微生物修复农田土壤重金属污染技术研究进展

鲍广灵，陶荣浩，杨庆波，胡含秀，李 丁，马友华

（1农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036；2芜湖格丰环保科技研究院有限公司，安徽芜湖 241080）

0 引言

随着农田周边矿物资源大量开采、滥用各种农残留药品以及化工企业非法排放工业废水，造成土壤中重金属含量严重超标[1-2]。面对当前农田土壤重金属大量积累的严峻形势，如何治理土壤污染成为了关键[3-5]。目前，主要从生物、化学、物理3个方面对土壤进行修复[6]。物理、化学修复技术，施用成本高，修复效率低，造成当地农田生态系统紊乱[7]，而生物修复技术修复效果好、修复成本低、环境干扰小，无二次污染[8]，是今后环境污染治理中研究和应用的热点[9]，其中微生物因其存活率高，生长周期短，施用成本较低，并能提高农田生态系统的稳定性[10]，对于土壤重金属污染问题，采用微生物修复方式，可以有效修复农田土壤[11-14]，已成为治理土壤重金属污染研究的热门话题[15]。

本文对微生物修复土壤重金属作用机制进行了阐述，归纳了修复土壤污染功能的微生物种类和其修复技术的应用效果，以期为微生物修复土壤重金属提供参考。

1 微生物修复作用机制

微生物通过自身代谢影响土壤微生物的迁移率，改变土壤重金属离子价态，减少重金属毒害作用以达到修复农田土壤的目的。微生物修复主要有2种方式：一种方式为微生物的吸附作用；另一种方式为微生物的转化作用。

1.1 微生物的吸附作用

该作用主要是指利用微生物对农田土壤重金属的吸附作用，使得土壤重金属的形态特征发生改变，或降低生物可利用率，减少重金属毒害作用[16]。土壤微生物之所以能够吸附土壤重金属，主要原因是由于部分化学基团（细胞壁表面）络合作用及配位作用能与重金属离子形成化合键[17]。目前，土壤中绝大部分微生物主要表现为电负性，这样的微生物更有利于吸附重金属离子。Chen等[18]研究发现酿酒酵母在吸附金属离子方面表现出不同的能力差异，其中酿酒酵母对金属离子Pb2+表现出的吸附能力最强。毕娜等[19]发现土壤Cd2+污染筛选出微生物，可以有效吸附土壤Cd2+。柴新义等[20]发现铜矿土壤中筛选出的微生物，对Cu2+具有很强的吸附性。Kinoshita等[21]发现微生物可以吸附铅离子、砷离子、铜离子、汞离子。Li等[22]发现微生物可以吸附银离子。Tunali等[23]报道头孢菌能够有效吸附Pb2+，并且头孢菌对Pb2+的吸附量在一定范围内随着pH的变化而变化。微生物吸附状态受自身特性、重金属种类以及外界其他因素影响[24]。

1.2 微生物对生物转化作用

该作用主要是指微生物通过某些化学反应，使重金属离子的稳定状态和络合状态随价态发生变化而改变，将高价态的金属离子转化为低价态金属离子，最后减少土壤重金属离子的毒性[25]。Robinson等[26]发现土壤微生物具有转化重金属的能力，可以将高价态转为低价态减少重金属毒害。Barton等[27]发现微生物可以将有毒状态的硒、铅转化无毒状态。李韵诗等[28]发现微生物通过转化作用可以使土壤有毒的重金属离子变成无毒状态。安凤秋等[29]发现微生物通过转化反应可以降低铁离子、锰离子、砷离子的活性，减少对农田的毒害。绝大部分土壤重金属能通过微生物进行迁移、转化，这其中去甲基化则是很关键的一个过程。如土壤重金属As污染的生物毒性功能被降低主要由于去甲基化反应[30]。Kamaludeen等[31]研究发现只有在微生物的干预下，土壤重金属元素才能发生去甲基化反应，土壤微生物通过酶促反应将Cr4+还原成Cr3+，使铬离子毒性降低，最终修复农田土壤，减少其毒害作用。

2 微生物联合修复效果

微生物能通过单一修复技术进行修复土壤重金属污染，但修复效果并不显著，因此采用微生物与其他修复技术联合的方式，可以增强农田土壤重金属污染修复效果。

2.1 微生物与生物炭联合修复

该作用主要是在重金属污染的土壤上将微生物与生物炭进行充分混匀，利用生物炭自身特性使土壤变得蓬松，为微生物提供更多的生存空间[32]，之后通过微生物对农田土壤重金属的吸附作用，最终修复农田土壤。郁倩文等[33]通过将不同的微生物与生物炭进行联合修复处理，发现生物炭与微生物的联合作用能有效抑制土壤重金属的生物可利用性，进而修复重金属污染土壤。戚鑫等[34]研究了微生物与生物炭的联合修复对土壤镉、铀的钝化效果，研究发现联合修复能有效降低土壤重金属含量，对土壤钝化效果十分显著。Waqas等[35]探讨了真菌和生物炭联合修复农田重金属，可以有效降低大豆对土壤重金属的吸收作用。微生物与生物炭联合使用能有效修复受重金属污染的土壤，但可能也会带来潜在的安全风险，由于部分生物炭自身就携带重金属，如何回收这部分重金属目前尚在研究中[36]。

