低温菌进行环境修复研究进展

张含含,宫春杰

(湖北工业大学 生物工程与食品学院,湖北 武汉 430068)

1 我国土壤污染概况

1.1 土壤污染现状

目前，我国土壤污染形势较为严峻，土壤污染主要分为三种类型：氮磷污染土壤、重金属污染土壤和有机物污染土壤。(1)农业生产中，过量地施加肥料会导致土壤中氮素、磷素含量升高，这会造成土壤质量受损退化。(2)土壤重金属污染是由于在工业生产中大量地使用重金属盐，其中包括工业排放的废水、废渣，汽车废气的沉降以及农药污染等。重金属元素如汞(Hg)、镉(Cd)、铅 (Pb)、铬(Cr)等元素在土壤中过量沉积都会导致土壤污染。(3)土壤有机污染是由有毒有害有机物的大量使用造成的，如有机农药、三氯乙醛、多环芳烃、多氯联苯、石油、甲烷等均会污染土壤。土壤有机污染与农业生产、工业生产都有一定的关系，过量使用有机化学农药、排放工业废水、废渣等是一大主因[1]。

1.2 土壤污染特点

土壤污染类型虽然有多种不同的类型，但它们都具有相似特征，例如：土壤污染都难以修复，仅仅依靠断绝污染源不会有明显的效果。由于重金属污染物难以被降解，也就表示只要土壤被重金属污染，在短短的时间内是不可能被修复的损害，需要消耗很大的人力精力财力，才能修复污染。土壤污染也具有不均匀性，也就是各地土壤性质各不相同，而且污染物在土壤中的分布和迁移均不是有规律可循的，所以污染物在土壤的分布具有不均匀性。我们通过检测来确定土壤的性质一般都是在土壤被污染后才进行的，因为很难在土壤污染一开始时就确定土壤污染的性质。因为与大气、水体相比较来说，土壤污染有容易扩散、稀释和迁移不规律的特点。土壤中的污染物会一直累积，逐渐的增多，所以说土壤污染具有隐蔽和滞后的特点[1]。

2 修复土壤的低温微生物

2.1 低温生态系统

地球有着非常复杂的生态环境系统，在不同的气候环境中有着多种多样的生态群落。从整体来看，全球有着广泛的低温环境系统，例如南北两极、高原、冰川、冻土等。两极的地理位置决定了其严寒的气候,正是由于极度严寒的气候,使得两极被冰雪覆盖,因而形成了独具特色的景观。同时，那里人迹罕至,因此留下了极其丰富的矿产资源及生物资源，吸引了世界各地的科学家对两极展开考察研究。如今科学家已经发现了一些生存于两极的低温微生物，如南极的变形菌门Pseudomonasflourescens[2]和Pseudomonasyringae[3]。青藏高原是地球陆地生态系统中的一个重要组成部分，其平均海拔超过4000m。青藏高原高寒、缺氧、降水少、日照长、辐射强，也因此形成了非常特殊的自然环境。作为亚欧大陆最高大的地貌单元，青藏高原对全球气候变化十分敏感，因此也在全球气候变化中承担着非常重要的角色。再如，独特的生态系统冰川和冻土，其低温、寡营养的环境特点为生命和生命大分子提供了较为适宜的保藏环境，此极端环境被称作是研究地球环境演化及宇宙生命进化等重大问题的天然宝藏。因而我们对这一特殊生态系统中微生物的研究可以帮助人们寻找有利的嗜冷微生物。

2.2 低温微生物

在低温气候环境下新陈代谢能够正常进行的微生物被称为低温微生物，低温微生物主要可以分为两大种类，分别是耐冷菌和嗜冷菌。耐冷菌和嗜冷菌对低温环境中的物质循环和降解起着很大的作用，将低温微生物应用于土壤污染治理可以很大程度地提高修复低温环境中土壤的质量和效率。其中属于低温微生物的嗜冷菌生长繁殖温度要低于20℃，0～15℃是其最适宜的生长温度，嗜冷菌在 0℃下也可以生存。低温微生物中的另外一类，耐冷菌在温度低于20℃下可以生长繁殖，最适宜其生长的温度是15℃，并且在0～5℃可以存活。耐冷菌比嗜冷菌更能适应环境的变化，在短暂的温度波动下耐冷菌依然可以很好的生存，耐冷菌比嗜冷菌的分布范围更加广泛，所以在常年寒冷或不稳定的低温环境中可以筛选到嗜冷菌[4]。

