鮑廣靈，陶榮浩，楊慶波，胡含秀，李 丁，馬友華

（1農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036；2蕪湖格豐環(huán)?？萍佳芯吭河邢薰?，安徽蕪湖 241080）

0 引言

隨著農(nóng)田周邊礦物資源大量開采、濫用各種農(nóng)殘留藥品以及化工企業(yè)非法排放工業(yè)廢水，造成土壤中重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)[1-2]。面對當(dāng)前農(nóng)田土壤重金屬大量積累的嚴(yán)峻形勢，如何治理土壤污染成為了關(guān)鍵[3-5]。目前，主要從生物、化學(xué)、物理3個方面對土壤進(jìn)行修復(fù)[6]。物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)，施用成本高，修復(fù)效率低，造成當(dāng)?shù)剞r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)紊亂[7]，而生物修復(fù)技術(shù)修復(fù)效果好、修復(fù)成本低、環(huán)境干擾小，無二次污染[8]，是今后環(huán)境污染治理中研究和應(yīng)用的熱點[9]，其中微生物因其存活率高，生長周期短，施用成本較低，并能提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10]，對于土壤重金屬污染問題，采用微生物修復(fù)方式，可以有效修復(fù)農(nóng)田土壤[11-14]，已成為治理土壤重金屬污染研究的熱門話題[15]。

本文對微生物修復(fù)土壤重金屬作用機(jī)制進(jìn)行了闡述，歸納了修復(fù)土壤污染功能的微生物種類和其修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果，以期為微生物修復(fù)土壤重金屬提供參考。

1 微生物修復(fù)作用機(jī)制

微生物通過自身代謝影響土壤微生物的遷移率，改變土壤重金屬離子價態(tài)，減少重金屬毒害作用以達(dá)到修復(fù)農(nóng)田土壤的目的。微生物修復(fù)主要有2種方式：一種方式為微生物的吸附作用；另一種方式為微生物的轉(zhuǎn)化作用。

1.1 微生物的吸附作用

該作用主要是指利用微生物對農(nóng)田土壤重金屬的吸附作用，使得土壤重金屬的形態(tài)特征發(fā)生改變，或降低生物可利用率，減少重金屬毒害作用[16]。土壤微生物之所以能夠吸附土壤重金屬，主要原因是由于部分化學(xué)基團(tuán)（細(xì)胞壁表面）絡(luò)合作用及配位作用能與重金屬離子形成化合鍵[17]。目前，土壤中絕大部分微生物主要表現(xiàn)為電負(fù)性，這樣的微生物更有利于吸附重金屬離子。Chen等[18]研究發(fā)現(xiàn)釀酒酵母在吸附金屬離子方面表現(xiàn)出不同的能力差異，其中釀酒酵母對金屬離子Pb2+表現(xiàn)出的吸附能力最強。畢娜等[19]發(fā)現(xiàn)土壤Cd2+污染篩選出微生物，可以有效吸附土壤Cd2+。柴新義等[20]發(fā)現(xiàn)銅礦土壤中篩選出的微生物，對Cu2+具有很強的吸附性。Kinoshita等[21]發(fā)現(xiàn)微生物可以吸附鉛離子、砷離子、銅離子、汞離子。Li等[22]發(fā)現(xiàn)微生物可以吸附銀離子。Tunali等[23]報道頭孢菌能夠有效吸附Pb2+，并且頭孢菌對Pb2+的吸附量在一定范圍內(nèi)隨著pH的變化而變化。微生物吸附狀態(tài)受自身特性、重金屬種類以及外界其他因素影響[24]。

