微生物在重金属离子污染修复及治理中的应用研究

李司宇,刘雪,王文婧,卢松霖,郝雪萌,张杰

(东北林业大学生命科学学院,哈尔滨 150040)

随着现代化工业体系的不断发展与进步,各种各样的污染正在不同程度上影响着人们的生活[1],其中重金属污染的问题尤为严峻,主要包括土壤污染和水环境污染。重金属指密度大于5g/cm3的金属,例如：锰、铜、镉、铅等。从生态学角度看,任何不能被生物降解而产生累积,从而对环境造成污染的金属、类金属都被视为重金属[2]。当这些重金属离子含量超过一定限度时,便会造成水体或土壤环境重金属污染。重金属污染不仅造成经济严重损失,同时也威胁着各生命体的生存与健康。

1 重金属污染现状

重金属污染主要包括土壤重金属污染和水环境重金属污染。土壤重金属污染是指土壤中重金属含量超过其背景值,土壤质量下降且产出的作物受到污染的现象[3]。这种污染具有隐蔽性、滞后性等特点,其危害不易被人们察觉,因而很少能引起人们的高度重视[4]。一些研究数据表明,我国大多数地区的农田都遭受到重金属污染,其中受铬、汞、铅、砷和镉污染的约为3万亩,每年因污染造成的粮食损失约1000万吨,经济损失难以计数[5-6]。

水环境主要包括海洋、河流、湖泊、水库以及地下水等水体[7]。水环境重金属污染是指排入水体中的重金属物质过多,超过了水体的自净能力,影响了水的性质和水环境中生物的生长发育,并且通过生物累积效应影响到人类生活环境和健康[8]。由我国相关部门对饮用水源的监测情况分析可知,汞在重金属污染物中排在首位,镉排在第二位。地表饮用水源中,铅、铬污染比较普遍,铜、镍等元素的超标现象也很严重[9-10]。长江是我国第一大河流,流域面积达到180万km2。学者调查发现,其下游沉积物中锰、锌、铜、汞含量分别为752.78mg/kg、 33.13mg/kg、 38.5mg/kg、 0.33mg/kg[11]。1996年至今,江河湖库底泥的污染程度已经达到了80%。其中,太湖底泥中的有害物质含量处于轻度污染水平,黄浦江干流表层沉积物的有害元素含量也超过规定标准要求,并呈现逐年上升趋势。被誉为母亲河的黄河近年来重金属污染也不断加重[12-13]。

2 微生物修复

微生物修复是指在特定或者适合的环境条件下,利用在这个条件中的微生物群体,提高微生物降解重金属的能力,进而达到降低重金属浓度、降低有毒性污染物活性或者降解重金属的生物修复技术。

2.1 细菌修复重金属离子污染

细菌在重金属离子污染中的作用主要体现在吸收和富集等方面。马薇等[14]制备了含有200mg/L Cr2+的琼脂平板培养蜡状芽孢杆菌,结果显示蜡状芽孢杆菌快速生长,而在含有镉离子、铬离子和铅离子浓度分别为75mg/L和锰离子浓度为100mg/L的培养基中,蜡状芽孢杆菌的生长速度没有出现异常,维持正常的生长速度。研究表明,在镉离子的污染治理中,蜡状芽孢杆菌可以发挥重要的作用和优势。黄文粤等[15]的研究探讨了细菌对重金属离子铜离子和镉离子的修复作用,考察了三种细菌：大肠杆菌、枯草杆菌和酵母菌。试验结果表明,细菌对重金属离子的修复结果与重金属的含量呈正相关的关系。

2.2 真菌对重金属离子污染的修复作用

早在19世纪就有学者发现真菌在修复土壤重金属离子污染中发挥了作用。有研究表明,真菌对重金属离子污染的修复作用原理是自身的抗性和对离子的吸附性。后来又有很多研究佐证了真菌对重金属离子的耐受性。当下,研究较多的是青霉菌、黑曲霉和酿酒酵母菌等真菌。李国卉等[16]利用显微技术和生物形态学技术,分析酿酒酵母菌在吸附了铅离子后,真菌本身的形态变化。研究结果表明铅离子在溶液中的含量降低,大部分都吸附在真菌表面,另外一些铅离子以沉淀形式存在于溶液中。杨小敏等[17]实地考察了大量汞矿得出结论,土壤中的菌根菌和分解菌可以大量地富集汞,降低汞离子在土壤中的含量,从而降低了汞排放的污染。

2.3 放线菌对重金属离子污染的修复作用

放线菌具有数量和种类众多、分布广和适应力强等优点。NIES等[18]的研究结果表明,放线菌释放的絮状活性分泌物和重金属离子发生络合反应,引起重金属离子的价态改变,进而降低重金属离子的含量,降低污染的程度。海米提·依米提等[19]的研究结果表明,抗性链霉菌在含有重金属离子的土壤中广泛分布,对重金属离子有很强的耐受性,并且其本身具有很强的溶解重金属物质的能力,可以降低重金属离子的浓度。他们研究了50株放线菌对于重金属铜离子的降解作用,定量研究结果表明,这些菌株对铜离子的耐受浓度最大可达1000mg/L。菌株种类鉴定结果为链霉菌属。

