冯秋分，苏世鸣，曾希柏，张杨珠，李莲芳，白玲玉，段 然，林志灵

（1.湖南农业大学资源与环境学院，长沙 湖南 410128；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室，北京 100081）

砷（As）位于元素周期表33号，与磷是同族元素，因其化学性质与其他重金属相似，所以被认为是一种类金属元素，也是五毒金属（砷、汞、铬、铅、镉）之一。农田中的砷来源主要是土壤的成土母质和人类的各种工业、农业生产活动，如含砷矿产的开采、冶炼，化学肥料，含砷杀虫剂、防腐剂的使用等。环境中砷的形态复杂多样，主要以无机形态和有机形态存在，无机态如五价砷[As（V）]和三价砷[As（III）]，有机形态如 MMA（一甲基砷）、DMA（二甲基砷）和TMA（三甲基砷）等[1]。在自然环境中，砷主要以无机砷为主，且As（III）的毒性大约是As（V）的60倍，而无机形态砷的毒性则要高于有机形态。

1 农田中砷的污染现状及主要治理方式

砷的污染是世界性的问题，我国亦是砷污染较为严重的国家之一。特别是近年来发生的一系列污染事件，如湖南郴州（2001年）、河南省民权县大沙河与昆明阳宗海（2008年）等水体及土壤中的砷污染，某些地区水稻等农产品中砷及某些重金属含量超标等问题，均给农业生态环境和农产品质量安全带来较大威胁，造成了较大的社会影响。农田土壤中累积的砷不仅能通过地表径流及淋洗等方式污染水体，还可能通过食物链的方式进入人体，给人类键康带来较大的隐患。曾希柏等[2]对我国不同区域农田中砷的含量状况进行了统计分析，结果表明，我国菜地土壤中砷的累积较为明显，所统计的样本中有44.2%存在不同程度的砷累积现象，9.2%的样本砷含量超标。另据调查，我国含砷矿区周边农田中砷污染现象最为严重，其中湖南省石门县雄黄矿附近的农田和郴州市砷污染区农田中砷含量分别高达932.1 mg/kg和300 mg/kg[3]。综合比较，我国农田砷含量超标甚至污染的区域主要分布于含砷矿区及冶炼区周边，而在农业主产区砷累积的趋势则较为明显。相对于砷污染地区，我国农业主产区土壤中砷累积的趋势应引起较大的关注。

针对农田土壤中砷的污染现状及其可能的环境风险，众多学者开展了砷污染环境修复的研究，主要的修复技术包括：工程修复、物理化学修复[4]和植物修复[5]等，尽管这些技术的发现和应用取得了令人可喜的进展，但从目前的情况来看，修复成本高、时间长，植物修复中的植株后处理困难等问题尚难以解决，且无法与当地农业生产实现同步，在一定程度上制约了这些技术的发展和应用。

2 砷污染农田的微生物修复或调控法

微生物在砷的地球化学循环中起到了非常重要的作用。微生物作用下 As（V）、As（III）和有机形态如MMA、DMA和TMA之间可以发生转化。无机形态的As（V）和 As（III）可以通过氧化和还原相互转化，而后者还可以经甲基化作用生成甲基态砷，这即是所谓的砷形态转化的Challenger机理。因此，可以借助环境中某些微生物对砷的作用过程达到修复或调控砷污染环境的目的。Murugesan等[6]的研究表明，在红茶发酵废液中分离出来的菌株，经过FeCl3处理后能作为砷污染地下水的修复材料，在砷污染的地下水样品中培养30 min后能将水体中的As（III）完全吸附，培养90 min后能吸附水中77%的As（V）。在土壤环境下，可以通过生物体对砷的累积而将砷“固定”，或者是将砷转化为毒性相对较低的形态，或促进含砷化合物与土壤胶体等的络合/沉淀，进而减少植物对砷的累积量。因此，微生物修复被认为是一种有潜力、经济且实效的调控砷污染土壤的方法[7]。