1.2 微生物對生物轉(zhuǎn)化作用

該作用主要是指微生物通過某些化學(xué)反應(yīng)，使重金屬離子的穩(wěn)定狀態(tài)和絡(luò)合狀態(tài)隨價態(tài)發(fā)生變化而改變，將高價態(tài)的金屬離子轉(zhuǎn)化為低價態(tài)金屬離子，最后減少土壤重金屬離子的毒性[25]。Robinson等[26]發(fā)現(xiàn)土壤微生物具有轉(zhuǎn)化重金屬的能力，可以將高價態(tài)轉(zhuǎn)為低價態(tài)減少重金屬毒害。Barton等[27]發(fā)現(xiàn)微生物可以將有毒狀態(tài)的硒、鉛轉(zhuǎn)化無毒狀態(tài)。李韻詩等[28]發(fā)現(xiàn)微生物通過轉(zhuǎn)化作用可以使土壤有毒的重金屬離子變成無毒狀態(tài)。安鳳秋等[29]發(fā)現(xiàn)微生物通過轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以降低鐵離子、錳離子、砷離子的活性，減少對農(nóng)田的毒害。絕大部分土壤重金屬能通過微生物進(jìn)行遷移、轉(zhuǎn)化，這其中去甲基化則是很關(guān)鍵的一個過程。如土壤重金屬As污染的生物毒性功能被降低主要由于去甲基化反應(yīng)[30]。Kamaludeen等[31]研究發(fā)現(xiàn)只有在微生物的干預(yù)下，土壤重金屬元素才能發(fā)生去甲基化反應(yīng)，土壤微生物通過酶促反應(yīng)將Cr4+還原成Cr3+，使鉻離子毒性降低，最終修復(fù)農(nóng)田土壤，減少其毒害作用。

2 微生物聯(lián)合修復(fù)效果

微生物能通過單一修復(fù)技術(shù)進(jìn)行修復(fù)土壤重金屬污染，但修復(fù)效果并不顯著，因此采用微生物與其他修復(fù)技術(shù)聯(lián)合的方式，可以增強農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)效果。

2.1 微生物與生物炭聯(lián)合修復(fù)

該作用主要是在重金屬污染的土壤上將微生物與生物炭進(jìn)行充分混勻，利用生物炭自身特性使土壤變得蓬松，為微生物提供更多的生存空間[32]，之后通過微生物對農(nóng)田土壤重金屬的吸附作用，最終修復(fù)農(nóng)田土壤。郁倩文等[33]通過將不同的微生物與生物炭進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)處理，發(fā)現(xiàn)生物炭與微生物的聯(lián)合作用能有效抑制土壤重金屬的生物可利用性，進(jìn)而修復(fù)重金屬污染土壤。戚鑫等[34]研究了微生物與生物炭的聯(lián)合修復(fù)對土壤鎘、鈾的鈍化效果，研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合修復(fù)能有效降低土壤重金屬含量，對土壤鈍化效果十分顯著。Waqas等[35]探討了真菌和生物炭聯(lián)合修復(fù)農(nóng)田重金屬，可以有效降低大豆對土壤重金屬的吸收作用。微生物與生物炭聯(lián)合使用能有效修復(fù)受重金屬污染的土壤，但可能也會帶來潛在的安全風(fēng)險，由于部分生物炭自身就攜帶重金屬，如何回收這部分重金屬目前尚在研究中[36]。

2.2 微生物與植物聯(lián)合修復(fù)

在眾多重金屬污染的治理方法中，植物修復(fù)污染的土壤具有修復(fù)效果好、維持生態(tài)環(huán)境的優(yōu)勢。但是單一植物修復(fù)土壤重金屬最明顯的缺點為植物生長速度慢、修復(fù)年限長、生物量較小，進(jìn)而導(dǎo)致修復(fù)重金屬效果不顯著，因此采取將植物與微生物聯(lián)合修復(fù)的手段，可以提高微生物修復(fù)土壤重金屬污染的效率。朱治強等[37]在以土壤鎘與有機(jī)氯農(nóng)藥復(fù)合污染的農(nóng)田土壤背景下，將東南景天植物與有機(jī)氯農(nóng)藥(DDT)降解菌進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)，結(jié)果表明在微生物-植物聯(lián)合作用下能使土壤重金屬Cd和DDs含量降低。魏睿等[38]通過將植物與微生物聯(lián)合修復(fù)受農(nóng)藥污染的土壤，研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合修復(fù)能夠減少土壤污染物質(zhì)，最終修復(fù)農(nóng)田土壤。劉衛(wèi)敏[39]通過盆栽實驗得出植物和微生物以及土壤改良多種方式聯(lián)合修復(fù)能降低受污染土壤重金屬的含量。韓惠珊等[40]指出將植物與耐銅微生物聯(lián)合作用可以修復(fù)銅污染的土壤。

