微生物肥料修复重金属污染土壤研究进展

杨娇娇 柴冠群 刘桂华 范成五 秦松

摘要：微生物肥料是以微生物的生命活动导致作物得到特定肥料效应的一种肥料制品，是农业生产中使用的一种肥料，对于修复土壤中重金属具有效果好、无污染等优势。本文首先简述了微生物肥料的概念、分类，综述了近几年关于微生物肥料修复土壤重金属污染的相关研究，对微生物肥料应用中存在的问题进行了描述和建議。

关键词：微生物肥料;生物菌剂;土壤重金属

中图分类号：X53

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2019）06-0037-06国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2019.06.006

Research Progress on Microbial Fertilizer for Remediation of Heavy Metal Contaminated Soil

YANG Jiao-jiao1，CHAI Guan -qun2，LIU Gui-hua，FAN Cheng-wu2，QIN Song2*

（1College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550025，China; 2 Institute of Soil and Fertilizer，Guizhou Academy of Agricultural Sciences，Guiyang，Guizhou 550006，China）

Abstract：Microbial fertilizer is a product that causes the crop to obtain a specific fertilizer effect by the life activities of microorganisms It is a kind of fertilizer used in agricultural production，and this fertilizer has the advantages of good effect and no pollution for repairing heavy metals in soil This paper briefly described the concept and classification of microbial fertilizers，and reviewed microbial fertilizers for soil heavy metal pollution in recent years This study described and suggested problems in the application of microbial fertilizers

Key words：microbial fertilizer;biological agent;soil heavy metal

1引言

据有关调查数据显示，中国约1/5的土壤已经遭受重金属的污染，造成每年近1200万吨的粮食污染，每年因粮食安全问题的经济损失约合人民币200亿元[1]。近几年，农作物中重金属含量超标等问题频繁出现，直接威胁到人类的生命健康，而土壤是作物吸收重金属的主要来源之一。因此，开展土壤重金属污染修复是农作物安全生产的必要环节。

土壤重金属污染具有隐蔽性、潜伏性、滞后性、积累性[2]，土壤一旦受到重金属污染就难以治理。因此，土壤重金属污染已成为当今的研究热点，受到越来越多的关注。目前，重金属污染土壤的修复方法主要包括物理修复技术、化学修复技术、植物修复技术，利用作物修复重金属污染土壤不仅可以阻止 As、Cu、Zn、Cd、Pb 等重金属进入食物链，消除对人体健康的影响，而且能大规模修复污染土壤并且能带来一定的经济效益，是一项具有很好应用前景的修复技术[3]。这些修复方法大多存在去除效率较低、耗能较高、操作复杂、处理成本高以及产生副作用等缺陷。微生物修复技术是通过使用功能性微生物群，增强微生物的代谢功能，将有毒污染物降解为无毒物质，或降低其活性，具有成本低、产出高、效益高和对环境无污染的特点。近年来，微生物肥料在土壤重金属修复方面的研究越来越多，已经成为土壤重金属污染修复的热点方向之一。据相关的研究表明，合理使用微生物肥料可以改变土壤中重金属的存在形态、降低重金属生物有效性[4]。在土壤重金属修复领域具有很好的应用前景。

2微生物肥料

21基本概念

微生物肥料是指应用于农业生产中，以微生物活动为核心，获得特定肥料效应的一种绿色环保、高产高效、多功能的生物活性肥料，微生物肥料与化学肥料、有机肥料等的不同之处在于它是通过微生物的生命活动，改良土质、增进土壤肥力，为农作物生长发育提供充足的养分，促进其生长，并达到显著的增产效果[5]。有学者认为微生物肥料可以将难溶解的磷转化为可被植物利用的磷，可分解部分植物无法吸收利用的物质，进而转换成植物能够吸收利用的营养物质，直接影响土壤质量功能如植物生长[6]。当今，微生物肥料的应用范围逐渐扩大，不仅应用在粮食作物，许多经济作物生产上也在使用，有研究表明混合施用复混肥、有机肥和微生物菌剂，可以延长烟株大田生育期;降低烟草青枯病、黑胫病的发病率;提高烟草产量[7]，微生物肥料的应用取得了良好的经济效益，得到广大农民的青睐。