3 微生物对农田环境中砷的吸附、累积及相关机理

近年来，许多对环境中砷具有累积与挥发能力的微生物被相继分离、鉴定，在一定程度上为利用微生物修复或调控砷污染环境提供了有效的微生物材料。Srivastava 等[8]的研究表明，10 mg/L As（V）培养 21 d 之 后 Trichoderma sp.（FA-06），sterilemycelial strain （FA-13），Neocosmospora sp.（FA-03），Rhizopus sp.（FA-19）和Penicillium sp.（FA-18）菌株，能分别将环境中 29.86%、27.65%、26.69%、25.22%和22.31%的砷挥发到大气中。Cerňansky等[9-10]在高砷含量的沉积物中分离得到一株砷吸收能力较强的耐高温真菌，该真菌几乎能将所吸收的砷全部以气态形式释放到体外，可用于砷污染土壤的修复。Zeng等[11]和Su等[12]从湖南省石门县雄黄矿区与郴州市的砷污染农田土壤中，分离得到3株具有高耐砷能力的真菌，分别为棘孢木霉、微紫青霉和尖孢镰刀菌。经研究表明：该3株真菌均具有较高的砷累积与挥发能力，其中棘孢木霉与微紫青霉对砷的累积与挥发能力均是第一次被研究发现。但从总体来看，目前报道的耐砷微生物中有强累积与挥发能力的还相对较少，环境微生物与砷作用的相关机理研究还有待深入挖掘。

微生物对砷的累积包括基于细胞壁以及自身代谢产物对砷的吸附，同时也包括通过新陈代谢作用的砷在细胞体内的累积[13]。Su等[12]研究发现，砷在高耐砷真菌细胞内外的分布有所不同，棘孢木霉和尖孢镰刀菌细胞壁外吸附砷和胞内累积砷的含量分别占其总累积砷量的82.2%和63.4%，而微紫青霉在细胞内与细胞壁外累积的砷含量比例大致相同，并认为这可能与各株菌不同的耐砷机理相关。Patel等[14]的研究表明，微生物细胞内砷的存在形态主要为 As（III）和 As（V），且有相对少量的砷以As-S键的形式存在，进一步研究表明，微生物累积的砷大部分（75%）存在于细胞质相中，少量的砷存在于细胞周质、碎屑与膜的成分中。有研究表明，一些微生物细胞壁外含有大量的带正、负电的基团，如氨基、咪唑、肽聚糖、碳水化合物、去磷酯酸等，以及微生物代谢产生的胞外聚合类物质等，均可与环境中的多种重金属元素进行电荷吸附或专性吸附[15-16]。

4 微生物对农田环境中砷的形态转化及影响因素

环境中的微生物主要通过还原与甲基化作用将砷转化为挥发性的化合物从而排出体外，该过程即挥发作用，主要表现为砷形态的转化。Su等[17]研究了As（V）存在条件下，棘孢木霉、微紫青霉和尖孢镰刀菌对砷的形态转化，结果表明：环境中的As（V）在该3株真菌的细胞内主要发生了还原与甲基化作用，同时将生成的As（III）排放到细胞外。Yin等[18]研究了一株蓝藻体内砷的累积与形态的转化，结果表明，当环境中存在As（III）时，该菌能快速将 As（III）氧化为 As（V），且该氧化过程仅出现于胞内，并认为能利用该菌株对砷的累积能力移除环境中砷。此外，适宜的培养环境对砷的累积与形态转化有很大的影响，比如pH值，Eh值，温度，磷、碳水化合物、氨基酸及重金属元素的含量等因素，当环境条件适合时，会较大辐度的增加微生物对砷的累积与挥发量[17]。Bentley和Chasteen[19]研究认为，不同的微生物生长有不同的最佳pH、Eh条件，在此条件下其对砷的甲基化速率最大，当环境中pH为5.0时，土生假丝酵母菌Candida humicola.更易于转化生成TMA。

5 展望

近年来，利用微生物修复砷污染农田环境已成为研究的热点之一。但相对而言，目前具有高累积与挥发砷能力的微生物研究还较少，相关机理的研究有待进一步深入。此外，在土壤环境中，该类微生物的生长、繁殖还受多种土壤因素的影响，这些都决定着该类微生物对砷作用能力的发挥。因此，在今后的研究中，微生物与农田环境中砷之间的作用机制，以及土壤环境因素对该过程的影响将是进一步研究的重点。

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