2.2.1 植物-農(nóng)田土壤根際微生物聯(lián)合修復(fù) 研究表明，根際微生物一方面通過呼吸系統(tǒng)釋放出CO2溶解難溶物質(zhì)，使植物更好的吸收礦物元素；另一方面通過分泌植物激素，使植物快速生長[41]。同時一些土壤根際微生物在適當(dāng)環(huán)境中，也可以通過自身代謝系統(tǒng)分泌出代謝產(chǎn)物導(dǎo)致土壤重金屬含量降低[32-33]。馬新攀等[44]將趨磁細(xì)菌加入受重金屬污染的土壤，再種上銅草，30天后將銅草除去，研究發(fā)現(xiàn)銅草除去后的土壤重金屬含量符合國家土壤污染安全標(biāo)準(zhǔn)。周妍等[45]通過溫室盆栽實驗研究紫苜蓿與不同的微生物菌落聯(lián)合修復(fù)多環(huán)芳香烴污染的土壤，結(jié)果表明紫苜蓿與根瘤菌（細(xì)菌微生物）聯(lián)合修復(fù)土壤多環(huán)芳香烴污染污染效果最好，多環(huán)芳香烴污染降低率最大。為以后進(jìn)一步降解受PAHs污染的土壤指明了方向。

2.2.2 植物-菌根真菌微生物聯(lián)合修復(fù) 研究表明，植物一方面可以通過土壤重金屬富集作用進(jìn)行重金屬離子胞外配位反應(yīng)，另一方面也可以通過自身代謝釋放代謝物質(zhì)與重金屬進(jìn)行贅合作用，使土壤重金屬的生物利用率被提升[46]。羅巧玉等[47]將AM真菌與宿主植物進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)作用，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合作用能夠有效提升植物對受脅迫Cd、Zn的忍耐性和吸收量。研究發(fā)現(xiàn)，菌根真菌植物聯(lián)合作用后，植物對重金屬的吸收效率發(fā)生改變，間接降低土壤重金屬含量[48]。

2.3 微生物-植物-納米材料聯(lián)合修復(fù)

該作用是在農(nóng)田中將微生物、植物以及納米材料放一起進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)作用，利用三者之間的吸附功能，以及微生物和植物的轉(zhuǎn)運功能，使重金屬全部積累到植物內(nèi)，最終修復(fù)農(nóng)田土壤。婁晨等[49]通過將微生物-植物-納米材料進(jìn)行聯(lián)合作用修復(fù)土壤鎘污染，研究表明三者聯(lián)合修復(fù)能夠降低土壤中鎘含量。當(dāng)前，微生物-植物-納米材料聯(lián)合修復(fù)逐漸被關(guān)注，但微生物的安全利用性與植物生存、納米材料的有效使用方面，目前研究尚淺，有待進(jìn)一步完善[50]。

3 不同種類微生物修復(fù)效果

研究表明，農(nóng)田土壤主要組成成分為空氣、水分、微生物及其他物質(zhì)。土壤中含有大量的微生物，其中真菌和細(xì)菌占了整個微生物群落很大比重。現(xiàn)對細(xì)菌微生物和真菌微生物修復(fù)農(nóng)田土壤進(jìn)行闡述。

