具有解硅功能微生物的应用研究

张丽光，刘 赛，黄志浩，苑 莹

（河北萌帮水溶肥料股份有限公司，石家庄 051530）

随着人们生态环保意识的提高，具有反应温和、无毒、无污染、节约能源等特点的微生物处理技术日益受到重视。硅在地壳中含量丰富，仅次于氧，大部分以硅酸盐矿物和石英矿的形式存在于自然界中。研究表明，胶质芽孢杆菌（Bacillusmucilaginosus）、环状芽孢杆菌（Bacilluscirculans）、土壤芽孢杆菌（Bacillusedaphics）、根瘤菌（Rhizobiumsp.）、微杆菌（Microbateriumsp.）、黏着剑菌（Ensifer adhaerens）、节杆菌（Arthrobacter pascens）、伯克氏菌株（Burkholderia anthina）、黏液芽孢杆菌（Bacillus mucinus）、邻单胞菌属（Plesiomonas）、巨大芽孢杆菌（Bacillusmegaterium）、类芽孢杆菌（Paenibacillus）、解淀粉芽孢杆菌（Paenibacillus amylolyticus）、胶冻样类芽孢杆菌（Paenibacilusmucilaginosus）以及阿氏芽孢杆菌（Bacillusaryabhattai）等菌株［1-18］均具有分解硅酸盐矿物溶解硅的功能。有研究者利用这些微生物解硅的特性将其应用在矿物工程领域、农业领域、医学领域和垃圾焚烧领域，在产生经济效益的同时具有一定的生态环保效益，因此筛选高效稳定的解硅菌株对解硅生物技术的推广应用具有重要意义。本研究主要对解硅功能微生物的应用领域、解硅机理以及影响因素等方面的研究现状进行综述。

1 应用领域

1.1 用于矿物工程领域

铝土矿是氧化铝生产中最主要的矿石资源，硅是其中最常见的杂质，冶炼铝土矿的主要方法拜耳法生产氧化铝过程有害。因此，铝土矿选矿的主要目的是脱除其中主要有害杂质硅以提高其铝硅比，从而降低拜耳法炼铝工艺成本。生物脱硅法具有环境友好、条件温和、资源综合回收率高、节能等优点，因而逐渐引起人们的重视，该法是利用微生物分解硅酸盐和铝硅酸盐矿物，使硅变成可溶物，铝仍以不溶物的形式存在，从而实现硅铝分离。其中硅酸盐细菌（Silicate bacteria，主要包括胶质类芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、土壤芽孢杆菌）是常用的铝土矿脱硅菌。孙德四等［19］利用硅酸盐细菌JXF-1菌株，可以浸出铝土矿原矿、绿泥石人工混合矿样中50.4%与65.3%的硅。赵江曼等［3］利用筛选的胶质类芽孢杆菌（命名为BM-4），采用单矿物浮选方法在高岭土表面吸附，可将高岭土的浮选回收率从50%提高至75%，而对一水硬铝石的吸附可将其浮选回收率从49%降至27%，从两矿的混合体系中通过浮选的方法除去高岭石，提高铝土矿的铝硅比，从而实现将生物浮选方法应用于铝土矿预脱硅的可能性。钟婵娟等［9］利用2株环状芽孢杆菌P04与P17对铝土矿浸矿12 d后，浸出上清液中SiO2最大含量分别为54.26、42.78 mg/L，铝土矿的A/S从浸出前的5.17分别提高到10.99、7.61。混合菌株的脱硅能力优于单一菌株，Zhan等［10］指出单一浸出硅最佳的是环状芽孢杆菌，浸出率为52.6%，其次是胶质芽孢杆菌和土壤芽孢杆菌，浸出率分别为42.6%和35.2%；当环状芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、土壤芽孢杆菌投加比例为2∶2∶1时，浸出率为66%，明显高于3者单独使用时浸出率。张贤珍［20］研究表明，硅酸盐细菌JY-03可以将铝土矿的铝硅比从5.17提高到9.77，而诱变菌株JG-02-U02可以将之提高到11.51，表明诱变可能提高菌株的脱硅能力；菌株JY-03、JG-02和胶质芽孢杆菌B.M等量混合，连续浸出铝土矿15 d，可以将铝硅比提高到13.21，脱硅率达57.4%，表明菌株混合使用并釆用连续浸出工艺有助于深度脱硅。

