姚 航, 張杏鋒*, 吳熾珊

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西桂林 541004)

土壤重金屬污染的微生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

姚 航1,2, 張杏鋒1,2*, 吳熾珊1,2

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西桂林 541004)

摘要為了進(jìn)一步認(rèn)識土壤重金屬污染的微生物修復(fù)技術(shù)，綜述了目前國內(nèi)外微生物修復(fù)技術(shù)、植物輔助微生物修復(fù)技術(shù)的作用機(jī)理、優(yōu)缺點(diǎn)及其研究現(xiàn)狀等，并對其發(fā)展前景、研究趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞土壤污染；重金屬；微生物修復(fù)；微生物-植物聯(lián)合修復(fù)

近年來，隨著采礦、化工、印染紡織業(yè)的快速發(fā)展及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)藥品的過量施用,導(dǎo)致土壤重金屬污染日益加劇。土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性和難降解性的特點(diǎn),對人類健康存在安全隱患[1-2]。據(jù)國家環(huán)保局統(tǒng)計(jì)，我國受重金屬污染的耕地面積達(dá)到2 000萬hm2，約為總耕地面積的20%，每年受重金屬污染的糧食達(dá)到1.2×106萬kg，造成的經(jīng)濟(jì)損失超過200億元[3]。因此，土壤重金屬污染的治理修復(fù)迫在眉睫，目前受到各級環(huán)保部門和科研機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注。

重金屬污染土壤的修復(fù)原理可概括為兩類：一是改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，使其固定從而降低其在環(huán)境中的遷移和生物可利用性；二是將重金屬從土壤中去除，使其殘留濃度接近或達(dá)到背景值[4]。按照處理工藝原理，可分為物理化學(xué)修復(fù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)、微生物修復(fù)[5]。物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要包括土壤淋洗、化學(xué)固化及電動(dòng)修復(fù)等，但該技術(shù)存在著一系列的局限性，如成本昂貴，土壤自身的結(jié)構(gòu)受到破壞，可能造成二次污染等[6]。農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，因地制宜地采用相關(guān)的耕作管理手段，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，具有修復(fù)費(fèi)用相對較低，操作實(shí)施方便快捷等特點(diǎn)，但只適用于中輕度污染的土壤修復(fù)[7]。相對物理化學(xué)修復(fù)和農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)而言，微生物修復(fù)技術(shù)顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性，如處理成本低，處理效果好，對環(huán)境影響小，很少造成二次污染，操作簡便，可以就地進(jìn)行處理等[8]。因此，該修復(fù)方法受到土壤修復(fù)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注，應(yīng)用前景廣闊。筆者綜述了近年來國內(nèi)外關(guān)于土壤重金屬污染的微生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展，以期為土壤重金屬污染治理提供借鑒。

1微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，是指在人為強(qiáng)化的條件下，利用自然界中存在的或者人工培育的功能微生物的生長代謝過程，對環(huán)境中的污染物進(jìn)行降解、轉(zhuǎn)化、去除的方法[9]。 微生物修復(fù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)環(huán)境凈化、生態(tài)效應(yīng)恢復(fù)的生物措施，是重金屬污染土壤的環(huán)境友好型治理技術(shù)[10]。微生物修復(fù)土壤重金屬污染的機(jī)理主要包括表面生物大分子吸收轉(zhuǎn)運(yùn)、生物吸附、細(xì)胞代謝、空泡吞飲、沉淀和氧化還原反應(yīng)等[11]。微生物修復(fù)技術(shù)中較常使用的微生物主要有細(xì)菌、真菌、放射菌三大類。不同種類的微生物對重金屬的耐性不同，耐性由大到小依次為真菌、細(xì)菌、放射菌[12]。

土壤微生物可以通過多種方式影響土壤重金屬的毒性, 微生物修復(fù)土壤重金屬污染主要是利用微生物的以下兩種作用：一是通過微生物的吸附、代謝作用，達(dá)到消減、凈化、固定重金屬的目的；二是通過微生物轉(zhuǎn)化重金屬離子的化學(xué)形態(tài)，降低重金屬的生物可利用性，以減少重金屬對土壤中植物的危害[13]。

