宋麗新，王宇梅，要 媛，唐彬彬，艾 榮，賀 敏

（包頭市疾病預防控制中心，內蒙古 包頭 014030）

砷（As）作為普遍存在的一種類金屬元素，具有極強的致癌作用，砷元素通過食物鏈進入人體威脅人類的生命健康。砷通過巖石沉積物和含砷硫化物礦物的氧化釋放污染地下水和土壤［1］。據統(tǒng)計，中國約有230 萬人受砷污染的威脅，土壤砷濃度超過10 μg/L 的地區(qū)總面積為58 萬km2，大部分砷污染地區(qū)都屬于干旱或半干旱地區(qū)［2-5］。微生物在自然環(huán)境中無處不在，某些微生物可以利用砷化物維持生命［6］。利用微生物在砷污染土壤修復方面的潛力解決被砷污染土壤問題受到眾多研究者的關注。

1 砷的危害

土壤中砷的生物有效性、遷移性和毒性取決于土壤中砷結合形態(tài)及其分配比例。從化學形態(tài)來看，土壤中的砷以無機砷和有機砷的形式存在，無機砷以三價砷［As（Ⅲ）］和五價砷［As（Ⅴ）］為主，有機砷以甲基砷酸鹽（MMAs）、二甲基砷酸鹽（DMAs）為主。一般而言，有機砷的毒性小于無機砷，五價砷［As（Ⅴ）］的毒性小于三價砷［As（Ⅲ）］［7］。砷化物可經皮膚吸收后進入體內，長期接觸砷化物導致慢性砷中毒。無機砷通過抑制酶的活性影響身體和器官的功能，加大動脈粥樣硬化、高血壓、糖尿病的發(fā)病率，誘發(fā)皮膚系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、肝、膀胱、腎等器官系統(tǒng)的癌變［6-8］。此外，急性砷中毒常表現(xiàn)為消化道癥狀，如惡心、嘔吐、腹痛，同時伴有頭痛、幻覺、痙攣和昏迷等。嚴重者呼吸、循環(huán)、肝、腎功能衰竭導致休克甚至死亡。

2 土壤砷污染微生物修復

與其他污染物不同，砷會在環(huán)境中不斷積累無法降解，這主要是因為砷作為類金屬物質具有金屬的特性，在土壤中需較長時間降解［9］。土壤重金屬污染常用的去除方法及各種修復法的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 重金屬污染土壤修復方法比較

土壤微生物是地球污染物消納的凈化器。研究表明，微生物利用多種策略來對抗金屬的毒性作用，包括減少吸收、外排、細胞外或細胞內隔離或化學修飾［14］。微生物法去除砷通過新陳代謝（包括吸附作用、氧化還原作用、甲基化去甲基化作用）將外部環(huán)境中的砷化物作為能量來源，從而促進自身的生長，降低砷的生物毒性［14-18］。大多數報道的除砷微生物是從高砷環(huán)境中分離出來的，如水稻種植區(qū)，酸性礦山、金礦，砷污染的土壤、湖水或沉積物等，很少是從砷污染較少或不污染的環(huán)境中分離出來的。格魯德夫［19］在研究嗜酸的硫鐵氧化桿菌和厭氧的硫酸還原桿菌聯(lián)合處理含砷污染的土壤時發(fā)現(xiàn)，砷由表土層轉移到較深亞表層，并形成硫化砷沉淀降低了土壤中砷的含量。真菌在土壤重金屬修復中應用也較為廣泛，其中曲霉菌和青霉菌對重金屬耐受性較強，對如鎘（Cd）、砷（As）、鉻（Cr）、鉛（Pb）等重金屬具有良好的吸附效果［20］。王立等［21］將叢枝菌根真菌接種到Cd 污染的水稻田中，有助于提高水稻對鎘的耐受性。隨著微生物對砷的積累和揮發(fā)作用機制的深入研究，其低成本、高環(huán)境適應性去除砷的優(yōu)勢被廣大研究者應用于土壤重金屬污染修復。