2.2 微生物与植物联合修复

在众多重金属污染的治理方法中，植物修复污染的土壤具有修复效果好、维持生态环境的优势。但是单一植物修复土壤重金属最明显的缺点为植物生长速度慢、修复年限长、生物量较小，进而导致修复重金属效果不显著，因此采取将植物与微生物联合修复的手段，可以提高微生物修复土壤重金属污染的效率。朱治强等[37]在以土壤镉与有机氯农药复合污染的农田土壤背景下，将东南景天植物与有机氯农药(DDT)降解菌进行联合修复，结果表明在微生物-植物联合作用下能使土壤重金属Cd和DDs含量降低。魏睿等[38]通过将植物与微生物联合修复受农药污染的土壤，研究发现联合修复能够减少土壤污染物质，最终修复农田土壤。刘卫敏[39]通过盆栽实验得出植物和微生物以及土壤改良多种方式联合修复能降低受污染土壤重金属的含量。韩惠珊等[40]指出将植物与耐铜微生物联合作用可以修复铜污染的土壤。

2.2.1 植物-农田土壤根际微生物联合修复 研究表明，根际微生物一方面通过呼吸系统释放出CO2溶解难溶物质，使植物更好的吸收矿物元素；另一方面通过分泌植物激素，使植物快速生长[41]。同时一些土壤根际微生物在适当环境中，也可以通过自身代谢系统分泌出代谢产物导致土壤重金属含量降低[32-33]。马新攀等[44]将趋磁细菌加入受重金属污染的土壤，再种上铜草，30天后将铜草除去，研究发现铜草除去后的土壤重金属含量符合国家土壤污染安全标准。周妍等[45]通过温室盆栽实验研究紫苜蓿与不同的微生物菌落联合修复多环芳香烃污染的土壤，结果表明紫苜蓿与根瘤菌（细菌微生物）联合修复土壤多环芳香烃污染污染效果最好，多环芳香烃污染降低率最大。为以后进一步降解受PAHs污染的土壤指明了方向。

2.2.2 植物-菌根真菌微生物联合修复 研究表明，植物一方面可以通过土壤重金属富集作用进行重金属离子胞外配位反应，另一方面也可以通过自身代谢释放代谢物质与重金属进行赘合作用，使土壤重金属的生物利用率被提升[46]。罗巧玉等[47]将AM真菌与宿主植物进行联合修复作用，发现联合作用能够有效提升植物对受胁迫Cd、Zn的忍耐性和吸收量。研究发现，菌根真菌植物联合作用后，植物对重金属的吸收效率发生改变，间接降低土壤重金属含量[48]。

2.3 微生物-植物-纳米材料联合修复

该作用是在农田中将微生物、植物以及纳米材料放一起进行联合修复作用，利用三者之间的吸附功能，以及微生物和植物的转运功能，使重金属全部积累到植物内，最终修复农田土壤。娄晨等[49]通过将微生物-植物-纳米材料进行联合作用修复土壤镉污染，研究表明三者联合修复能够降低土壤中镉含量。当前，微生物-植物-纳米材料联合修复逐渐被关注，但微生物的安全利用性与植物生存、纳米材料的有效使用方面，目前研究尚浅，有待进一步完善[50]。

3 不同种类微生物修复效果

研究表明，农田土壤主要组成成分为空气、水分、微生物及其他物质。土壤中含有大量的微生物，其中真菌和细菌占了整个微生物群落很大比重。现对细菌微生物和真菌微生物修复农田土壤进行阐述。

3.1 细菌

当前，土壤绝大多数细菌具有很好的酶降解系统，能够有效降解受污染土壤中的酶，使土壤形态特征发生变化，最终达到修复效果。常用的细菌微生物，主要有芽抱杆菌(Bacillussp)、弗兰克氏菌(Rhizobium Frauk)、球菌(LVlicrococcus)等，这些微生物常被用于研究耐受重金属。Sinha等[51]研究发现，将能渗出铁载体的根际促生菌(PseudomonasaeruginosaKUCd1)被接种后，可以降低西葫芦里的镉含量，有效预防了西葫芦被高浓度镉毒害的现象。Li等[52]报道了在土壤镉浓度很高的背景下，研究发现芽孢杆菌H3与新根瘤菌属T1-17使水溶性镉含量降低80%～95%。Kaewchai等[53]报道了铜绿假单胞菌对土壤重金属铬的耐受性，在一定时间范围内，随着铜绿假单胞菌接种时间的增加，微生物的耐受性在逐渐增强。大约在接种铜绿假单胞菌10天左右，有超过90%菌种能耐重金属。

