微生物技术在重金属土壤修复中的应用

张 辉，黄敏锐，姚靖靖

1.浙江省环境科技有限公司,浙江 杭州 310000；2.浙江红狮环保股份有限公司，浙江 兰溪 321100

重金属污染已成为全球性的环境问题，威胁着自然环境和人类健康。重金属，即密度大于5 g/cm3的金属元素，其具有毒性较大、耐久性强等特点，一旦进入土壤和水源，在生物链中不易被分解及消除。如果人体长期摄入镉会导致骨质疏松、肾脏损害、贫血等症状；汞对中枢神经系统和肾脏有毒性，长期接触会出现视力减退、神经衰弱等症状。对此，人们一直在寻求有效的技术手段来解决这个问题。目前，微生物修复技术逐渐受到广泛关注，这是一种利用微生物代谢活动对污染物进行降解、转化和去除的技术，具有成本低、治理效果好的优势。

1 重金属污染土壤中微生物技术的修复机理

1.1 生物吸附作用

微生物修复技术主要是利用微生物的代谢能力来降解或转化重金属。在土壤中，微生物可通过吸附、沉淀作用将重金属去除，微生物菌体表面的胞外聚合物和菌体内金属结合蛋白，可以与重金属离子形成络合物，从而将其吸附在菌体表面或沉淀到土壤中，减少重金属的毒性。可见，微生物吸附是基于金属离子与微生物进行反应的。通常情况下，微生物细胞的阴离子基团（-PO43-、-NH2、-SH）与金属离子进行离子交换、络合进而将其吸附。根据金属离子与微生物细胞作用部位的不同，可分为胞内、胞外、细胞表面的吸附。其中，胞内作用就是金属离子通过离子通道或离子转运蛋白进入细胞内部，影响微生物细胞的代谢活动，即重金属离子与微生物细胞内结合蛋白、络合素进行结合，积聚在细胞内部。胞外作用就是微生物菌体表面的胞外聚合物，通过离子交换、静电作用与重金属离子形成络合物，从而将其吸附在菌体表面或沉淀到土壤中[1]。其中，胞外聚合物可吸附Ph2+、Mg2+、Cu2+，固定Pb2+，例如出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）的胞外聚合物可将Pb2+积累并固定在细胞表面。细胞表面吸附就是金属离子与微生物细胞表面蛋白质、多糖等相互作用。微生物细胞表面的蛋白质、多糖等分子具有负电性，可与带正电的重金属离子结合，形成不溶性沉淀物，从而将重金属离子从土壤中去除。

1.2 氧化还原作用

微生物氧化还原作用主要借助微生物的代谢活动使重金属元素发生氧化还原反应，从而将其转化为不易被生物吸收的形态，降低其毒害作用，即多价金属离子基于氧化还原反应发生价态变化。例如被污染土壤中的Cr 元素——高价Cr6+、低价Cr3+特性不同，前者毒性强、水溶性强，而后者移动性差、毒性与水溶性低。土壤中含有的微生物可以将高价Cr6+转化为低价Cr3+，促使Cr 无机盐还原。此类微生物就包括产碱菌属（Alcaligenes Castellani）、芽抱杆菌属（Bacillus Cohn）、棒杆菌属（Corynebac-terium）、假单胞菌属（Pseudomonadaceae）、 微球菌属（Micrococcaceae Pribram）等，能够减轻Cr 元素对土壤的污染。另外，根据微生物代谢中金属离子起直接作用与否，可将氧化还原作用分为同化氧化还原（As-similatory）和异化氧化还原（Dissimilatory）[2]。前者是金属离子在微生物体内借助电子受体进行新陈代谢，后者则是金属离子没有借助电子受体参与氧化还原反应。其实，微生物代谢时通常会分泌氧化还原酶来提高氧化还原反应效率，去除重金属离子的污染。例如汞离子受到汞还原酶的影响将高价Hg2+还原为低价汞，或Hg2+在异化还原细菌的电子供体下进行还原，以降低汞污染。

2 微生物技术在重金属土壤修复中的具体应用

2.1 细菌修复技术应用

微生物修复技术利用本源微生物或经人工筛选培养的外源微生物的吸附、溶解、沉淀、氧化还原等作用减轻重金属对土壤的毒性，从而达到修复重金属污染土壤的目的。具体而言，微生物修复技术可以利用微生物对重金属的吸附和沉淀作用，将重金属离子从土壤中去除；或者通过微生物的还原作用，将重金属离子还原为无毒的金属形态，从而减轻其对土壤的毒性。

其中，对于细菌修复技术的应用而言，一般使用产碱菌、耐性细菌等进行重金属土壤修复。例如盆栽+产碱菌，可以削弱Cr（铬）元素的毒性；当土壤中没有Cd（镉）和Pb（铅）时，则耐性细菌可以强化植物吸收重金属元素的能力。具体应用如下：（1）蜡状芽抱杆菌在矿渣上进行Mn 处理，往往可以达到98.9%的吸附率[3]。这是因为蜡状芽抱杆菌的羧基、酰胺、磷酸基团等表面化学官能团可以与Mn 发生离子交换或络合作用，从而在细菌表面或内部吸附Mn。（2）苏云金杆菌在pH 为7.42、有机质含量达到1.83%的土壤中吸收Cd，将蘑菇生物量提高到了26.68%～43.58%，Cd 积累量达到14.29%～97.67%。这是因为苏云金杆菌能够产生1-氨基环丙基-1-羧酸（ACC）脱氨酶、吲哚-3-乙酸（IAA）、铁载体等促进生长因子，激发了抗氧化酶的活性，从而降低了Cd 毒害蘑菇的作用，促使蘑菇不断生长，实现蘑菇子实体或菌丝生物量的增加。