3 微生物修復土壤砷污染機制

3.1 吸附作用

微生物吸附砷是一個復雜的過程，簡單來講，肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖既是微生物的重要組成成分又是強有力的重金屬螯合物質，微生物表面還存在如羧基、氨基、羥基、酰胺基和苯酚類等多種極性官能團，土壤中的砷可與這些物質或官能團結合，減少植物對砷的累積量［22-24］。魏小凡等［25］的研究證明了細菌并非簡單地吸附砷，而是利用細胞壁外裸露的官能團與砷發(fā)生離子交換、配位結合或絡合等化合反應，降低土壤中砷的含量。Maheswari 等［26］從砷污染土壤中分離的構巢曲霉具有吸附污染土壤中砷的能力，在pH 4、溫度35 ℃條件下放置11 d 后，土壤中砷的去除率達到84.35%。Yang 等［27］將枯草芽孢桿菌YZ-1 與施氏礦物聯(lián)合處理砷污染土壤，土壤中總砷的去除率為82.6%。在土壤環(huán)境下，利用微生物的吸附作用可將砷“固定”，充分去除As（Ⅲ）或低濃度砷，經濟且實效地調控砷污染土壤。

3.2 氧化還原作用

重金屬物質化合價的改變影響其毒性大小，經過微生物的氧化或還原之后，對土壤的危害也隨之降低［28］。據報道，變形桿菌（Proteus bacteria）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、硫-鐵桿菌類（Thiobacillusfer robacillus）、假單孢桿菌（Pseudomonas）具有氧化亞砷酸鹽的能力。1994 年，Ahmann 等［29］首次發(fā)現(xiàn)能夠還原砷的菌并將該菌株命名為MiT-13。經研究表明，大腸桿菌R773 質粒是最早發(fā)現(xiàn)的具有砷抗性基因，arsRDABC操縱子與砷耐受有關［30］。金黃色葡萄球菌pI258 質粒含有相似但更簡單的arsRBC操縱子，是具有砷酸鹽、亞砷酸鹽等抗性的質粒［31］。其中，ArsC基因編碼砷酸鹽還原酶ArsC，該酶能夠以砷酸根為電子受體將砷酸鹽轉化為亞砷酸鹽排出細胞外。已發(fā)現(xiàn)的砷酸鹽還原酶有兩大類。一類是以谷胱甘肽和谷氧還蛋白作為電子供體，包括E.coli773 質粒上Ars操縱子中結構基因ArsC編碼的蛋白和啤酒酵母第16 號染色體上Acr2P 蛋白［32］。第二類則是以硫氧還蛋白作為電子供體的ArsC 蛋白［33］。Malasarn 等［33］利用分子生物學技術克隆革蘭氏陰性菌ANA-3中編碼ArrA 的保守基因arrA并進行了測序，證明了arrA為砷酸鹽還原酶基因。

細菌可以通過亞砷酸鹽氧化酶將亞砷酸根中As（Ⅲ）氧化成As（Ⅴ）砷酸根達到降低砷毒性的目的［34，35］。通過對微生物氧化還原機制在砷污染修復技術的研究，對砷氧化酶有了更多的了解。Santini等［36］第一次在典型的化能自養(yǎng)型砷氧化菌根瘤菌NT-26體內分離獲得砷氧化酶，研究發(fā)現(xiàn)此酶屬于二甲基亞砜還原酶家族，由大小亞基構成四聚體，分別命名為aioA 和aioB ，aioA基因常被用來表征微生物是否具有砷氧化潛力。Valenzuela 等［37］以高砷污染河流沉積物為研究對象，篩選并分離得到耐砷菌。經鑒定該耐砷菌為假單胞菌株，研究發(fā)現(xiàn)，砷濃度為0.5 mmol/L 時，該菌株的As（Ⅲ）氧化率達95.6%～100%。利用微生物對某些砷化物的氧化或還原作用，改變土壤中砷的存在狀態(tài)，可增加土壤肥力，去除砷對土壤的污染。

