重金屬與土壤微生物的相互作用及污染土壤修復_圖文

1、第卷第期年月環(huán)境污染治理技術(shù)與設備重金屬與土壤微生物的相互作用及污染土壤修復王新周啟星（中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所，中國科學院陸地生態(tài)過程重點實驗室，沈陽）摘要闡述了微生物與重金屬問的相互作用，指出土壤重金屬污染影響微生物活性、生物量，且重金屬對微生物具有一定的生態(tài)毒性?？赏ㄟ^微生物的氧化一還原作用、生物吸附富集和溶解作用，達到修復重金屬污染土壤的目的。關(guān)鍵詞重金屬土壤微生物修復（了，“）訂“，；土壤是人類賴以生存的物質(zhì)基礎，是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)頻繁活動及家庭消費不斷地向環(huán)境釋放重金屬，造成環(huán)境中重金屬超負荷，進而造成土壤重金屬污染。土壤重金屬污染是一個難以解決的全球性的

2、棘手問題。由于土壤中重金屬污染是一個不可逆的過程，且土壤中的重金屬具有非降解性及難以清除性，因此，采用傳統(tǒng)的淋濾法、客土法和吸附固定法等物理方法及絡合浸提法等化學方法修復重金屬污染土壤是非常困難和昂貴的。傳統(tǒng)方法往往投資昂貴，需要復雜的設備條件或改變土層結(jié)構(gòu)，而生物修復法能克服傳統(tǒng)方法中的缺點，越來越受到重視¨。近年來，微生物、植物及動物種生物修復技術(shù)成為土壤重金屬污染修復研究的熱點。而土壤微生物修復在生物修復中又具有它的獨特性。土壤微生物是土壤中的活性膠體，它們比表面大、帶電荷和代謝活動旺盛。而且土壤中的微生物種類繁多，數(shù)量龐大，有的不僅參與土壤中污染物的循環(huán)過程，還可作為環(huán)境載體

3、吸持重金屬等污染物。在重金屬污染土壤上，往往富集多種耐重金屬的真菌和細菌，微生物可通過多種作用方式影響土壤重金屬的毒性沖。及重金屬的遷移與釋放。由于微生物對重金屬具有積累和解毒作用的功能，可促進有毒、有害物質(zhì)解毒或降低毒性，使土壤重金屬污染生物處理技術(shù)的發(fā)展和應用倍受關(guān)注。因此，研究和運用微生物與重金屬間的相互關(guān)系和作用特點，對重金屬污染土壤的微生物修復具有重要的意義¨。土壤重金屬污染的微生物效應及毒性重金屬污染對土壤微生物活性的影響微生物的代謝熵（：）是微生物活性反應指標之一。它反映了單位生物量的微生物在單位時間里的呼吸作用強度。當土壤受外來重金屬污染物污染時，微生物為了維持生存可

4、能需要更多的能量，而基金項目：國家杰出青年科學基金（）；中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目（）；國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目（）；中國科學院沈陽應用生態(tài)所陸地生態(tài)過程重點實驗室資助項目收稿日期：；修訂日期：一作者簡介：王新（），女，副研究員，主要從事重金屬污染生態(tài)學的研究。：鰣環(huán)境污染治理技術(shù)與設備第卷使土壤微生物的代謝活性發(fā)生不同程度的反應。土壤微生物的代謝熵通常隨著重金屬污染程度的增加而上升。和等¨叫研究認為，重金屬污染土壤的代謝熵是未污染土壤的倍。等¨叫研究認為，含高濃度重金屬的土壤中微生物利用有機碳更多地作為能量代謝，以：的形式釋放，而低濃度重金屬的土壤中微生物能更

