隐秘而伟大的微生物

供稿|时婧芸 / SHI Jing-yun

内容导读

在大自然中有着千千万万、不可计数的微生物，人类通常难以用肉眼看见它。它们虽然是隐秘的角色，却可以做成许多伟大的事。随着工业领域的发展，环境问题越发严重，血铅、镉大米事件频发，而环境的修复通常需要很大的投入。那么，微生物修复技术如何实现高效修复呢？本文将介绍当前存在的典型环境问题，通过对比多种环境修复技术，使微生物修复技术走进大家的视野，让大家更加了解微生物的妙用。

随着城市化进程的加快和工业的快速发展，场地污染日益加剧。重金属和多环芳烃(PAHs)是工业活动中产生的典型无机污染物和有机污染物，重金属和PAHs物化性质较稳定，在环境中不易去除，存在时间长，当二者同时存在于同一环境中时，二者之间会发生各种直接或间接的相互作用，导致重金属和PAHs复合污染的修复也更加困难。微生物修复技术具有材料来源广、成本低和无二次污染等优点，在修复重金属和PAHs复合污染中具有很大优势。

亟待解决的环境问题

随着工业的快速发展，我国工业固废的总产生量逐年增加。2018年，生态环境部发布工业企业的冶炼废渣产生量为3.7亿t，占比11.6%。冶炼废渣产生量最大的行业是黑色金属冶炼和压延加工业，其产生量为3.3亿t，综合利用率为91.8%；其次是有色金属冶炼和压延加工业，其产生量为2691.7万t，综合利用率仅为60.5%[1]。我国作为全球最大规模的废渣生产国，对有色金属行业产生的冶炼废渣以堆放和回填为主，因废渣中有价值金属含量低，提取工艺流程复杂，操作难度高而导致有效利用率很低。这些堆存的废渣含有大量重金属和有机污染物，若不经处理会污染土壤和地下水。

重金属污染现状

有色金属冶炼渣是有色金属矿物冶炼过程中产生的废渣。在铅、锌或铜的冶炼过程中会产生大量废物，其中含有潜在的有毒金属(如铅、锌、铜、镉、锡、汞等)和类金属(如砷、锑)。冶炼渣的堆放不可避免会占用大量的土地资源，从而导致土地资源利用率降低。有些厂区在生产完矿产资源后，直接将冶炼渣排放在空地上，这样会直接对土地造成污染，如图1(a)所示。到目前为止，我国的冶炼渣还是以堆存为主，这占用了大量的土地，已成为我国主要的生态环境污染源之一。由于废渣中含有大量镉、铬、铜、铅和锌等重金属和有毒元素，长期堆置会导致大量有价金属的流失，对土壤、地下水等生态环境造成潜在污染和危害，还会导致土壤理化性质的改变。冶炼渣颗粒及其风化过程会造成污染物向土壤中的释放，它们随后会与单个土壤成分结合。冶炼厂土壤中铜、锌和铅向下渗透速度很快，这些重金属从土壤中迁移到植物根系，影响在冶炼区土壤遗留地种植农作物的产量和安全性。堆积的冶炼渣由于颗粒较小，很容易散播到空气中，对周围地区的环境在一定程度上造成了污染。当土壤中重金属含量超出国家土壤环境质量标准中所规定的值后，会对生态环境和人体健康造成极大的潜在危害，主要包括：

(1)危害人体健康。土壤中重金属会通过呼吸或食物链等途径不断富集在肝脏、大脑、消化系统、泌尿系统等器官中，对儿童发育和人体健康会产生无法扭转的毒害作用。

(2)对土壤的理化性质及动植物群落造成破坏。重金属对土壤的pH值、阳离子交换量(CEC)、土壤酶的活性及氮素的固定作用等均会产生较大的影响。

(3)污染地表水源及地下水体，如图1(b)所示。土壤中的重金属会随着雨水冲刷、自然渗透等方式进入天然水体或地下水体并不断发生迁移，进而重金属污染区域不断扩大，而且也会对水生动植物造成危害。

图1 工业污染现状

多环芳烃污染现状

多环芳烃(PAHs)主要由人为来源产生，主要包括化石燃料和生物质的不完全燃烧及化石燃料自然挥发或泄漏等过程。PAHs的产生主要有三种途径：一是由高温形成，有机质在缺氧环境下的不完全燃烧；二是自然界底层沉积过程形成，例如煤、石油的形成过程，因此煤、石油及一系列衍生产品中都含有较多的PAHs存在；三是由某些植物和微生物合成。有色冶炼过程中使用了大量燃煤，而燃煤是PAHs的主要来源之一。煤、石油、木材及有机高分子化合物的不完全燃烧都能产生PAHs，这些污染物质进入大气环境后，绝大部分通过沉降进入土壤，污染土壤环境。PAHs是一类广泛存在于环境中的具有致癌、致畸、致突变性的持久性有机污染物，易被土壤颗粒吸附，并能长期存在于土壤与水环境中，不断累积，具有很强的生态毒性。PAHs可以通过食物链转移与富集，土壤中的PAHs除了对生态环境安全造成极大的威胁，还可以通过手、口途径及食物链等进入人体，进而对人体健康产生潜在的危害性。PAHs是脂溶性的有机物，能够通过细胞膜，也能经由离子通道进入胞内影响细胞的正常生理活性，比如PAHs能诱发肿瘤，能通过影响人体的其他生化反应而引发心脑血管疾病，或抑制单核细胞转化为巨噬细胞，破坏人体免疫系统，如图2所示。

