重金属污染环境的微生物修复原理研究

程为波，杨丽娟

（1.山东正润环境科技有限公司；2.山东蓝城分析测试有限公司，济南 250101）

重金属具有特殊的化学性质，对环境具有较大的危害。微生物修复技术可以运用于重金属污染环境的治理中，具有无二次污染的优势，其发展前景良好，研究微生物修复重金属污染环境的原理具有理论意义，也具有较强的应用价值[1]。

1 微生物的络合固定作用

1.1 络合固定

在真菌细胞壁被动吸附金属离子的过程中，细胞上存在的部分物质（如多糖）为重金属的离子交换提供了交换点，在结合点饱和的情况下，真菌就需要通过络合作用富集重金属离子。有研究发现，在适当条件下，姬松茸子实体中的Cd质量比可达到5～ 16 mg/kg，姬松茸内含有较高含量的特定氨基酸，这种氨基酸可以结合Cd，进而达到治理重金属污染的目的，同时部分结合蛋白也可以络合固定重金属离子。

1.2 矿化固定

微生物可通过矿化固定作用将重金属固定，在生物作用下，离子态的重金属被转化为固相矿物，重金属离子沉淀，降低了重金属对生物的有效性。不仅如此，微生物的代谢产物也具有治理重金属的作用，某些微生物代谢产物含有磷酸根离子与硫离子，这些离子接触金属离子后产生化学反应而生成沉淀，原本有害、有毒的重金属元素转化成低毒或无毒的金属沉淀物。

Cd2+离子与H2S经化学反应生成CdS沉淀，可对Cd2+离子予以固定；硫酸盐在硫酸盐还原细菌的作用下被还原为硫化物，导致土壤中的重金属沉淀钝化，经过碳源和沸石的配合，2 d内可将100%的可交换态Sr与Ba钝化；革兰氏阴性细菌接触磷酸酶后，分泌的碳酸氢根离子于细菌的表面结合重金属形成矿物。有研究者向BaCl2、SrCl2溶液中加入尿素酶，化学反应后的沉淀呈碱性，其主要成分为BaCO3和SrCO3。

除此之外，真菌体内的酸根离子也能与重金属反应，进而生成沉淀，几丁质等真菌细胞壁组分物质对重金属具有钝化固定的作用，在这种作用下，土壤中原本有毒、有害的重金属离子的移动性降低，重金属被固化，此时宿主植物即可不受重金属的毒害。

常见的微生物固定金属类型如下：微生物中的尿素酶可固定Sr、Ba；微生物中的有机酸根离子可固定Mn、Pb、Cd以及Cu；微生物中的碳酸根离子可固定Cd；微生物中的磷酸根离子可固定Sr、Ba以及Cd；微生物中的硫离子可固定Cd、Sr、Ba、Pb、Zn以及Ag等[2]。

2 微生物的淋滤作用

2.1 生物淋滤作用

生物淋滤也被称为微生物湿法冶金，它利用部分杆菌的微生物代谢，将重金属被氧化还原成重金属盐。其具有较为理想的溶解度，可以分离浸提固相中的硫、重金属以及其他不溶性成分。有研究者接种嗜酸性硫杆菌复合菌株，利用生物淋滤作用来处理生活垃圾飞灰中的重金属，发现其对Pb、Cu、Zn以及Cd的去除率分别为29.3%、72.6%、81.8%以及89.7%。

2.2 通过表面活性剂提高重金属的溶解性

细菌表面产生的活性剂的相对分子质量较低，具有水溶性，因此具备自由穿过土壤微孔的能力，生物表面活性剂对重金属的亲和力极强。利用其分子小的特点，表面活性剂络合重金属后，对含有重金属的土壤进行清洗即可去除污染物。

3 微生物的转化作用

微生物的转化作用主要包括甲基化与去甲基化、间接还原和直接转化等。

3.1 甲基化与去甲基化作用

微生物可促使Pb、Cd以及Hg等重金属离子发生甲基化。例如，微生物可以将Hg2+甲基化，将其还原为Hg，其他有机汞、甲基汞化合物也被裂解并原为Hg。

汞离子可以被部分匙形梭菌、厌氧产甲烷细菌转化为二甲基汞和甲基汞，导致汞的危害性增强。人们可以利用部分假单细胞菌、金黄色葡萄球菌、氧化铁硫杆菌、芽孢杆菌以及大肠杆菌的作用，将有机汞化合物或汞离子还原为金属Hg，生成的金属Hg扩散至空气中被稀释，因此其毒害作用减轻。假单细胞菌K62可以将有机汞、无机汞转变为金属Hg；变形杆菌、铜绿色假单胞菌可以将汞离子转化为金属Hg；燕麦核腔菌、粗糙脉菌、青霉以及黑曲霉对有机汞和无机汞化合物具有一定的抗性[3]。

