枯草芽孢杆菌在土壤污染修复中的应用研究

周芙蓉 鲜杨 唐鹤溪 尤青

摘要 枯草芽孢杆菌广泛分布于自然环境中，因其具有种类多、生长快、繁殖容易等特点，目前已在土壤污染修复中表现出广阔的应用前景。为了明确枯草芽孢杆菌对土壤修复中应用范围、效果及作用机理，通过查阅大量国内外相关文献，详细论述了枯草芽孢杆菌在土壤污染修复中的应用现状及其机理。枯草芽孢杆菌在重金属和放射性污染土壤修复方面均有应用，且在植物-微生物联合修复方面效果显著。枯草芽孢杆菌对污染土壤的修复机理主要有直接和间接两种方式，直接方式主要是通过氨基、羧基和磷酸基等官能团与重金属离子发生反应，从而形成沉淀来达到富集的作用，间接作用方式主要是通过分泌物促进植物生长、增加土壤呼吸和酶活性、降低重金属有效态含量等方式增强植物对重金属的抗性。

关键词 枯草芽孢杆菌；土壤污染；土壤修复；作用机理

中图分类号 X 53  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）12-0022-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.12.005

Application of Bacillus subtilis in Soil Pollution Remediation

ZHOU Fu-rong1，2，XIAN Yang1，2，TANG He-xi1，2 et al

（ 1.Sichuan Experimental Testing and Research Center of Natural Resources （Sichuan Nuclear Emergency Technical Support Center）， Chengdu，Sichuan 610084；2.Evaluation and Utilization of Strategic Rare Metals and Rare Earth Resource Key Laboratory of Sichuan Province， Chengdu，Sichuan 610081）

Abstract Bacillus subtilis is widely distributed in the natural environment.Because of its variety，fast growth，easy reproduction and other characteristics，it has shown broad application prospects in soil pollution remediation.In order to clarify the application scope，effect and mechanism of Bacillus subtilis in soil remediation，the application status and mechanism of Bacillus subtilis in soil remediation were discussed in detail by referring to a large number of relevant literatures at home and abroad.The results show that Bacillus subtilis has been applied in remediation of heavy metal and radioactive contaminated soil，and the effect of plant-microorganism combined remediation is remarkable.The repair mechanism of Bacillus subtilis on contaminated soil mainly has two direct and indirect ways.The direct way is mainly through the reaction of amino，carboxyl and phosphoric acid groups with heavy metal ions，thus forming precipitation to achieve enrichment.The indirect action mode is to promote plant growth，increase soil respiration and enzyme activity，and reduce the content of available heavy metals by secretions.

Key words Bacillus subtilis；Soil pollution;Soil remediation;Action mechanism

基金项目 四川省地质调查研究院科研项目（SCIGS-CYBXM-2023017）。

作者简介 周芙蓉（1986—），女，四川德阳人，博士，从事土壤污染调查与修复研究。

收稿日期 2023-07-27

耕地是发展的基石，耕地环境质量与农产品质量息息相关。社会经济的高速发展，随之而来的是工业企业数量的增加及“三废”产生和排放所带来的环境问题。全国土壤污染调查公报表明，我国的土壤环境状况总体不容乐观，部分地区的土壤污染较严重，原因主要有三个方面：一是工矿业生产造成的影响，二是农业活动造成的影响，三是高背景值的影响。随着镉大米事件的出现，土壤与粮食安全问题已成为重点关注话题。

近年来，植物-微生物联合修复技术因其低成本和安全性已成为土壤修复技术研究领域的一个热点［1-6］。植物-微生物联合修复技术中植物为微生物提供生存环境，且其根部的分泌物可为微生物提供大量营养物质，以此来加强微生物对污染物的吸收和降解；同时，微生物也能直接或间接参与污染物的形态转化，从而减轻对植物的毒害作用，提高植物的耐受性、生物量和富集量。该技术充分融合了植物修复和微生物修复两种修复技术的优势，达到改善土壤环境，提高土壤污染修复效率的目的。

