張含含,宮春杰

(湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院,湖北 武漢 430068)

1 我國土壤污染概況

1.1 土壤污染現(xiàn)狀

目前，我國土壤污染形勢較為嚴(yán)峻，土壤污染主要分為三種類型：氮磷污染土壤、重金屬污染土壤和有機(jī)物污染土壤。(1)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，過量地施加肥料會(huì)導(dǎo)致土壤中氮素、磷素含量升高，這會(huì)造成土壤質(zhì)量受損退化。(2)土壤重金屬污染是由于在工業(yè)生產(chǎn)中大量地使用重金屬鹽，其中包括工業(yè)排放的廢水、廢渣，汽車廢氣的沉降以及農(nóng)藥污染等。重金屬元素如汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛 (Pb)、鉻(Cr)等元素在土壤中過量沉積都會(huì)導(dǎo)致土壤污染。(3)土壤有機(jī)污染是由有毒有害有機(jī)物的大量使用造成的，如有機(jī)農(nóng)藥、三氯乙醛、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、石油、甲烷等均會(huì)污染土壤。土壤有機(jī)污染與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)都有一定的關(guān)系，過量使用有機(jī)化學(xué)農(nóng)藥、排放工業(yè)廢水、廢渣等是一大主因[1]。

1.2 土壤污染特點(diǎn)

土壤污染類型雖然有多種不同的類型，但它們都具有相似特征，例如：土壤污染都難以修復(fù)，僅僅依靠斷絕污染源不會(huì)有明顯的效果。由于重金屬污染物難以被降解，也就表示只要土壤被重金屬污染，在短短的時(shí)間內(nèi)是不可能被修復(fù)的損害，需要消耗很大的人力精力財(cái)力，才能修復(fù)污染。土壤污染也具有不均勻性，也就是各地土壤性質(zhì)各不相同，而且污染物在土壤中的分布和遷移均不是有規(guī)律可循的，所以污染物在土壤的分布具有不均勻性。我們通過檢測來確定土壤的性質(zhì)一般都是在土壤被污染后才進(jìn)行的，因?yàn)楹茈y在土壤污染一開始時(shí)就確定土壤污染的性質(zhì)。因?yàn)榕c大氣、水體相比較來說，土壤污染有容易擴(kuò)散、稀釋和遷移不規(guī)律的特點(diǎn)。土壤中的污染物會(huì)一直累積，逐漸的增多，所以說土壤污染具有隱蔽和滯后的特點(diǎn)[1]。

2 修復(fù)土壤的低溫微生物

2.1 低溫生態(tài)系統(tǒng)

地球有著非常復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，在不同的氣候環(huán)境中有著多種多樣的生態(tài)群落。從整體來看，全球有著廣泛的低溫環(huán)境系統(tǒng)，例如南北兩極、高原、冰川、凍土等。兩極的地理位置決定了其嚴(yán)寒的氣候,正是由于極度嚴(yán)寒的氣候,使得兩極被冰雪覆蓋,因而形成了獨(dú)具特色的景觀。同時(shí)，那里人跡罕至,因此留下了極其豐富的礦產(chǎn)資源及生物資源，吸引了世界各地的科學(xué)家對兩極展開考察研究。如今科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些生存于兩極的低溫微生物，如南極的變形菌門Pseudomonasflourescens[2]和Pseudomonasyringae[3]。青藏高原是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，其平均海拔超過4000m。青藏高原高寒、缺氧、降水少、日照長、輻射強(qiáng)，也因此形成了非常特殊的自然環(huán)境。作為亞歐大陸最高大的地貌單元，青藏高原對全球氣候變化十分敏感，因此也在全球氣候變化中承擔(dān)著非常重要的角色。再如，獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)冰川和凍土，其低溫、寡營養(yǎng)的環(huán)境特點(diǎn)為生命和生命大分子提供了較為適宜的保藏環(huán)境，此極端環(huán)境被稱作是研究地球環(huán)境演化及宇宙生命進(jìn)化等重大問題的天然寶藏。因而我們對這一特殊生態(tài)系統(tǒng)中微生物的研究可以幫助人們尋找有利的嗜冷微生物。

