黃春晓

(中原工学院,郑州 450007)

重金属污染土壤原位微生物修复技术及其研究进展

黃春晓

(中原工学院,郑州 450007)

介绍了重金属污染土壤微生物修复的主要原理,及微生物修复技术的现状和进展,分析了目前微生物修复存在的问题,指出了今后的研究方向与发展趋势,为重金属污染土壤微生物修复技术的理论研究和应用提供了参考.

重金属;污染土壤;微生物修复

由于矿山开采、金属冶炼以及工业污水和污泥的农业应用,大量的有毒有害重金属元素进入土壤系统,不仅导致土壤的退化、农作物产量和品质的降低,而且还可能通过食物链危及人类的健康和生命.

目前,用于土壤重金属污染治理的方法包括物理修复、化学修复和生物修复.物理修复、化学修复虽能达到一定的效果,但是能耗大、二次污染等问题也限制了其应用[1],尤其对于大面积有害的低浓度重金属污染,更是难以处理.重金属污染土壤的原位生物修复是利用各种天然生物过程而发展起来的一种现场处理土壤环境污染的技术,可利用生物削减土壤中重金属含量或降低重金属毒性[2].根据修复主体的不同,它主要分为微生物修复、植物修复和植物-微生物联合修复.微生物修复较物理修复、化学修复有着无可比拟的优越性,操作简单、处理费用低、效果好,对环境不会造成二次污染,可以就地进行处理等,具有很大的潜力和广阔的应用前景.

1 微生物修复的机理

微生物不能降解和破坏重金属,但可通过转化作用和固定作用改变重金属在土壤中的化学形态,从而改变其毒性、移动性和生物可利用性.

1.1 微生物的转化作用

微生物对重金属的转化作用包括氧化还原作用和甲基化与去甲基化作用.土壤中的一些重金属元素可以多种价态和形态存在,不同价态和形态的溶解性和毒性不同,可通过微生物的氧化还原作用和去甲基化作用改变其价态和形态,从而改变其毒性和移动性.微生物对重金属的转化作用常见的有对铬、汞、硒和砷等的转化.如假单胞菌(Pseudomonad sp.)可以把六价铬还原为三价铬,从而降低其毒性[3].Fw ukowa从土壤中得到假单胞杆菌 K-62,它能分解无机汞和有机汞而形成元素汞,元素汞的生物毒性比无机汞和有机汞低得多.Frankenber等通过耕作、优化管理、施加添加剂等来加速硒的原位生物甲基化,使其挥发而降低硒的毒性,此生物技术已在美国西部灌溉农业中用于清除硒污染[4].有些真菌和细菌能使无机A s转化为挥发性有机A s,从而降低其毒性[5].

1.2 微生物的固定作用

土壤中重金属离子有5种形态:可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态.前3种形态稳定性差,后2种形态稳定性强.重金属污染物的危害主要来自前3种不稳定的重金属形态[6].微生物固定作用可将重金属离子转化为后2种形态或积累在微生物体内,从而使土壤中重金属的浓度降低或毒性减小.微生物固定作用有胞外吸附作用、胞外沉淀作用和胞内积累作用3种形式.

1.2.1 胞外吸附作用

胞外吸附作用主要是指重金属离子与微生物的产物或细胞壁表面的一些基团通过络合、螯合、离子交换、静电吸附、共价吸附等作用中的一种或几种相结合的过程[2].许多研究表明细菌及其代谢产物对溶解态的金属离子有很强的络合能力,这主要因为细菌表面有独特的化学组成.细胞壁带有负电荷而使整个细菌表面带负电荷,而细菌的产物或细胞壁表面的一些基团如-COOH、-NH2、-SH、-OH等阴离子可以增加金属离子的络合作用[7].

1.2.2 胞外沉淀作用

胞外沉淀作用指微生物产生的某些代谢产物与重金属结合形成沉淀的过程.在厌氧条件下,硫酸盐还原菌中的脱硫弧菌属(Desulfovibrio)和肠状菌属(Desulfotomaculum)可还原硫酸盐生成硫化氢,硫化氢与 Hg2+形成 HgS沉淀,抑制了 Hg2+的活性[8].某些微生物产生的草酸与重金属形成不溶性草酸盐沉淀.