3.2 真菌

丛生菌根(Arbuscularmycorrhizae)、黑曲霉(AsperR-illusuiR-er)、球囊霉(Glomusspp.)等[54]真菌微生物常被用于研究耐受重金属。Liu等[55]报道了大漏斗菌(Clitocybemaxima)对植被吸收重金属Cd、Cu有促进作用，当土壤重金属含量很低时，修复效果则更加明显。黄成涛等[56]报道了香根草与耐铅镉真菌Q7的修复作用，发现耐铅镉真菌Q7可以促进植物对铅镉的富集，修复农田土壤。Siegel等[57]发现真菌可以通过自身分泌出的代谢产物，使重金属元素以及其矿物元素溶解。Mishra等[58]通过盆栽试验，研究发现AM真菌能产生铁载体促进高粱等植物吸收Fe3+离子，修复土壤污染。Joner[59]等发现丛枝菌根真菌能够吸附农田土壤中一半以上的重金属元素。王玲等[60]研究也发现了丛枝菌根真菌表面含有大量基团能够吸附土壤重金属元素，能有效降低土壤中重金属含量。

4 微生物修复技术的应用

4.1 固定化微生物修复技术

固定化微生物修复土壤重金属污染技术主要通过物理、化学方式将游离在土壤中微生物限定在一定范围内同时维持微生物活性[61]，从而修复农田土壤的一种技术。固定化微生物修复土壤重金属污染技术具有增加微生物密度，减少流失，加快反应速率，维持反应稳定性[62-64]。表1为固定化微生物修复技术方法比较[66]。目前，包埋法、吸附法是固定化微生物修复土壤重金属污染技术最常用的2种方法[65]。

表1 固定化微生物修复技术方法比较

戚鑫等[67]报道了固定化微生物对土壤镉、铀的修复影响，研究发现固定化微生物能够较好地修复农田土壤，而且应用前景广阔。

固定化微生物修复该技术优势：保护土壤中微生物不被外界干扰；有效提升酶活性；有效缩短微生物迟滞期；提高土壤污染物的降解率。其技术缺点：影响因素多（土壤微生物种类、固定化时间长短、传质速率）；目前仅局限于实验室，无法实用于大田试验中。

4.2 微生物淋滤修复技术

该技术主要利用浸矿微生物的自身代谢过程，将土壤中难溶解的重金属氧化还原成可溶解的重金属盐使得土壤重金属被浸提出来，进而修复土壤重金属。Yang等[68]报道了菌株Z-90被分离出来，通过微生物淋滤技术，能有效降低土壤中重金属。张瑞昌[69]通过耦合方式除去土壤中存在的重金属，显著提高土壤重金属的去除率，有效降低土壤重金属Cu、Cd、Zn、Fe含量。邹塞等[70]通过生物淋滤试验，发现有效提高土壤中重金属铅、铜、锌溶出率，进而降低重金属含量。

微生物淋滤修复技术优势在于有效去除土壤中重金属含量，经微生物淋滤修复后的污泥可以达到我国土壤污染安全标准的要求；施用成本低；绿色无污染。其缺点表现在微生物淋滤时间过长；微生物淋滤修复技术需要使用特定的培养基进行实验；特定的培养基成本价格高，目前无法广泛应用。

4.3 微生物溶解修复技术

该技术主要利用微生物的代谢过程中分泌有机酸将土壤重金属溶解[71]，降低重金属含量，进而治理修复污染土壤。Chanmugathas等[72]报道了在不同的养分中进行微生物溶解修复土壤重金属污染技术，研究发现土壤溶解的过程中有机酸被分泌络合同时也使土壤中重金属被溶解。Becerra等[73]研究发现难溶态Ni可以被解磷微生物溶解，降低重金属污染。

该技术的优势为施用成本低，绿色环保，保护当地环境，维持生态系统的平衡。其存在的缺点：微生物代谢过程无法产生大量的有机酸溶解重金属，溶解修复时间长；目前仅局限于实验室试验，无法适用于大田试验。

5 展望

微生物具有生长速度快、培养快、节约生产成本的特点，并能够维持生态系统的平衡，与其它方法相比，微生物修复土壤重金属具有良好生态综合效益，在未来修复农田土壤重金属污染将发挥重要作用。但微生物修复土壤也存在着一些缺陷，比如修复时间很长，短时间内很难见成效、修复结果不理想、难以运用到实际中，为充分发挥微生物修复土壤重金属污染作用。应开展以下工作：

（1）完善微生物联合修复技术。目前，微生物、动物、植物、改良剂多为两种技术联合修复，可以深化强化联合修复技术，开展微生物-植物-改良剂-动物-农艺措施多种技术修复盆栽试验及大田示范试验。

（2）寻求大面积应用修复技术。微生物修复在大面积农业方面具有很好的应用前景，针对示范大田试验推广出相应的修复技术，进行农田土壤修复工作。

（3）优势菌种选取。总结耐受重金属微生物，进行种类划分，建立有关基因库，通过转基因技术筛选特定菌种，培养优势菌种。