3 微生物土壤修复研究3.1 解磷微生物的研究

3.1.1 供氧机制影响低温解磷微生物修复土壤

邹海明等人[5]在对低温环境下聚磷微生物的富集驯化研究中针对低温环境下生物强化除磷工艺的启动与运行，研究了厌氧-好氧和厌氧-缺氧两种模式富集驯化好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌的效果。研究结果表明，以城市污水处理厂活性污泥为接种污泥的实验中，在8～11℃的低温环境下能够很好地富集驯化好氧和反硝化聚磷菌。同时发现，厌氧-好氧反应器处理磷的效率高于厌氧-缺氧反应器。好氧聚磷菌在缺氧的条件下，以硝酸盐作为电子受体吸收磷的能力要弱于反硝化聚磷菌在氧气充足的条件下，以氧作为电子的受体吸收磷的能力。

3.1.2 pH影响低温解磷微生物修复土壤

pH是生物除磷效率的一个重要影响因素。pH值的改变会使细胞膜的电荷发生改变，从而会使新陈代谢过程中的酶的活性受到影响，还会影响到微生物吸收和利用营养物质。如果生物除磷系统的pH发生改变，会引起活性污泥的微生物种群生长情况的明显改变。因为全国各地土壤环境不尽相同，而且各地土壤的pH值也各不相同，因此加大了土壤生物处理工艺的难度。而且在低温条件下运行的生物除磷系统的性能波动很大，其性能也会随着土壤中不同的pH值的变化而变化。因此研究在不同的pH值条件下生物除磷系统的聚磷菌生长代谢特征和种群结构的不同，即低温条件下pH值对生物除磷性能的影响具有重要意义。李楠等人[6]在pH对低温除磷微生物种群与聚磷菌代谢的影响研究中通过静态试验检测了在低温条件下不同的pH值对聚磷菌生长代谢的影响，并比较长时间生存于不同pH值下的生物除磷反应器的性能和微生物群落结构特点，总体分析比较了pH值对低温微生物除磷性能的影响。

研究结果表明在低温生物除磷系统中，生物除磷的性能、微生物种群结构以及聚磷菌的生长代谢都会因为pH值的变化而受到影响。如果生物除磷反应器长期运行于酸性条件下(pH值=6)时，其去除磷酸盐的性能会大大降低。聚磷菌大量存在于活性污泥中，其在活性污泥中的含量在60%左右，因此其种群结构占有很大的优势。当其运行在中性(pH值=7)或弱碱性(pH值=8)条件下的生物除磷反应器中时，聚磷菌的厌氧释磷性能会随着pH值的升高而提高。当pH值在6到8之间变化时，pH值的升高会加强聚磷菌对乙酸吸收，而且Polyhydroxybutyrate(PHB)的合成也随之加强，但是pH值高达8.5时，用于分解释放聚磷酸盐的能量大多都用于克服 △φ，导致用于提供Polyhydroxybutyrate(PHB)合成的能量不足，从而对好氧段磷的吸收造成抑制。过高或过低的pH值都不利于生物除磷的进行，会大大降低生物除磷的效率。最适宜低温微生物除磷反应器运行的pH值范围是7～8[6]。