22种类

微生物肥料的种类很多，微生物肥料可分为三大类：微生物扩繁后直接使用或者添加其他载体制成的微生物菌剂，如根瘤菌接种剂、光合细菌菌剂;微生物和其他必需营养元素如氮、磷、钾等混合制成的复合微生物肥料;微生物和有机肥如动植物残体、秸秆等混合制成的生物有机肥[8]。研究表明，微生物对重金属有修复作用，常见微生物对重金属的修复及机理如表1。

3微生物肥料在土壤重金属污染修复中的研究

31微生物肥料在重金属污染土壤修复中的研究

311镉

李晓越等[12]选取南方植烟区3种不同类型Cd污染土壤（红泥田、黄泥田及青紫泥田），采用盆栽试验，研究3种微生物肥（真菌肥料、放线菌肥料AMS、放线菌肥HMD）对不同部位

煙叶Cd含量、土壤Cd形态的影响。结果表明：3种不同微生物肥可以在一定程度降低烟叶不同部位中Cd的含量。添加比例为15%真菌微生物肥后，与对照相比，Cd降低率最高达到639%。张淼等[13]采用室外盆栽试验与田间随机区组试验，研究微生物菌剂对湖南地区晚稻成熟期内各部位Cd的含量及产量的影响，与CK相比，微生物菌剂处理对水稻根部、茎鞘、谷壳和糙米中Cd含量的抑制效果最佳降低幅度分别为4619%、5246%、3839%和5531%。周高婷等[14]通过利用实验室筛选得到的高效硫酸盐还原细菌AlishewanellaspWH16-1，模拟Cd（Pb）污染的土壤修复并用水稻和烟草来验证修复效果，在Cd污染土壤中施加菌剂WH16-1，土壤中可交换态Cd、碳酸盐结合态Cd含量分别降低1380%，456%。验证了细菌WH16-1在修复Cd（Pb）污染土壤实际应用中的可行性。王立等[15]在受不同Cd浓度污染的土壤中接种两种丛枝菌根真菌AMF、摩西球囊霉GM和根内球囊霉GI，研究3种菌剂对水稻的长势以及Cd在水稻植株体内分配的影响，结果显示：接种AMF均能促进水稻的生长，在胁迫处理中，随着Cd浓度的增加，菌剂的效果越明显，其两种AMF处理均有将Cd固定在根系，各个浓度菌剂处理的转运系数均明显低于对照且均小于05，促进了其在水稻根际的固定化过程，减少其向地上部分转移的作用。

312铅

杨继飞等[16]在Pb污染的土壤中种植三个玉米品种，采用盆栽试验，研究施用不同用量菌肥对Pb污染土壤的修复效果，与空白相比，对重金属铅的吸收地上部分提高170%～401%，根部提高了195%～206%，成熟后铅没有明显从地下部分向地上部分迁移，籽粒可作为饲料使用。仝瑞建等[17]采用盆栽试验，在3种Pb胁迫浓度下，研究了不同浓度Pb污染下接种AM真菌对小麦生长和生化特性的影响，结果显示：在Pb污染的土壤中，明显抑制了小麦的生长发育，但是接种功能菌剂后，AM真菌在Pb胁迫下能与小麦形成良好的共生关系，有效缓解Pb对小麦的毒害，可以提高小麦抵抗Pb胁迫的能力，促进了小麦的生长发育。何永辉等[18]在温室盆栽条件下研究了接种丛枝菌根（AM）真菌、施加牛粪及复合处理对Pb污染土壤的修复效应以及修复机理。发现在所有Pb污染水平下，单施AM真菌、牛粪和两者复合处理，均能显著促进烟草生长，复合处理在所有Pb污染水平下均降低Pb在烟草内Pb的残留量，可见，AM真菌和有机肥对Pb污染土壤具有一定的修复能力，在优质烟叶生产中具有较大的应用潜力。

