微生物修复农业环境中高氯酸盐污染的研究进展

作者简介：侯昌萍（1988—），女，山东诸城人，主要研究方向：微生物应用技术。

摘 要： 高氯酸盐作为一种新型的持久性污染物，控制与修复高氯酸盐污染成为新的研究热点。但目前对于控制和修复农业环境中高氯酸盐污染研究相对较少，在众多的修复方法中，微生物修复效果显著、成本低廉，而且在农业生态环境中具有独特的应用优势。本文分析了微生物修复农业环境中高氯酸盐污染的优势，总结了微生物还原高氯酸盐的机制以及微生物还原高氯酸盐的影响因素，并讨论了未来该领域的研究方向，以期为我国开展微生物对农业环境中高氯酸盐污染修复研究提供参考。

关键词： 微生物修复;高氯酸盐;研究进展

【中图分类号】X171 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.31.159

高氯酸盐通过竞争性地抑制人体甲状腺对碘的吸收，导致人类新陈代谢功能紊乱，较低浓度的高氯酸盐即可影响机体发育，特别是神经系统的发育。然而人体中约占80%的高氯酸盐是通过膳食摄入的，美国EPA官方推荐高氯酸盐摄入的安全参考剂量为0.7μg/kg/d，近年来，研究人员在蔬菜、水果、稻米、茶叶等多种农产品中检测到了高氯酸盐，因此，高氯酸盐污染对农业生态环境的影响及其修复的研究成为了关注的热点。

1 微生物修复农业环境中高氯酸盐污染的优势

目前水体中高氯酸盐污染修复研究较多，最常用的高氯酸盐去除技术包括吸附法、离子交换法、（电）化学还原法、膜分离法、植物修复以及微生物修复。污染物的去除不彻底是传统物理化学修复技术的主要弊端，且价格昂贵。

在植物修复方面，目前用于修复高氯酸盐的植物有荨麻、睡莲、海蓬子等水生植物和朴树、柳树、榆树、杨树等陆生植物，研究表明湿地系统中高氯酸盐浓度的降低主要与微生物降解有关，而水生植物的提取修复作用较小。相应的，高氯酸盐在陆生植物如杨树叶片中的降解与根际微生物降解相比速度比较缓慢。同时，微生物对水体中高氯酸盐修复存在着外源添加电子供体易造成水体有机污染的问题。不溶于水可生物降解聚合物（BDPs）作为微生物附着生长的载体，并为微生物降解高氯酸盐提供碳源和电子供体，应用于水污染修复中具有不产生二次污染的优点，但大部分BDPs价格较高，污染物的修复速率较低。若在农业环境中，例如湿地、耕地等，则微生物修复产生的有机污染，可以转化为植物营养物质，且微生物还原修复成本低廉，不占用耕地，在农业环境中利用微生物修复高氯酸盐污染具有独特的优势。

环境中并不缺乏高氯酸盐还原微生物，高氯酸盐和氯酸盐具有较高的氧化还原电位，是微生物代谢反应理想的电子受体。其次环境中存在丰富高氯酸盐还原菌（PRB）和氯酸盐还原菌（CRB），其中PRB既可以还原高氯酸盐，也可以还原氯酸盐，而CRB仅能还原氯酸盐。PRB在环境中具有普遍性和多样性，目前已经在污水处理厂活性污泥、公园土壤、深层包气带、地下储气库、深海等受污染或未受污染的环境介质中陆续分离出新型的PRB。自1996年以来筛选获得的PRB纯培养菌株已经超过60株。并且，越来越多的研究表明，高氯酸盐和氯酸盐还原功能基因可以被質粒、转座子、基因组岛等整合，基因的横向转移使得越来越多的原先不能依赖氯氧化物代谢的新型微生物中以具备氯氧化物还原功能。在适宜的条件下，环境中的高氯酸盐还原微生物可以将高氯酸盐还原为氯离子。因此，利用外源添加特定高氯酸盐还原菌株和或者定向诱导环境中的微生物群落修复高氯酸盐污染是治理农业环境中高氯酸污染的两个方向。

2 微生物还原高氯酸盐的作用机制

微生物可以将ClO-4、ClO-3作为终端电子受体并将其彻底地还原成氯离子。在强蒸发的干旱气候环境中，微生物活动受到限制，同时缺乏水对高氯酸盐的溶解迁移，自然形成的ClO-4易富集在土壤（矿物）中，如取自南极干谷、火星表面的样品中均有高浓度ClO-4的检测出。而在适宜温度条件、饱和水分下的厌氧环境、酸碱度适中和有机质丰富的土壤条件下，有助于促进厌氧活性污泥中高氯酸盐还原微生物的生长和对高氯酸盐污染的修复。

PRB和CRB由于还原酶不同，酶反应过程稍有不同。PRB还原高氯酸盐涉及一个双酶反应过程，第一个酶为高氯酸盐还原酶（pcr），该酶首先催化ClO-4还原为ClO-3，它是整个还原过程中的关键限速步骤，然后再将ClO-3还原为ClO-2，即ClO-4→ClO-3→ClO-2;第二个酶为亚氯酸盐歧化酶（cld），催化ClO-2分解为O2和Cl-，即ClO-2→O2+Cl-。与PRB不同，CRB仅能还原氯酸盐，CRB菌株先利用氯酸盐还原酶（clr）将ClO-3还原为ClO-2，再利用亚氯酸盐歧化酶，将ClO-2分解为O2和Cl-，即ClO-3→ClO-2→O2+Cl-。最终，由PRB和CRB产生的O2经末端氧化酶（tox）转化成水。此外，部分古菌虽缺乏高氯酸盐还原酶和亚氯酸盐歧化酶，仍能还原高氯酸盐，推测可能与其周质上的硝酸还原酶以及非生物还原有关。