3.1 細(xì)菌

當(dāng)前，土壤絕大多數(shù)細(xì)菌具有很好的酶降解系統(tǒng)，能夠有效降解受污染土壤中的酶，使土壤形態(tài)特征發(fā)生變化，最終達(dá)到修復(fù)效果。常用的細(xì)菌微生物，主要有芽抱桿菌(Bacillussp)、弗蘭克氏菌(Rhizobium Frauk)、球菌(LVlicrococcus)等，這些微生物常被用于研究耐受重金屬。Sinha等[51]研究發(fā)現(xiàn)，將能滲出鐵載體的根際促生菌(PseudomonasaeruginosaKUCd1)被接種后，可以降低西葫蘆里的鎘含量，有效預(yù)防了西葫蘆被高濃度鎘毒害的現(xiàn)象。Li等[52]報道了在土壤鎘濃度很高的背景下，研究發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌H3與新根瘤菌屬T1-17使水溶性鎘含量降低80%～95%。Kaewchai等[53]報道了銅綠假單胞菌對土壤重金屬鉻的耐受性，在一定時間范圍內(nèi)，隨著銅綠假單胞菌接種時間的增加，微生物的耐受性在逐漸增強。大約在接種銅綠假單胞菌10天左右，有超過90%菌種能耐重金屬。

3.2 真菌

叢生菌根(Arbuscularmycorrhizae)、黑曲霉(AsperR-illusuiR-er)、球囊霉(Glomusspp.)等[54]真菌微生物常被用于研究耐受重金屬。Liu等[55]報道了大漏斗菌(Clitocybemaxima)對植被吸收重金屬Cd、Cu有促進(jìn)作用，當(dāng)土壤重金屬含量很低時，修復(fù)效果則更加明顯。黃成濤等[56]報道了香根草與耐鉛鎘真菌Q7的修復(fù)作用，發(fā)現(xiàn)耐鉛鎘真菌Q7可以促進(jìn)植物對鉛鎘的富集，修復(fù)農(nóng)田土壤。Siegel等[57]發(fā)現(xiàn)真菌可以通過自身分泌出的代謝產(chǎn)物，使重金屬元素以及其礦物元素溶解。Mishra等[58]通過盆栽試驗，研究發(fā)現(xiàn)AM真菌能產(chǎn)生鐵載體促進(jìn)高粱等植物吸收Fe3+離子，修復(fù)土壤污染。Joner[59]等發(fā)現(xiàn)叢枝菌根真菌能夠吸附農(nóng)田土壤中一半以上的重金屬元素。王玲等[60]研究也發(fā)現(xiàn)了叢枝菌根真菌表面含有大量基團(tuán)能夠吸附土壤重金屬元素，能有效降低土壤中重金屬含量。

4 微生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

4.1 固定化微生物修復(fù)技術(shù)

固定化微生物修復(fù)土壤重金屬污染技術(shù)主要通過物理、化學(xué)方式將游離在土壤中微生物限定在一定范圍內(nèi)同時維持微生物活性[61]，從而修復(fù)農(nóng)田土壤的一種技術(shù)。固定化微生物修復(fù)土壤重金屬污染技術(shù)具有增加微生物密度，減少流失，加快反應(yīng)速率，維持反應(yīng)穩(wěn)定性[62-64]。表1為固定化微生物修復(fù)技術(shù)方法比較[66]。目前，包埋法、吸附法是固定化微生物修復(fù)土壤重金屬污染技術(shù)最常用的2種方法[65]。

表1 固定化微生物修復(fù)技術(shù)方法比較

戚鑫等[67]報道了固定化微生物對土壤鎘、鈾的修復(fù)影響，研究發(fā)現(xiàn)固定化微生物能夠較好地修復(fù)農(nóng)田土壤，而且應(yīng)用前景廣闊。

固定化微生物修復(fù)該技術(shù)優(yōu)勢：保護(hù)土壤中微生物不被外界干擾；有效提升酶活性；有效縮短微生物遲滯期；提高土壤污染物的降解率。其技術(shù)缺點：影響因素多（土壤微生物種類、固定化時間長短、傳質(zhì)速率）；目前僅局限于實驗室，無法實用于大田試驗中。