5、有效地利用有機碳轉(zhuǎn)化為生物量碳，土壤中的重金屬含量的高低影響了微生物的呼吸及代謝，進而影響了土壤的呼吸作用。等¨副研究了重金屬脅迫下土壤微生物的呼吸效應，其結(jié)果表明，基礎呼吸隨著重金屬的污染程度而下降。但有人發(fā)現(xiàn)，加入低濃度和反而會促進呼吸作用。等¨研究認為，代謝熵是評價重金屬微生物效應的敏感指標，它可以反映出土壤重金屬污染程度。重金屬污染對土壤微生物生物量的影響土壤微生物生物量代表著參與調(diào)控土壤中能量和養(yǎng)分循環(huán)以及有機質(zhì)轉(zhuǎn)化所對應生物量的數(shù)量，而且土壤微生物碳或氮轉(zhuǎn)化速率較快，可以很好地表征土壤總碳或總氮的動態(tài)變化，是比較敏感的生物學指標一。大量的研究表明，由于土壤重金屬

6、污染造成微生物生物量發(fā)生變化。等¨研究指出，污染礦區(qū)土壤的微生物生物量受到嚴重影響，靠近礦區(qū)附近土壤的微生物生物量明顯低于遠離礦區(qū)土壤的微生物生物量。等¨研究結(jié)果表明，低濃度的重金屬能刺激微生物生長，可增加微生物生物量碳，而高濃度重金屬污染則導致土壤微生物生物量碳的明顯下降。等¨列采用室內(nèi)培養(yǎng)實驗研究了和對紅壤微生物的影響，當其濃度分別為弘和肛時導致微生物生物量的顯著下降。重金屬污染對微生物的生態(tài)毒性土壤重金屬濃度增加時就會影響甚至抑制微生物的生長及代謝活動。某些非生物學功能的重金屬如和等在其濃度很低時即有高毒性、”。對微生物的毒性主要表現(xiàn)在能抑制大分子如蛋白質(zhì)和

7、核酸的合成，破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，尤其對一些有生理活性的蛋白質(zhì)和多肽結(jié)構(gòu)的破壞，導致微生物細胞代謝紊亂，細胞突變，停止細胞分裂，抑制生物氧化及運動性。同樣對細胞具有致突變效應，導致鏈斷裂。可與含羧基、氨基，特別是含巰基的蛋白質(zhì)分子結(jié)合，而使許多酶的活性受到抑制和破壞，使腎、肝等組織中的酶系功能受到損害?？膳c體內(nèi)一系列蛋白質(zhì)、酶和氨基酸內(nèi)的功能團相結(jié)合，從多方面干擾機體的生化和生理功能?？稍斐杉毎さ膿p傷，破壞營養(yǎng)物質(zhì)的運輸。微生物對重金屬環(huán)境化學行為的影響微生物對重金屬的生物吸附和富集土壤微生物本身及其代謝產(chǎn)物都能吸附和轉(zhuǎn)化重金屬。微生物對重金屬的生物積累機理主要表現(xiàn)在胞外絡合作用、胞外沉淀

8、作用以及胞內(nèi)積累種形式。微生物可通過帶電荷的細胞表面吸附重金屬離子，或通過攝取必要的營養(yǎng)元素主動吸收重金屬離子，將重金屬離子富集在細胞表面或內(nèi)部”。微生物表面結(jié)構(gòu)對重金屬的吸附起著重要的作用，微生物細胞壁和黏液層能直接吸收或吸附重金屬。微生物表面即帶正電荷，又帶負電荷，但大多數(shù)微生物所帶的是陰離子基團，有利于對重金屬的吸附。已有很多報道指出，細菌細胞吸附重金屬離子的組分主要是肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖舊“。，它們是細菌細胞壁的組分。革蘭氏陰性細菌富集重金屬離子的位點主要是指多糖分子中的核心低聚糖和氮乙酰葡萄糖殘基上的磷酸基及酮一一脫氧辛酸殘基上的羧基啦。革蘭氏陽性細菌的吸附位點是細胞壁肽