313砷

郑坤等[19]采用摇床短期培养和梯度长期土壤培养方法，研究硅酸盐菌剂对As污染土壤固相中As、Si向液相释放或迁移的影响效应，并筛选调控土壤As有效性的菌剂适宜添加量。结果表明，硅酸盐菌剂的添加对土壤中有效As有钝化作用，使As污染土壤中的As浓度相对于CK降低了655%，同时使自然土的土壤浸提液中的As浓度也降低928%。李景龙等[20]采用外源添加As的土培模拟试验，探究了接种丛枝菌根真菌（AMF）和外源添加铁对水稻根表铁膜形成以及水稻累积As的影响，在As胁迫下，As在水稻体内更多的向地上部分转移，而在接种AMF以后，阻碍了As向上移动，主要积累在水稻的根系，根系As浓度有了显著提高。而其地上部的As浓度却显著降低。Sheng M 等[21]研究了不同规则根瘤菌丛枝菌根真菌对盐胁迫下宿主植物的生物量，根系形态特征，实接种 AM 真菌能提高宿主植物的耐盐性。有学者采用盆栽法研究As污染条件下，接种丛枝菌根真菌（AMF）对番茄全生育期磷营养的影响，该试验发现，随着As浓度的添加，番茄植株在全生育期地上部和根部磷吸收量呈明显下降趋势，相同处理下，接种丛枝菌根后，在一定程度上促进了植株生长及其对磷营养的吸收，缓解了As对番茄的毒害[22]。沈生元等[23]通过持续3年的田间小区试验，研究了单独或联合接种AM真菌和蚯蚓对玉米修复As污染土壤效率的影响。接种AM真菌和蚯蚓和覆盖稻草能改变玉米根际土壤中As的形态，改善植物生长状况，促进玉米生长。

刘瑞伟[24]通过盆栽正交试验，模拟Pb、Hg污染条件下，微生物菌剂与有机肥配施对油菜生物量和土壤、油菜中重金属Pb、Hg含量的影响。结果表明，随着有机肥施用量增加，Pb、Hg的生物有效性越强，而施用微生物菌剂可明显降低土壤全Hg、全Pb、有效Pb、油菜中Pb的含量，降低土壤重金属Pb、Hg的生物有效性。谢亚萍等人[25]研究了生物炭与微生物肥料配施对稻田Cd、Pb、Cr和As钝化与土壤肥效的影响。结果表明生物炭与微生物肥料配施籽粒对Pb、Cr和Cd的吸收量分别比对照降793%、756%和520%。

32微生物肥料对不同土壤类型重金属污染的修复效果

肖文丹等[26]选择7种全国性典型土壤（黄壤、红壤、石灰性紫色土、青紫泥、黑土、砖红壤和潮土），研究微生物群落对铬胁迫的响应以及土著铬耐性菌对土壤中六价铬的还原作用。结果表明，7种土壤中微生物对六价铬还原的贡献率分别为144%、440%、206%、349%、219%、217%、220%。微生物肥料修复不同土壤重金属的情况如表2。

33微生物金属污染土壤修复机理

331微生物的淋滤作用

微生物淋滤是指利用微生物与土壤中重金属发生氧化、还原、络合、吸附和溶解作用，将土壤中重金属分离、提取出来的一种技术。有学者采集沈阳细河底泥，并从中筛选得到高效淋滤丝状真菌，经8天的淋滤，底泥中Cd、Pb、Cu和Zn淋出率分别为935%、114%、623%和682%。周普雄等人[31]研究发现，经12 d生物淋滤，Cu、Zn、Cd和Pb的去除率分别达到665%、551%、728%和356%。曹占平等[32]针对天津污水处理厂污泥含Cu量高的特性，研究了投配比、接种污泥量、pH值和温度对污泥中重金属去除效果的影响。结果表明，在硫酸亚铁投配比为10 g/L、污泥接种量为20%、温度为28℃、淋滤时间为4 d时，污泥中重金属Cu、Pb、Cr、Ni、Zn和Cd的去除率分别为89%、38%、61%、76%、72%和57%。