1.1微生物對重金屬離子的吸附作用微生物對重金屬離子的吸附是指微生物通過對重金屬的吸附作用改變重金屬在土壤中的形態(tài)，進(jìn)而影響其生物有效性，或使生物有效性降低從而減小危害性，或使生物有效性增強(qiáng)以便與其他技術(shù)聯(lián)用修復(fù)[14]。表現(xiàn)形式主要有胞外沉淀、胞外絡(luò)合、胞內(nèi)積累。作用方式：①細(xì)菌胞外多聚體；②金屬磷酸鹽、金屬硫化物沉淀；③鐵載體；④金屬硫蛋白、植物螯合肽和其他金屬結(jié)合蛋白；⑤真菌來源物質(zhì)及其分泌物對重金屬的去除[15]。微生物細(xì)胞壁表面一些化學(xué)基團(tuán)通過絡(luò)合、配位作用可與重金屬離子形成離子共價(jià)鍵，從而達(dá)到吸附重金屬離子的目的[16]。被吸附的重金屬離子通常沉積在微生物細(xì)胞的不同部位，如沉積于細(xì)胞的胞外基質(zhì)或者被輕度螯合于生物多聚物。微生物對重金屬的吸附能力通常取決于微生物本身的性質(zhì)(如吸附類型、活性位點(diǎn)數(shù)量、菌齡等)、重金屬種類和價(jià)態(tài)同時(shí)也受外界環(huán)境因素(如pH、溫度、共存污染物等)的影響[17]。

1.2微生物對重金屬離子的轉(zhuǎn)化作用微生物對重金屬離子轉(zhuǎn)化作用的機(jī)理主要包括微生物對重金屬離子的生物氧化和還原、甲基化與去甲基化及其對重金屬離子的溶解作用等[18]。

微生物對重金屬離子氧化還原作用的主要機(jī)理是通過改變重金屬離子的化合價(jià)來改變重金屬的穩(wěn)定性及絡(luò)合能力[19]。如耐鉻微生物能夠?qū)r(VI)還原成Cr(III)，使鉻的毒性降低。張雪霞等[20]在受砷污染的土壤中發(fā)現(xiàn)了富集砷抗性的細(xì)菌，在厭氧環(huán)境中對該細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)，觀察其對砷的還原能力，結(jié)果表明：在21h內(nèi)，As(V)就被完全還原為As(III)。Chang等[21]在污水處理廠的水體中發(fā)現(xiàn)了1株嗜硫酸鹽細(xì)菌(Sulfate-reducingacteria，SRB)，該細(xì)菌可以將Cr6+還原為低毒的溶解度較小的Cr3+，使水體中重金屬的毒性大大減弱。

在微生物(主要為假單胞菌屬子)的作用下，土壤中Cd、As、Hg、Pb等金屬或類金屬離子都能夠發(fā)生甲基化反應(yīng)，從而降低重金屬離子對其的毒性。

微生物對重金屬離子的溶解作用主要是指土壤中的微生物在土壤濾瀝過程中分泌出的有機(jī)酸能將土壤中的重金屬離子絡(luò)合、溶解[22]。

2微生物和植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

目前，單一應(yīng)用微生物修復(fù)方法修復(fù)土壤中的重金屬污染仍存在一定局限性，如土壤中的土著菌修復(fù)效率低，其活性易受一系列外界環(huán)境條件的影響。為了克服這些缺點(diǎn)，改善和提高微生物修復(fù)土壤重金屬污染的效果，微生物和植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐中[23]。

微生物和植物聯(lián)合修復(fù)是通過微生物、植物之間的互利作用來提高土壤重金屬的修復(fù)效率。植物為微生物提供了良好的生長環(huán)境，葉片光合作用、根系分泌物、落葉殘?bào)w等為根系土壤微生物提供了生長所需的各種營養(yǎng)元素。微生物則通過活化土壤中的重金屬，促進(jìn)植物吸收土壤中的有益生長元素，以增加植物生物量的方式提高植物的修復(fù)效率[24]。馮莉等[25]將熒光假單胞菌施入煙草根際土壤后，煙草根系數(shù)量明顯增多，根長而粗，根系活力明顯提高。目前，對于微生物和植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的研究主要有：①對微生物和植物聯(lián)合修復(fù)中菌根作用的研究;②對微生物和植物聯(lián)合修復(fù)中植物根際分泌物作用的研究。