9、聚糖、磷壁酸上的羧基和糖醛酸上的磷酸基。心。認為，重金屬首先被吸附于細菌表面的活性位點上，這個過程符合化學計量規(guī)律，并且形成一個重金屬的“核”，重金屬不斷在“核”周圍累積，直到填滿核周圍的空隙為止。等。報道，革蘭氏陰性細菌通過磷酸酶分泌大量的磷酸氫根離子在細胞表面與重金屬形成沉淀，富集重金屬離子。微生物對重金屬的吸著和積累主要取決于不同配位體結(jié)合部位對金屬的選擇性。等。研究結(jié)果表明，許多微生物，包括細菌、真菌和藻類可以生物積累和生物吸著外部環(huán)境中的多種陽離子（表）。微生物對重金屬積累和吸著的作用方式有以下幾種：（）金屬磷酸鹽、金屬硫化物沉淀；（）細菌胞外多聚體；（）金屬硫蛋白、植物螯合肽和其他

10、金屬結(jié)合蛋白；（）鐵載體；（）真菌來源物質(zhì)對金屬的去除；（）衍生、誘導或分泌的微生物產(chǎn)物與金屬去除。在國外，現(xiàn)階段主要集中于利用含某目標重金屬的培養(yǎng)基，誘導具有重金屬抗性的吸附菌株，通過第期王新等：重金屬與土壤微生物的相互作用及污染土壤修復基因工程技術(shù)提取抗性基因，并對該基因進行序列分析，獲取遺傳密碼。也可利用微生物的代謝產(chǎn)物吸附固定土壤中的重金屬，微生物在其生長過程與土壤環(huán)境因素相互作用時會釋放出許多代謝產(chǎn)物，如，及有機物等，這些代謝產(chǎn)物能與重金屬發(fā)生反應從而吸附固定重金屬。表微生物對重金屬的生物積累細菌：動膠菌屬（。）銅綠假單孢菌（口增）芽孢桿菌（曰塒）酶菌：少根根酶（尺婦如）細菌：芽孢桿

11、菌（日。）酵母：啤酒酵母（托括）微生物對重金屬的氧化一還原過程微生物可通過直接的氧化作用或還原作用，改變重金屬的價態(tài)，金屬價態(tài)的改變會影響到金屬的溶解性、移動性以及生態(tài)毒性¨“。微生物能氧化土壤中多種重金屬元素，某些自養(yǎng)細菌如硫一鐵桿菌類（孤垅哪店珊）能氧化”、和等，假單孢桿菌（）能使”、和等發(fā)生氧化，微生物的氧化作用能使這些重金屬元素的活性降低。硫還原細菌可通過兩種途徑將硫酸鹽還原成硫化物，一是在呼吸過程中硫酸鹽作為電子受體被還原，另一是在同化過程中利用硫酸鹽合成氨基酸，如胱氨酸和蛋氨酸，再通過脫硫作用使。分泌于體外。可以和重金屬“形成沉淀，這一過程在重金屬污染治理方面有重要的意義

12、?？扇艿墓ǎ┰诃h(huán)境中可以被好氧細菌還原為可揮發(fā)的，并釋放到空氣中，可使用汞還原菌促使汞（“）還原和揮發(fā)，以達到對汞污染土壤生物修復的目的。就元素而言，”毒性和水溶性都很強，”毒性和水溶性都低，在土壤中移動性差。所以通過還原作用可以使的生態(tài)毒性及在土壤中的移動性降低，達到污染治理的目的。青霉菌能還原”為”，其還原是非誘導性的，但在礦、“、“、“和“離子的存在下，對”還原有明顯的抑制作用舊。在土壤中分布有多種可以使鉻酸鹽和重鉻酸鹽還原的細菌，如產(chǎn)堿菌屬（蛞）、芽孢桿菌屬、棒桿菌屬（衙）、腸桿菌屬、假單胞菌屬和微球菌屬（）等，這些菌能將高毒性的還原為低毒性的。微生物對重金屬的溶解過程微生物對重金屬