3.2 重金属降解菌的研究

3.2.1 重金属污染概况

受到重金属离子污染的土壤由于有很大毒性且难以降解,常常被认为是第一类污染物。震惊世界的日本“水俣病”就是汞污染所导致的，而“骨疼病”则是镉污染引起的[7]。环境污染方面所说的重金属,主要是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等具有生物毒性的重金属,也指锌、铜 、钴 、镍 、锡等具有一定毒性的一般重金属。由于近年来工农业废弃物和城市生活垃圾剧增，以及农药和化肥的大量使用,对人类赖以生存的土壤环境造成了严重的重金属污染,并且污染情况越来越严重,所以对重金属污染的治理刻不容缓。 低温下重金属污染的微生物修复机制是利用微生物的生物活性对重金属有亲合吸附效果或将重金属转化为低毒物质的方法,从而达到降低土壤重金属污染的目的。

3.2.2 微生物降解重金属污染研究

长期受到某种重金属污染的土壤里存在有很多可以在重金属污染环境中生长繁殖，甚至能修复土壤重金属污染的耐冷微生物种群。土壤里存在多种多样的可以还原铬酸盐和重铬酸盐的微生物,如产碱菌属(Alcaligenes)、芽孢杆菌属(Bacillus)、棒杆菌(Corynebacterium)、肠杆菌属(Enterobacteiaceae)、假单胞菌属(Pseudomonas)和微球菌属(Micrococcus)等[7],这些微生物可以把高毒性的Cr6+还原为低毒性的 Cr3+。重金属具有强烈的毒性作用而且它会通过食物链逐渐积累，从而会引起严重的生物健康和生态环境问题。近年来,生物修复技术受到广泛的关注，其应用于修复土壤的重金属污染。Minamisawa[8]等证明处理废水中重金属经济有效的方法是利用生物材料。Yasemin Kacar[9]等利用包埋固定后的白腐真菌(Phanerochaetechrysosporium)对 Hg2+和 Cd2+进行吸附的实验中指出温度在15～45 ℃之间变化时,其生物吸附能力没有明显改变。因此,Phanerochaetechrysosporium在低温重金属修复方面具有较好的应用前景和生态效益。季秀玲等[7]基于在日本京都大学的部分研究成果，在利用低温微生物进行环境污染的研究中，运用低温微生物进行重金属污染废水的治理工作。目前，多株低温微生物从污染的废水中被分离出来，并观察了它们对Zn2+的耐受性,研究结果表明混合菌对Zn2+的耐受性大多可达到 800 mg/L,其中一株菌株可高产蛋白酶,且表现出高达900 mg/L的Zn2+耐受性,并表现出15℃温度条件下良好的长势。因此,从受到重金属污染的土壤和水体等低温环境中筛选和驯化对重金属具有富集和解毒功能的高活性耐冷菌,再结合固定化等工艺,就可以有效地解决广大寒冷地区的重金属污染问题,同时不会给环境带来二次污染,有效地修复和保护了环境，符合我国的可持续发展战略。修复重金属污染的低温微生物在处理低浓度和大面积污染等方面已经具有独特的优势,可以预见其具有非常好的经济效益和社会前景。

3.3 降解有机污染物微生物的研究

芳香烃类化合物是指苯及苯的衍生物，比如甲苯等物质。在实际应用的过程中，由于芳香烃类化合物自身所具有的合成属性，其很难被一般的微生物降解。因此就对人们赖以生存的生态环境产生了不良影响。但是通过有关学者以及科学家的研究发现这类化合物能够被一些微生物所降解。如churchail分离出的一种可以有效降低三环，四环芳香脂肪烃类化合物的分枝杆菌Mycobacterium。在污染条件下，它的降解基因可以进行有效的表达，从而加强芳香烃类的降解能力[10]。