3.3 甲基化作用

微生物通過轉甲基酶（Methyltransferase，ArsM）催化無機砷化合物甲基化，最后形成還原態(tài)甲基砷釋放到微生物體外。有研究表明，一些微生物代謝甲基基團生成CO2揮發(fā)到大氣中［38］。此外，在此過程中還可能產生有毒氣體砷化氫，但砷化氫不穩(wěn)定，易被氧化，不會對環(huán)境構成危害。沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）、梭狀芽孢桿菌（Clostridium sp.）、枯草芽孢桿菌和厭氧產甲烷菌（Anaerobic methanogens）具有砷甲基化功能基因arsM［39-41］?？莶菅挎邨U菌可在接觸亞砷酸鹽的48 h內將As（Ⅲ）轉化為二甲基胂和三甲基胂氧化物，并揮發(fā)大量的二甲基胂和三甲基賴氨酸［41］。Huang等［42］從水稻土中分離出1 株能將As（Ⅲ）全部轉化為MMAs并且一半轉化為揮發(fā)性三甲基胂的菌株。

4 微生物法與其他方法聯(lián)用技術

微生物修復土壤砷污染具有環(huán)境適應能力強、投入成本低且無二次污染的特點，但面對復雜的土壤環(huán)境，僅靠單一修復技術都存在不足之處［43］。多手段結合的聯(lián)合修復技術可發(fā)揮取長補短的優(yōu)勢，提高修復效率。在砷污染修復研究中，微生物土壤修復具有環(huán)境影響小、適應性強、投入成本低、處理形式多樣的特點。微生物法與其他修復技術聯(lián)合，利用微生物吸附、氧化或還原和甲基化砷的能力，與其他技術結合成為土壤砷污染修復領域的研究發(fā)展方向［44］。

4.1 微生物與植物聯(lián)合修復技術

土壤微生物是維系陸地生態(tài)系統(tǒng)地上-地下相互作用的紐帶，作為地球生態(tài)圈的分解者在植物養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分循環(huán)兩個過程中扮演著不可或缺的角色。早在1999 年，湖南省建立了第一個研究土壤砷污染的植物修復基地，現(xiàn)場修復試驗中利用蜈蚣草富集砷的能力達到凈化和去除土壤中砷的目的［45］。此外，植物與其共生微生物聯(lián)合可改變土壤中砷的化學形態(tài)，降低砷的生物毒性，促進植物生長。砷污染的水稻土中接種中華根瘤菌屬的DWY-1 菌株培育14 d 后，土壤中的總砷降低了32.9%［46］。風車草在CP3 和CP7 菌株聯(lián)合作用下，對砷的富集率和遷移率分別提高了65%和21%［47］。龍葵在添加淡紫擬青霉菌和綠色木霉菌混合菌液后，不僅提高了對污染土壤中鎘和鉛的富集能力，而且長勢優(yōu)良［48］。李丹［49］在研究蘆葦富集重金屬的能力時發(fā)現(xiàn)，蘆葦在添加微生物后對鎘和鉛的積累量有所提高。微生物聯(lián)合植物修復重金屬污染土壤技術，充分結合了微生物和植物分布范圍較廣、材料易得、非侵入性的優(yōu)點。因此，在砷污染的土壤治理中，結合不同的地質環(huán)境篩選適合的微生物-植物組合，能在美化環(huán)境的同時，在砷污染土壤的修復治理中發(fā)揮更大的作用。