枯草芽孢杆菌是芽孢杆菌属中的一种，属于好氧型细菌，广泛分布于自然环境中，因其具有种类多、生长快、繁殖容易等特点，目前已成为安全性高、具有较高应用潜力的菌种之一［7-10］。枯草芽孢杆菌在生长过程中会分泌出枯草菌素和制霉菌素等物质，从而使其产生病菌抑制性。枯草芽孢杆菌具有较强的稳定性和抗逆性，在酸性、高盐、高温等条件下表现出耐性特点［11-12］。随着对枯草芽孢杆菌的深入研究，枯草芽孢杆菌的生防作用已经被广泛应用于农业、畜禽养殖业、土壤改良和环境防治等方面［13-14］。

1 土壤污染修复技术研究现状

目前对于污染土壤的修复可归纳为四大类：一是物理修复技术，二是化学修复技术，三是生物修复技术，四是联合修复技术［15-17］。物理修复技术主要采用物理方法，从工艺或原理上可分为客土、换土、翻土、电动力修复和热脱修复［18］。化学修复技术主要是通过外加化学药剂来降低土壤污染物的毒性、浓度或将其彻底清除。根据作用方式不同，化学修复技术主要有3种，包括固化/稳定化、化学氧化/还原、化学淋洗［19］。生物修复技术是指通过生物发挥作用，达到对污染物的降解、吸收或转化，继而完成对污染土壤的修复，根据生物种类不同，可分为植物修复、动物修复与微生物修复3种［20］。联合修复是指使用两种或以上的修复技术同时开展修复，其在实践后取得了良好效果。目前使用较多的联合修复技术主要有植物-微生物联合修复、动物-植物联合修复、化学-微生物联合修复、电动-生物联合修复技术、化学强化植物修复技术、电动-氧化联合修复技术和电动-淋洗联合修复技术等［21-22］。近年来，植物-微生物联合修复技术凭借其高效、安全、可行性强等优点，已逐渐成为土壤污染修复的研究热点［23］。

2 枯草芽孢杆菌应用现状

2.1 枯草芽孢杆菌在重金属污染土壤修复中的应用

芽孢杆菌广泛存在于土壤环境中，对外界胁迫具有较强的抵抗力。近年来许多学者探索芽孢杆菌在土壤污染治理方面的效果和机理，其作用也越来越得到认可［24］。柳晓光［25］总结分析了芽孢杆菌在植物微生物联合修复中的应用，其中巨大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌为代表，对重金属有活化作用，能促进植物吸收重金属，达到土壤减量化修复的目的；而枯草芽孢杆菌作用机理则刚好相反，其主要是降低土壤中重金属的有效态含量，减少重金属向植物转移。刘晋秀［26］向铅胁迫小麦种子培养皿中添加枯草芽孢杆菌菌液，结果表明枯草芽孢杆菌菌液对小麦种子的发芽势、发芽指数等指标均有显著的促进作用，小麦叶片的叶绿素含量和抗氧化酶活性显著增强。宋璐等［27］向镉胁迫下连翘植物添加枯草芽孢杆菌菌液，探索枯草芽孢杆菌对连翘生长生理指标的影响，结果表明枯草芽孢杆菌菌液能显著缓解镉对连翘生长的胁迫，添加15 mg/kg菌液处理下连翘幼苗的株高、茎叶鲜重、根鲜重、叶片中叶绿素a含量和叶绿素总含量分别较对照提高了112.59%、96.50%、95.68%、210.53%和162.30%。李琪等［28］研究了枯草芽孢杆菌对早熟禾和紫花苜蓿修复镉污染土壤的强化作用，结果表明接种枯草芽孢杆菌对早熟禾和紫花苜蓿修复镉污染土壤均表现出显著的强化作用。李晓晴［29］研究了枯草芽孢杆菌对Cd胁迫下花生生长及镉富集效果，结果表明添加枯草芽孢杆菌后花生的生长指标提高，土壤中有效镉含量降低，有效态镉向其他形态转变。黄浩杰［30］选取了3种微生物菌种研究其对镉的吸附作用，结果表明枯草芽孢杆菌在高镉浓度下吸附效果最好。刘东英［31］通过玉米盆栽试验，研究了枯草芽孢杆菌对土壤铅锑及涉铅污染元素化学形态、迁移转化特征及土壤中微生物多样性变化的影响，结果表明添加枯草芽孢杆菌后，玉米幼苗中重金属镉、镍含量升高，锑、锌含量降低；根际土壤中镉活性形态增多，根际土壤中铅和镍的残渣态升高，锑和锌残渣态增多可交态减少。刘悦畅［32］采用盆栽试验研究了沼泽红假单胞菌和枯草芽孢杆菌两种菌对土壤中镉形态转变的影响，结果表明两种菌单独或联合使用均能使农田土壤中的有效态镉含量明显降低。纪宏伟等［33］研究了不同时间恒温培养条件下枯草芽孢杆菌对土壤在镉形态的影响，结果表明添加枯草芽孢杆菌后土壤中有效态镉含量明显降低，且培养时间越长钝化效果越明显。

