楊嬌嬌 柴冠群 劉桂華 范成五 秦松

摘要：微生物肥料是以微生物的生命活動(dòng)導(dǎo)致作物得到特定肥料效應(yīng)的一種肥料制品，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的一種肥料，對(duì)于修復(fù)土壤中重金屬具有效果好、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。本文首先簡(jiǎn)述了微生物肥料的概念、分類，綜述了近幾年關(guān)于微生物肥料修復(fù)土壤重金屬污染的相關(guān)研究，對(duì)微生物肥料應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行了描述和建議。

關(guān)鍵詞：微生物肥料;生物菌劑;土壤重金屬

中圖分類號(hào)：X53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0457（2019）06-0037-06國(guó)際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2019.06.006

Research Progress on Microbial Fertilizer for Remediation of Heavy Metal Contaminated Soil

YANG Jiao-jiao1，CHAI Guan -qun2，LIU Gui-hua，F(xiàn)AN Cheng-wu2，QIN Song2*

（1College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550025，China; 2 Institute of Soil and Fertilizer，Guizhou Academy of Agricultural Sciences，Guiyang，Guizhou 550006，China）

Abstract：Microbial fertilizer is a product that causes the crop to obtain a specific fertilizer effect by the life activities of microorganisms It is a kind of fertilizer used in agricultural production，and this fertilizer has the advantages of good effect and no pollution for repairing heavy metals in soil This paper briefly described the concept and classification of microbial fertilizers，and reviewed microbial fertilizers for soil heavy metal pollution in recent years This study described and suggested problems in the application of microbial fertilizers

Key words：microbial fertilizer;biological agent;soil heavy metal

1引言

據(jù)有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)約1/5的土壤已經(jīng)遭受重金屬的污染，造成每年近1200萬(wàn)噸的糧食污染，每年因糧食安全問(wèn)題的經(jīng)濟(jì)損失約合人民幣200億元[1]。近幾年，農(nóng)作物中重金屬含量超標(biāo)等問(wèn)題頻繁出現(xiàn)，直接威脅到人類的生命健康，而土壤是作物吸收重金屬的主要來(lái)源之一。因此，開(kāi)展土壤重金屬污染修復(fù)是農(nóng)作物安全生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)。

土壤重金屬污染具有隱蔽性、潛伏性、滯后性、積累性[2]，土壤一旦受到重金屬污染就難以治理。因此，土壤重金屬污染已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前，重金屬污染土壤的修復(fù)方法主要包括物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)，利用作物修復(fù)重金屬污染土壤不僅可以阻止 As、Cu、Zn、Cd、Pb 等重金屬進(jìn)入食物鏈，消除對(duì)人體健康的影響，而且能大規(guī)模修復(fù)污染土壤并且能帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益，是一項(xiàng)具有很好應(yīng)用前景的修復(fù)技術(shù)[3]。這些修復(fù)方法大多存在去除效率較低、耗能較高、操作復(fù)雜、處理成本高以及產(chǎn)生副作用等缺陷。微生物修復(fù)技術(shù)是通過(guò)使用功能性微生物群，增強(qiáng)微生物的代謝功能，將有毒污染物降解為無(wú)毒物質(zhì)，或降低其活性，具有成本低、產(chǎn)出高、效益高和對(duì)環(huán)境無(wú)污染的特點(diǎn)。近年來(lái)，微生物肥料在土壤重金屬修復(fù)方面的研究越來(lái)越多，已經(jīng)成為土壤重金屬污染修復(fù)的熱點(diǎn)方向之一。據(jù)相關(guān)的研究表明，合理使用微生物肥料可以改變土壤中重金屬的存在形態(tài)、降低重金屬生物有效性[4]。在土壤重金屬修復(fù)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

