农田重金属污染微生物修复技术研究进展

张雪峰

摘要：指出了土壤重金属污染日益成为农业生态环境治理的主要研究课题之一，综述了我国重金属土壤污染的现状、微生物修复技术机理，探讨了微生物修复技术在土壤重金属污染治理过程中存在的问题，对微生物—植物联合修复技术的强化措施进行了展望。

关键词：土壤污染；重金属；微生物修复

中图分类号：X53

文献标识码：A 文章编号：16749944（2014）06017602

1 引言

农业生产中使用的农药、肥料和塑料薄膜以及污水灌溉、污泥农用、冶炼产生的工业三废所包含的重金属对土壤生态系统造成严重破坏，从而导致土壤微生物种类和数量减少、土壤结构破坏、农作物品质下降、病虫害增加。土壤的重金属污染会导致某些成分在粮食等作物中的积累，影响粮食的品质，并通过食物链，危害人类健康。我国受镉、铅、砷等重金属污染的农用耕地面积达[1]，其结果是进一步加剧土壤生态系统的破坏。目前，关于土壤重金属污染的修复方法主要是气提取、土壤淋洗、固定化等具有二次污染化学修复方法，或者是成本高且不便使用的物理方法。我国农用土壤环境污染复杂严峻，需要利用广泛适用、安全、低成本的生物修复技术，有效安全地去除微量有毒重金属污染，同时又不能破坏土壤的生态环境功能，微生物修复治理重金属污染土壤已成为受到关注的经济环保的技术。

2 微生物修复土壤重金属污染现状

重金属污染的微生物修复是利用对重金属离子具有抗性的高效微生物降解活性改变和转换离子形态净化污染土壤[2]，各国对土壤污染指标的规定或标准多以作物的正常生长和食用部分的污染物含量或残留量不影响人类健康为前提而制定的，没有关于土壤中对污染物更为敏感的土壤微生物及其参与的生化过程所受到影响和作用的明确指标。研究表明，由于重金属污染而产生的土壤微生物生态学变化比其它土壤化学、生化指标更为灵敏，是微生物方法检测、预警土壤重金属污染的基础。

土壤微生物对污染物胁迫响应比较灵敏，农田土壤重金属负荷下，微生物可以改变土壤中重金属在土壤中的环境化学行为，促进有毒有害物质降低毒性。利用真菌与根系形成的菌根吸收和固定重金属形成沉淀，Bargagli[4]在Hg矿附近土壤中分离得到的高级真菌的菌根种和所有腐殖质分解菌能累积Hg达100mg/kg（干重）。一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌及某些藻类，能够产生具有大量阴离子基团的胞外聚合物（如多糖、糖蛋白等），与重金属离子形成络合物，从而将其从土壤中有效去除。在我国已构建农药高效降解菌筛选技术、微生物修复剂制备技术和农药残留微生物降解田间应用技术，建立了菌根真菌强化紫花苜蓿根际修复污染农田土壤的固氮植物—根瘤菌—菌根真菌联合生物修复技术。

3 重金属污染对土壤微生物的影响

3.1 土壤微生物活性的变化

当土壤中有害重金属累积到对土壤—植物系统产生毒害的程度，会降低土壤中微生物的数量和土壤酶的活性，而且对土壤氨化和硝化作用会有抑制作用。受到重金属污染的土壤微生物的主要生物指标发生变化，如土壤微生物总量、重金属敏感细菌与耐性细菌比、微生物生物量碳与土壤有机碳之比、微生物代谢熵、土壤的生物固氮作用等。因为微生物的生物量的影响因素很多，其不能作为评价土壤重金属污染的理想指标。重金属的敏感细菌与耐性细菌比可以作为评价农田土壤质量的指标。