1.2.3 胞内积累作用

胞内积累作用是指重金属被微生物吸收到细胞内而富集的过程.重金属进入细胞后,通过区域化作用分布在细胞内的不同部位,微生物可将有毒金属离子封闭或转变成为低毒的形式[9].微生物细胞内可合成金属硫蛋白,金属硫蛋白与 Hg、Zn、Cd、Cu、Ag等重金属有强烈的亲合性,结合形成无毒或低毒络合物.如真菌木霉、小刺青霉和深黄被包霉通过区域化作用对Cd、Hg都有很强的胞内积累作用[10].

2 重金属污染土壤微生物修复技术及其研究进展

2.1 生物刺激技术

生物刺激即向污染的土壤中添加微生物生长所需的氮、磷等营养元素以及电子受体,刺激土著微生物的生长来增加土壤中微生物的数量和活性.关于这方面的研究国外文献已有报道.Reddy K R,Cutright T J对铬污染土壤的微生物修复进行的研究表明,限制铬污染场地修复进程的一个共同因素是污染场地通常缺乏足够的营养以供引进的外来微生物或土著微生物生长,以至这些微生物自身具备的还原Cr6+的潜力得不到充分发挥;为使其潜力得到充分发挥,需向其生活的环境中投加营养物质来刺激铬还原菌的新陈代谢和繁殖,促进铬污染土壤的修复[12].Higgins T E将堆肥、鲜肥、牛粪、泥炭加入铬污染土壤进行原位修复,提高了修复效果[13].

2.2 生物强化技术

生物强化技术即向重金属污染土壤中加入一种高效修复菌株或由几种菌株组成的高效微生物组群来增强土壤修复能力的技术.所加入的高效菌株可通过筛选培育或通过基因工程构建,也可以通过微生物表面展示技术表达重金属高效结合肽,从而得到高效菌株.

2.2.1 高效菌株筛选

高效菌株有2个来源:一是从重金属污染土壤中筛选;二是从其他重金属污染环境中筛选.从重金属污染土壤中筛选分离出土著微生物,将其富集培养后再投入到原污染的土壤,这是本土生物强化技术(本土生物强化技术是由日本科学家Ueno A等于2007年首次提出的[14]).筛选、富集的土著微生物更能适应土壤的生态条件,进而更好地发挥其修复功能.目前已从Cr(V I)、Zn、Pb污染土壤中筛选分离出菌种Pseudomonasmesophillca和maltophilia P,Barton等对这2种菌株去除Se、Pb毒性的可能性进行了研究,发现上述菌种均能将硒酸盐、亚硒酸盐和二价铅转化为不具毒性且结构稳定的胶态硒与胶态铅.Robinson等研究了从土壤中筛选的4种荧光假单胞菌对Cd的富集与吸收效果,发现这4种细菌对Cd的富集达到环境中的100倍以上[1].

2.2.2 基因工程菌构建

基因工程可以打破种属的界限,把重金属抗性基因或编码重金属结合肽的基因转移到对污染土壤适应性强的微生物体内,构建高效菌株.

由于大多数微生物对重金属的抗性系统主要由质粒上的基因编码,且抗性基因亦可在质粒与染色体间相互转移,许多研究工作开始采用质粒来提高细菌对重金属的累积作用,并取得了良好的应用效果[15].

2.2.3 微生物表面展示技术

微生物表面展示技术是将编码目的肽的DNA片段通过基因重组的方法构建和表达在噬菌体表面、细菌表面(如外膜蛋白、菌毛及鞭毛)或酵母菌表面(如糖蛋白),从而使每个颗粒或细胞只展示一种多肽[16].微生物表面展示技术可以把编码重金属离子高效结合肽的基因通过基因重组的方法与编码细菌表面蛋白的基因相连,重金属离子高效结合肽以融合蛋白的形式表达在细菌表面,可以明显增强微生物的重金属结合能力,这为重金属污染的防治提供了一条崭新的途径.