电解锰渣（EMR）是在电解锰金属生产过程中产生的一种硅含量高的固体废弃物，利用微生物的脱硅特性，从电解锰渣中回收硅，为电解锰渣的资源化利用、无害化处理及解决农作物硅源问题提供基础。陈振兴等［21］利用胶质芽孢杆菌，采用摇瓶浸出法研究其对电解锰渣中有效硅的浸出效果。结果表明，在一定条件下细菌的浸出液中SiO2质量浓度可达93.88 mg/L，对电解锰渣有一定的脱硅能力。吕莹［22］研究表明，混合菌在温度30℃、初始pH 7.0、颗粒大小0.150 mm、矿浆浓度5%、摇床转速180 r/min的条件下浸出16 d，体系中有效硅的含量由5 mg/L提升至160 mg/L，而单一硅酸盐细菌的最佳效果仅有140 mg/L，说明硅酸盐细菌对于电解锰渣中硅的活化有明显效应，且混合菌的效果优于单一菌。

具有解硅功能的微生物除用于铝土矿脱硅、电解锰渣中回收硅外，姚敏杰等［23］研究表明胶质芽孢杆菌对蛇纹石和橄榄石的风化释硅也起重要的作用，将5 mL细菌分别加入到100 mL含0.5 g蛇纹石和橄榄石矿粉的培养基中，对照组加等量的灭活菌，随着时间的变化，释放的硅浓度变化表现出一定的规律性，即呈现出开始逐渐升高，到10 d左右达到最大值，然后有所降低但逐渐趋于稳定的趋势。代群威等［24］研究发现，硅酸盐细菌对硅灰石中Si的增溶达到10倍以上，增溶作用明显，同时硅灰石对硅酸盐细菌生长也有显著的影响作用。黄智等［25］研究发现，硅酸盐矿物分解细菌Bacillus globisporusQ12菌株，能促进黑云母和白云母矿物中K、Si、Fe、Al等元素的释放。对含硅高的镍矿，Yakhontova等［26］发现硅酸盐细菌具有一定的除硅效果。Vrvic等［27］则利用3株硅酸盐细菌从页岩中除SiO2，脱除率分别达到21.4%、18.7%和17.2%，提高了页岩的油含量。袁向芬等［28］研究表明，经硅酸盐细菌分解后的煤矸石中含有较多的营养物质P、K、S、Ca、Si，直接施用到耕地上，为煤矸石固体废弃物资源化开辟了一条可行的途径。

1.2 用于农业领域

在农业生产中，有研究者利用具有解硅功能的微生物能够分解硅酸盐矿物的特性，将其应用于肥料生产中。将经过理化处理的富含SiO2的固体废弃物或矿物原料复配具有溶硅能力的硅酸盐细菌-荚膜芽孢杆菌，制备出多效活性硅肥，从而实现硅元素速效长效结合［29］。孟献堡［30］在制备片沸石有机复合肥时，将含解硅菌、固氮菌、溶磷菌、解钾菌、根瘤菌的复合菌剂作为发酵剂，使硅、钾、镁等离子转化为作物易吸收的活性态。

研究表明一些微生物兼具解硅的功能。解淀粉芽孢杆菌（Paenibacillusamylolyticus）KY15同时具有解钾、解硅、解磷和解纤维素的能力［16］；通过紫外诱变筛选培育出的胶质芽孢杆菌JDzhs-bh具有耐高温耐盐碱特性，可有效适应盐碱板结土壤，同时具有解硅解磷的作用，促进土壤中可溶性硅磷等元素的释放［31］。王伟等［32］以玉米田土壤为样品，从中分离得到的硅酸盐胶质芽孢杆菌h-3菌株，对一般旱田土壤环境的适应潜力较强，且具有较强的解硅、解钾能力。李佳等［33］从玉米田土壤中筛选出的胶冻样类芽孢杆菌h-5在供氧充足的条件下具有较强的解硅、解钾能力，具有作为生物肥料有效成分用于旱田作物从而增加作物产量的潜力；从水稻田土壤中筛选出的胶冻样类芽孢杆菌s-2、s-4则有可能作为生物肥料有效成分用于水田作物，为作物提供易于吸收利用的钾、硅等营养元素，以增加作物产量。