3 微生物在重金属离子污染治理中的作用机制

3.1 溶解和沉淀

微生物可以通过自身代谢活动产生有机酸等分泌物,对重金属离子进行溶解或者络合沉淀。微生物对重金属的这种作用可以是直接的也可以是间接的。一般来说,微生物在代谢过程中可以产生有机酸,有甲酸、丙酸等。刘晓俊等[20]对微生物溶解重金属离子的效果和作用参数进行了研究,结果表明,氧化亚铁硫杆菌对重金属离子的溶解作用受到很多因素的影响,例如培养基成分、pH值、温度等。通常来说,营养充足、pH值和温度条件都适中的环境条件下,微生物的代谢越旺盛,分泌的有机酸就越多,对重金属离子的溶解和沉淀作用就越强,对污染的治理效果就越好。李淑更等[21]在研究中,以加入了驯化污泥的城市污泥作为培养基,检测污泥中重金属离子的滤除率,结果显示,污泥中重金属离子的滤除率分别为铜离子67.2%、锌离子88.9%、铬离子82.4%和镍离子68.4%。

3.2 吸附作用

微生物对重金属离子的吸附作用,主要体现在吸收、吸附和沉淀三方面。邹春艳等[22]研究发现：胶质芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus)K02菌株制得的微生物吸附剂对铅、锌、镉、铜和铬等离子都有一定的吸附作用。此外,刘建英等[23]认为,螺旋蓝细菌对重金属的吸附会受到有机阴离子的影响,这种影响可以是促进也可以是抑制。例如,柠檬酸根可以促进吸附作用,而乙酸根会抑制吸附作用的产生。黄民生等[24]考察了微生物吸附重金属离子的影响因素,考察的微生物包括嗜热性真菌、啤酒酵母、铜绿假单胞菌、酒曲霉菌属、白腐真菌,当重金属起始浓度、温度、pH值、微生物量等影响因素变量发生改变时,微生物对锌、镍、铅、银等离子吸附程度也会发生改变。

3.3 氧化和还原作用

一般来说,重金属元素以稳定价态的化合物形式存在时,溶解度小,稳定性好；以低价态或者过高价态存在时就会非常不稳定,溶解度增大,对土壤和水体产生不利的影响。利用微生物对重金属的氧化还原作用,使重金属以其稳定的价态存在,从而使重金属的活性降低,可以降低其对水体和土壤的污染。王泽煌等[25]学者的研究发现：细菌能够与多种重金属离子发生体内转换,将高毒离子转变成低毒或无毒离子。何德文[26]对微生物的氧化还原作用进行了定量研究,根据铬离子的浓度,调整培养基成分组成,改变微生物的存在环境。研究结果表明,微生物可以完全还原低于150mg/L浓度的铬离子,此时的培养基即为最优培养基。

3.4 菌根真菌的生物作用

当真菌感染了植物的根并与其一起生长时,就成为菌根。菌根可以更好地吸收土壤中的营养物质。菌根真菌对于重金属离子可以产生直接影响,也可以产生间接影响。罗继鹏等[27]研究表明,东南景天体内分离的内生菌显著地增加了东南景天的根长、根表面积和根毛数,最终提高了植物对重金属的吸收和积累。王江等[28]研究了五节芒对于土壤污染的修复作用,结果显示,五节芒根际土壤微生物的浓度明显高于周围土壤中微生物的浓度。黄晶等[29]将紫花苜蓿用菌根真菌浸染,考察其对土壤中重金属离子的吸收。结果表明浸染后的紫花苜蓿对重金属离子的吸收效果明显增加。与此同时,不同菌根真菌浸泡,对于重金属离子的吸收也有差异。

4 结论与展望

综上所述,微生物在治理重金属离子污染的问题上发挥着重要的作用。微生物修复法因其费用低廉、可循环利用等优点,取得了不小的成就,有着十分良好的发展前景,但它在重金属污染修复上仍有其局限性：(1)现阶段培养的微生物大多需要特定的理化环境,而在实际应用中的环境是复杂可变的,用于修复的微生物不能很好地发挥作用；(2)菌种的安全性和可控性也是一大局限性因素。培养的微生物在某些特定环境条件下,其自身大量繁殖或变异,这不仅起不到修复重金属污染的作用,还会成为环境的污染源；(3)实际应用中通常为多种重金属污染复合,单一类别的菌种很难达到完全去除的效果,而多菌种同时进行修复一是无法同时满足各种菌的生存条件,二是菌种之间的相互作用致使达不到理想的修复效果。

针对这些问题,我们提出以下几个方面的建议：(1)优化微生物筛选过程,并对筛选出的高效降解菌进行严格驯化,从而培养出在普遍环境中均耐受、可控的菌种；(2)要想同时对环境中重金属进行微生物修复,要结合污染土壤、水体类型特点筛选出高效微生物群,并建立资源库,同时结合菌种群落开发出适用的多菌种联合修复技术,使其向技术化发展；(3)微生物修复技术与其他相关学科和技术并不是割裂的,应探求与植物、化学、物理吸附等方法联合,共同作用,更加妥善地治理重金属污染,改善环境。