332微生物的吸附作用

微生物吸附是指用微生物细胞经过一系列生物化学作用而吸附液相中的重金属，大量研究表明，一些微生物如细菌、真菌和藻类对一些重金属离子有很强的吸附和富集能力[33]。有研究显示[34]，通过改变培养条件及吸附条件研究胶质芽孢杆菌对Cd2+、Zn2+的生物吸附性能，在含有Cd2+、Zn2+的培养基中对胶质芽孢杆菌进行不同浓度梯度驯化，提高其对Cd2+、Zn2+的生物富集能力。结果显示胶质芽孢杆菌对Cd2+、Zn2+的吸附率分别可达8745%、9750%。邹春艳[35]研究胶质芽孢杆菌菌株制得的微生物吸附剂对重金属离子Pb2+、Zn2+、Cd2+、Cu2+和Cr3+的吸附与解吸作用，发现该吸附剂对单一金属离子的吸附可在2 h内达到平衡，10 min可达到吸附平衡时吸附量的60%;对5种金属离子的吸附率均随吸附剂用量增加而呈现不同程度的升高趋势。

333微生物的转化作用

微生物对重金属离子的生物转化作用主要通过氧化还原作用，改变重金属离子的溶解性、迁移性，将其转化为低毒或无毒的物质[36]。康鹏洲等人[37]通过研究不同理化因素对球形红细菌还原Cr（Ⅵ）的影响，利用透射电镜分析表明，球形红细菌胞内存在由Cr（Ⅵ）还原积累的Cr（Ⅲ）。菌体表面的-OH、-NH和-C=O等官能团参与了Cr（Ⅵ）的还原与Cr（Ⅲ）的积累，球形红细菌具有较强还原Cr（Ⅵ）的能力。李维宏等[38]从山西某铬渣堆场土壤中分离得到一株能还原Cr（Ⅵ）的细菌C2L，C2L菌株对Cr（Ⅵ）的还原效率分别为993%、942%、856%、821%、582%。实验结果表明，该菌株具有独特的还原Cr（Ⅵ）性能。

334微生物的络合作用

国际上有研究表明，微生物可以通过自营养浸出和异养浸出（与氧化还原反应有关）、分泌有机酸和生物表面活性剂以及释放铁团，这些过程可以导致最低溶性金属矿物化合物的溶解，以及粘土矿物或有机物表面的金属脱附微生物可以酸化环境，维持膜电位或呼吸过程中产生的二氧化碳积累的结果，导致自由的释放金属阳离子与阴离子复合物通过离子之间发生交换[39]。越来越多的证据表明，在有毒金属存在的情况下，细菌激活了铁载体合成，使铁载体与Zn2+、Cu2+、Cr3+、Mn2+、Cd2+、Pb2+、Ni2+等离子形成稳定的络合物[40]。

4微生物肥料土壤修复治理存在的问题

41微生物肥料土壤污染修复治理的研究发展不足

目前，利用微生物肥料修复重金属污染土壤具有诸多优势，且具有广阔的发展前景。但截止目前为止，关于利用微生物肥料修复土壤中重金属的研究仍存在许多问题，在实际生产应用过程中，微生物肥料只是被作为一种土壤肥力的添加剂，其本身具有的生态修复及污染治理的功效没有得到重视和推广利用，其中针对重金属污染、有机物污染的治理研究相对较少。因此，需要加强微生物肥料在重金属污染土壤中的修复治理研究，重视微生物肥料的生态学的修复治理功能，使微生物肥料在重金属污染修复中得到快速、平衡的发展，利用专用型生物肥料，降解土壤中的有机有毒物质，钝化重金属，确保农田生态和农产品安全。

42微生物肥料应用过程中的问题

微生物肥料中存在有活的微生物菌种，故在应用时应考虑所施用的环境条件与微生物肥料的适宜性，保证微生物肥料发挥应有效果，明确产品的特点、功能、作用和施用方法，避免在高温干旱条件下使用，避免与未腐熟的农家肥混用，以免因高温杀死肥料中的微生物。针对环境条件不适宜微生物生长及繁殖的耕地，需要进行质地、pH、肥力条件等相应的改善，配合土壤改良剂使用。