2微生物肥料

21基本概念

微生物肥料是指應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，以微生物活動(dòng)為核心，獲得特定肥料效應(yīng)的一種綠色環(huán)保、高產(chǎn)高效、多功能的生物活性肥料，微生物肥料與化學(xué)肥料、有機(jī)肥料等的不同之處在于它是通過(guò)微生物的生命活動(dòng)，改良土質(zhì)、增進(jìn)土壤肥力，為農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育提供充足的養(yǎng)分，促進(jìn)其生長(zhǎng)，并達(dá)到顯著的增產(chǎn)效果[5]。有學(xué)者認(rèn)為微生物肥料可以將難溶解的磷轉(zhuǎn)化為可被植物利用的磷，可分解部分植物無(wú)法吸收利用的物質(zhì)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成植物能夠吸收利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，直接影響土壤質(zhì)量功能如植物生長(zhǎng)[6]。當(dāng)今，微生物肥料的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，不僅應(yīng)用在糧食作物，許多經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)上也在使用，有研究表明混合施用復(fù)混肥、有機(jī)肥和微生物菌劑，可以延長(zhǎng)煙株大田生育期;降低煙草青枯病、黑脛病的發(fā)病率;提高煙草產(chǎn)量[7]，微生物肥料的應(yīng)用取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，得到廣大農(nóng)民的青睞。

22種類

微生物肥料的種類很多，微生物肥料可分為三大類：微生物擴(kuò)繁后直接使用或者添加其他載體制成的微生物菌劑，如根瘤菌接種劑、光合細(xì)菌菌劑;微生物和其他必需營(yíng)養(yǎng)元素如氮、磷、鉀等混合制成的復(fù)合微生物肥料;微生物和有機(jī)肥如動(dòng)植物殘?bào)w、秸稈等混合制成的生物有機(jī)肥[8]。研究表明，微生物對(duì)重金屬有修復(fù)作用，常見(jiàn)微生物對(duì)重金屬的修復(fù)及機(jī)理如表1。

3微生物肥料在土壤重金屬污染修復(fù)中的研究

31微生物肥料在重金屬污染土壤修復(fù)中的研究

311鎘

李曉越等[12]選取南方植煙區(qū)3種不同類型Cd污染土壤（紅泥田、黃泥田及青紫泥田），采用盆栽試驗(yàn)，研究3種微生物肥（真菌肥料、放線菌肥料AMS、放線菌肥HMD）對(duì)不同部位

煙葉Cd含量、土壤Cd形態(tài)的影響。結(jié)果表明：3種不同微生物肥可以在一定程度降低煙葉不同部位中Cd的含量。添加比例為15%真菌微生物肥后，與對(duì)照相比，Cd降低率最高達(dá)到639%。張淼等[13]采用室外盆栽試驗(yàn)與田間隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，研究微生物菌劑對(duì)湖南地區(qū)晚稻成熟期內(nèi)各部位Cd的含量及產(chǎn)量的影響，與CK相比，微生物菌劑處理對(duì)水稻根部、莖鞘、谷殼和糙米中Cd含量的抑制效果最佳降低幅度分別為4619%、5246%、3839%和5531%。周高婷等[14]通過(guò)利用實(shí)驗(yàn)室篩選得到的高效硫酸鹽還原細(xì)菌AlishewanellaspWH16-1，模擬Cd（Pb）污染的土壤修復(fù)并用水稻和煙草來(lái)驗(yàn)證修復(fù)效果，在Cd污染土壤中施加菌劑WH16-1，土壤中可交換態(tài)Cd、碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量分別降低1380%，456%。驗(yàn)證了細(xì)菌WH16-1在修復(fù)Cd（Pb）污染土壤實(shí)際應(yīng)用中的可行性。王立等[15]在受不同Cd濃度污染的土壤中接種兩種叢枝菌根真菌AMF、摩西球囊霉GM和根內(nèi)球囊霉GI，研究3種菌劑對(duì)水稻的長(zhǎng)勢(shì)以及Cd在水稻植株體內(nèi)分配的影響，結(jié)果顯示：接種AMF均能促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)，在脅迫處理中，隨著Cd濃度的增加，菌劑的效果越明顯，其兩種AMF處理均有將Cd固定在根系，各個(gè)濃度菌劑處理的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均明顯低于對(duì)照且均小于05，促進(jìn)了其在水稻根際的固定化過(guò)程，減少其向地上部分轉(zhuǎn)移的作用。