4.2 微生物-化學鈍化聯(lián)用技術

化學鈍化是指向土壤中添加化學鈍化劑，通過與土壤中砷或其他重金屬發(fā)生化學反應，生成沉淀或轉化為其他存在形式，抑制或降低砷或其他重金屬吸收帶來的潛在危害。常用的無機鈍化劑有磷酸鹽、石灰和硅酸鹽等，有機鈍化劑有秸稈堆肥和畜禽糞便等，可使土壤砷或其他重金屬形成難溶性的沉淀，改善土壤理化性狀和改良土壤鹽堿環(huán)境，減緩對土著生物的危害。土壤理化性質的改變直接表現(xiàn)在土壤孔隙度、含水量、pH 以及有機質含量等方面，這些因素能夠直接影響土壤中微生物群落結構及酶活性。熊力等［50］研究受砷和鎘嚴重污染的稻田土壤時發(fā)現(xiàn)，微生物-化學鈍化組合處理的污染稻田土壤中水稻長勢優(yōu)于單純施用化學鈍化劑，表明化學鈍化劑在一定程度上提高了微生物的修復能力。Jiang 等［51］利用紫外誘變工程菌、諾沃肥（土豆淀粉、玉米淀粉等原材料的發(fā)酵殘渣）以及兩者的混合物處理受Cd 污染土壤時發(fā)現(xiàn)，二者一起添加的修復效果優(yōu)于單獨添加諾沃肥或工程菌。表明諾沃肥能促進工程菌的增殖，大量的工程菌能夠吸附固定重金屬元素，二者有機結合起到協(xié)同作用。朱小嬌［52］對比草木灰和工程菌處理Cd 污染小麥田治理效果，研究表明兩者聯(lián)合施用小麥籽粒中Cd 含量更低。化學鈍化劑促進具有吸附或轉化砷作用的微生物生長，二者協(xié)同作用不僅降低土壤中砷的生物毒性，而且能夠起到增加土壤肥力的作用。

4.3 生物電化學修復技術

電化學修復技術是指將電極對插入污染土壤中，通過電滲透和電遷移兩種機制使重金屬離子最終富集在電極區(qū)附近或進入電解槽內。微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFCs）則是利用產電細菌作為在分解化合物時釋放的電子和質子，將化學能轉化為電能的裝置［53］。1991 年，英國植物學家Potter［54］首次提出微生物燃料電池這一概念，具有成本投入低、清潔污染小的特點。生物電化學修復技術利用金屬離子作為電子受體與產電細菌催化氧化有機污染物釋放出的電子結合，產生低毒性或其簡單物質的狀態(tài)，以達到修復生態(tài)的目的。Yu 等［55］發(fā)現(xiàn)MFCs 可應用于多環(huán)芳烴的去除。Hu 等［56］對微生物群落厭氧污泥進行馴化富集，篩選可去除氮雜環(huán)化合物底物的COD 值最高達到90.4%的產電菌。Ma 等［57］利用生物刺激和選擇性膜聯(lián)合修復總石油烴（TPH）和鎳復合污染土壤，30 d 后土壤中TPH 的降解率為77.4%，鎳的去除率為58.5%。Dong等［58］將電動修復與生物降解相結合處理復合污染土壤，經處理后土壤Pb 含量和濃度均達到中國土壤環(huán)境質量標準的要求，Pb 和TPH 的去除率達到80%以上。生物電化學修復技術具有二次污染少、綠色清潔的特點，但僅適用于低滲透性、高傳導性的土壤，對大規(guī)模污染土壤的就地修復技術還處于不斷研究和探索階段。

5 展望

土壤中砷的積蓄嚴重影響地下水資源和耕地的質量，嚴重威脅環(huán)境和糧食安全。土壤砷污染的修復研究對保護人類舌尖上的安全和生態(tài)環(huán)境都具有重要意義。研究土壤砷污染的修復機制，有利于現(xiàn)有修復技術的更廣泛應用，有利于促進聯(lián)合修復技術的應用，提高土壤修復效率。聯(lián)合修復技術雖具有融合其他修復技術的優(yōu)勢，但仍受到重金屬種類、濃度及價態(tài)等理化性質和環(huán)境因素的影響。因此，在砷污染土壤的修復過程中，科學全面的背景考察在選擇修復技術時至關重要；同時要充分發(fā)揮土著生物的種質優(yōu)勢，實現(xiàn)土壤砷污染的高效治理，保護人類賴以生存的環(huán)境。