13、的溶解主要是通過各種代謝活動直接或間接地進行。土壤微生物的代謝作用能產(chǎn)生多種低分子量的有機酸，如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等。等舊。報道，真菌可以通過分泌氨基酸、有機酸以及其他代謝產(chǎn)物溶解重金屬及含重金屬的礦物?；◢弾r風化殼剖面都有微生物的存在，可將風化殼中的微生物分離和培養(yǎng)，加速重金屬元素從風化殼中的釋放。等舊副報道，在營養(yǎng)充分的條件下，微生物可以促進的溶解，從土壤中溶解出來的主要是和低分子量的有機酸結(jié)合一起。他們通過不同碳源條件下微生物對重金屬的溶解比較實驗，研究結(jié)果表明，以土壤有機質(zhì)或土壤有機質(zhì)加麥稈及易被微生物利用的葡萄糖作為碳源時，經(jīng)過一段時間后，不滅菌處理的淋溶液中重金屬離子的濃度顯著

14、高于滅菌處理。這說明微生物通過其代謝活動可促使土壤中重金屬的溶解。他們的研究還表明，微生物可促進土壤對重金屬的固定，同時又能通過其代謝活動及其產(chǎn)物促進重金屬的溶解。因此，土壤中的重金屬通過微生物的代謝作用、氧化一還原作用及對重金屬的溶解作用，改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，有利于重金屬的植物吸收，有利于重金屬在土壤中的生物吸附固定以及重金屬毒性降低。重金屬污染土壤的微生物修復重金屬污染土壤的微生物修復是利用微生物的生物活性對重金屬的親合吸附或轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物，從而降低重金屬的污染程度。在長期受某種重金屬污染的土壤上，生存有很大數(shù)量的、能適應重金屬污環(huán)境污染治理技術(shù)與設備第卷染環(huán)境并能氧化或還原重金

15、屬的微生物類群。微生物對重金屬首先是吸收作用，由于專性微生物區(qū)系能促進重金屬參與微生物體組成，從而促進重金屬的微生物吸收，減少植物攝取。重金屬污染土壤的微生物修復主要包括兩方面，即生物吸附和生物氧化一還原。生物吸附是重金屬被活的或死的生物體所吸附的過程，而生物氧化是利用微生物改變重金屬離子的氧化一還原狀態(tài)降低土壤環(huán)境中重金屬含量?？谝芯勘砻?，表面?zhèn)魉偷慕饘俳壎s氨酸細菌吸收劑的生物聚集作用，可以作為一種通用的重金屬污染的清除方法。在法國某污染區(qū)土壤開展了微生物活性對鉻化學形態(tài)的影響研究。該區(qū)土壤含量為，并有的鉻以可溶的六價鉻存在。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，土壤在飽和水含葡萄糖和營養(yǎng)物基質(zhì)內(nèi)培養(yǎng)后，其內(nèi)天

16、然微生物的活性對將”還原成低遷移率的”有顯著的影響。從中分離出還原“的菌種鏈霉菌屬（冊礎倒），當細菌細胞群集或附著到懸浮固體顆粒上，琥髫還原”為”，使的活性及毒性降低?？辜毦缂賳伟?、大腸桿菌體內(nèi)存在特殊的酶系，能將土壤中的甲基汞、乙基汞和硝基汞還原為元素汞。日本有人利用此原理將富汞細菌收集起來，經(jīng)蒸發(fā)、活性碳吸附等方法除去。“。微生物可使還原態(tài)重金屬氧化，如無色桿菌、假單胞菌能使亞砷酸鹽氧化為砷酸鹽，從而降低的毒性。在厭氧條件下，微生物通過沉淀作用，利用產(chǎn)，細菌產(chǎn)生的：與“結(jié)合生成沉淀，可以降低的毒性。除此而外，重金屬污染土壤的微生物修復的另一重要方面是菌根的作用。菌根是植物根系和真菌形成

17、的一種共生體，菌根與土壤的交互作用形成了菌根際。對根際的研究結(jié)果表明，根際環(huán)境的改變直接影響了重金屬在土壤植物系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化及生物有效性。微生物、菌根對重金屬的生物有效性的影響是多方面的，利用菌根根際的作用可提高生物修復的效率。菌根對于植物吸收、和等重金屬有著調(diào)控的作用，這可能與菌根對重金屬的生物吸附和富集，或者由于菌根促進磷酸根離子的吸收使其與重金屬形成多聚磷酸鹽在根部累積有關(guān)。而目前在重金屬污染土壤上運用遺傳、工程菌等高科技生物技術(shù)和手段，達到污染生物修復倍受推崇。在重金屬污染土壤上培育對重金屬具有降毒能力的微生物，有些微生物具有嗜重金屬性，利用特異微生物有效地吸收土壤中的重金屬，使污