目前具有解硅功能的微生物大多为硅酸盐细菌，有的已被开发成微生物肥料，田间或盆栽应用效果证明其可以促进作物生长、提高作物产量［34-41］，但该类菌株主要作用是解钾、溶磷，具有一定的固氮能力，解硅能力不够强，一般被开发成生物钾肥。付学琴等［42］对水稻土壤连续2年施用硅酸盐细菌复合肥料，结果表明，其可以改善土壤生态，降低土壤容重，提高阳离子代换量，增加土壤速效磷、碱解氮和速效钾的含量。洪秀杰等［43］通过对2株硅酸盐细菌的培养特性的研究表明，L1菌株的解钾能力是16%，提高有效硅含量8.86%，L2菌株的解钾能力是9%，提高有效硅含量9.30%，L1+L2解钾能力为18%，提高有效硅含量10.68%。银永安等［40］选用北京新禾丰农化资料有限公司提供的施利康解硅菌剂肥料，该产品的优势在于富含硅酸盐细菌，能活化土壤中多种营养元素（钾、硅、磷等）以供作物吸收利用。其对膜下滴灌水稻发育阶段生理性状的试验研究表明，施用施利康解硅菌剂肥可以促进水稻生长，改善水稻弱苗的光合能力。

有研究者也发现一些具有被开发成硅肥潜力的菌株。经过紫外诱变获得的胶冻样芽孢杆菌（保藏编号为CGMCCNO.4667）具有较强的解硅能力，可使土壤中有效硅、水溶性硅含量提高20%以上［44］。庄忠娟等［34］通过盆栽试验，证明试验后施用该菌株制成的硅酸盐菌剂处理的土壤有效硅含量提高2.8%，而对照的土壤有效硅含量下降2.1%，比对照提高4.9个百分点，说明该硅酸盐菌剂可以活化土壤硅元素。一株胶冻样类芽胞杆菌（Paenibacilusmucilaginosus）KN-18（保藏在中国典型培养物保藏中心，保藏编号CCTCCNO.M2014321）具有极强的解硅能力和产芽孢能力，菌株发酵液的解硅能力可以达到26.8μg/mL。曹建芳［45］采用利福平和pPZP201-gfp分别标记了钾长石分解细菌N1-1（根瘤菌属Rhizobiumsp.）、菌株Bacillus edaphicusNBT和Rhizobiumsp.7G2，获得了利福平抗性菌株N1-1R、NBT-R和GFP标记菌株7G2-gfp，盆栽试验表明，未灭菌土壤接菌7G2-gfp和NBT-R，地上部和根部硅含量分别增加12.9%～36.0%和9.2%～23.2%；植稻灭菌及未灭菌土壤接菌7G2-gfp处理均显著提高了土壤有效硅的含量，与对照相比分别提高24.3%和17.3%；不植稻土壤接菌N1-1R处理土壤有效硅含量比对照提高14.8%。

除此之外，国外也报道了假单胞菌（Pseudomonassp.）、芽孢杆菌（Bacillussp.）、柔杆菌属（Flexibactersp.）等微生物具有解硅功能，但发现的这些细菌对硅酸盐矿物水解能力并不是很强，更没有见到它们被开发成把硅矿物转化成植物可以吸收利用的硅肥的报道。针对此，河北萌帮水溶肥料股份有限公司从土壤样品中筛选出的阿氏芽孢杆菌（Bacillus aryabhattai）可以高效分解土壤中的硅元素［18］，实现增产增效的目标，该菌株具有耐盐、耐酸碱、耐缺氧和耐高温等特性，能在环境条件比较恶劣的情况下生长和工作。通过在28个省123个县（市、区）涉及29个作物（含蔬菜、水果、大田作物）上的田间应用试验结果表明，施用阿氏芽孢杆菌MB35-5可以活化土壤硅元素，促进植物对土壤中可溶性硅的吸收，改善作物的品质，提高作物产量，增产增收，已获得农业农村部微生物菌剂产品登记证，即将进入商品化生产阶段，开发生物性硅肥成为解决中国硅肥的重要途径。