2.2 枯草芽孢杆菌在放射性污染土壤修复中的应用

大量研究表明，一些微生物对铀具有较好的耐性和富集能力，其中细菌和真菌对铀的耐受程度相对较高。目前，已发现了十多种对铀具有一定富集效果的微生物类型，如黑曲霉、根霉、产黄青霉、啤酒酵母菌、放线菌、链霉菌、柠檬酸杆菌、枯草芽孢杆菌、节杆菌、粘细菌、铜绿假单胞菌、生枝动胶菌、腐败希瓦氏菌等。研究结果表明，微生物的进化水平与其对铀的耐受程度成反比关系［34］。Raff等［35］研究表明，枯草芽孢杆菌对铀的吸附量可达到655 mg/g。司慧等［36］研究了在培养条件下枯草芽孢杆菌对铀的富集效果，结果表明其对铀的吸附率最高可达到81.21%，表明枯草芽孢杆菌在一定浓度范围内可有效富集铀。邓闻杨［37］研究了在水培试验形式下枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌或黑曲霉3种菌对凤眼莲的铀富集能力，结果表明，在铀浓度为25 mg/L 时，枯草芽孢杆菌使凤眼莲干重增长34.7%，富集浓度提高14.1%。郝希超［38］研究土培条件下添加枯草芽孢杆菌等5种菌种对黑麦草等在铀胁迫下的影响，结果表明单年生黑麦草与胶质芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌联合对高浓度铀污染土壤具有较好的修复效果。

3 修复作用机理研究

大量研究表明，枯草芽孢杆菌能促进植物的生长，提高植物对重金属等污染物的抗性。总结已有的研究可知，枯草芽孢杆菌提高植物对土壤重金属等污染物的抗性机制主要分为直接作用和间接作用［39］。

3.1 直接作用

余雪梅等［40］从攀枝花矿区淤泥样品中提取出了一种枯草芽孢杆菌PFYN01，其对镉的吸附能力较强，主要通过—NH、—OH、—COOH 等官能团与镉离子发生反应，从而形成镉沉淀来达到富集的作用。宋佳柠［41］研究了枯草芽孢杆菌对铀污染的控制，结果表明其对铀的固定过程主要分为吸附和成矿2个阶段，菌体通过表面的氨基、羧基和磷酸基官能团将铀吸附在表面，然后再以无定形颗粒转移至菌体内部，形成磷铵铀矿。

3.2 间接作用

3.2.1 促进植物生长。枯草芽孢杆菌是一种植物根际促生菌，能够通过诱导植物合成吲哚乙酸等激素，从而促进植物的生长［42-44］。同时，枯草芽孢杆菌通过解磷作用，可以将土壤中的无效磷转化为有效磷，促进植物的吸收，增强植物的光合作用，从而促进植株生长［45-46］。刘东旭［47］采用基质栽培研究了枯草芽孢杆菌对黄瓜生长及品质提升的相关机理，结果表明不同浓度营养液下添加枯草芽孢杆菌后对黄瓜幼苗的株高、叶绿素含量和干物质积累具有提升，促进了黄瓜幼苗的生长。高绘菊等［48］研究了枯草芽孢杆菌对玉米和桑树生长生理的影响，结果表明该枯草芽孢杆菌菌体悬浮液及胞外分泌物能促进玉米和桑树幼苗的生长，同时推测其促生机理主要是其可以分泌植物生长激素、溶解无机磷和有机磷。

