土壤中铁氧化物对重金属的微生物吸附原理及现状分析

马垚

摘要：土壤中铁氧化物对重金属元素及某些阴离子有富集作用，同时决定这些元素在土壤中的迁移、存在形态及其对植物的有效性，常见于水稻根际的铁膜主要由铁氧化物组成。土壤中氧化铁一般由微生物介导产生，铁氧化细菌（Fe（II）-oxidizing bacteria，FeOB）就是典型代表。我国对于嗜中性微好氧铁氧化茵的研究还很少，虽然它们作用较大，但因其较难培养且生长速度缓慢，给研究造成一定困难。试验采用扬州水稻土为样品，测定其pH、游离铁含量、有机质含量等理化性质，并且利用半固态梯度管法和单茵落稀释转接法对铁氧化细菌FeOB进行稀释培养计数、分离和纯化，对分离方法作部分探讨。结果表明，水稻根内外每1g干土可培养铁氧化茵为1.5×10⁷细胞，高通量测序结果显示根内外细茵群落组成接近，而处理间有所差异。

关键词：水稻;铁氧化茵;重金属;培养

1铁元素的基本属性及其存在形式

铁是一种分布广泛的过渡金属元素，占地壳质量的5.1%，在元素分布序列中排名第四，仅次于氧、硅和铝。对于大多数原核生物和真核生物来说，铁是必需的微量营养素，也是细菌的重要潜在来源。在缺氧环境中，铁通常是二价的，在自然界中是活跃的，在氧的存在下很容易形成氧化物。这些氧化铁颗粒具有较大的活性表面积，对有机物和重金属元素（如镉、砷和铅）具有吸附作用。

铁氧化菌广泛分布于环境中，嗜中性微氧铁氧化菌常分布于湿地植物根系、海底热液端口和含铁量高的地下水氧化还原过渡带。由于铁的氧化作用，在这些生境中经常观察到铁锈的颜色特征。

2治理重金属污染土壤的途径

对于土壤重金属污染，一般采用钝化或是生物吸附的方法治理。例如：在土壤中施用钝化剂，种植高蓄积体植物，在土壤中添加特殊的菌群等等阻我国农田重金属污染面积大，常采用鈍化法，但钝化剂的施用常常造成土壤性质和土壤微生物群落的改变和衰退。因此，钝化剂的质量相对较高，要求成本低、效率高，不含重金属等污染物，不存在二次污染的风险。

3土壤中铁氧化物对重金属元素的作用机理

大量研究表明，土壤中的氧化铁对重金属和某些阴离子有富集作用，同时也决定了这些元素在土壤中的迁移、存在和有效性。例如，稻田常见的周丛花生物主要由铁氧化物、有机质、微生物和微生物分泌的有机质组成，可以有效地固定稻田中的重金属。氧化铁及其氢氧化物具有特殊的电化学性质，具有较大的表面积和丰富的-OH官能团，能与多种离子反应形成吸附一解吸反应。除对钙、磷等大分子营养物质有较强的吸附作用外，对重金属离子和有机污染物在地表环境中的迁移和沉淀也有重要影响。铁矿物的氧化还原和沉淀溶解在一定程度上决定了土壤中金属的形态、转化和生物活性，被称为固定重金属元素的改性剂和地球化学屏障。

湿地植物根系具有通气的结构，能将氧气输送到根系周围的土壤中，形成氧化还原电位差，氧气和Fe²⁺浓度梯度，为微氧FeOB提供良好的生活环境。FeOB氧化铁，形成的氧化物吸附在植物的根际周围。这些氧化物被称为铁膜。微生物氧化亚铁是水稻土的一种常见现象，是水稻土生物地球化学过程的中心环节。因此，在日益严重的农田重金属污染中，使用微生物氧化铁钝化镉是一个不错的选择。

4目前铁氧化菌培养研究面临的问题

微生物处理环境污染具有传统方法无可比拟的优点，如无二次污染、运行能耗低、操作方便。铁氧化细菌（FeOB）对重金属污染的自然环境有显著影响。铁氧化物细菌在许多元素的生物地球化学循环中也起着重要作用。国内对嗜中性微氧铁氧化菌的研究较少。探讨FeOB修复有机，无机污染物的能力，研究FeOB的电子输运和生长机理，以及新物种的分离和筛选有待进一步探索。