1.3 用于医学领域

矽肺病是因长期吸入游离二氧化硅晶体粉尘而致病，根治的关键在于消除肺内的二氧化硅粉尘，也就是找到能有效降解肺内矽尘的物质。硅酸盐细菌能够降解含硅矿石中的二氧化硅，王頔等［46］利用硅酸盐细菌代谢产物降解肺部沉积的硅尘，观察高效解硅菌株代谢产物对中国仓鼠肺细胞（CHL）在二氧化硅暴露下的保护作用。结果表明，硅酸盐细菌代谢产物对暴露于二氧化硅的CHL细胞有保护作用，并呈剂量依赖关系，且存在最佳保护作用的剂量范围。这仅是体外细胞培养试验结果，在体内是否也有保护作用，张靖等［47］进行了进一步研究，结果证实经过硅酸盐细菌代谢产物的雾化吸入，可以减轻二氧化硅粉尘对大鼠肺部造成的损伤，有防治矽肺的可能性，至于其临床应用，则还需进一步研究。

1.4 用于垃圾焚烧领域

城市生活垃圾焚烧飞灰是一种具有重金属浸出毒性的危险废物，结构和组成类似于矿石，主要是金属氧化物、硅酸盐和铝硅酸盐［48，49］。生物淋滤法可以用于废弃矿石、污泥、飞灰等含重金属固废的脱毒处理［50-53］，但是在生物淋溶过程中很大一部分包裹于SiO晶格中的金属氧化物与有机酸很难充分接触，影响金属溶出效果。杨洁等［54］利用从土壤中分离筛选到的胶质芽孢杆菌SDB6先对飞灰进行脱硅处理，破坏飞灰中的矿物晶格，从而释放出更多的金属氧化物，再用耐重金属菌株黑曲霉AS 3.879M，对其进行生物淋滤处理，脱硅与生物淋滤组合处理后的飞灰中金属溶出效果显著高于未脱硅飞灰，处理后飞灰浸出毒性远低于国家标准，可以安全地进入填埋场或进行资源化利用。

2 解硅机理

到目前为止，硅酸盐和铝硅酸盐矿物的生物脱硅机理尚无完整统一的定论。有研究者［3，12，55-59］认为细菌的代谢产物有机酸、胞外多糖、氨基酸、胞外聚合物等均有一定的溶硅能力，在相同的pH条件下有机酸溶液溶解硅酸盐矿物的能力比无机酸溶液更强，原因是无机酸溶解硅酸盐矿物主要靠酸解作用，而有机酸靠其酸解与络合作用同时溶解硅酸盐矿物；荚膜多糖与矿物的接触作用可影响硅酸盐细菌浸矿脱硅效果；产酸、产多糖能力强的细菌具有更强的溶硅效果；细菌荚膜多糖包裹矿物颗粒可使局部微环境中的有机酸达到较高浓度，增强解硅效果；并且各种代谢产物在浸出硅酸盐矿物中具有协同作用，混合物的浸矿效果明显优于它们各自对矿物的作用效果。也有研究者［60，61］认为细菌-矿物复合体的形成对溶硅起一定作用，所谓细菌-矿物复合体，是指在细菌生长过程中分泌大分子黏性物质，由于布郎运动和鞭毛运动等使细菌黏附在矿物颗粒的表面，在细菌与矿物之间，诸如离子键力、共价键力和范德华力等作用力的帮助下，使细菌与矿物颗粒之间的结合得到加强，随着参与相互黏附作用的细菌及矿物颗粒数量的增加，使之逐渐形成稳定的、难以分开的复合体，这种复合体的形成使矿物颗粒表面的微环境发生重大变化，对矿粉中各种离子的浸出将产生重大影响。微生物的解硅作用可能是由于各种机理相互作用的结果，并不是某一单纯过程作用的结果，它是一个生命过程，在浸矿过程中某些阶段是某一类代谢产物或某几类代谢产物对矿物的分解起关键作用，在另一阶段有可能是吸附在矿物表面的细菌通过其自身生长代谢对矿物的分解起作用。相信随着矿物学与分子生物学的发展，在不久的将来其机理必将越来越清晰。