3.2 土壤微生物生态的影响

进入土壤的重金属容易对土壤的土著微生物造成毒性。研究表明，铜、锌、铅、镉、汞等使土壤微生物群落多样性发生改变，导致微生物生物量和呼吸强度减低或显著增加，土壤酶活性严重损害。但某些土壤微生物在高浓度的重金属污染的土壤中能够生长且活性依然存在。重金属的生态毒理环境效应与其总含量并无显著相关性，存在于土壤中的不同重金属形态各异，处于不同的生物有效性。在污染土壤中，重金属吸附于矿物质和有机质表面，水溶态所占比例少。因此，重金属的生物可利用性、其对微生物的毒性和抑制机理都会影响重金属污染土壤的修复效率。农田施用畜禽粪肥等有机肥含有高浓度的各种重金属之间的交互作用，各种重金属的比例如何影响微生物生态功能方面的研究将是未来环境方面的研究重点。

4 微生物修复技术机理

微生物修复技术是利用天然存在的或培养的功能微生物群，在适宜环境条件下促进或强化微生物的代谢功能，达到降低有毒污染物活性或降解毒物的目的，主要利用微生物对土壤中的重金属元素具有特殊富集、吸收、降解能力，通过溶解和沉淀作用、生物吸附和富集作用、氧化还原作用以及菌根真菌对土壤重金属的生物有效性影响产生的对土壤重金属活性的影响。李志超[5]发现有些微生物可以降解剧毒的甲基汞；许多高级真菌如菌根种和所有腐殖质分解菌都能积累汞达100μg/g；利用菌根可以吸收和固定重金属 5 微生物—植物联合修复土壤重金属污染

只能针对一种或几种污染物的微生物修复技术在土壤复合重金属污染日益严重的今天，有必要搭配种植具有吸附重金属的植物以增强其修复效果。有研究指出真菌浸染植物根系后形成共生体菌根，能促进植物对营养的吸收并促进对重金属的富集，还可以提高宿主植物抗逆性，而微生物通过吸附积累土壤中的重金属，改善植物根际微环境，协助植物对重金属污染土壤的修复[8]。存在于植物根际的微生物在代谢过程中通过分泌的有机酸、氨基酸及其他代谢产物溶解重金属物质而改变重金属的存在状态[9]，微生物通过刺激植物根系的发育影响植物对重金属的吸收，如菌根植物可以向宿主植物传递营养，使宿主植物抗逆性增强、生长加快，间接地促进植物对重金属的修复作用[10]。根据不同植物和微生物种类、数量以及特性去有效配合修复土壤中重金属污染还需要进一步筛选超富集植物和耐性、抗性强的微生物超级工程菌，但是转基因植物与微生物的应用必须考虑到其对生态系统存在的风险问题。微生物（细菌、真菌）—植物、动物（蚯蚓）—植物联合修复是农田土壤生物修复技术研究的新内容，关键点是要筛选强降解能力的菌根真菌和适宜的共生植物，根据细菌或真菌及发展植物—降解菌群协同修复促进重金属污染物的吸收、代谢和降解将是微生物联合植物修复技术发展的研究方向。endprint

6 展望

有研究者通过人为添加外源重金属来模拟污染土壤，此方法并不能准确反映出土壤长期逐步积累的重金属胁迫而导致的微生物种群规模、活性及适应性的变化，即使是从野外采集的长期重金属污染下的土壤，由于重金属污染种类与程度的不同，以及采样点多集中于某一地区，所得到的结论也并不能代表基本性质差异较大的不同土壤类型。对于多种重金属的复合效应包括协作、拮抗等有必要进一步研究重金属污染的治理技术。微生物作为治理土壤重金属污染新的研究方向，更优越于传统的治理方法。随着基因工程、现代分子生物学等学科的发展，利用微生物与植物联合体的修复技术筛选出超累积基因导入到生物量大、生长速度快、适应性强的植物中，提高微生物—植物修复重金属污染的实用性，将会呈现更广阔的发展前景。

参考文献：

[1] 顾继光，周启星，王 新.土壤重金属污染的治理途径及其研究进展[J].应用基础与工程科学学报，2003，11（2）：144～151.