首先，在铁氧化物细菌的研究中，铁氧化物细菌的生物量低、生长速度慢是2个主要问题。Emerson和Weiss为了增加细胞生物量，在培养皿底部加入含1%琼脂的FeS，在厌氧环境中浓缩，加入MWMM并接种，然后将培养皿置于微好氧气体产生袋中。该袋在厌氧池中培养，梯度的表面产生生物氧化铁膜，估计该方法可使铁细菌产量提高10～100倍。此外，一些人试图使用大型生物反应器来丰富铁细菌FeOB，但细胞浓度似乎没有显著增加。

此外，FeOB和MOB的应用几乎都是单一菌株。虽然处理效果好，但由于菌株对环境的适应性有限，一旦环境变化超过其耐受性，细菌就会被氧化、衰弱甚至死亡。为了弥补这一缺陷，可以利用混合菌株提高其对环境的适应性，提高治理效率。

5水稻田微生物铁膜的效应

关于控制水稻根表铁膜养分富集、吸收和重金属污染的报道较多，但对铁膜形成及其对氧化铁微生物影响程度的研究还相对较少。氧的分泌通过影响根际微生物的氧化作用，影响根际有毒物质的氧化沉淀。受氧分泌影响的根际铁氧化还原菌高于根外土壤。土壤铁的氧化还原不仅决定了铁的生物利用度，而且通过改变土壤氧化还原电位来调节其他元素的氧化、恢复过程。可以看出，与铁（II）氧化或铁（III）矿物沉淀有关的微生物会影响环境中有毒重金属的迁移、转化和命运，从而产生重要的环境影响。稻田铁氧化微生物的过程主要是微好氧和厌氧反硝化。前者更倾向于水稻根系和土壤表层氧合所产生的微氧环境，而后者在稻田外的土壤中更为常见。在湿地环境中，靠近水层的土壤表面也更有可能产生氧化铁。空气中的氧气通过浅水层扩散到土壤表面，形成类似于根际的微氧条件。因此，氧化铁对稻田的影响范围不容忽视。

影响铁膜形态和数量的因素很复杂，包括铁的有效性、根系氧化能力、微生物活性和土壤质地。其中，根系氧的分泌被认为是控制铁膜形成的最重要的生物学因素。吴川等认为，氧分泌对水稻吸收砷的影响可能是由于其对铁膜形成的影响。不同品种的水稻，以及不同的水稻生长阶段，由于其不同的氧分泌能力，在根系中有不同程度的铁积累，从而影响了水稻根系表面氧化铁膜中重金属的富集和对水稻的吸收和运输。研究表明，微生物对环境铁氧化物的形成起着重要的调节作用，约50%～90%的铁氧化物是由微生物形成的。Chan发现铁氧化细菌分泌的有机聚合物影响铁氧化物的老化和矿物形成。目前还没有关于铁氧化物在同一环境中形成不同微生物种类的成分的报告。水稻可能通过释放氧对铁氧化微生物活性的影响间接调节铁膜的形成，进而影响重金属的吸附效率。这一过程可以更好地阐明铁植物微生物系统对铁膜的影响，以减少土壤中重金属污染。

研究发现，大量的铁膜阻止植物吸收重金属元素，并在一定的数量范围内促进其生长。例如，不同氧化铁的添加对降低土壤中镉的生物利用度、抑制作物吸收和积累镉有不同的作用。纤维岩优于针铁矿，最差的作用是镁赤铁矿。土壤根际和根系中的氨氧化菌、甲烷氧化菌、硫还原菌、铁还原菌等微生物群落已经比较成熟，而与稻田氧化铁膜形成有关的微生物则是特别纯菌株。生理生态学研究还处于起步阶段。本试验采集水稻根际与根外样品，对其基本理化性质、细菌多样性以及铁氧化菌数量进行分析，并利用该土壤对铁氧化细菌进行富集分离。

（收稿：2019-09-21）