3.2.2 促进植物营养元素的吸收。研究显示，枯草芽孢杆菌对营养物质和氧气具有较强的竞争优势，能促进植株对N、P、K等营养元素的吸收和利用。李婧等［49］研究发现，枯草芽孢杆菌能促进玉米植株地上部分和地下部分对N、P、K的吸收。地上部分N、P、K含量较对照最大增加 15.1%、25.1%、32.9%，地下部分较对照最大增加 30.6%、38.4%、22.1%。杨自超［50］研究了盆栽和大田试验条件下钾肥和枯草芽孢杆菌对马铃薯养分吸收、黄萎病发病率及产量的影响，结果表明，配施枯草芽孢杆菌能促进马铃薯对氮素、磷素和钾素吸收。刘文欢等［51］ 研究表明，200 mL/株的枯草芽孢杆菌液态微生物肥原液施用量条件，能显著促进土壤有效P、K养分释放，同时明显增高柑橘根系对土壤水分、养分的吸收利用效率。

3.2.3

土壤改良。枯草芽孢杆菌能代谢产生多种活性物质，影响土壤中微生物的种类和多样性，氮、磷与钾的矿化与释放速率增大，进而使土壤养分增加。枯草芽孢杆菌可通过对土壤主要养分含量、菌群种类和数量产生影响，从而影响植物生长［52-53］。魏海燕等［54］模拟研究了枯草芽孢杆菌对黑土的呼吸作用和酶活性的变化，结果表明，枯草芽孢杆菌能刺激土壤呼吸和脲酶活性，且枯草芽孢杆菌质量分数与刺激作用强度呈正相关。杨自超［50］研究发现，施用枯草芽孢杆菌后土壤脲酶和蔗糖酶活性显著增加。

4 展望

土壤污染具有隐蔽性和复杂性，通过单一的方法往往很难达到较好的去除效果，植物-微生物联合修复技术已成为土壤修复领域的研究热点。目前枯草芽孢杆菌已在土壤污染修复中表现出广阔的应用前景，不仅对于土壤重金属具有修复效果，同时对放射性铀也具有较好的修复效果。尽管目前对枯草芽孢杆菌在土壤修复方面做了很多研究工作，但应根据枯草芽孢杆菌的作用机理，结合土壤修复方式和解决问题思路，对不同污染物、不同土壤类型和不同耕作方式下枯草芽孢杆菌的使用方式和用量，不同方式下的作用机制等方面进行深入研究，对于枯草芽孢杆菌在土壤修复方面的大规模应用还需开展大量工作。

参考文献

［1］ 李海燕，熊帜，李欣亚，等.植物-微生物联合修复重金属污染土壤研究进展［J］.昆明理工大学学报（自然科学版），2017，42（3）：81-88.

［2］ 商静静，张克峰，刘雷，等.重金属污染土壤的植物-微生物修复研究进展［J］.安徽农业科学，2016，44（35）：78-80.

［3］ GROBELAK A，NAPORA A，KACPRZAK M.Using plant growth-promoting rhizobacteria （PGPR） to improve plant growth［J］.Ecological engineering，2015，84： 22-28.

［4］ SINGH N，MARWA N，MISHRA S K，et al.Brevundimonas diminuta mediated alleviation of arsenic toxicity and plant growth promotion in Oryza sativa L.［J］.Ecotoxicology and environmental safety，2016，125：25-34.

［5］ PETRICCIONE M，DI PATRE D，FERRANTE P，et al.Effects of Pseudomonas fluorescens seed bioinoculation on heavy metal accumulation for Mirabilis jalapa phytoextraction in smelter-contaminated soil［J］.Water，air＆soil pollution，2013，224（8）：1-17.

［6］ KAMRAN M A，EQANI S A M A S，BIBI S，et al.Bioaccumulation of nickel by E.sativa and role of plant growth promoting rhizobacteria （PGPRs） under nickel stress ［J］.Ecotoxicology and environmental safety，2016，126： 256-263.

［7］ 李明，双宝，李海涛，等.枯草芽孢杆菌的研究与应用［J］.东北农业大学学报，2009，40（9）：111-114.