3 影响微生物解硅的因素

影响微生物解硅的因素很多，主要包括以下6个方面。

1）矿物结构。根据硅氧连接方式，硅酸盐矿物可分为岛状结构、组群状结构、链状结构、层状结构和架状结构。研究表明，释硅效果表现为组群状结构＞层状结构＞架状结构，原因是对于易解离的硅酸盐矿物硅氧四面体中赋存有离子半径大，电荷低的钾破坏矿物晶格结构所需要的能量较低，破坏其结构的主要作用物质为菌种所分泌的胞外多糖或有机酸，而对于架状硅酸盐等难解离的矿物，硅氧四面体相互结合的键力强、键长短、物质性能稳定，破坏其晶格结构所需的能量较高［59，62，63］。

2）矿物环境。不同矿物环境培养菌的生理生化特性有一定的差别，钾长石、高岭石与橄榄石培养菌的铝土矿浸出上清液中的含量要比其他矿物培养菌高0.5～1.0倍，同时，它们在发酵过程中产酸与产多糖量要比其他矿物培养菌高，形成了明显的矿物-菌体复合体［64］；菌种繁殖产生的细菌数、细菌及荚膜直径、发酵液中黏度的大小顺序为：硅酸盐矿物培养基＞铝土矿培养基＞赤铁矿培养基＞阿什比基质培养基，表明硅酸盐细菌较易适应硅酸盐矿物的生长环境［65］。

3）培养基。胞外多糖对生物脱硅具有较大影响，但胞外多糖含量、结构及其他代谢物浓度或pH环境，受培养基中碳源、氮源组分及含量的影响。在含氮、无氮和无氮含石英粉的3种不同的发酵培养基中，菌种合成多糖的能力存在较大的差异，在有氮培养基中，细菌产生的多糖最少，而在无氮石英培养基中，菌种产生多糖量最大［55］。乳糖和尿素对胶质芽孢杆菌GSY-1生物脱硅的影响均显著，尿素10.35 g/L、乳糖12.60 g/L时，菌株GSY-1的脱硅效果最佳，铝硅比由2.84提高到5.67［66］。利用在预先含有被浸矿样的蔗糖中培养的菌种，并在有糖介质培养基中进行硅的浸出，其浸出硅的能力最强［11］。

4）生物膜与钝化膜的形成。生物膜（菌胶团）的形成可以促进铝土矿细菌溶硅，Al2O3沉淀所形成的钝化膜对Al与Si的溶出有明显的抑制作用［67，68］。

5）细菌-矿物接触方式。细菌-矿物直接接触模式比间接接触模式对铝土矿的降解脱硅作用更显著，直接接触模式下，菌丝对矿物颗粒的直接降解作用既有菌丝对矿物的蚀刻和崩解作用，也有菌丝代谢产物对矿物的化学降解作用；而在细菌-矿物间接接触模式下只有化学降解作用［57，68］。

6）浸出硅的工艺。采用连续浸出工艺，细菌浸出硅的效果要明显强于单瓶浸出效果，同时，连续浸出工艺可以大大缩短矿样的细菌浸出时间［69］。

4 展望

综上所述，通过科研工作者多年的努力，生物解硅技术已在矿物工程领域、农业领域、医学领域和垃圾焚烧领域取得一定成果，但是很多研究还只是处在试验阶段，没有形成完整统一的解硅机理。因此，下一步研究工作应重点筛选高效稳定的解硅菌株，并增强菌株本身对矿物或土壤环境的适应性以应用到实际中；研究复合菌株的解硅效果及相互之间有无拮抗作用，发挥复合菌株联合解硅作用；进一步探究生物解硅机制，这对生物解硅技术的推广应用具有重要意义。