土壤重金属污染微生物修复概述

山东建筑大学市政与环境工程学院 周冉

土壤作为一个庞大的生命载体,土壤健康与环境、人类和动物健康都是紧密地联系在一起的。重金属由于其毒性、不可生物降解性和作物吸收利用性,是重要的农业土壤污染物,是农作物和全球食品的重要有害物质。重金属污染的土壤有难治理、治理费用高等特点,这就需要我们国家和公民加强对土壤重金属污染严重危害性的了解,提高大家的防范意识。分析重金属污染的解决方法,进而建立有效的土壤污染防治措施。物理修复、化学修复和生物修复是近年来土壤中重金属修复的常用手段。由于传统的修复方法存在较大的局限性，所以利用生物对重金属土壤污染进行修复逐渐被广泛应用。生物修复是利用自然存在的动植物将有害物质分解成对环境污染危害较小或者无污染的一种处理方法,概括为微生物修复和植物修复。本文通过介绍微生物在土壤重金属污染中的作用机理、适用性和优缺点,指明了微生物修复在重金属污染修复领域的战略前景。

一、微生物修复机理

微生物修复是指利用真菌、细菌等对土壤中的重金属进行富集、结合、氧化和还原。微生物的新陈代谢速度惊人,通过本身的生理作用,可以利用土壤中各种有毒化合物作为生长、发育、繁殖的能量来源。微生物本身的细胞结构可以识别捕捉金属离子,并将土壤中重金属离子结合到细胞壁的特定的结核位置上,这个通过从土壤中获得离子以达到微生物表面电荷平衡的过程称为微生物的吸附。此过程中吸附重金属的量取决于微生物细胞表面的电荷量以及重金属离子的种类。该过程速度快,修复效果见效快。而且微生物表面带电的生理特征可以使其主动吸附重金属离子。由于微生物对特定污染物产生不同类型的降解酶,它们进化出多种维持稳态和抵抗重金属的机制,以适应生态系统中的有毒金属。例如,有研究发现小白菜根际有两种产脲酶细菌,可以使小白菜免受Cd和Pb毒害,增加了小白菜的产量,为农田蔬菜安全生产提供了有力的依据。众所周知,大部分重金属离子具有很强的毒性,其毒性可以破坏微生物的生物膜甚至可以使微生物失活,但微生物本身的活性和适应能力可以发展防御机制,帮助他们克服毒性并且吸收重金属离子。例如细菌中的重金属抗性基因能通过重金属的诱导产生应答，土壤中铜离子浓度的增加，变形菌门的相对丰度增加,酸杆菌门和芽单胞菌门的相对丰度降低，部分基因的浓度也相应增加；WilliamPietro-Souza等人利用内生真菌对汞进行修复,通过检测32株内生真菌在添加重金属浓度的培养基中对汞的抗性,发现接种了Aspergillussp.A31,LindgomycetaceaeP87的土壤中汞浓度明显降低,内生细菌的分泌的酶使植物组织的挥发和积累机制显著提升。微生物对土壤中重金属离子等毒性物质能够迅速做出反应，对于土壤中重金属污染的修复微生物的生理响应通常分为四个方面。首先通过细胞壁成分或细胞内金属结合蛋白和多肽(如金属硫蛋白(MT)和植物螯合素以及化合物来隔离有毒金属；其次改变生物化学途径,阻碍金属吸收；然后酶将金属转化成无害的形式；最后,利用精确射流系统降低细胞内金属浓度。

二、微生物修复特点

微生物修复土壤重金属污染是一种替代物理修复和化学修复的更加绿色环保的修复方法,在土壤重金属修复中发挥着重要的作用。不仅可以帮助土壤恢复到健康的自然状态,而且具有长期的生态收益和成本效益。微生物修复土壤中重金属是一个自然的过程,在生物降解转化等过程中不产生任何二次污染物,更不会把土壤中重金属污染从一种环境介质转移到另一种环境介质,甚至完全销毁有害重作用的金属离子也是可能的。除此之外,微生物修复过程通常为原位修复，不会对正常的活动形成干扰。微生物在修复的同时,也可以参与土壤中的物质循环,提高土壤各类物质的转化效率。与此同时,微生物修复重金属污染的土壤也存在一些弊端，微生物对重金属离子污染的修复通常是高度特异性的,修复效果取决于微生物种群,要有适宜的生长环境条件，适当的营养水平和污染物浓度水平。但是，如果使得微生物高效的进行土壤重金属的污染,需要通过不断地实验探究，找出合适的微生物种群参与土壤污染的修复和土壤中各组分的循环转化。

三、生物修复技术的发展趋势

大量研究表明,微生物修复作为土壤重金属修复手段较传统的物理化学修复更有效、更环保且成本低。微生物具有更好的生物修复机制,他们能够在重金属离子的胁迫下生存并从环境中清除重金属。微生物作用过程中，利用沉淀、生物吸附、金属酶转化、络合作用；微生物利用吸附、固定、挥发等作用有效的修复技术。然而,有效的生物修复也需要适宜的修复环境条件。如果没有恰当的环境条件，微生物修复作用将受到阻碍，所以我们必须致力于寻找合适的微生物种群。重金属土壤污染修复任务任重而道远，为了更有效地治理重金属污染土壤,多元化的修复方法需要我们发展和推广。

相关链接

土壤无机污染物中以重金属比较突出，主要是由于重金属不能为土壤微生物所分解，而易于积累．转化为毒性更大的甲基化合物，甚至有的通过食物链以有害浓度在人体内蓄积，严重危害人体健康。土壤重金属污染物主要有汞、镉、铅、铜、铬、砷、镍、铁、锰、锌等，砷虽不属于重金属，但因其行为与来源以及危害都与重金属相似，故通常列入重金属类进行讨论。就对植物的需要而言，金属元素可分为2类：①植物生长发育不需要的元素，而对人体健康危害比较明显，如镉、汞、铅等。②植物正常生长发育所需元素，且对人体又有一定生理功能，如铜、锌等，但过多会造成污染，妨碍植物生长发育。同种金属，由于它们在土壤中存在形态不同，其迁移转化特点和污染性质也不同，因此在研究土壤中重金属的危害时，不仅要注意它们的总含量，还必须重视各种形态的含量。土壤中重金属元素主要有自然来源和人为干扰输入两种途径。在自然因素中，成土母质和成土过程对土壤重金属含量的影响很大。而在各种人为因素中，工业、农业和交通等来源引起的土壤重金属污染所占比重较高。土壤是由岩石风化而来，不同的岩石含有各种重金属元素，成土母岩的化学元素决定了土壤中化学的最初含量，影响着土壤中重金属元素的环境背景值：同时母岩在形成土壤过程中的影响因素也影响着土壤中的重金属含量，如抗风能力强的石英质岩石对发育于其上的土壤中重金属含量起控制作用，然而抗风能力弱的碳酸盐类岩石对其上发育的土壤中重金属含量控制作用则不强。大气中重金属降尘也是影响土壤中重金属含量的主要自然因素之一。火山爆发、森林火灾、海浪飞溅、植被排出、风力扬尘等过程使很多重金属尘浮于空中。空气中的重金属元素部分被植物吸收，部分通过尘降进入水体、土壤。在自然界中土质污染也影响着土壤重金属的含量。