3 微生物还原高氯酸盐的影响因素

微生物修复高氯酸盐的效率主要与电子供体的供应量是否充足以及共存电子受体的竞争等因素有关。充足的电子供体能够促进微生物对高氯酸盐的还原，研究表明加入1：1化学计量数的电子供体要比2：1和4：1条件下高氯酸盐的还原速率缓慢。电子供体主要分为有机电子供体和无机电子供体。研究中最常用的有机电子供体主要包括：乙酸盐、乳酸盐、葡萄糖、蔗糖、乙醇、甲醇等。有机电子供体能够同时提供电子和碳源，同时还可以作为植物营养元素，适宜于在农业环境修复高氯酸盐污染。无机电子供体主要包括Fe0、S0、H2、S2O3、H2S等，自养型微生物能够利用这些无机电子供体，以CO2和HCO-3为无机碳源，实现ClO-4的降解。研究表明无机物质作为电子供体时，其机理大都是利用反应产生的H2作为直接的电子供体传递给高氯酸盐将其还原为氯离子，还原彻底且无二次污染，但应用成本较高，且运输使用不便，因此在农业环境中利用异养微生物修复高氯酸盐污染具有应用优势。

目前报道的微生物还原高氯酸盐的降解体系绝大多数是要求严格厌氧的，研究表明多数还原菌对O2、NO-3、ClO-4的利用能力大小顺序为O2>NO-3>ClO-4，可见，O2是影响ClO-4降解的最主要抑制剂。由于高氯酸盐还原酶对氧化还原电位较为敏感，氧气的存在会增加体系内的氧化还原电位，因此，体系内的溶解氧会抑制高浓度ClO-4的降解;另外，氧气会抑制亚氯酸盐歧化酶的活性，因而，体系中氧气的存在会影响高氯酸盐的降解效果。然而，也有报道指出，少数高氯酸盐降解菌株其酶活性的表达并不受O2影响，如CRB Pseudomonas sp.strain PDA是最先報道的氯酸盐还原过程不受有氧培养的菌株，该菌株的氯酸盐还原酶和亚氯酸盐歧化酶在有氧和无氧条件下均能持续表达。CRB Ideonella dechloratans被报道其氯酸盐还原酶和亚氯酸盐歧化酶在有氧条件下可以表达，但在厌氧条件下酶活力显著提高。

4 总结与展望

高氯酸盐作为一种新型的持久性污染物，其污染问题已引起国际关注，微生物还原修复技术成本低廉，在农业环境中具有独特的应用优势，但农业环境比较复杂，涉及到土壤-微生物-水-植物之间的相互关系，虽然高氯酸盐还原微生物在环境中广泛存在，但仍需恰当调控和深入研究才能应用于生产实践中。目前，我国利用微生物对环境中高氯酸盐污染的修复应用仍处于起步阶段。建议从以下几个方面展开研究：

（1）由于自然生成、人类活动引起的人为污染、高氯酸盐本身的稳定存在造成了高氯酸盐在环境中的污染问题。近年来在农产品中屡屡检测出了高氯酸盐的存在，但高氯酸盐到底通过何种途径进入农产品中，尚需系统深入的研究，例如开展土壤、根施肥料、灌溉水、叶面肥料中高氯酸盐含量的调查，研究大气沉降对植物吸收高氯酸盐的影响，以及研究农产品在是否可能在后续加工环节中引入高氯酸盐污染等。

（2）在控制高氯酸盐淋溶污染地下水的前提下，可尝试将环境中的高氯酸盐污染引入农业环境中采用微生物修复，先从水田和湿地等厌氧的农业环境开始尝试，一方面外源添加的腐熟的有机物质作为电子供体强化功能菌株对高氯酸盐的降解，另一方面这些腐熟的有机物质也是植物营养物质。

（3）（高）氯酸盐还原微生物在环境中具有多样性和普遍性，目前的高氯酸盐污染修复应用主要集中在对土著微生物进行诱导驯化，今后可通过从修复体系中筛选优势菌株，再经富集扩培后复合腐熟的有机物质开发含有高氯酸盐还原微生物的生物有机肥，在环境污染治理的同时又能创造一定的经济价值，但与高氯酸盐污染修复相适应的作物还需要进一步的研究，建议从喜氯或者耐氯较强的作物中筛选，如椰子、水稻、谷子、高粱、小麦、茄子、豌豆、菊花等。同时，还需考虑确保绝大部分的高氯酸盐污染物能在根际降解，保障所种植作物的食品安全性，避免二次污染。

参考文献

[1] 方齐乐，陈宝梁.新型环境污染物高氯酸盐的环境化学行为、食品安全及健康风险[J].科学通报，2013，58（26）： 2626-2642.

[2] 彭银仙，吴春笃，宁德刚，等.一株高氯酸盐降解菌的分离及特征[J].江苏大学学报：自然科学版，2010，31（2）： 225-229.

[3] 谢宇轩，刘菲，关翔宇，等.基于功能基因表达的高氯酸盐与硝酸盐氮修复[J].环境工程学报，2014，8（4）： 1423-1428.

[4] 谢宇轩，关翔宇，于丽莎，等.自养条件下高氯酸盐降解细菌群落研究[J].生物技术通报，2014（4）：169-175.

[5] 彭银仙，吴春笃，宁德刚，等.高氯酸盐自然净化中微生物的还原降解行为[J].江苏大学学报：自然科学版，2010（6）： 721-725.