2.2 低溫微生物

在低溫氣候環(huán)境下新陳代謝能夠正常進(jìn)行的微生物被稱為低溫微生物，低溫微生物主要可以分為兩大種類，分別是耐冷菌和嗜冷菌。耐冷菌和嗜冷菌對低溫環(huán)境中的物質(zhì)循環(huán)和降解起著很大的作用，將低溫微生物應(yīng)用于土壤污染治理可以很大程度地提高修復(fù)低溫環(huán)境中土壤的質(zhì)量和效率。其中屬于低溫微生物的嗜冷菌生長繁殖溫度要低于20℃，0～15℃是其最適宜的生長溫度，嗜冷菌在 0℃下也可以生存。低溫微生物中的另外一類，耐冷菌在溫度低于20℃下可以生長繁殖，最適宜其生長的溫度是15℃，并且在0～5℃可以存活。耐冷菌比嗜冷菌更能適應(yīng)環(huán)境的變化，在短暫的溫度波動(dòng)下耐冷菌依然可以很好的生存，耐冷菌比嗜冷菌的分布范圍更加廣泛，所以在常年寒冷或不穩(wěn)定的低溫環(huán)境中可以篩選到嗜冷菌[4]。

3 微生物土壤修復(fù)研究3.1 解磷微生物的研究

3.1.1 供氧機(jī)制影響低溫解磷微生物修復(fù)土壤

鄒海明等人[5]在對低溫環(huán)境下聚磷微生物的富集馴化研究中針對低溫環(huán)境下生物強(qiáng)化除磷工藝的啟動(dòng)與運(yùn)行，研究了厭氧-好氧和厭氧-缺氧兩種模式富集馴化好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌的效果。研究結(jié)果表明，以城市污水處理廠活性污泥為接種污泥的實(shí)驗(yàn)中，在8～11℃的低溫環(huán)境下能夠很好地富集馴化好氧和反硝化聚磷菌。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，厭氧-好氧反應(yīng)器處理磷的效率高于厭氧-缺氧反應(yīng)器。好氧聚磷菌在缺氧的條件下，以硝酸鹽作為電子受體吸收磷的能力要弱于反硝化聚磷菌在氧氣充足的條件下，以氧作為電子的受體吸收磷的能力。

3.1.2 pH影響低溫解磷微生物修復(fù)土壤

pH是生物除磷效率的一個(gè)重要影響因素。pH值的改變會(huì)使細(xì)胞膜的電荷發(fā)生改變，從而會(huì)使新陳代謝過程中的酶的活性受到影響，還會(huì)影響到微生物吸收和利用營養(yǎng)物質(zhì)。如果生物除磷系統(tǒng)的pH發(fā)生改變，會(huì)引起活性污泥的微生物種群生長情況的明顯改變。因?yàn)槿珖鞯赝寥拉h(huán)境不盡相同，而且各地土壤的pH值也各不相同，因此加大了土壤生物處理工藝的難度。而且在低溫條件下運(yùn)行的生物除磷系統(tǒng)的性能波動(dòng)很大，其性能也會(huì)隨著土壤中不同的pH值的變化而變化。因此研究在不同的pH值條件下生物除磷系統(tǒng)的聚磷菌生長代謝特征和種群結(jié)構(gòu)的不同，即低溫條件下pH值對生物除磷性能的影響具有重要意義。李楠等人[6]在pH對低溫除磷微生物種群與聚磷菌代謝的影響研究中通過靜態(tài)試驗(yàn)檢測了在低溫條件下不同的pH值對聚磷菌生長代謝的影響，并比較長時(shí)間生存于不同pH值下的生物除磷反應(yīng)器的性能和微生物群落結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總體分析比較了pH值對低溫微生物除磷性能的影響。