[2]蔺 昕，李培军，台培东，等.石油污染土壤植物-微生物修复研究进展[J].生态学杂志，2006，25（1）：93～100.

[3]Macaskie LE，Dean ACR，Cheethan AK，Jakeman RJB，Skamulis AJ. Cadmium accumulation by a citrobacter sp.The chemical nature of the accumulated metal precipitate and its location on the bacterial cells [J].J Gen.Microbiol，1987，133：539～544.

[4]Bargagli R，Baldi F，Mercury and methyl mercury in higher fungi and their relation with the substrata in a cinnabar mining area [J].Chemosphere，1984，13（9）：1059～1071.

[5]李志超. 微生物对甲基汞的降解作用[J]. 环境科学，1984，5（3）： 61～64.

[6]耿春女.菌根生物修复技术在沈抚污水灌溉区的应用前景[J].环境污染治理技术与设备，2002，3（7）：51～55.

[7]戴 欣，王保军，黄 燕，等.普通和吸收培养基研究太湖沉积物可培养细菌的多样性[J].微生物学报，2005，45（2）：161～165.

[8]王建林.水稻根际中的形态转化[J].土壤学报，1992，29（4）：358～363.

[9]王 新，周启星.重金属与土壤微生物的相互作用及污染土壤修复[J].环境污染治理技术与设备，2004，5（11）：1～5.

[10]Giasson P， Jacuich A，Gagn S et al. Phytorem ediation of zinc and cadmim：A study of arbuscular mycorrh izalhyphae[J]. Remediation Journal， 2005，15：113～122.

Discussion of Basic Principles of Microbial Remediation Technique of

Soils Contaminated by Heavy Metals

Zhang Xuefeng

（Liaoning Green Food Development Center， Shenyang 110032， China

）

Abstract： This article analyzes the current situation of soil pollution by heavy metals， discusses the basic concept and main ways of microbial remediation technique for the polluted soils. And then it analyzes the problems existing in the process of treating soil pollution by using microbial remediation technique， and also prospects the researches on strengthening the microbe-plant biorremediation techniques.

Key words： soil pollution； heavy metal； microbial remediationendprint

6 展望

有研究者通过人为添加外源重金属来模拟污染土壤，此方法并不能准确反映出土壤长期逐步积累的重金属胁迫而导致的微生物种群规模、活性及适应性的变化，即使是从野外采集的长期重金属污染下的土壤，由于重金属污染种类与程度的不同，以及采样点多集中于某一地区，所得到的结论也并不能代表基本性质差异较大的不同土壤类型。对于多种重金属的复合效应包括协作、拮抗等有必要进一步研究重金属污染的治理技术。微生物作为治理土壤重金属污染新的研究方向，更优越于传统的治理方法。随着基因工程、现代分子生物学等学科的发展，利用微生物与植物联合体的修复技术筛选出超累积基因导入到生物量大、生长速度快、适应性强的植物中，提高微生物—植物修复重金属污染的实用性，将会呈现更广阔的发展前景。

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[3]Macaskie LE，Dean ACR，Cheethan AK，Jakeman RJB，Skamulis AJ. Cadmium accumulation by a citrobacter sp.The chemical nature of the accumulated metal precipitate and its location on the bacterial cells [J].J Gen.Microbiol，1987，133：539～544.

[4]Bargagli R，Baldi F，Mercury and methyl mercury in higher fungi and their relation with the substrata in a cinnabar mining area [J].Chemosphere，1984，13（9）：1059～1071.

[5]李志超. 微生物对甲基汞的降解作用[J]. 环境科学，1984，5（3）： 61～64.

[6]耿春女.菌根生物修复技术在沈抚污水灌溉区的应用前景[J].环境污染治理技术与设备，2002，3（7）：51～55.

[7]戴 欣，王保军，黄 燕，等.普通和吸收培养基研究太湖沉积物可培养细菌的多样性[J].微生物学报，2005，45（2）：161～165.