5展望

微生物肥料作为一种多功能的生物活性肥料，越来越多的研究表明微生物肥料在重金属污染治理和修复上有着巨大的潜力，在微生物肥料修复重金属的机制方面上，大多数研究采用含同一菌类微生物肥料，而采用含不同菌类制备的微生物肥料较少。不同微生物肥料组合、不同条件制备的微生物肥料，其修复效果会有一定的差异，对于不同重金属修复能力也不一样，因此，研究不同类型肥料对重金属修复作用的差异性将是一个研究热点。当前，以单一微生物肥料修复技术为主要研究内容，开展重金属污染的微生物肥料與其他技术联合修复效果研究，是今后复合污染土壤修复研究的热点方向。随着对微生物肥料研究的深入，必将为微生物肥料的发展提供强有力的理论和技术支撑。可以预料，我国微生物肥料产业在新形势下，将会不断发展壮大，在农业生产中将发挥更大的作用。

参考文献：

[1]杨蕾 我国土壤重金属污染的来源、现状、特点及治理技术[J].中国资源综合利用，2018，36（02）：151-153.

[2]余彬，赵大勇，李素敏，等 土壤中重金属污染的特征与治理措施研究[J].环境与发展，2018，30（09）：112+114.

[3]吴科堰，敖明，柴冠群，等 非食用经济作物修复重金属污染土壤研究进展[J].山地农业生物学报，2019，38（01）：62-67.

[4]黄勇，罗伟聪，吴丹妮，等 利用微生物肥料进行土壤生态修复治理的研究与分析[J].环境科技，2016，29（04）：74-78.

[5]刘刊，耿士均，王波，等微生物肥料研究进展[J].安徽农业科学，2011，39（22）：13445-13447+13488.

[6]Egamberdieva D，Wirth SJ，Shurigin VV，et al Endophytic bacteria improve plant growth，symbiotic performance of chickpea （Cicer arietinum L）and induce suppression of root rot caused by fusarium solani under salt stress[J]. Frontiers in Microbiology，2017，8：1887.

[7]张恒，朱迪，陈维林，等 增施微生物菌剂对烤烟生长的影响[J].山地农业生物学报，2019，38（01）：57-61.

[8]缑晶毅，索升州，姚丹，等 微生物肥料研究进展及其在农业生产中的应用[J].安徽农业科学，2019，47（11）：13-17.

[9]罗巧玉，王晓娟，林双双，等 AM真菌对重金属污染土壤生物修复的应用与机理[J].生态学报，2013，33（13）：3898-3906.

[10]刘晨，贾凤安，吕睿 我国耕地重金属污染现状及固氮菌在其修复中的作用[J].江苏农业科学，2018，46（03）：21-27.

[11]曹书苗 放线菌强化植物修复土壤铅镉污染的效应及机理[D].西安：长安大学，2016.

[12]李晓越，段淑辉，周志成，等 不同微生物肥对植烟区镉污染土壤的修复效果[J].地学前缘，2018，25（05）：314-322.

[13]张淼，叶长城，喻理，等 矿物硅肥与微生物菌剂对水稻吸收积累镉的影响[J].农业环境科学学报，2016，35（04）：627-633.

[14]周高婷 细菌ALISHEWANELLASPWH16-1对污染土壤中铅和镉的固定[D].武汉：华中农业大学，2016.

[15]王立，安广楠，马放，等 AMF对镉污染条件下水稻抗逆性及根际固定性的影响[J].农业环境科学学报，2014，33（10）：1882-1889.

[16]杨继飞 菌肥对铅污染土壤中玉米生物效应的研究[D].太谷：山西农业大学，2015.

[17]仝瑞建，刘雪琴 AM真菌对铅胁迫下小麦生长和生化特性的影响[J].西南农业学报，2015，28（04）：1578-1582.

[18]何永辉，王玲，孙德祥，等 AM真菌和牛粪对铅污染土壤的修复效应[J].中国烟草科学，2013，34（03）：65-69.