［8］ 柴凤兰，郑晨，张帆.枯草芽孢杆菌在农作物种植上的应用研究进展［J］.南方农业，2023，17（5）：152-156.

［9］ 惠明，窦丽娜，田青，等.枯草芽孢杆菌的应用研究进展［J］.安徽农业科学，2008，36（27）：11623-11624，11627.

［10］ 王翠梅，李剑.枯草芽孢杆菌在有机蔬菜种植中的应用［J］.上海农业科技，2017（4）：142，144.

［11］ 范海燕.枯草芽胞杆菌9407生防机制研究［D］.北京：中国农业大学，2017.

［12］ 侯亚玲.枯草芽孢杆菌对盐碱土水分运移及冬小麦生长特征影响的研究［D］.西安：西安理工大学，2019.

［13］ 王欢，贾田惠，杨可欣，等.枯草芽胞杆菌8-32 对病原真菌的拮抗效应及对植物促生长机制［J］.农业生物技术学报，2019，27（5）：908-918.

［14］ 宫安东，孔宪巍，翟新可，等.枯草芽胞杆菌WY8-7 的溶磷、抑菌及促生长作用［J］.南京农业大学学报，2019，42（4）：697-705.

［15］ 杜安倩，范玉超，刘明雨，等.基于文献计量的重金属镉污染土壤修复技术研究分析［J］.安徽农学通报，2021，27（15）：150-154.

［16］ 简彦涛，齐劭乾，靳潇锐，等.国内重金属污染土壤修复技术研究进展［J］.中国金属通报，2022（3）：176-178.

［17］ 王泓博，苟文贤，吴玉清，等.重金属污染土壤修复研究进展：原理与技术［J］.生态学杂志，2021，40（8）：2277-2288.

［18］ 陈文亮，滕东晓，张燕，等.重金属污染土壤修复技术研究进展［J］.世界有色金属，2020（6）：178-180.

［19］ 梁荣祥.螯合剂对重金属污染土壤的淋洗修复研究［D］.武汉：武汉理工大学，2018.

［20］ 王焯.铀及伴生重金属污染土壤植物促生菌修复机理研究［D］.绵阳：西南科技大学，2019.

［21］ 邓敏，程蓉，舒荣波，等.攀西矿区典型重金属污染土壤化学-微生物联合修复技术探索［J］.矿产综合利用，2021（4）：1-9.

［22］ 薛琳.土壤环境中重金属-有机物复合污染联合修复技术研究进展［J］.广东化工，2023，50（12）：199-200，209.

［23］ 黄俊伟，闯绍闯，陈凯，等.有机污染物的植物-微生物联合修复技术研究进展［J］.浙江大学学报（农业与生命科学版），2017，43（6）：757-765.

［24］ 杨文玲，杜志敏，孙召华，等.芽孢杆菌在重金属污染土壤修复中的研究进展［J］.环境污染与防治，2021，43（6）：759-763.

［25］ 柳晓光.芽孢杆菌在植物-微生物联合修复技术中的应用研究进展［J］.南方农业，2021，15（24）：11-12.

［26］ 刘晋秀.枯草芽孢杆菌QM3对铅胁迫小麦种子萌发及幼苗生长的影响［D］.临汾：山西师范大学，2015.

［27］ 宋璐，张花，李保珍，等.枯草芽孢杆菌对镉胁迫下连翘生长生理的影响［J］.森林与环境学报，2022，42（6）：617-622.

［28］ 李琪，邢颖娜，杜逢慧，等.枯草芽孢杆菌对早熟禾和紫花苜蓿修复镉污染土壤的强化作用［J］.科学技术与工程，2021，21（17）：7385-7390.

［29］ 李晓晴.枯草芽孢杆菌对花生镉积累的影响机制研究［D］.济南：山东师范大学，2013.

［30］ 黄浩杰.三种微生物菌种对镉的吸附作用及机理研究［D］.太原：山西大学，2020.

［31］ 刘东英.枯草芽孢杆菌对铅锑吸附机制及对涉铅污染元素生态效应影响的研究［D］.西安：陕西师范大学，2017.

