芽孢杆菌在植物-微生物联合修复技术中的应用研究进展

柳晓光

（中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北保定 072750）

随着经济的高速发展，人类活动对环境造成的破坏日益严重，而土壤污染问题近年来也逐渐显现，通过土壤调查发现，我国有19.4%的耕地土壤存在不同程度的污染，以重金属污染最为严重。土壤的重金属污染存在难以消除、时滞效应长、污染面积大等特点，重金属污染易被污染土壤中的植物吸收，进入食物链，危害人类的健康。因此，消除土壤重金属污染，修复被重金属污染的土壤，保证人民的食品安全是目前亟需解决的问题。

1 超富集植物修复技术

土壤重金属污染的修复方法主要有物理修复法、化学修复法及生物修复法等［1］。物理和化学修复法的特点是修复效果好、修复效率高，但也存在成本高、容易造成二次污染等弊端，只适合局部开展，不适宜大面积的土壤污染治理。生物修复技术具有绿色、稳定的特点，并且可以降低对环境的影响，能有效避免二次污染，技术简单、成本低廉、环境友好的特点使生物修复法成为修复大面积土壤重金属污染的主要选择。

超富集植物修复技术是在不破坏生态环境和土壤结构的情况下，通过植物发达的根系吸收重金属元素［2］。超富集植物对于重金属元素的吸收量较大，是一般植物的数十倍甚至上百倍。超富集植物对重金属的耐受性较强，不但能够在被重金属污染过的土壤上正常生长，而且一般不会出现重金属毒害现象。超富集植物修复技术是一种比较常用的修复重金属污染土壤的方法，能够有效、稳定、彻底地对土壤进行修复，从根本上降低污染土壤中重金属元素的含量。

2 微生物-植物联合修复技术

超富集植物修复技术尽管能够有效、稳定地吸收土壤中重金属元素，但是在有毒重金属浓度很高的情况下，具有极高金属积累能力的植物往往生长缓慢，产生的生物量也会大大降低［3］。同时，超富集植物对重金属的吸收能力虽然较普通植物有大幅提高，但相对物理修复技术和化学修复技术立竿见影的修复效果来说，超富集植物修复技术仍然存在修复效率低、治理周期较长等缺陷。

为了解决超富集植物修复技术修复效率较低的问题，学者们进行了一系列探索。1）不断筛选对重金属元素耐受性更强、吸收能力更强、生长周期更短、生物量更大的超富集植物品种，同时结合分子生物学，应用基因工程技术，通过增大超富集植物的个体、提高生长速率，达到提高植物修复效率的目的。2）探索通过添加化学药剂、特种肥料及接种特定微生物等方式来促进植物对重金属元素的吸收。通过添加微生物来加快植物对土壤重金属元素吸收的“植物-微生物联合修复技术”，也成为近年来土壤重金属污染治理的研究热点之一。

重金属污染土壤中重金属离子与土壤粒子之间的结合十分紧密，能够形成稳定的络合物，不容易被超富集植物提取和吸收［4］。研究发现，部分微生物的代谢产物可以有效溶解被固定的重金属元素，提高重金属元素的生物活性，明显促进超富集植物对于重金属元素的吸收。同时，微生物能分泌各种植物激素和生物酶，还能通过固氮、固磷等作用改善土壤理化性质和生态环境，能在一定程度上促进植物在重金属污染土壤环境中的生长［5］。因此，将微生物应用于超富集植物修复技术中，可以有效解决植物吸收重金属效率较低的问题。

3 芽孢杆菌在植物-微生物联合修复技术中的作用

芽孢杆菌是一种常见的革兰氏阳性菌，对环境的适应能力极强，可以在各类型的土壤中大量繁殖，市场上也存在多种类型的芽孢杆菌菌肥，研究芽孢杆菌在植物修复法中的作用有利于芽孢杆菌的推广应用。