[8]王建林.水稻根际中的形态转化[J].土壤学报，1992，29（4）：358～363.

[9]王 新，周启星.重金属与土壤微生物的相互作用及污染土壤修复[J].环境污染治理技术与设备，2004，5（11）：1～5.

[10]Giasson P， Jacuich A，Gagn S et al. Phytorem ediation of zinc and cadmim：A study of arbuscular mycorrh izalhyphae[J]. Remediation Journal， 2005，15：113～122.

Discussion of Basic Principles of Microbial Remediation Technique of

Soils Contaminated by Heavy Metals

Zhang Xuefeng

（Liaoning Green Food Development Center， Shenyang 110032， China

）

Abstract： This article analyzes the current situation of soil pollution by heavy metals， discusses the basic concept and main ways of microbial remediation technique for the polluted soils. And then it analyzes the problems existing in the process of treating soil pollution by using microbial remediation technique， and also prospects the researches on strengthening the microbe-plant biorremediation techniques.

Key words： soil pollution； heavy metal； microbial remediationendprint

6 展望

有研究者通过人为添加外源重金属来模拟污染土壤，此方法并不能准确反映出土壤长期逐步积累的重金属胁迫而导致的微生物种群规模、活性及适应性的变化，即使是从野外采集的长期重金属污染下的土壤，由于重金属污染种类与程度的不同，以及采样点多集中于某一地区，所得到的结论也并不能代表基本性质差异较大的不同土壤类型。对于多种重金属的复合效应包括协作、拮抗等有必要进一步研究重金属污染的治理技术。微生物作为治理土壤重金属污染新的研究方向，更优越于传统的治理方法。随着基因工程、现代分子生物学等学科的发展，利用微生物与植物联合体的修复技术筛选出超累积基因导入到生物量大、生长速度快、适应性强的植物中，提高微生物—植物修复重金属污染的实用性，将会呈现更广阔的发展前景。

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[3]Macaskie LE，Dean ACR，Cheethan AK，Jakeman RJB，Skamulis AJ. Cadmium accumulation by a citrobacter sp.The chemical nature of the accumulated metal precipitate and its location on the bacterial cells [J].J Gen.Microbiol，1987，133：539～544.

[4]Bargagli R，Baldi F，Mercury and methyl mercury in higher fungi and their relation with the substrata in a cinnabar mining area [J].Chemosphere，1984，13（9）：1059～1071.

[5]李志超. 微生物对甲基汞的降解作用[J]. 环境科学，1984，5（3）： 61～64.

[6]耿春女.菌根生物修复技术在沈抚污水灌溉区的应用前景[J].环境污染治理技术与设备，2002，3（7）：51～55.

[7]戴 欣，王保军，黄 燕，等.普通和吸收培养基研究太湖沉积物可培养细菌的多样性[J].微生物学报，2005，45（2）：161～165.

[8]王建林.水稻根际中的形态转化[J].土壤学报，1992，29（4）：358～363.

[9]王 新，周启星.重金属与土壤微生物的相互作用及污染土壤修复[J].环境污染治理技术与设备，2004，5（11）：1～5.

[10]Giasson P， Jacuich A，Gagn S et al. Phytorem ediation of zinc and cadmim：A study of arbuscular mycorrh izalhyphae[J]. Remediation Journal， 2005，15：113～122.

Discussion of Basic Principles of Microbial Remediation Technique of

Soils Contaminated by Heavy Metals

Zhang Xuefeng

（Liaoning Green Food Development Center， Shenyang 110032， China

）

Abstract： This article analyzes the current situation of soil pollution by heavy metals， discusses the basic concept and main ways of microbial remediation technique for the polluted soils. And then it analyzes the problems existing in the process of treating soil pollution by using microbial remediation technique， and also prospects the researches on strengthening the microbe-plant biorremediation techniques.

Key words： soil pollution； heavy metal； microbial remediationendprint