2.1微生物和植物修復(fù)中菌根的作用菌根是指土壤中真菌菌絲和高等植物營養(yǎng)根系形成的一種共生體，廣泛存在于自然界中[26]。在這一共生體中，植物為寄宿在其根部菌根的生長提供必要的碳水化合物。菌根的作用表現(xiàn)在以下3方面：①通過龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)伸展到植物根系難以到達(dá)的區(qū)域，從而促進(jìn)植物對土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收；②將土壤重金屬吸附并聚集在菌根菌絲、泡囊和植物根系等部位，以阻止重金屬向植物體內(nèi)傳輸，同時(shí)改變土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)植物的穩(wěn)定生長；③提高植物的抗逆性，進(jìn)而增加植物根系以及地上部分的生物量[27-28]。

根據(jù)菌根生長位置的不同，可將菌根分為外生菌根、內(nèi)生菌根及內(nèi)外生菌根，其中應(yīng)用最廣泛的是外生菌根真菌和內(nèi)生菌根真菌[29]。

外生菌根是真菌和植物營養(yǎng)根系所形成的一種共生體，其結(jié)構(gòu)可分為哈蒂氏網(wǎng)(Hartingnet)、外延菌絲(Extraradicalhyphae)、菌套(Mantle)、和菌索(Rhizomorph)四大部分。王小敏等[30]通過研究菌根影響超富集植物對Cd、Zn等重金屬富集程度發(fā)現(xiàn)，外延菌絲的密集程度與菌絲吸附重金屬的能力呈正相關(guān)。

目前，對于植物內(nèi)生菌根的研究主要集中于叢枝菌根真菌(AMF)及深色有隔內(nèi)生真菌(DarkSeptateEndophytes，DSE)。

當(dāng)重金屬脅迫從枝菌根(Glomus intraradices)時(shí)，從枝菌根會分泌出一些特殊物質(zhì)改變重金屬在植物體內(nèi)的分配以及生物有效性，從而降低重金屬對植物的毒害程度，提高植物對重金屬的耐受性。此外，AMF還可以通過改變土壤的酸堿度、改善植物的營養(yǎng)狀況及植物分泌物組成來改變根際微環(huán)境，從而減弱重金屬對植物的毒性。劉茵[31]研究發(fā)現(xiàn)，黑麥草在接種從枝菌根后，根部所積累的Cd元素明顯增加，同時(shí)改變了黑麥草地上部的品質(zhì)。王宇濤等[32]研究發(fā)現(xiàn),玉米在接種從枝菌根真菌后，明顯抑制了重金屬對其的毒害作用，生物量和株高明顯增加。

DSE是一類生態(tài)學(xué)功能多樣、種類組成廣泛、定殖于植物根內(nèi)、不產(chǎn)孢子或產(chǎn)無性孢子的子囊菌或半知菌。目前，DSE與植物根系形成的共生復(fù)合體被廣泛應(yīng)用于重金屬污染土壤的生物修復(fù)及污染土壤植被修復(fù)方面。DSE是植物根際重要的益生菌，與宿主植物互作形成共生體，對宿主植物具有促生抗逆作用，包括提高植物對干旱及重金屬污染等逆境脅迫的抗性、誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性、抵御病原菌生物脅迫等[33]。Li等[34]研究表明，種植在含鉛、鋅、鎘混合污染土壤中的玉米在接入DSE菌株(外瓶霉屬H93)后，該菌株成功地與玉米根系形成共生復(fù)合體，使玉米有效地緩解了重金屬的脅迫作用，促進(jìn)了玉米根系與葉的生長發(fā)育，限制了土壤中的重金屬離子由植物根部向其地上部分的傳輸、運(yùn)轉(zhuǎn)，從而阻斷有毒重金屬在食物鏈中的傳播。