4.2 微生物淋濾修復(fù)技術(shù)

該技術(shù)主要利用浸礦微生物的自身代謝過程，將土壤中難溶解的重金屬氧化還原成可溶解的重金屬鹽使得土壤重金屬被浸提出來，進(jìn)而修復(fù)土壤重金屬。Yang等[68]報道了菌株Z-90被分離出來，通過微生物淋濾技術(shù)，能有效降低土壤中重金屬。張瑞昌[69]通過耦合方式除去土壤中存在的重金屬，顯著提高土壤重金屬的去除率，有效降低土壤重金屬Cu、Cd、Zn、Fe含量。鄒塞等[70]通過生物淋濾試驗，發(fā)現(xiàn)有效提高土壤中重金屬鉛、銅、鋅溶出率，進(jìn)而降低重金屬含量。

微生物淋濾修復(fù)技術(shù)優(yōu)勢在于有效去除土壤中重金屬含量，經(jīng)微生物淋濾修復(fù)后的污泥可以達(dá)到我國土壤污染安全標(biāo)準(zhǔn)的要求；施用成本低；綠色無污染。其缺點表現(xiàn)在微生物淋濾時間過長；微生物淋濾修復(fù)技術(shù)需要使用特定的培養(yǎng)基進(jìn)行實驗；特定的培養(yǎng)基成本價格高，目前無法廣泛應(yīng)用。

4.3 微生物溶解修復(fù)技術(shù)

該技術(shù)主要利用微生物的代謝過程中分泌有機(jī)酸將土壤重金屬溶解[71]，降低重金屬含量，進(jìn)而治理修復(fù)污染土壤。Chanmugathas等[72]報道了在不同的養(yǎng)分中進(jìn)行微生物溶解修復(fù)土壤重金屬污染技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)土壤溶解的過程中有機(jī)酸被分泌絡(luò)合同時也使土壤中重金屬被溶解。Becerra等[73]研究發(fā)現(xiàn)難溶態(tài)Ni可以被解磷微生物溶解，降低重金屬污染。

該技術(shù)的優(yōu)勢為施用成本低，綠色環(huán)保，保護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡。其存在的缺點：微生物代謝過程無法產(chǎn)生大量的有機(jī)酸溶解重金屬，溶解修復(fù)時間長；目前僅局限于實驗室試驗，無法適用于大田試驗。

5 展望

微生物具有生長速度快、培養(yǎng)快、節(jié)約生產(chǎn)成本的特點，并能夠維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，與其它方法相比，微生物修復(fù)土壤重金屬具有良好生態(tài)綜合效益，在未來修復(fù)農(nóng)田土壤重金屬污染將發(fā)揮重要作用。但微生物修復(fù)土壤也存在著一些缺陷，比如修復(fù)時間很長，短時間內(nèi)很難見成效、修復(fù)結(jié)果不理想、難以運用到實際中，為充分發(fā)揮微生物修復(fù)土壤重金屬污染作用。應(yīng)開展以下工作：

（1）完善微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。目前，微生物、動物、植物、改良劑多為兩種技術(shù)聯(lián)合修復(fù)，可以深化強化聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，開展微生物-植物-改良劑-動物-農(nóng)藝措施多種技術(shù)修復(fù)盆栽試驗及大田示范試驗。

（2）尋求大面積應(yīng)用修復(fù)技術(shù)。微生物修復(fù)在大面積農(nóng)業(yè)方面具有很好的應(yīng)用前景，針對示范大田試驗推廣出相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)，進(jìn)行農(nóng)田土壤修復(fù)工作。

（3）優(yōu)勢菌種選取?？偨Y(jié)耐受重金屬微生物，進(jìn)行種類劃分，建立有關(guān)基因庫，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)篩選特定菌種，培養(yǎng)優(yōu)勢菌種。