研究結(jié)果表明在低溫生物除磷系統(tǒng)中，生物除磷的性能、微生物種群結(jié)構(gòu)以及聚磷菌的生長代謝都會(huì)因?yàn)閜H值的變化而受到影響。如果生物除磷反應(yīng)器長期運(yùn)行于酸性條件下(pH值=6)時(shí)，其去除磷酸鹽的性能會(huì)大大降低。聚磷菌大量存在于活性污泥中，其在活性污泥中的含量在60%左右，因此其種群結(jié)構(gòu)占有很大的優(yōu)勢。當(dāng)其運(yùn)行在中性(pH值=7)或弱堿性(pH值=8)條件下的生物除磷反應(yīng)器中時(shí)，聚磷菌的厭氧釋磷性能會(huì)隨著pH值的升高而提高。當(dāng)pH值在6到8之間變化時(shí)，pH值的升高會(huì)加強(qiáng)聚磷菌對乙酸吸收，而且Polyhydroxybutyrate(PHB)的合成也隨之加強(qiáng)，但是pH值高達(dá)8.5時(shí)，用于分解釋放聚磷酸鹽的能量大多都用于克服 △φ，導(dǎo)致用于提供Polyhydroxybutyrate(PHB)合成的能量不足，從而對好氧段磷的吸收造成抑制。過高或過低的pH值都不利于生物除磷的進(jìn)行，會(huì)大大降低生物除磷的效率。最適宜低溫微生物除磷反應(yīng)器運(yùn)行的pH值范圍是7～8[6]。

3.2 重金屬降解菌的研究

3.2.1 重金屬污染概況

受到重金屬離子污染的土壤由于有很大毒性且難以降解,常常被認(rèn)為是第一類污染物。震驚世界的日本“水俁病”就是汞污染所導(dǎo)致的，而“骨疼病”則是鎘污染引起的[7]。環(huán)境污染方面所說的重金屬,主要是指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等具有生物毒性的重金屬,也指鋅、銅 、鈷 、鎳 、錫等具有一定毒性的一般重金屬。由于近年來工農(nóng)業(yè)廢棄物和城市生活垃圾劇增，以及農(nóng)藥和化肥的大量使用,對人類賴以生存的土壤環(huán)境造成了嚴(yán)重的重金屬污染,并且污染情況越來越嚴(yán)重,所以對重金屬污染的治理刻不容緩。 低溫下重金屬污染的微生物修復(fù)機(jī)制是利用微生物的生物活性對重金屬有親合吸附效果或?qū)⒅亟饘俎D(zhuǎn)化為低毒物質(zhì)的方法,從而達(dá)到降低土壤重金屬污染的目的。

