微生物之间存在复杂的依存或者竞争关系，一方面动物通过自身活动和消化、排泄方式调节土壤中的菌落结构，如小型动物（螨虫、跳虫和蚯蚓）等会以微生物作为食物，大型动物通过活动轨迹、排泄等改变土壤结构、等，此外，土壤动物的活动可以增加土壤中有机成分的循环，调节土壤的、比，促进微生物生长代谢，作用机制见图。等 研究发现蚯蚓粪便中微生物活性很强，能够分泌氨基酸等可以促进微生物生长的活性物质，进而提高微生物的修复效果。另一方面，土壤中动物的肠道、身体表面又是微生物的天然栖息地，影响宿主的体能特征，直接或者间接的参与 土 壤 养 分 循 环、污 染 物 迁 移 转 化 等 过程 。土壤动物以微生物为食，又是微生物会第第期期 北方园艺在动物肠道中被保留下来，随着粪便进入土壤，这个过程完成了污染物的吸收、搬运、富集，土壤中脲酶、脱氢酶、转化酶和过氧化氢酶活性明显提升，进而促进微生物群落生长，提升微生物降解土壤重金属的能力。其中，蚯蚓对土壤理化性质的改善和污染物的修复均具有显著效果，对于蚯蚓修复土壤的报道逐渐增多。等 研究发现，蚯蚓肠道中存在能将五价砷还原、三价砷甲基化的微生物，促进砷在土壤动物中吸收、转化、固定。展望该研究对微生物及微生物联合修复主流技术进行了简述，仍有微生物修复重金属的应用，因为其非主流技术，且应用价值及潜力尚未体现，应用成本过高，或存在有二次污染的风险，该研究尚未阐述，如：微生物燃料电池修复重金属技术的应用，快微生物淋滤技术在重金属污染土壤修复中的应用，化学微生物联合修复技术等 。土壤是一个动态的复杂多变的开放系统，土壤污染是个日积月累的过程，修复也非一朝一夕能够完成，相比传统的化学、物理方法，微生物、微生物联合修复技术应用于土壤方法简洁有效、无二次污染、经济成本低，在土壤重金属污染重必然具有广阔的应用前景。对于土壤重金属修复微生物应用方面可以从以下个方面着手。）高效降解重金属微生物菌种筛选、驯化研究。驯化得到生长环境剧烈变化、重金属浓度较高的前提下可以正常生长代谢的超级菌种；在现有基础上，开发基因工程菌，利用基因组学潜在抗性基因挖掘，引入转基因技术，在确保生物安全的基础上，增强微生物对重金属的吸附或转化能力。）加强微生物修复重金属机理研究。目前，对单一微生物和微生物联合修复重金属成效研究较多，但复合作用机制研究较少，可以从分子领域、基因领域作进一步研究工作。）工程技术运用研究。不同土地的污染类型，所处的地理条件差异较大，大多数污染地区均存在复合污染现象，场地修复运用技术往往不是单一技术可以解决，因此因地制宜的开发技术方案很有必要，可以建立植物动物微生物等技术联合修复的微生物资源库，促使微生物修复技术产业化发展。）加强联合修复技术改进创新。污染物的污染往往是复合污染，单一的处理技术很难满足现实要求。研究开发不同手段的组合技术，如动物植物微生物组合技术，土壤肥料微生物植物组合技术，生物炭动物微生物植物组合技术等，同时应加强组合技术的修复机理研究。参考文献 ，：，（）：刘南婷，刘鸿雁，吴攀，等 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