微生物联合修复土壤重金属机理研究进展

刘建磊 沈礼来 丁佳锋 钟宇驰 王宇峰 田平 卓未龙 刘磊 张杭君

摘 要：随着经济的快速发展，土壤重金属污染已经成为了不可忽视的问题。由于微生物联合修复具有高效、安全、成本低、无二次污染等诸多优点，已成为了近年来主要的土壤重金属污染修复方法。该文从植物-微生物、电动-微生物、化学钝化-微生物等方面概述了微生物联合修复重金属污染土壤的机理与技术，并与单纯的物理、化学、生物修复技术相比，认为微生物联合修复重金属污染土壤是一种更加有效的生物修复途径，通过优秀菌种的培育、筛选、联合以及土壤重金属整体治理体系的构建，可为后续研究重金属污染土壤提供思路与参考。

关键词：重金属;微生物;联合修复;修复机理

中图分类号 X53文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）22-0029-04

Research Progress on Mechanism of Microbial Combined Remediation of Heavy Metals in Soil

Liu Jianlei1 et al.

（College of Life and Environmental Science，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310018，China）

Abstract：With the rapid development of the economy，heavy metal pollution in the soil has become a problem that cannot be ignored. Due to the advantages of high efficiency，safety，low cost and no secondary pollution，the combined repair of microorganisms has become the main method for repairing heavy metal pollution in soil in recent years. This paper summarizes the mechanism and technology of microbial combined repair of heavy metal contaminated soil，from plant-microbiology，electro-microbiology，chemical passivation-microorganisms，etc. Compared with pure physical，chemical and bioremediation technologies，microbial combined repair of heavy metals Contaminated soil is a more effective bioremediation pathway. Through the cultivation，screening and combination of excellent strains and the construction of soil heavy metal whole treatment system，it provides ideas and reference for the subsequent study of heavy metal contaminated soil.

Key words：Farmland heavy metals;Microorganisms;Remediation technology;Remediation mechanism

1 引言

随着我国经济快速发展，土壤重金属污染形势日益严峻。2014年发布的全国土壤污染状况调查公报[1]显示，轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物为镉、镍、砷、铜、汞、铅等有毒物质。重金属污染物具有在土壤中迁移性差、滞留时间长、难降解、相对稳定等特点，对土壤的理化性质和生物群落结构产生严重影响[2]。20世纪50年代，“水俣病”和“骨痛病”在日本大规模暴发，这是由于环境中重金属Hg和Cd含量超标[3]。因此，土壤重金属问题引起了全世界的普遍关注。

微生物联合修复技术是一种高效安全的修复途径。将微生物与植物、电动或化学钝化联合，能够更好地降解、吸收、转化土壤中的重金属污染物，显著提高微生物的修复能力，极大降低土壤環境中重金属浓度。微生物联合修复技术成本低，效果好，绿色环保，不会发生二次污染，在有效去除土壤中重金属的同时，还不会对土壤生态功能产生破坏。因此，利用微生物联合修复技术修复重金属污染土壤的应用前景广阔。本文系统地介绍了微生物修复土壤重金属污染机理，从植物-微生物、电动-微生物、化学钝化-微生物等方面概述了微生物联合修复重金属污染土壤技术，旨在为重金属污染土壤生态修复提供科学依据与理论支持。

2 微生物修复土壤重金属污染机理

不同类型的微生物对重金属污染土壤的修复机理不同。根据微生物修复重金属污染的机理，可以将微生物修复分为生物吸附和生物转化两大类。

2.1 微生物对重金属的生物吸附 微生物吸附的概念最早是由Ruchhoft[4]在1949年提出，他发现活性污泥中存在的微生物能够去除水中重金属元素Pu，并认为其原因是微生物的繁殖形成凝胶网，使微生物具有吸附能力。一般将微生物吸附分为胞内吸附、细胞表面吸附和胞外吸附。胞内吸附主要是通过重金属离子与细胞内的蛋白质结合，进而在细胞内沉淀。细胞表面吸附技术是指细胞表面的一些带电官能团与重金属离子发生反应，降低重金属离子对细胞产生的毒性。刘明学[5]等发现UO22+离子与酵母菌细胞表面发生了显著的吸附作用。

2.2 微生物对重金属的生物转化 微生物对重金属进行生物转化主要作用包括：氧化还原、甲基化与去甲基化以及络合等，通过这些作用转化重金属离子，降低其生态毒性，减少环境中的有毒重金属离子浓度。其中甲基化与去甲基化是很多重金属的重要转化过程。对于砷来说，经甲基化后的产物其生物毒性比原来低。许多微生物可以将无机砷转化为甲基化合物等毒性较低的物质。而对于汞而言，恰恰相反，去甲基化是一种重要的解毒机制。目前已经发现的耐汞细菌有兼性好氧菌、革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌等。

3 微生物对土壤重金属联合修复技术

微生物联合修复技术修复重金属污染土壤是一种高效安全的修复途径。将微生物与植物、电动或化学钝化联合，可以显著提高微生物的修复能力，可以极大降低土壤环境中重金属浓度。与单一的物理、化学、生物修复技术相比，该方法修复兼具两者优势，成本低，修复能力强，可以修复重度污染的土壤，不产生二次污染，表1比较了不同微生物联合修复技术。

3.1 植物—微生物联合修复技术 植物—微生物联合修复技术就是将植物和微生物联合，集合了微生物修复与植物修复两者的优点，直接或间接地吸收、转化土壤中的重金属元素，降低土壤中重金属浓度与毒性效应。根际微生物以菌根、内生菌等方式与根系形成联合体，能够显著增强植物对重金属的富集能力，从而降低土壤环境中的重金属浓度。表2和3分别总结归纳了具有修复能力的真菌与细菌。Petrovic J J[9]等人发现木霉菌可以有效提高土壤降解Cu、Hg、Cd的能力。除此之外，有研究表明[10]，红球菌对Cd、Ni、Pb、Cu、Zn、Fe等重金属有吸附、转化、降解作用。