［32］ 刘悦畅.沼泽红假单胞菌和枯草芽孢杆菌联合修复农田土壤镉污染的研究［D］.太原：山西大学，2020.

［33］ 纪宏伟，王小敏，庞宏伟，等.枯草芽孢杆菌与巨大芽孢杆菌对土壤有效态Cd的影响研究［J］.水土保持学报，2015，29（3）：325-329.

［34］ 望子龙.富集植物体减容过程中枯草芽孢杆菌对铀及伴生重金属的固定机理［D］.绵阳：西南科技大学，2018.

［35］ RAFF J，BERGER S，SELENSKA P.Uranium binding by S-layer carrying isolates of the genus Bacillus［R］.Germany： Institute of Radiochemistry，Annual Report，2005：29.

［36］ 司慧，罗学刚，望子龙，等.枯草芽孢杆菌对铀的富集及机理研究［J］.中国农学通报，2017，33（8）：31-38.

［37］ 邓闻杨.铀污染水体的植物—微生物联合修复研究［D］.绵阳：西南科技大学，2019.

［38］ 郝希超.铀污染土壤牧草—微生物联合修复工艺研究［D］.绵阳：西南科技大学，2016.

［39］ 荣丽杉.铀污染土壤的植物—微生物修复及其机理研究［D］.衡阳：南华大学，2015.

［40］ 余雪梅，彭书明，王洪婷，等.耐镉芽孢杆菌对Cd2+的吸附机制［J］.江苏农业科学，2019，47（20）：293-297.

［41］ 宋佳柠.枯草芽孢杆菌和三维石墨烯对铀污染控制的作用机制［D］.广州：华南理工大学，2021.

［42］ 吴孔阳，娄亚芳，杨同香，等.枯草芽孢杆菌功能及相关机制研究进展［J］.黑龙江畜牧兽医，2020（23）：55-58.

［43］ 张霞，唐文华，张力群.枯草芽孢杆菌B931防治植物病害和促进植物生长的作用［J］.作物学报，2007，33（2）：236-

..

［44］ CAVALCA L，ZANCHI R，CORSINI A，et al.Arsenic-resistant bacteria associated with roots of the wild Cirsium arvense （L.） plant from an arsenic polluted soil，and screening of potential plant growth-promoting characteristics［J］.Systematic and applied microbiology，2010，33（3）：154-164.

［45］ 邱月.枯草芽孢杆菌在现代农业中的应用［J］.园艺与种苗，2022，42（7）：81-85.

［46］ 郑立.枯草芽孢杆菌——植物生长“保镖”［J］.农村新技术，2017（11）：37.

［47］ 刘东旭.枯草芽孢杆菌与营养液处理促进黄瓜生长及品质提升的生理机制［D］.太谷：山西农业大学，2021.

［48］ 高绘菊，付信芝，董法宝，等.桑树内生拮抗细菌枯草芽孢杆菌L144对植物生长及营养代谢的影响［J］.蚕业科学，2010，36（2）：214-220.

［49］ 李婧，揣峻峰，王磊，等.枯草芽孢杆菌发酵上清液对玉米植株生长和养分吸收的影响［J］.安徽农业科学，2019，47（10）：138-140，166.

［50］ 杨自超.钾肥和枯草芽孢杆菌防控马铃薯黄萎病及对养分吸收影响［D］.哈尔滨：东北农业大学，2018.

［51］ 刘文欢，邱芳颖，王娅，等.枯草芽孢杆菌液态肥对柑橘养分吸收和果实品质的影响［J］.园艺学报，2022，49（3）：509-518.

［52］ 蒋南，龚湛武，陈力力，等.施用枯草芽孢杆菌的土壤养分含量与三大微生物间灰色关联分析［J］.作物杂志，2019（3）：142-149.

［53］ 计思贵，焦永鸽，张立猛，等.枯草芽孢杆菌菌剂对烟草根际土壤细菌群落的影响［C］//中国烟草学会.中国烟草学会2016年度优秀论文汇编-烟草农业主题.北京：中国烟草学会，2016：970-979.

［54］ 魏海燕，蔡磊明，赵玉艳，等.枯草芽孢杆菌对土壤呼吸作用和脲酶活性的影响［J］.农药，2009，48（4）：255-257.