2.2微生物和植物聯(lián)合修復(fù)中根系分泌物的作用根系分泌物是指植物在生長過程中通過根的不同部位向生長基質(zhì)釋放的一組種類繁多的物質(zhì)，這些物質(zhì)包括低分子量的有機(jī)物質(zhì)、高分子的黏膠物質(zhì)和根細(xì)胞脫落物及其分解產(chǎn)物、氣體、質(zhì)子和養(yǎng)分離子等[35]。在微生物和植物聯(lián)合修復(fù)重金屬污染的土壤中，根際分泌物提高植物抗重金屬污染的能力主要通過以下2個(gè)方面的作用實(shí)現(xiàn)。①根系分泌物可以改變植物根系周圍土壤重金屬離子的形態(tài)，酸化土壤中不溶性重金屬離子，螯合、還原土壤重金屬離子等[36]。②根系分泌物可以改變植物根系周圍土壤環(huán)境的酸堿度，并使其周圍的土壤持續(xù)處于氧化還原狀態(tài)。植物根際環(huán)境的改變?yōu)楦H微生物提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)吸引了微生物在根際周圍聚集，從而產(chǎn)生根際聚集效應(yīng)。

3展望

相比于傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法，應(yīng)用微生物方法修復(fù)土壤重金屬污染簡捷高效，應(yīng)用范圍廣，具有良好的社會、生態(tài)綜合效益，在土壤重金屬污染的修復(fù)實(shí)踐中必將有廣闊的前景和巨大的潛能。目前，雖然對微生物修復(fù)技術(shù)研究取得了一定進(jìn)展，但有待于在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究。①在已有的研究基礎(chǔ)上，繼續(xù)篩選、馴化新的高效降解微生物菌種，開發(fā)基因工程菌。②將微生物修復(fù)技術(shù)與植物修復(fù)、生態(tài)修復(fù)、物理化學(xué)修復(fù)相結(jié)合，提高修復(fù)效果和增加修復(fù)的經(jīng)濟(jì)效益。③多學(xué)科、多技術(shù)、多角度研究微生物修復(fù)技術(shù)的機(jī)理、工藝流程。土壤的重金屬污染修復(fù)是一項(xiàng)系統(tǒng)、復(fù)雜的工程，需要物理、化學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等不同學(xué)科的交叉應(yīng)用，運(yùn)用基因工程、細(xì)胞工程、酶工程等新的生物技術(shù)解決修復(fù)過程中可能出現(xiàn)的各種問題，從而提高生物修復(fù)的效率、降低處理成本。④制訂并出臺有關(guān)生物修復(fù)技術(shù)的國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范。針對修復(fù)過程中出現(xiàn)的具體情況制訂相應(yīng)的規(guī)范制度，使生物修復(fù)具有更強(qiáng)的針對性、規(guī)范性與可操作性。⑤生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)由實(shí)驗(yàn)室向大田試驗(yàn)驗(yàn)證的方向不斷推進(jìn)，將理論研究與修復(fù)實(shí)踐相結(jié)合。⑥建立有關(guān)生物修復(fù)大田試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)系統(tǒng)修復(fù)污染土壤產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及我國生物修復(fù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。⑦加大對排污企業(yè)執(zhí)法檢查，嚴(yán)懲不達(dá)標(biāo)排放，真正做到從源頭上截?cái)辔廴驹?，形成防治并舉的良好格局。

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ResearchAdvancesonMicrobialRemediationofHeavyMetalsContaminatedSoil

YAOHang1,2,ZHANGXing-feng1,2*,WUChi-shan1,2

(1.GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionControlTheoryandTechnology,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004; 2.GuangxiCollaborativeInnovationCenterforWaterPollutionControlandWaterSafetyinKarstArea,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004)

AbstractIn order to further understand microbial remediation technology for heavy metals contaminated soil, the mechanisms, advantages and disadvantages, research status of microbial remediation technology and microbe-plant combined remediation at home and abroad were reviewed, the development prospect and research trend was forecasted.

Key wordsSoil pollution; Heavy metals; Microbial remediation; Microbe-plant combined remediation

基金項(xiàng)目廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFBA019026)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFEA053002)； 廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及卓越學(xué)者計(jì)劃項(xiàng)目(0024010130)。

作者簡介姚航(1993- )，女，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向：土壤重金屬修復(fù)。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)境污染治理研究。

收稿日期2016-03-22

中圖分類號S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)12-068-03