图2 工业污染的危害

现有的环境修复技术

重金属和PAHs复合污染的修复比单一污染修复更为复杂，因为重金属和PAHs之间存在复杂的相互作用，而且二者物理化学性质相差较大，所以对复合污染修复手段的要求也更高。现有的关于重金属和PAHs复合污染修复技术的研究包括物理化学修复技术、植物修复技术和微生物修复技术。

物理化学修复技术

用于重金属和PAHs复合污染的物理化学修复法主要有换土法和淋洗修复法。换土法虽然修复快，但并未从根本上把污染物从土壤中去除。淋洗修复是目前复合污染土壤修复中较为有效的方法。淋洗修复是一种处理污染土壤、污泥和沉积物中无机或有机污染物的物理化学过程，通常是指向土壤内注入或喷洒溶剂冲洗孔隙介质中的污染物，借助溶剂对污染物的迁移或助溶等作用，达到污染物质脱附、溶解并去除的效果。淋洗修复重金属和多环芳烃的污染，主要是利用淋洗液通过溶解、离子交换、脱附、螯合等作用将吸附于土壤颗粒表面的重金属分离出来。PAHs的淋洗则主要通过淋洗剂的包覆携带或是增溶作用将其从土壤中洗脱。近年来，国内外已有众多学者致力于研究淋洗法修复土壤中重金属与PAHs复合污染，使用最多的淋洗溶剂是表面活性剂类。表面活性剂是一种同时含有亲水和疏水基团的两性化学物质，正是这样独特的分子结构可以明显降低溶剂的表面张力和界面张力，提高土壤中污染物的溶解度，特别是对于疏水有机物。表面活性剂的种类繁多，经研究发现，能够同时去除土壤中重金属与PAHs复合污染的表面活性剂有环糊精(CD)及其衍生物、生物表面活性剂等。在实际应用中常与化学表面活性剂(吐温80、聚氧乙烯油醇醚和十二烷基硫酸钠等)、螯合剂(乙二胺四乙酸、苯基乙酸钠等)、无机试剂(酸、碱、盐)及有机酸(柠檬酸等)混合使用。

淋洗法对于有机和无机污染的修复均有很高的修复效率，处理速度快，去除效率高，操作简单，价格低廉，但也存在它的局限性。首先，部分淋洗剂本身也是一种污染物质，大量使用将引起二次污染问题；其次，对于土壤颗粒较细，渗透系数低的土壤，淋洗液无法顺利流经污染土壤，二者不能充分混合，因此无法将污染物从污染土壤中洗脱出来。

植物修复技术

植物修复是指将某种或多种特定植物种植在污染土壤上，利用植物本身和相关的根际微生物降解、吸收或转化土壤中污染物质的一种原位处理技术。植物修复的主要作用机制有根际修复、植物提取和根系过滤。对于土壤中的有机污染物如PAHs，植物修复主要是利用植物自身的吸收、挥发作用以及根际释放的酶、分泌物和土著微生物的催化降解实现去除。根际是植物根系周围微生物密集活动的栖息地，根际分泌物增加了土壤有机质含量，为微生物生长繁殖提供了有机碳源，使得微生物的数量不断增加，进而提高对PAHs的降解效能。微生物在自身生长代谢过程中可以把PAHs作为碳源，将其降解的同时为自身提供能量。土壤中的重金属不能像有机污染物一样通过自然降解或生物降解的方法去除，植物修复重金属污染土壤主要通过植物提取、植物挥发和植物稳定化。一般来说，修复效果的好坏取决于能否找到适宜的超富集植物。

植物修复是一种生态友好型的修复手段，不仅具有材料来源广、成本低的优点，同时还能美化环境、保持水土，高大植物还能起到防风固沙的作用。然而植物修复也存在一定的缺陷，它所针对的污染场地主要是低浓度污染，因为高浓度的污染物会抑制植物的生长；而且植物修复的周期一般较长。