312鉛

楊繼飛等[16]在Pb污染的土壤中種植三個(gè)玉米品種，采用盆栽試驗(yàn)，研究施用不同用量菌肥對(duì)Pb污染土壤的修復(fù)效果，與空白相比，對(duì)重金屬鉛的吸收地上部分提高170%～401%，根部提高了195%～206%，成熟后鉛沒(méi)有明顯從地下部分向地上部分遷移，籽?？勺鳛轱暳鲜褂谩Ｙ谌鸾ǖ萚17]采用盆栽試驗(yàn)，在3種Pb脅迫濃度下，研究了不同濃度Pb污染下接種AM真菌對(duì)小麥生長(zhǎng)和生化特性的影響，結(jié)果顯示：在Pb污染的土壤中，明顯抑制了小麥的生長(zhǎng)發(fā)育，但是接種功能菌劑后，AM真菌在Pb脅迫下能與小麥形成良好的共生關(guān)系，有效緩解Pb對(duì)小麥的毒害，可以提高小麥抵抗Pb脅迫的能力，促進(jìn)了小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。何永輝等[18]在溫室盆栽條件下研究了接種叢枝菌根（AM）真菌、施加牛糞及復(fù)合處理對(duì)Pb污染土壤的修復(fù)效應(yīng)以及修復(fù)機(jī)理。發(fā)現(xiàn)在所有Pb污染水平下，單施AM真菌、牛糞和兩者復(fù)合處理，均能顯著促進(jìn)煙草生長(zhǎng)，復(fù)合處理在所有Pb污染水平下均降低Pb在煙草內(nèi)Pb的殘留量，可見(jiàn)，AM真菌和有機(jī)肥對(duì)Pb污染土壤具有一定的修復(fù)能力，在優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)中具有較大的應(yīng)用潛力。

313砷

鄭坤等[19]采用搖床短期培養(yǎng)和梯度長(zhǎng)期土壤培養(yǎng)方法，研究硅酸鹽菌劑對(duì)As污染土壤固相中As、Si向液相釋放或遷移的影響效應(yīng)，并篩選調(diào)控土壤As有效性的菌劑適宜添加量。結(jié)果表明，硅酸鹽菌劑的添加對(duì)土壤中有效As有鈍化作用，使As污染土壤中的As濃度相對(duì)于CK降低了655%，同時(shí)使自然土的土壤浸提液中的As濃度也降低928%。李景龍等[20]采用外源添加As的土培模擬試驗(yàn)，探究了接種叢枝菌根真菌（AMF）和外源添加鐵對(duì)水稻根表鐵膜形成以及水稻累積As的影響，在As脅迫下，As在水稻體內(nèi)更多的向地上部分轉(zhuǎn)移，而在接種AMF以后，阻礙了As向上移動(dòng)，主要積累在水稻的根系，根系A(chǔ)s濃度有了顯著提高。而其地上部的As濃度卻顯著降低。Sheng M 等[21]研究了不同規(guī)則根瘤菌叢枝菌根真菌對(duì)鹽脅迫下宿主植物的生物量，根系形態(tài)特征，實(shí)接種 AM 真菌能提高宿主植物的耐鹽性。有學(xué)者采用盆栽法研究As污染條件下，接種叢枝菌根真菌（AMF）對(duì)番茄全生育期磷營(yíng)養(yǎng)的影響，該試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著As濃度的添加，番茄植株在全生育期地上部和根部磷吸收量呈明顯下降趨勢(shì)，相同處理下，接種叢枝菌根后，在一定程度上促進(jìn)了植株生長(zhǎng)及其對(duì)磷營(yíng)養(yǎng)的吸收，緩解了As對(duì)番茄的毒害[22]。沈生元等[23]通過(guò)持續(xù)3年的田間小區(qū)試驗(yàn)，研究了單獨(dú)或聯(lián)合接種AM真菌和蚯蚓對(duì)玉米修復(fù)As污染土壤效率的影響。接種AM真菌和蚯蚓和覆蓋稻草能改變玉米根際土壤中As的形態(tài)，改善植物生長(zhǎng)狀況，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)。

劉瑞偉[24]通過(guò)盆栽正交試驗(yàn)，模擬Pb、Hg污染條件下，微生物菌劑與有機(jī)肥配施對(duì)油菜生物量和土壤、油菜中重金屬Pb、Hg含量的影響。結(jié)果表明，隨著有機(jī)肥施用量增加，Pb、Hg的生物有效性越強(qiáng)，而施用微生物菌劑可明顯降低土壤全Hg、全Pb、有效Pb、油菜中Pb的含量，降低土壤重金屬Pb、Hg的生物有效性。謝亞萍等人[25]研究了生物炭與微生物肥料配施對(duì)稻田Cd、Pb、Cr和As鈍化與土壤肥效的影響。結(jié)果表明生物炭與微生物肥料配施籽粒對(duì)Pb、Cr和Cd的吸收量分別比對(duì)照降793%、756%和520%。