3.2.2 微生物降解重金屬污染研究

長期受到某種重金屬污染的土壤里存在有很多可以在重金屬污染環(huán)境中生長繁殖，甚至能修復(fù)土壤重金屬污染的耐冷微生物種群。土壤里存在多種多樣的可以還原鉻酸鹽和重鉻酸鹽的微生物,如產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、棒桿菌(Corynebacterium)、腸桿菌屬(Enterobacteiaceae)、假單胞菌屬(Pseudomonas)和微球菌屬(Micrococcus)等[7],這些微生物可以把高毒性的Cr6+還原為低毒性的 Cr3+。重金屬具有強(qiáng)烈的毒性作用而且它會(huì)通過食物鏈逐漸積累，從而會(huì)引起嚴(yán)重的生物健康和生態(tài)環(huán)境問題。近年來,生物修復(fù)技術(shù)受到廣泛的關(guān)注，其應(yīng)用于修復(fù)土壤的重金屬污染。Minamisawa[8]等證明處理廢水中重金屬經(jīng)濟(jì)有效的方法是利用生物材料。Yasemin Kacar[9]等利用包埋固定后的白腐真菌(Phanerochaetechrysosporium)對 Hg2+和 Cd2+進(jìn)行吸附的實(shí)驗(yàn)中指出溫度在15～45 ℃之間變化時(shí),其生物吸附能力沒有明顯改變。因此,Phanerochaetechrysosporium在低溫重金屬修復(fù)方面具有較好的應(yīng)用前景和生態(tài)效益。季秀玲等[7]基于在日本京都大學(xué)的部分研究成果，在利用低溫微生物進(jìn)行環(huán)境污染的研究中，運(yùn)用低溫微生物進(jìn)行重金屬污染廢水的治理工作。目前，多株低溫微生物從污染的廢水中被分離出來，并觀察了它們對Zn2+的耐受性,研究結(jié)果表明混合菌對Zn2+的耐受性大多可達(dá)到 800 mg/L,其中一株菌株可高產(chǎn)蛋白酶,且表現(xiàn)出高達(dá)900 mg/L的Zn2+耐受性,并表現(xiàn)出15℃溫度條件下良好的長勢。因此,從受到重金屬污染的土壤和水體等低溫環(huán)境中篩選和馴化對重金屬具有富集和解毒功能的高活性耐冷菌,再結(jié)合固定化等工藝,就可以有效地解決廣大寒冷地區(qū)的重金屬污染問題,同時(shí)不會(huì)給環(huán)境帶來二次污染,有效地修復(fù)和保護(hù)了環(huán)境，符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。修復(fù)重金屬污染的低溫微生物在處理低濃度和大面積污染等方面已經(jīng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢,可以預(yù)見其具有非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)前景。

3.3 降解有機(jī)污染物微生物的研究

芳香烴類化合物是指苯及苯的衍生物，比如甲苯等物質(zhì)。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，由于芳香烴類化合物自身所具有的合成屬性，其很難被一般的微生物降解。因此就對人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了不良影響。但是通過有關(guān)學(xué)者以及科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)這類化合物能夠被一些微生物所降解。如churchail分離出的一種可以有效降低三環(huán)，四環(huán)芳香脂肪烴類化合物的分枝桿菌Mycobacterium。在污染條件下，它的降解基因可以進(jìn)行有效的表達(dá)，從而加強(qiáng)芳香烴類的降解能力[10]。

3.3.1 對石油烴類物質(zhì)的降解

在我國北方地區(qū)，冬季溫度極低，低溫嚴(yán)重地降低了降解油烴類微生物對石油的降解吸收效果。全球常年低于5℃的低溫地區(qū)不少于生物圈的80%，因而利用低溫微生物治理寒冷地區(qū)的石油污染，已引起廣大科學(xué)家們的研究興趣。因?yàn)槭蜔N類污染物中含有的物質(zhì)，大多都不溶于水，在低溫條件下這些物質(zhì)通常以固態(tài)形式存在。而中溫微生物在低溫條件下不能發(fā)揮作用，因此加大了降解污染的難度。而早在20世紀(jì)80年代就有科學(xué)家從土壤、淡水和海洋系統(tǒng)中分離出耐低溫的微生物，它們能廣泛利用自然環(huán)境中各種各樣的石油烴類污染物，并將其作為碳源使用。鄭洲[11]等從385株南極海洋細(xì)菌中篩選出2株石油烴降解菌 NJ276(Pseudoalteromonas)和NJ341(Colwellia)。以柴油作為唯一碳源進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這兩株菌在低溫下均具有良好的降解效果。李兵[12]等從遼河油田低溫石油樣品中篩選得到1株低溫石油烴降解菌，經(jīng)鑒定為嗜麥芽窄食單胞菌(Stenotrophomonasmaltophiliav)。該菌不僅降解石油有良好的效果，而且具有穩(wěn)定的遺傳特性。將該菌在最適宜其生長的溫度下培養(yǎng)10天，發(fā)現(xiàn)石油中的C15～C34長鏈烷烴被完全降解，其對石油的降解效率高達(dá)80.16%。王紅旗等人[13]以石油為唯一碳源，從大港石油污染土壤中篩選得到2株耐低溫高效石油降解菌，分別是副球菌和鹽單孢菌，研究發(fā)現(xiàn)這兩株菌也具有良好的石油降解特性。以原油作為唯一的碳源培養(yǎng)20天，其降解效率可達(dá)40%～50%。