3.3.1 对石油烃类物质的降解

在我国北方地区，冬季温度极低，低温严重地降低了降解油烃类微生物对石油的降解吸收效果。全球常年低于5℃的低温地区不少于生物圈的80%，因而利用低温微生物治理寒冷地区的石油污染，已引起广大科学家们的研究兴趣。因为石油烃类污染物中含有的物质，大多都不溶于水，在低温条件下这些物质通常以固态形式存在。而中温微生物在低温条件下不能发挥作用，因此加大了降解污染的难度。而早在20世纪80年代就有科学家从土壤、淡水和海洋系统中分离出耐低温的微生物，它们能广泛利用自然环境中各种各样的石油烃类污染物，并将其作为碳源使用。郑洲[11]等从385株南极海洋细菌中筛选出2株石油烃降解菌 NJ276(Pseudoalteromonas)和NJ341(Colwellia)。以柴油作为唯一碳源进行降解实验发现，这两株菌在低温下均具有良好的降解效果。李兵[12]等从辽河油田低温石油样品中筛选得到1株低温石油烃降解菌，经鉴定为嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonasmaltophiliav)。该菌不仅降解石油有良好的效果，而且具有稳定的遗传特性。将该菌在最适宜其生长的温度下培养10天，发现石油中的C15～C34长链烷烃被完全降解，其对石油的降解效率高达80.16%。王红旗等人[13]以石油为唯一碳源，从大港石油污染土壤中筛选得到2株耐低温高效石油降解菌，分别是副球菌和盐单孢菌，研究发现这两株菌也具有良好的石油降解特性。以原油作为唯一的碳源培养20天，其降解效率可达40%～50%。

3.3.2 对芳香烃类废水的降解

芳香烃类化合物包括苯及其衍生物，如苯酚、甲苯、萘、菲等。一般的，微生物都难以降解这些物质。但仍有研究表明分离纯化出了能够降解该类污染物且具有较高降解性能的耐冷菌。Chauret等[14]筛选出可发挥反硝化作用的耐冷细菌Pseudomonasfluorescens，其在低于10℃的温度条件下依然可以降解邻苯二甲酸。Robert等[15]分离到1株耐低温微生物，其能够降解高分子多环芳香烃。Margesin 等[16]在含有烃类污染物的高山土壤里分离得到4株耐冷微生物，2株Rhodococcussp.，2株Basidiomycetousyeasts，都是可降解高含量苯酚的微生物。其中从属于绣菌纲的1株酵母菌是一个新型的物种，在1℃时降解含量为 5 mM 的苯酚，当温度高于20℃时不能生长，其降解苯酚的速率高于普通耐冷细菌在10℃时的降解速率。

3.3.3 对氯酚类废水的降解

氯酚类物质是广泛应用于农药、防腐和造纸工业中的化工原料，具有抗菌和消毒的作用，是一种水溶性很高且难以被降解的有机物。这类物质会引起许多河流、土壤等自然生态系统环境的污染。大量研究发现，耐冷菌中的一些菌种如Pseudomonas putida CPI[17]能够降解存在于土壤和水体中的2-氯酚。Jarvinen等[18]从地下水中分离纯化出的一种低温菌能够高效降解氯酚类物质。将其应用于好氧流化床反应器中观察其在低温条件下氯酚的降解效果。结果表明，在5～7℃低温条件下，使用740mg/(L·d)氯酚负荷时，能够降解99.9%的氯酚类物质。通过比较可知该低温系统比中温系统更具有经济效益。Zilouti等[19]从受到五氯苯酚污染和农药污染的土壤中分离纯化出几株能够高效降解氯酚的耐冷微生物。将其接种到流化床和生物反应器中，观察其对氯酚污染水的净化效果。实验结果表明，这2种方法对氯酚的降解率均能高达到99%以上。

4 研究展望

地球上大部分的生态环境温度均低于 5℃，这些环境中生存着大量的微生物，这些微生物长期生存于低温环境中，被驯化出能够适应低温环境的分子机制。这类微生物是地球生物圈的重要组成成分，与生态环境相互影响、相互依存，关联着整个生态环境的变化，并且在环境工程中起着重要的作用。例如治理土壤污染及石油污染等。其中已经发现和驯化的低温微生物被应用于各个类型的土壤修复中，它们分解代谢的途径各不相同，但都有显著的修复效果。目前，低温微生物抗低温的分子机制还没有被完全解析出来。近几年来世界各地的科学家越来越重视研究低温微生物，低温微生物可研究的领域也越来越广泛。我们相信随着低温微生物研究的不断深入和生物工程技术的持续发展，对微生物土壤修复领域的研究和应用将会越来越广泛和深入。