32微生物肥料對(duì)不同土壤類型重金屬污染的修復(fù)效果

肖文丹等[26]選擇7種全國(guó)性典型土壤（黃壤、紅壤、石灰性紫色土、青紫泥、黑土、磚紅壤和潮土），研究微生物群落對(duì)鉻脅迫的響應(yīng)以及土著鉻耐性菌對(duì)土壤中六價(jià)鉻的還原作用。結(jié)果表明，7種土壤中微生物對(duì)六價(jià)鉻還原的貢獻(xiàn)率分別為144%、440%、206%、349%、219%、217%、220%。微生物肥料修復(fù)不同土壤重金屬的情況如表2。

33微生物金屬污染土壤修復(fù)機(jī)理

331微生物的淋濾作用

微生物淋濾是指利用微生物與土壤中重金屬發(fā)生氧化、還原、絡(luò)合、吸附和溶解作用，將土壤中重金屬分離、提取出來(lái)的一種技術(shù)。有學(xué)者采集沈陽(yáng)細(xì)河底泥，并從中篩選得到高效淋濾絲狀真菌，經(jīng)8天的淋濾，底泥中Cd、Pb、Cu和Zn淋出率分別為935%、114%、623%和682%。周普雄等人[31]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)12 d生物淋濾，Cu、Zn、Cd和Pb的去除率分別達(dá)到665%、551%、728%和356%。曹占平等[32]針對(duì)天津污水處理廠污泥含Cu量高的特性，研究了投配比、接種污泥量、pH值和溫度對(duì)污泥中重金屬去除效果的影響。結(jié)果表明，在硫酸亞鐵投配比為10 g/L、污泥接種量為20%、溫度為28℃、淋濾時(shí)間為4 d時(shí)，污泥中重金屬Cu、Pb、Cr、Ni、Zn和Cd的去除率分別為89%、38%、61%、76%、72%和57%。

332微生物的吸附作用

微生物吸附是指用微生物細(xì)胞經(jīng)過(guò)一系列生物化學(xué)作用而吸附液相中的重金屬，大量研究表明，一些微生物如細(xì)菌、真菌和藻類對(duì)一些重金屬離子有很強(qiáng)的吸附和富集能力[33]。有研究顯示[34]，通過(guò)改變培養(yǎng)條件及吸附條件研究膠質(zhì)芽孢桿菌對(duì)Cd2+、Zn2+的生物吸附性能，在含有Cd2+、Zn2+的培養(yǎng)基中對(duì)膠質(zhì)芽孢桿菌進(jìn)行不同濃度梯度馴化，提高其對(duì)Cd2+、Zn2+的生物富集能力。結(jié)果顯示膠質(zhì)芽孢桿菌對(duì)Cd2+、Zn2+的吸附率分別可達(dá)8745%、9750%。鄒春艷[35]研究膠質(zhì)芽孢桿菌菌株制得的微生物吸附劑對(duì)重金屬離子Pb2+、Zn2+、Cd2+、Cu2+和Cr3+的吸附與解吸作用，發(fā)現(xiàn)該吸附劑對(duì)單一金屬離子的吸附可在2 h內(nèi)達(dá)到平衡，10 min可達(dá)到吸附平衡時(shí)吸附量的60%;對(duì)5種金屬離子的吸附率均隨吸附劑用量增加而呈現(xiàn)不同程度的升高趨勢(shì)。

333微生物的轉(zhuǎn)化作用

微生物對(duì)重金屬離子的生物轉(zhuǎn)化作用主要通過(guò)氧化還原作用，改變重金屬離子的溶解性、遷移性，將其轉(zhuǎn)化為低毒或無(wú)毒的物質(zhì)[36]?？爹i洲等人[37]通過(guò)研究不同理化因素對(duì)球形紅細(xì)菌還原Cr（Ⅵ）的影響，利用透射電鏡分析表明，球形紅細(xì)菌胞內(nèi)存在由Cr（Ⅵ）還原積累的Cr（Ⅲ）。菌體表面的-OH、-NH和-C=O等官能團(tuán)參與了Cr（Ⅵ）的還原與Cr（Ⅲ）的積累，球形紅細(xì)菌具有較強(qiáng)還原Cr（Ⅵ）的能力。李維宏等[38]從山西某鉻渣堆場(chǎng)土壤中分離得到一株能還原Cr（Ⅵ）的細(xì)菌C2L，C2L菌株對(duì)Cr（Ⅵ）的還原效率分別為993%、942%、856%、821%、582%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該菌株具有獨(dú)特的還原Cr（Ⅵ）性能。