[19]郑坤，耿丽平，赵全利，等 硅酸盐菌剂对污染土壤中砷、硅活性的影响效应研究[J].水土保持学报，2015，29（05）：146-151.

[20]李景龙，孙玉青，陈心桐，等 接种AM真菌和施加铁可协同降低水稻砷累积[J].菌物学报，2017，36（07）：1037-1047.

[21]Sheng M，Tang M，Chen H，et al. Influence of arbuscular mycorrhizae on root system of maize plants under salt stress[J].Canadian Journal of Mi- crobiology，2009，55（7）：879 -886.

[22]胡義钰，孙亮，袁坤，等 砷污染后接种丛枝菌根真菌对番茄全生育期磷砷吸收的影响[J].贵州农业科学，2015，43（03）：37-42.

[23]沈生元，肖艳平，尹睿，等 AM真菌与蚯蚓对玉米修复砷污染农田土壤的影响[J].江苏农业学报，2011，27（03）：523-530.

[24]刘瑞伟 EM与有机肥对重金属生物有效性的影响[J].湖北农业科学，2009，48（06）：1352-1354.

[25]谢亚萍，张琳琳，郅惠博，等 稻壳生物炭与肥料配施对稻田镉铅铬砷的钝化与肥效的影响[J].复旦学报（自然科学版），2017，56（02）：228-232+240.

[26]肖文丹，叶雪珠，孙彩霞，等 铬耐性菌对土壤中六价铬的还原作用[J].中国环境科学，2017，37（03）：1120-1129.

[27]梁小迪，史鼎鼎，徐少慧，等 耐性细菌与活化剂对土壤镉生物有效性的影响[J].河南农业科学，2018，47（01）：48-53+108.

[28]郑坤，赵全利，耿丽平，等 不同水分条件下外源菌剂对污染水稻土中硅、砷有效性的影响[J].水土保持学报，2015，29（03）：262-266+271.

[29]陈雪兰，成杰民，高宪雯，等 石油-重金属复合污染土壤的微生物修复[J].湖北农业科学，2013，52（12）：2767-2770.

[30]维强，王祖伟，徐喆，等 一株黑曲霉的筛选及其对河道底泥重金属的生物淋滤去除[J].生态学杂志，2019，38（04）：1067-1074.

[31]周普雄，严勰，余震，等 生物淋滤联合类Fenton反应去除污染土壤中重金属的效果[J].环境科学，2016，37（09）：3575-3581.

[32]曹占平，张景丽 生物淋滤去除农用污泥中重金属的效果及工艺[J].农业工程学报，2009，25（02）：177-182.

[33]尹敬群，田君 微生物吸附金属离子研究与发展[J].生物化工，2016，2（01）：65-68.

[34]夏彬彬，仲崇斌，魏德州，等 胶质芽孢杆菌对Zn～（2+）、Cd～（2+）的生物吸附[J].生物技术，2008，18（03）：80-84.

[35]邹春艳，于杨格，连宾 胶质芽孢杆菌对重金属离子Pb～（2+）、Zn～（2+）、Cd～（2+）、Cu～（2+）和Cr～（3+）的吸附与解吸特征[J].南京师范大学学报（自然科学版），2018，41（01）：68-75.

[36]常海伟，刘代欢，贺前锋 重金属污染农田微生物修复机理研究进展[J].微生物学杂志，2018，38（02）：114-121.

[37]康鹏洲，白红娟，罗征，等 球形红细菌对六价铬的生物还原与三价铬积累[J].国际药学研究杂志，2018，45（05）：380-386.

[38]李维宏，杨宁，魏晓峰，等 一株Cr（Ⅵ）还原菌的筛选鉴定及其还原特性研究[J].农业环境科学学报，2015，34（11）：2133-2139.

[39]Gadd，GM Microorganisms in Toxic Metal-polluted Soils//Buscot  and Varma A （eds）. Microorganisms in soils：Roles in Genetics and Functions[M] Berlin：springer， 2005：325-356.

[40]Schalk，IJ，Hannauer，M，and Braud，A New roles for bacterial siderophores in metal transport and tolerance[J].Environment Microbiology，2011，13（11）：2844-2854