3.2 间接还原

硫还原菌可以通过多种途径将硫酸盐还原为硫化物。一是经硫酸盐合成氨基酸（其中包括脱氨酸、蛋氨酸等），硫经脱硫作用被分解，之后与Cd反应生成沉淀。二是硫还原菌呼吸期间，硫酸盐成为电子受体而被还原。

在厌氧条件下，硫酸盐还原菌包括肠状菌属、脱硫弧菌属，二者将硫酸盐还原，最终生成硫化氢，肠状菌属菌体的金属硫团结合汞，汞被富集于菌体上，在体外或膜上的生化反应作用下，汞被还原或降解；肠状菌属还与Hg2+反应而产生HgS沉淀，因此Hg2+的活性被抑制。

3.3 直接转化

部分微生物可以利用直接转化重金属离子，被转化后，重金属离子的价态发生变化，重金属离子的稳定性也发生改变。例如，部分细菌可氧化As3+、Fe2+，部分细菌可还原Se4+、Hg2+以及As3+。

随着重金属的价态发生改变，重金属的络合能力也不断变化，部分微生物产生的分泌物可以与重金属离子发生络合作用，使得重金属的毒性降低。此外，微生物可以产生具有还原性的产物，促进金属离子的价态转化。

4 微生物的吸附与累积作用

4.1 微生物吸附重金属

4.1.1 经细胞壁吸附重金属

微生物的细胞壁结构与微生物的吸附能力关系密切。生物吸附是指细胞表面存在多种官能团，细胞表面带有电荷，经络合作用、静电吸附作用将重金属离子予以固定。微生物吸附期间，细菌的细胞壁表面具有阴离子，因此这种细菌极易结合金属，能有效吸附重金属离子。

真菌经细胞壁吸附重金属时，一是形成无机沉淀，导致重金属污染物在细胞壁上沉积，或出现物理性吸附；二是细胞壁上存在的羟基、羧基以及琉基等活性基团经过络合、配位结合以及离子交换等定量化合反应吸收重金属离子。

细胞具有螯合作用，可以吸附重金属，这与真菌细胞壁的结构有关。例如，细胞壁具有多孔结构，因此活性化学配位体得以合理排列于细胞表面，减轻与金属离子的结合难度[4]。细胞多糖提供的硫酸根、氨基、羧基、羟基以及醛基等官能团均具有较强的金属离子络合能力。

藻类细胞壁的酚醛树脂、羧基、羟基以及醛基可以与重金属结合而形成复合物。例如，扁藻属用于吸附Cd2+，钝顶螺旋藻用于吸附Cu2+等。

4.1.2 利用细胞外聚物吸附重金属

微生物细胞外多聚物是微生物代谢过程中分泌的多聚化合物，其中含有羧基、羟基等官能团，官能团与金属离子发生作用，进而螯合或吸附金属离子。生物膜可以利用特殊的化学物理微环境，将重金属离子转化为碳酸盐、硫化物、磷酸盐以及氧化物等沉淀，沉积于特定部位。大量研究表明，微生物吸附重金属时，微生物细胞并非与重金属等量，避免生物膜中的细胞被重金属完全毒害，同时重金属也并非均匀分布于微生物膜中。

4.2 微生物细胞的吸收累积作用

微生物的吸收累积作用是指微生物活细胞去除重金属离子的作用。细胞内的金属硫蛋白（MT）与微生物积累重金属具有密切的关系，MT对Ag、Cu、Cd、Zn以及Hg均具有明显的亲和性，因此重金属出现富集，同时重金属的毒性被抑制。诸多微生物通过包括金属硫蛋白在内的蛋白质，调节金属离子的含量[5]。

多数真菌细胞内均存在金属硫蛋白，金属硫蛋白对金属离子具有较强的亲和力，二者结合后，重金属离子发生转变，产物不具有生物活性，也无毒，从而达到治理重金属污染的目的。

5 结语

微生物修复技术治理重金属污染，当前已经取得了较大的进步，但是其修复原理的研究仍较为缺乏。同时，受土著微生物的干扰，微生物修复技术在重金属污染治理中的应用受到一定限制，因此有待开展更为深入的研究，以便明确其修复原理，扩大其适用范围。