334微生物的絡(luò)合作用

國(guó)際上有研究表明，微生物可以通過(guò)自營(yíng)養(yǎng)浸出和異養(yǎng)浸出（與氧化還原反應(yīng)有關(guān)）、分泌有機(jī)酸和生物表面活性劑以及釋放鐵團(tuán)，這些過(guò)程可以導(dǎo)致最低溶性金屬礦物化合物的溶解，以及粘土礦物或有機(jī)物表面的金屬脫附微生物可以酸化環(huán)境，維持膜電位或呼吸過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳積累的結(jié)果，導(dǎo)致自由的釋放金屬陽(yáng)離子與陰離子復(fù)合物通過(guò)離子之間發(fā)生交換[39]。越來(lái)越多的證據(jù)表明，在有毒金屬存在的情況下，細(xì)菌激活了鐵載體合成，使鐵載體與Zn2+、Cu2+、Cr3+、Mn2+、Cd2+、Pb2+、Ni2+等離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物[40]。

4微生物肥料土壤修復(fù)治理存在的問(wèn)題

41微生物肥料土壤污染修復(fù)治理的研究發(fā)展不足

目前，利用微生物肥料修復(fù)重金屬污染土壤具有諸多優(yōu)勢(shì)，且具有廣闊的發(fā)展前景。但截止目前為止，關(guān)于利用微生物肥料修復(fù)土壤中重金屬的研究仍存在許多問(wèn)題，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，微生物肥料只是被作為一種土壤肥力的添加劑，其本身具有的生態(tài)修復(fù)及污染治理的功效沒(méi)有得到重視和推廣利用，其中針對(duì)重金屬污染、有機(jī)物污染的治理研究相對(duì)較少。因此，需要加強(qiáng)微生物肥料在重金屬污染土壤中的修復(fù)治理研究，重視微生物肥料的生態(tài)學(xué)的修復(fù)治理功能，使微生物肥料在重金屬污染修復(fù)中得到快速、平衡的發(fā)展，利用專用型生物肥料，降解土壤中的有機(jī)有毒物質(zhì)，鈍化重金屬，確保農(nóng)田生態(tài)和農(nóng)產(chǎn)品安全。

42微生物肥料應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題

微生物肥料中存在有活的微生物菌種，故在應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮所施用的環(huán)境條件與微生物肥料的適宜性，保證微生物肥料發(fā)揮應(yīng)有效果，明確產(chǎn)品的特點(diǎn)、功能、作用和施用方法，避免在高溫干旱條件下使用，避免與未腐熟的農(nóng)家肥混用，以免因高溫殺死肥料中的微生物。針對(duì)環(huán)境條件不適宜微生物生長(zhǎng)及繁殖的耕地，需要進(jìn)行質(zhì)地、pH、肥力條件等相應(yīng)的改善，配合土壤改良劑使用。

5展望

微生物肥料作為一種多功能的生物活性肥料，越來(lái)越多的研究表明微生物肥料在重金屬污染治理和修復(fù)上有著巨大的潛力，在微生物肥料修復(fù)重金屬的機(jī)制方面上，大多數(shù)研究采用含同一菌類微生物肥料，而采用含不同菌類制備的微生物肥料較少。不同微生物肥料組合、不同條件制備的微生物肥料，其修復(fù)效果會(huì)有一定的差異，對(duì)于不同重金屬修復(fù)能力也不一樣，因此，研究不同類型肥料對(duì)重金屬修復(fù)作用的差異性將是一個(gè)研究熱點(diǎn)。當(dāng)前，以單一微生物肥料修復(fù)技術(shù)為主要研究?jī)?nèi)容，開(kāi)展重金屬污染的微生物肥料與其他技術(shù)聯(lián)合修復(fù)效果研究，是今后復(fù)合污染土壤修復(fù)研究的熱點(diǎn)方向。隨著對(duì)微生物肥料研究的深入，必將為微生物肥料的發(fā)展提供強(qiáng)有力的理論和技術(shù)支撐?？梢灶A(yù)料，我國(guó)微生物肥料產(chǎn)業(yè)在新形勢(shì)下，將會(huì)不斷發(fā)展壯大，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中將發(fā)揮更大的作用。

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