18、染區(qū)凈化，以保證土壤生態(tài)健康和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。結(jié)語土壤重金屬的活性及遷移歸宿受土壤中一系列化學特性的影響，如土壤、土壤膠體吸附和沉淀溶解等因素的綜合影響。微生物作為土壤中重要膠體組分的物質(zhì)，由于其數(shù)量多、表面活性強，因此，微生物對重金屬化學行為和生物有效性都會產(chǎn)生深刻的影響。在土壤環(huán)境中，細菌與不同類型的土壤膠體及重金屬相互作用機制及對重金屬形態(tài)和生物有效性的影響有待于進一步研究。微生物對重金屬的溶解和氧化一還原主要決定于微生物的代謝活動，因此，應深入開展對重金屬的環(huán)境調(diào)控這方面的研究工作。根際微生物，特別是菌根真菌對重金屬的吸收以及重金屬從土壤向植物的轉(zhuǎn)移有著重要的影響，深入研究根際細菌、

19、菌根真菌以及細菌與真菌的相互作用與重金屬在土壤一植物系統(tǒng)中遷移，對降低土壤重金屬的活性和有效性具有重要的意義，同時應加強土壤重金屬污染對微生物的毒理學研究，以研究土壤重金屬污染的毒理效應、生態(tài)風險評價及其診斷指標的建立為切入點，建立土壤環(huán)境質(zhì)量指標體系，充分發(fā)揮土壤微生物凈化功能，使微生物修復在重金屬污染土壤上發(fā)揮更大的作用。參考文獻，訂，：周啟星污染土壤修復的技術(shù)再造與展望環(huán)境污染治理技術(shù)與設備，（）：周啟星，林海芳污染土壤及地下水修復的技術(shù)及展望環(huán)境污染治理技術(shù)與設備，（）：周啟星，宋玉芳植物修復的技術(shù)內(nèi)涵及展望安全與環(huán)境學報，（）：許光輝，李振高微生物生態(tài)學南京：東南大學出版社，：，：，

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33、學學 報 2010(11 3.楊世琦,ZHANG Qing-Zhong,張愛平,YANG Zheng-Li 淺論農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力與應用期刊論文-中國生態(tài)農(nóng) 業(yè)學報 2008(04 4.呂俊文,張宇,鄧欽文,張曉文 微生物對鈾（）鐵錳離子在土壤中遷移的影響期刊論文-金屬礦山 2012(10 5.劉麗,李湘凌,范麗,王成慧,楊善謀,袁峰,周濤發(fā) 銅陵礦集區(qū)土壤中污染元素對微生物特性的影響研究期刊論文 -生態(tài)環(huán)境學報 2010(06 6.趙春海,唐旭日 重金屬對土壤污染以及修復期刊論文-生命科學儀器 2007(04 7.土壤重金屬污染的微生物修復技術(shù)探討期刊論文-環(huán)境 2012(z1 8.張國

34、輝 鎘的土壤微生物效應及發(fā)光細菌檢測研究學位論文碩士 2009 9.閆晗 土壤的生物學指標在礦區(qū)侵蝕土壤研究中的應用期刊論文-遼寧工程技術(shù)大學學報（自然科學版） 2009(z1 10.侯利偉,黃占斌,苗戰(zhàn)霞,李勇,王海峰 再生水灌溉對玉米與大豆生長及水分利用效率的影響期刊論文-中國生 態(tài)農(nóng)業(yè)學報 2007(06 11.周世偉,徐明崗 磷酸鹽修復重金屬污染土壤的研究進展期刊論文-生態(tài)學報 2007(07 12.孟慶恒,傅珊,張海江,彭博 微生物在鉻污染土壤中的分布及鉻累積菌株的初步篩選期刊論文-農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學 報 2007(02 13.劉彧 污泥中耐鎘微生物的篩選與鑒定學位論文碩士 2007 1