研究发现，芽孢杆菌对超富集植物吸收重金属元素的影响主要有2 种作用机理。1）以枯草芽孢杆菌为代表，通过分泌物的络合作用降低土壤中重金属元素的活性，阻滞植物对重金属元素的吸收，减少有害的重金属元素进入食物链。2）以巨大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌为代表，通过新陈代谢产生草酸、柠檬酸等有机酸。这些有机酸对重金属有溶解作用，可以提高重金属的生物有效性，促进超富集植物对重金属元素的吸收，从根本上降低土壤中重金属元素的含量。

芽孢杆菌对于超富集植物吸收重金属元素具有促进作用，这是植物-微生物联合修复法重要研究方向之一。杨榕在印度芥菜修复土壤Cd 污染的试验中接种胶质芽孢杆菌，当加菌量为2×1010CFU·kg-1时，发现pH 值明显降低，并可以显著提高土壤中Cd 的生物有效性，根际、非根际土壤中有效态Cd 元素的含量分别提升了36.54%和45.28%，有效促进超富集植物印度芥菜对Cd 元素的吸收［6］。地上部分生物富集系数为16.83，相比对照组提高了77.16%，地下部分生物富集系数为4.83，相比对照组提高了38.4%，对污染土壤中Cd 元素的去除率达到20.9%，是其他处理的1.58～7.51 倍。赵树民等在修复Cd、Cu 污染土壤时将黑麦草接种巨大芽孢杆菌，黑麦草对Cd 和Cu 的吸收量分别较对照组增加了45.8%和27.9%，同时发现巨大芽孢杆菌可以明显增加土壤中有效磷和有效铁的含量，黑麦草生物量较对照组增加了40.5%～50.0%［7］。丁玲在土壤中添加巨大胶质芽孢杆菌菌悬液和柠檬酸调理剂，不仅可以使土壤中的重金属元素发生明显的活化，还可以提高土壤中的脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶的活性，这也对植物的生长起到了一定的促进作用［8］。

以巨大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌为代表的芽孢杆菌在植物-微生物联合修复技术中作用主要表现在以下2方面：1）通过微生物新陈代谢产生的有机酸对土壤中的重金属起到活化作用，提升超富集植物在重金属胁迫下的吸收量；2）微生物的分泌物能够改善土壤的理化性质，通过促进植物生长的方式提高超富集植物的修复效率。

4 微生物与有机肥的联合应用

通过微生物提高植物的修复效率需要保证土壤中有一定的微生物含量，纪宏伟等研究发现，接种25 mL 和5 mL 巨大芽孢杆菌，在培养24 h 后，土壤中有效态Cd含量25 mL 组比5 mL 组高39%。但当培养72 h 后，25 mL 组的微生物由于土壤中的营养成分不够充分，菌体间相互竞争营养成分，造成菌体数量减少且新陈代谢受到影响，土壤中的有效态Cd 含量25 mL 组反而比5 mL 组低22%［9］。高浓度接种并不能保证土壤中有足够的目的微生物，在进行污染土壤修复时，尤其是废弃矿山、建设用地的修复治理时，往往土壤中的营养成分过低，不仅对植物的生长有一定的影响，也限制了土壤中微生物的含量，直接向土壤中接种微生物菌粉、溶液等，经过一段时间微生物总量会明显降低。解决这一问题的常规方法就是综合使用微生物和有机肥，在有机肥中接种微生物，制备生物菌肥，使微生物菌落的数量满足应用需求。

5 问题及展望

1）大多数的研究还停留在实验室阶段，实验室研究环境过于理想，微生物的环境适应问题、微生物的最佳接种浓度问题、制备适用大田的特种微生物菌肥配方问题、超富集植物重金属耐受问题等都需要进一步开展研究。2）巨大芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌等对超富集植物吸收重金属的促进作用是明确的，但还需对其他微生物进行试验。争取筛选出对超富集植物吸收重金属效率提升更为有效的菌种，并尝试使用分子生物学和基因工程技术等生物技术改造出特种微生物，不同菌种按比例混合，以获得最佳的效果。3）使用部分芽孢杆菌等常见微生物提高超富集植物修复土壤重金属污染的技术路线是可行的。进一步开发适合推广应用的相关菌肥产品、总结一套成熟可靠的技术方法是需要进一步解决的问题。