LamB、冰晶蛋白、酵母α-凝集素、a-凝集素和葡萄球菌蛋白A都是表面蛋白,在微生物表面展示技术中用来定位、锚定外源多肽[17-18].

Sousa C等将六聚组氨酸多肽展示在 E.coli LamB蛋白表面,可以吸附大量的金属离子,重组菌株对Cd2+的吸附和富集比 E.coli大11倍[19];Xu Z、Lee S Y将多聚组氨酸(162个氨基酸)与OmpC融合,重组菌株吸附 Cd的能力达 32 mol/g干菌[20];Schembri M A等将随机肽库构建于E.coli的表面菌毛蛋白 Fim H粘附素上,经数轮筛选和富集,获得对PbO2、CoO、M nO2、Cr2O3具有高亲和力的多肽[21];Kuroda K、Ued M将酵母金属硫蛋白(YM T)串联体在酵母表面展示表达后,四聚体对重金属吸附能力提高5.9倍,八聚体提高8.7倍[22].

表面展示技术用于重金属污染土壤原位修复的研究虽然取得了许多成果,但离实际应用尚有一段距离.其主要原因是用于展示金属结合肽的受体微生物种类及适应性有限,并且缺乏选择金属结合肽的有效方法[16].

3 结 语

3.1 存在的问题

重金属污染土壤原位微生物修复技术目前还存在以下几个方面的问题:

(1)修复效率低,不能修复重污染土壤.

(2)加入到修复现场中的微生物会与土著菌株竞争,可能因其竞争不过土著微生物,而导致目标微生物数量减少或其代谢活性丧失.

(3)重金属污染土壤原位微生物修复技术大多还处于研究阶段和田间试验与示范阶段,还存在大规模实际应用的问题.

(4)微生物个体微小,难以从土壤中分离;重金属回收困难.

3.2 研究趋势

通过以上分析,我们认为今后应从以下几个方面加强研究和应用:

(1)应加强具有高效修复能力的微生物的研究.分子生物学和基因工程技术的应用有助于构建具有高效转化和固定重金属能力的菌株,尤其是微生物表面展示技术的不断成熟与完善将会极大地提高微生物对重金属的固定能力,在重金属修复中发挥重要作用.

(2)加强微生物修复技术与其他环境修复技术有效的集成.可以采用植物-微生物联合修复技术,充分发挥植物与微生物修复技术各自的优势,弥补它们的不足;研究土壤环境条件变化对重金属微生物转化的影响,通过应用化学试剂(络合剂、螯合剂)或土壤改良剂、酸碱调节剂等加速微生物修复作用;结合生物刺激技术添加修复微生物所需的营养物质,以增加其竞争力和修复效果.

(3)做大量的野外试验以获得准确的试验参数与室内试验结果相比较,以期微生物修复技术的推广.

(4)研究固定化微生物用于重金属污染土壤修复,以克服微生物颗粒小、机械强度低、难以分离微生物和回收重金属的缺点.

虽然金属重污染土壤的原位微生物修复技术还存在一定的问题,目前的应用和市场还很有限,但是这种方法具有物理和化学方法所不及的经济上和生态上的双重优势,潜力巨大.微生物修复将成为一种广泛应用、环境良好和经济有效的重金属污染土壤修复方法,为重金属污染土壤的治理开辟了一条新途径.

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M icrobial Remediation of Soils Polluted by Heavy Metal

HUANG Chun-xiao
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Themechanism of microbial remediation technology of soils polluted by heavy metal is introduced in this paper.Statusand advancement in research of microbial remediation technology are summarized.The problems existed in the technology are discussed while study direction and trend are suggested.The discussion and suggestion could provide reference for the study and application in the future.

heavy metal;polluted soils;m icrobial remediation

X5;Q93

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.03.010

1671-6906(2011)03-0041-04

2011-05-16

河南省教育厅自然科学基金项目(2010B610013)

黄春晓(1968-),女,河南叶县人,副教授,硕士.