3.1.1 植物—内生菌联合修复 植物内生菌是指在一定阶段或全部阶段寄生于植物组织细胞内或者细胞间隙的真菌或细菌[22]。内生菌能够吸附重金属离子，分泌脱氨酶、脱羧酶和植物激素以增加植物代谢能力，降低重金属对植物的伤害，缓解重金属离子对植物的胁迫。肖潇[23]等人从镉超积累植物龙葵叶中分离出内生菌EB L14，EB L14能在24h培养时间内，从初始浓度为10mg/L不同重金属的培养基中去除80.48%的铅75%～78%的镉和21.25%的铜。这说明了EB L14能够通过抑制其ATP酶的活力来缓解重金属离子对植物的胁迫。EB L14具有良好的适应能力和高效的重金属去除能力，表明它在低浓度重金属生物修复领域具有较好的应用前景。

3.1.2 植物—丛枝菌根联合修复 在生态系统中，真菌与植物根系之间存在着共生关系，它们所形成的联合体称为菌根。根據共生的真菌、植物种类和形成的共生体的特点将菌根分7种类型，其中的丛枝菌根是由丛枝菌根真菌与植物根部形成的一种内生菌根。一方面，丛枝菌根可以增加植物营养，另一方面则能够影响到植物对土壤重金属的吸收与累积[24]。丛枝菌根的根外菌丝能够吸附环境中的重金属离子，极大地降低其浓度，并可以直接影响重金属离子在真菌和植物体内的分配[25]。

3.1.3 植物—根瘤菌联合修复 根瘤菌与豆科植物共生能够固定空气中的氮气，也可以直接沉淀、转化、吸附重金属，降低重金属浓度。除此之外，根瘤菌可以通过固氮、磷溶解、植物激素合成、铁载体释放等促进豆科植物生长，同时降低重金属毒性。侯文洁[26]等人研究表明天蓝苜蓿根瘤菌EPS能有效吸附去除Cu2+。陈雯莉[27]等人研究发现，褐土接种根瘤菌后固相结合态Zn总量能够降低10%，专性吸附态、氧化锰结合态和有机结合态Zn总量减少可达9%～26%。植物—微生物联用技术集合了植物修复与微生物修复的优点，并弥补了各自的不足之处，在一定程度上提高了吸附重金属的能力。

3.2 电动—微生物联合修复技术 在微生物修复过程中施加电场作用可以加速传质过程，提高重金属离子与微生物的接触效率，有利于活化土壤，并在电场力的作用下将改变形态的重金属离子定向迁移至特定区域而去除。Ma. YS[7]等发现在最佳操作条件下，电生物修复30d后TPH降解率为77.4%，镍去除率为58.5%，这说明在使用阴离子和阳离子交换膜的情况下，EK的应用促进了微生物的生长和重金属的降解。电动—微生物联合修复技术能有效地修复重金属和有机污染物污染的土壤，除此之外，也可以利用电动—生物联合修复技术将六价铬转化为低毒三价铬后迁移去除[28]。

3.3 化学钝化—微生物联合修复技术 除了单纯微生物、微生物—植物联合修复之外，将微生物与化学钝化剂进行联用也是当前土壤重金属污染修复的一个研究方向。化学钝化是指向土壤中投加化学钝化剂，通过吸附、沉淀和氧化还原等一系列的物理化学反应，从而来降低环境中污染物的生物有效性与可迁移性，来达到修复目的。微生物与化学钝化剂联合施用可以提高修复能力。熊力[29]等人以受镉和砷严重污染的土壤为研究对象，发现单一化学钝化剂处理对水稻生长无显著的影响，添加微生物后有一定的促进作用，这表明了化学钝化剂联用在一定程度上提高了微生物修复能力。化学钝化剂和微生物联合处理降低了糙米中Cd和As的含量，其中1%化学钝化剂与微生物联合处理使水稻糙米中Cd和As的含量较空白对照组分别降低了46%和29%。

4 展望

重金属污染土壤微生物修复联合技术目前还存在很多局限性：（1）目前这种技术尚未成熟，大多处于研究试验阶段，在实际应用上可能还会存在一些现实问题。比如，可能会存在一定的生物风险。（2）重金属污染土壤微生物联合修复技术是一种新兴技术，前期开发与后期评估地投入较大，具有一定的不确定性，同时存在着比较高的技术门槛。因此，应从以下几个方面加强微生物联合修复研究工作：

（1）应该在现有基础上，提高筛选与驯化优势菌株的效率。基因工程菌的构建能够高效转化吸附固定重金属。随着微生物表面展示技术的成熟与完善，生物强化技术能够在重金属修复中发挥出更大的作用。

（2）对微生物修复机理展开进一步的研究。微生物修复重金属污染土壤包括生物吸附、转化、溶解沉淀等多种作用，机理复杂而多样化。因此，应该从分子领域展开更加深入的研究，并利用红外分析等技术更好地解释修复机理，为修复技术的应用提高理论基础与数据支持。

（3）做大量的試验从而获得准确的参数，避免在实际应用上发生的一些现实问题。因此，微生物修复重土壤金属技术的大规模应用必须结合环境化学及土壤学等多学科知识，构建一套完整治理体系，以实现微生物修复技术在大规模应用上质的飞跃。

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（责编：王慧晴）