微生物修复技术

污染土壤的微生物修复是指利用天然存在的土著微生物或添加人为培养的微生物，通过创造适宜的生长环境，促进微生物代谢，最终达到降解或转化土壤中污染物质的效果。微生物对重金属和多环芳烃复合污染的修复主要分为对PAHs的吸附降解和对重金属的累积和转化。环境中的重金属无法像有机物一样被降解，只能通过改变其存在形态和迁移能力，将其转化为无害或低毒的物质从而达到改善环境的目的。微生物能够将环境中的重金属固定在微生物细胞膜表面，或富集于细胞内，降低重金属的迁移转化能力，达到污染修复的目的。能够修复重金属和多环芳烃复合污染的微生物包括细菌、真菌和藻类。

微生物修复技术成本较低，去除效率高，无二次污染且微生物来源广，易得到。但微生物活动易受环境变化影响，某些微生物只能修复特定污染物。目前应用微生物进行实际场地修复的实例还较少，微生物的固定化、再生利用等都还需要进一步研究。

微生物修复技术的研究

环境中的微生物数量和种类都十分庞大，在环境中分布广泛，甚至在高温、低温、高盐度、无氧等极端条件下均有微生物生存。在这些种类丰富的微生物中，部分微生物能够在降解PAHs的同时吸收或吸附一定量的重金属，同时去除复合污染中的重金属和PAHs，而且微生物修复具有材料来源广、成本低等优点，在复合污染的修复领域越来越被重视。

微生物对重金属的去除

生物矿化通过生物代谢影响金属及类金属物质的形态分布，进而改变金属及类金属物质的生物有效性及毒性，在环境污染治理领域成为研究热点[2]。重金属污染土壤中存在能够固定重金属离子的微生物，通过对这些特异性矿化菌的实验研究确定：①微生物或胞外聚合物具备吸附重金属离子的能力；②细胞代谢产生的CO32-、S2-和PO43-等改变了周围环境的物化性质，使得环境中的金属离子在局部过饱和条件下形成晶核并生长，进而改变这些元素的存在形态。微生物对重金属离子的矿化过程中，形成的矿物类型主要为碳酸盐、铁锰氧化物、硫化物和磷酸盐。

(1)碳酸盐。土壤和水体中广泛分布着促进碳酸盐矿物形成的微生物(CMM)，其中部分微生物代谢过程中产生碳酸根及其他碱性产物(NH4+)，并促使液相环境中pH上升，利于金属离子形成碳酸盐沉淀。目前碳酸盐矿化菌(CMM)的研究中产脲酶菌的碳酸根产率高、产量大。多数碳酸盐矿化菌可以直接形成碳酸盐矿物(PbCO3、CdCO3、ZnCO3、CuCO3和SrCO3等)；另外一些研究提出，碳酸钙晶核生长过程中金属或类金属离子取代钙离子或阴离子形成共沉淀物或被方解石吸附形成复合体。

(2)铁锰氧化物。铁氧化菌(FeOM)和锰氧化菌(MnOM)可以将Fe2+和Mn2+氧化为Fe3+和Mn4+。Fe3+和Mn4+分别形成的水合物和氧化物能有效吸附游离态重金属。如果FeOM周围环境pH＞4时，Fe3+易形成氢氧化物沉积，形成的铁氧化物能够显著吸附游离重金属离子。

(3)硫化物。硫酸盐还原菌(SRB)在厌氧条件下可以将SO42-还原为H2S，形成的S2-与游离重金属形成硫化物沉淀硫化物溶度积远小于碳酸盐矿物。

(4)磷酸盐。溶磷菌(PSM)分布在植物根际圈中，帮助植物吸收土壤中难溶性磷化物。溶磷菌产生的磷酸根可以与大部分重金属及类金属形成磷酸盐矿物，如矿化菌Vibrio harveyi和Providencia alcalifaciens可以将Pb2+矿化形成Pb9(PO4)6，这些代谢产物对重金属污染区微生物的适应生存起到关键作用。

微生物对PAHs的去除

微生物对PAHs的降解有两种形式：一种是生长代谢，即微生物把PAHs当作惟一碳源，在降解过程中提供自身生长所需能量；另一种是共代谢，PAHs不作为惟一碳源和能源，微生物依靠其他物质获取能源来降解PAHs。研究表明微生物对四环以下低分子量PAHs的降解，多为生长代谢形式，而对四环及以上高分子量的PAHs主要是以共代谢的形式。细菌、古菌、真菌均能降解PAHs。它们不仅能通过释放生物表面活性剂等方式提高PAHs的生物可利用性，而且还能通过生物转化、矿化作用将有机物分解为一些复杂的代谢产物及无机物，如H2O、CO2和CH4。在好氧环境下，微生物易培养、降解效率高，但在降解过程中会产生有毒中间产物，容易对环境造成二次污染。在厌氧环境下，PAHs的降解会产生结构简单、毒性小、分解更完全的中间产物，且在降解过程中会产生清洁能源CH4[3]。