35、4.張雪峰 農(nóng)田重金屬污染微生物修復技術(shù)研究進展期刊論文-綠色科技 2014(6 15.郭彥蓉,劉陽生 功能微生物對污染農(nóng)田土壤中鉛鋅的溶出實驗期刊論文-環(huán)境工程學報 2014(03 16.閆晗,吳祥云,黃靜,何志明 評價土壤質(zhì)量的微生物指標及其研究方法期刊論文-山西農(nóng)業(yè)科學 2010(10 17.陳生濤,何琳燕,李婭,袁彤彤,盛下放,黃智 Rhizobium sp.W33對不同植物吸收銅和根際分泌物的影響期刊論文 -環(huán)境科學學報 2014(8 18.張倩茹,周啟星,張惠文 乙草胺與硫酸銅對黑土微生物的復合生態(tài)影響期刊論文-環(huán)境科學 2007(04 19.胡霜 接種白腐真菌改善含鉛農(nóng)業(yè)固廢微環(huán)

36、境及其作用機理的研究學位論文博士 2010 20.鄧佑,陽小成,尹華軍 化學-生物聯(lián)合技術(shù)對重金屬-有機物復合污染土壤的修復研究期刊論文-安徽農(nóng)業(yè)科學 2010(04 21.方臨川 重金屬與細菌-土壤活性顆粒微界面互作的分子機制學位論文博士 2011 22.黃俊彪,陳步峰,裴男才,肖以華,潘勇軍 海岸景觀防護林群落對堤岸土壤化學的生態(tài)效應期刊論文-生態(tài)環(huán)境 學報 2013(08 23.董鳳英,楊雪瑩,劉曉翠,冀英萍,方曉娜,劉飛 藍莓葉綠茶復合飲料的研制期刊論文-飲料工業(yè) 2015(01 24.周曉花 錳耐性微生物的篩選及其植物促生潛力研究學位論文碩士 2011 25.孔露曦,盧袆 ,趙敬坤

37、土壤重金屬污染及其修復技術(shù)研究進展期刊論文-南方農(nóng)業(yè) 2010(04 26.梁鈺 銅脅迫下微紫青霉菌菌株GXCR代謝譜分析學位論文碩士 2009 27.吳耀國,劉保超,徐友寧,張江華 重金屬對難降解有機物生物降解的影響及機制期刊論文-現(xiàn)代化工 2009(05 28.王建坤 鉛鋅污染對土壤微生物多樣性的影響學位論文碩士 2009 29.晁雷,周啟星,陳蘇 污染土壤修復效果評定方法的研究期刊論文-環(huán)境污染治理技術(shù)與設備 2006(04 30.朱方志 鉛鋅冶煉廢渣重金屬污染特性及電動去除技術(shù)研究學位論文碩士 2010 31.祝榮 銅陵新橋硫鐵礦采礦廢石重金屬淋溶實驗研究學位論文碩士 2006 32.曾希柏,徐建明,黃巧云,唐世榮,李永濤,李芳柏,周東美,武志杰 中國農(nóng)田重金屬問題的若干思考期刊論文-土 壤學報 2013(01 33.曾路生 土壤水稻/蔬菜作物系統(tǒng)中鎘、鉛的生態(tài)效應研究學位論文博士 2006 34.吳耀楣 中國土壤重金屬污染修復技術(shù)的專利文獻計量分析期刊論文-生態(tài)環(huán)境學報 2013(05 35.許金麗 改良膨脹土菌種篩選及條件選擇的研究學位論文碩士 2007 36.劉霞,劉樹慶,王勝愛,馮大領(lǐng) 重金屬復合污染對土壤微生物生態(tài)特征的影響研究期刊論文-農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報 2007(z1 37.牛之欣,孫麗娜,孫鐵珩 重金屬污染土壤的植物-微生物聯(lián)合修復研究進展期刊論文-生態(tài)學雜