3.3.2 對芳香烴類廢水的降解

芳香烴類化合物包括苯及其衍生物，如苯酚、甲苯、萘、菲等。一般的，微生物都難以降解這些物質(zhì)。但仍有研究表明分離純化出了能夠降解該類污染物且具有較高降解性能的耐冷菌。Chauret等[14]篩選出可發(fā)揮反硝化作用的耐冷細(xì)菌Pseudomonasfluorescens，其在低于10℃的溫度條件下依然可以降解鄰苯二甲酸。Robert等[15]分離到1株耐低溫微生物，其能夠降解高分子多環(huán)芳香烴。Margesin 等[16]在含有烴類污染物的高山土壤里分離得到4株耐冷微生物，2株Rhodococcussp.，2株Basidiomycetousyeasts，都是可降解高含量苯酚的微生物。其中從屬于繡菌綱的1株酵母菌是一個(gè)新型的物種，在1℃時(shí)降解含量為 5 mM 的苯酚，當(dāng)溫度高于20℃時(shí)不能生長，其降解苯酚的速率高于普通耐冷細(xì)菌在10℃時(shí)的降解速率。

3.3.3 對氯酚類廢水的降解

氯酚類物質(zhì)是廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、防腐和造紙工業(yè)中的化工原料，具有抗菌和消毒的作用，是一種水溶性很高且難以被降解的有機(jī)物。這類物質(zhì)會(huì)引起許多河流、土壤等自然生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的污染。大量研究發(fā)現(xiàn)，耐冷菌中的一些菌種如Pseudomonas putida CPI[17]能夠降解存在于土壤和水體中的2-氯酚。Jarvinen等[18]從地下水中分離純化出的一種低溫菌能夠高效降解氯酚類物質(zhì)。將其應(yīng)用于好氧流化床反應(yīng)器中觀察其在低溫條件下氯酚的降解效果。結(jié)果表明，在5～7℃低溫條件下，使用740mg/(L·d)氯酚負(fù)荷時(shí)，能夠降解99.9%的氯酚類物質(zhì)。通過比較可知該低溫系統(tǒng)比中溫系統(tǒng)更具有經(jīng)濟(jì)效益。Zilouti等[19]從受到五氯苯酚污染和農(nóng)藥污染的土壤中分離純化出幾株能夠高效降解氯酚的耐冷微生物。將其接種到流化床和生物反應(yīng)器中，觀察其對氯酚污染水的凈化效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這2種方法對氯酚的降解率均能高達(dá)到99%以上。

4 研究展望

地球上大部分的生態(tài)環(huán)境溫度均低于 5℃，這些環(huán)境中生存著大量的微生物，這些微生物長期生存于低溫環(huán)境中，被馴化出能夠適應(yīng)低溫環(huán)境的分子機(jī)制。這類微生物是地球生物圈的重要組成成分，與生態(tài)環(huán)境相互影響、相互依存，關(guān)聯(lián)著整個(gè)生態(tài)環(huán)境的變化，并且在環(huán)境工程中起著重要的作用。例如治理土壤污染及石油污染等。其中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和馴化的低溫微生物被應(yīng)用于各個(gè)類型的土壤修復(fù)中，它們分解代謝的途徑各不相同，但都有顯著的修復(fù)效果。目前，低溫微生物抗低溫的分子機(jī)制還沒有被完全解析出來。近幾年來世界各地的科學(xué)家越來越重視研究低溫微生物，低溫微生物可研究的領(lǐng)域也越來越廣泛。我們相信隨著低溫微生物研究的不斷深入和生物工程技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，對微生物土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛和深入。