可见，微生物修复是可以改变重金属形态的。首先，微生物的官能团（如羟基、羰基、羧基等）可以和重金属离子发生离子交换、络合等反应，进而改变重金属形态。其次，微生物可以分泌有机酸（如柠檬酸、苹果酸、草酸等）与重金属进行溶解、络合，或者分泌多胺等碱性化合物与重金属进行沉淀，又或者产生酶实现重金属的氧化还原，如将Cr6+还原为Cr3+。

2.2 真菌修复技术应用

真菌由于接触面大、生长快、对土壤环境要求低，因而其土壤修复效果比细菌更好。目前一般使用类酵母、木霉属、青霉属、从生菌根等真菌进行重金属吸附，其具体应用如下：（1）猪肚菇在pH 为6.33、有机质含量为1.84%的土壤环境下进行Cd、Cu 富集，促使酸溶态下Cd 提高2.70%～8.07%、Cu 提高0.54%～6.85%，残渣态下Cd 提高25.50%～61.56%，Cu 提高5.00%～36.71%。其中，Cd 的最大富集量达到4.58 mg·kg-1，Cu 的最大富集量为20.43 mg·kg-1。其作用机理是：猪肚菇通过分泌有机酸（如柠檬酸、酮戊二酸、琥珀酸、草酸等），来促进土壤中Cd、Cu的解吸[4]；同时，猪肚菇可以提高土壤中的微生物量，促进铁载体生成以结合Cd、Cu，从而增加Cd、Cu生物的有效性。（2）平菇在pH 为8.1 的环境下进行Cd、Cr 去除，促使培养基中Cd 去除率达到44.85%～80.36%、Cr 的去除率达到14.49%～45.55%，而土壤中Cd 最大去除率达到4.7%，Cr 最大去除率则为2.9%。其作用机理为：细胞壁上的活性基团（如巯基、羧基、羟基等）与Cd、Cr 发生反应生成不溶性物质或沉淀。

由此可见，微生物修复中使用的真菌（如平菇、鸡腿菇等），可收割菌体降低土壤重金属含量。真菌细胞的官能团（如巯基、羧基、羟基等）与重金属离子相结合生成不溶性物质或沉淀，同时真菌的细胞壁还可以吸附重金属。

2.3 植物联合技术的应用

为克服单一微生物修复重金属污染的局限性，微生物和植物联合修复技术得到了广泛应用。该技术将植物修复技术和微生物修复技术共同应用于重金属土壤修复中，即借助植物的吸收作用与微生物的代谢作用去除土壤中的重金属元素。植物的光合作用、根系分泌物、落叶残体都可以为微生物提供营养物质[5]，而微生物可以活化重金属，帮助植物从土壤中吸收有益元素。例如烟草根际+荧光假单胞菌可以提高烟草根系活力；油菜+芽孢杆菌，可以提高油菜对镉的吸收；小麦+假单胞菌，能够将铅元素转化为不易被吸收的形态。下文以伴矿景天、东南景天、蜈蚣草为例展开探讨。

针对伴矿景天+根菌研究，首先去除土壤中大部分重金属，并增加微生物菌剂，然后栽种植物伴矿景天，进而探究重金属的去除率。通常情况下，在一定的重金属浓度范围内，伴矿景天的生物量与重金属浓度的变化呈正相关。同时，去除土壤中重金属元素容易流失掉氮、磷、钾等营养元素，因而可以通过增加根菌观察伴矿景天的生物量。实验证明伴矿景天的生物量得到增加，范围为6.9%～38.5%，重金属去除率得到提高，范围为9.2%～20.9%，同时伴矿景天植物内部重金属的含量也有所增加，范围为3.4%～53.7%。由此可见，根瘤菌可以促进伴矿景天的生长和对重金属的吸收。此外，伴矿景天还可以富集重金属Pb、Cd、Zn、Cu，伴矿景天根部富集Pb、Cu，系数可达0.5。并且，伴矿景天根部、地上部分都可以积累Cd、Zn，其中Zn 在地上部分的含量比根部含量多，其转移系数大于1,伴矿景天对Zn 具有较强的转运能力[6]。

针对东南景天+内生细菌SaMR12 的研究，东南景天可以通过分泌有机酸对Cd 重金属进行活化与富集，借助Cd 特异性转移蛋白进行有效态Cd 的吸收。其中添加内生细菌SaMR12 可以不断刺激东南景天分泌有机酸，从而促进以上反应的进行，提高东南景天对Cd 的提取量与去除率，实验证明Cd 的提取量从330.13 mg 增加到947.84 mg，去除率从5.1%提高至14.39%。

3 结语

综上所述，重金属毒性较强，且具有蓄积性特质，会对生物造成严重伤害，因此，重金属土壤污染的修复显得尤为重要。在众多修复技术中，微生物技术较为环保、高效，具有广阔的应用前景。通过微生物的代谢特性和生态系统的自我修复能力，能够有效降低土壤中重金属元素的含量，同时也可以促进土壤健康和植物生长。因而，深入研究微生物技术在重金属污染土壤修复中的作用机制，探索更加有效的修复方法，具有重要意义。