微生物在镉污染土壤修复中的应用及其作用机理

李威

中煤嘉沣（湖南）环保科技有限责任公司

摘要：镉是一种有毒重金属，且具有流动迁移性强的特点。工业废物的排放、大气沉降、污水灌溉以及长期施用磷肥等活动都导致了自然界中镉的积累。镉引发的环境污染、生态失衡等问题日益严重，已在世界范围之内引起了人们的广泛关注。镉会引起骨质疏松症、癌症和肾功能障碍等，在近几十年来报道了多起镉引起的中毒和致癌事件。据调查显示全国土壤镉污染的点位超标严重，而人体中的镉大部分来自于谷物和蔬菜。由于镉的生物有效性高，因此土壤中的镉会进入到植物的根、茎、叶中，最终被人类所摄取。因此，如何高效降低土壤中镉的含量或其生物有效性逐渐成为人们广泛关注的问题。

关键词：微生物；镉污染；土壤修复；应用；

引言

随着农药化肥的使用、工业废气废水的排放和金属矿石的冶炼等，重金属污染土壤问题日趋严重。有研究表明，我国耕地土壤污染点位超标率为１９．４％，其中无机污染物镉的污染点位超标率最大，达到７．０％，且镉依然是影响农用地土壤环境质量的首要污染物。因此，研究适合镉污染土壤的修复技术尤为重要。

1微生物修复技术

生物修复技术是进入21世纪之后经济和科技飞速发展的产物，是当前常用的绿色环境修复技术之一。利用生物修复技术可以实现在不改变土壤性质的基础上对土壤污染的有效治理，而且相较于其他修复技术来说，这种修复方式成本较低。生物修复技术主要是利用动物、植物以及微生物的特性来对土壤污染中的有机物进行修复，所以相对来说修复周期较长，而且对土壤污染的情况要求较高，一旦土壤污染超过生物生长的正常范围，就需要采用其他修复方式。微生物修复技术是生物修复技术的组成之一，其简单来说就是利用微生物的生长代谢来实现对污染物的有效降解，通过微生物的消化吸收作用，可以将土壤中的有机物转化为水、二氧化碳以及无机盐等无害物质，而且土壤中的微生物还可以通过自身的新陈代谢来产生有机酸，达到去除土壤中金属的目的，实现污染土壤的有效净化。当然微生物的种类不同，其产生的作用也各有不同，部分微生物还可以通过吸收作用，将土壤中的重金属盐吸收到体内，然后对微生物进行回收就可以去除土壤中的重金属。但这种方式相对来说操作难度大，而且在实际操作的过程中，还有可能由于微生物死亡而造成土壤的二次污染，所以在采用微生物进行土壤污染修复的过程中，一定要结合土壤污染的具体情况采取合适的修复方式。

2微生物修复机理

2.1胞内、胞外吸附

微生物因其独特的理化性质可作为吸附剂使用，活性微生物或是非活性微生物制备的吸附剂都能对镉进行吸附从而降低镉的流动性达到修复的目的。菌株分泌于体外的胞外聚合物(extracellularpolymers,EPS)带有羟基、羧基、磷酰基等负电性官能团，如多糖、蛋白质、核酸等聚合物，能够与Cd2+进行结合，细胞壁上的氨基基团也能与镉进行结合来达到固定Cd2+的目的。能与Cd2+进行胞外吸附的微生物主要有：枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、球孢白僵菌(Beauveriabassiana)等。其次Cd2+也可以与微生物代谢提供的能量通过离子通道、络合后渗透、载体运输等方式进行胞内积累。胞内、胞外的吸附与固定是微生物作用于Cd2+的主要途径，这些微生物具有显著的吸附效果且在受污土壤中展现出一定的耐性。

2.2溶解与活化

由于微生物具有特异性因此菌株产生的物质有所不同，微生物在代谢过程中释放的低分子有机酸，如草酸、乳酸、柠檬酸、乙酸等，能够改变土壤pH并使土壤中的可溶解镉、可交换镉增加，促进了镉的迁移，增加了镉的生物有效性，这种通过溶解与活化的修复方式适用于针对部分利用度低的镉污染土壤进行修复。将马氏沙雷氏菌和胶红酵母对镉污染土壤进行修复，发现经过微生物调控后原本pH为7.12的土壤分别降低至3.6和5.12，在未添加微生物的土壤水溶态镉为1.81mg/L的浓度下分别增加至528、264mg/L，两种菌株的加入具有下调土壤pH以及增加可溶态镉的作用。相关研究表明，铁载体对土壤镉具有活化作用，铁载体是由微生物产生的能螯合Fe3+的低分子量次生代谢物，能够结合重金属离子。运用计算机对接和STRING分析中，检查铁载体的结合亲和力和微生物上异种铁载体受体的存在，发现铁载体对Cd2+的亲和力高于Fe3+。具有产铁载体的微生物有越南伯克霍尔德氏菌、荧光假单胞菌。微生物通过分泌物质将土壤中难溶的镉释放出来，减少了稳定存在于土壤中镉的危害，解决了土壤镉难利用、难溶解的问题。释放出来的镉可以通过淋溶或是植物提取的方式将土壤中的镉去除以达到安全有效地修复的目的。

3微生物与植物的联合应用

龙葵是一年生茄科草本植物，具有抗逆能力强、分布范围广的特点，已被证实对镉具有超富集作用，应用于镉污染土壤的修复研究中。例如，研究发现，龙葵是一种镉超积累植物，在镉投加质量浓度为２５ｍｇ／ｋｇ时，龙葵茎和叶中镉分别为１０３．８、１２４．６ｍｇ／ｋｇ，其地上部分镉富集系数为２．６８。龙葵接种芽孢杆菌属（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）细菌，可使龙葵根干质量比对照高４７．８３％，地上部分镉达到１２５．２１ｍｇ／ｋｇ。可见，将龙葵应用于镉污染土壤的修复治理，有望通过提高龙葵根系发育并提高其生物量来增大龙葵对镉的吸收富集，从而提高土壤镉修复效率。　　植物－微生物联合修复研究大多都是在未受重金属污染的土壤中添加有效态镉，利用温室盆栽进行试验，这与人类工业活动带来的土壤重金属镉污染源不符，与植物露天生长环境也存在差异，使得研究结果难以进行实际应用。此外，目前研究的镉抗性微生物主要从重金属污染区的土壤或植物里筛选，很少从未受重金属污染的宿主植物本身或其根系土壤筛选，缺少不同来源的镉抗性微生物对植物修复镉污染土壤的研究。

4污染土壤修复技术的发展趋势

当下所使用的物理以及化学修复技术在实际操作的过程中都有可能会造成二次污染问题，而且相较于土壤中原有污染物的二次污染来说，在采用修复技术修复的过程中所造成的二次污染还有可能会改变原有土壤中的污染物，这不仅增加了后续污染物处理的难度，而且也不利于土壤污染治理行业的发展。所以环保型的污染修复技术也是日后发展的重要方向之一，通过环保型的污染修复技术不仅能够有效避免土壤二次污染的问题，更重要的是可以对原有的土壤进行有效的治理。相较于物理和化学修复技术来说，微生物技术具有较高的环保性，而且操作得当也不会对环境产生二次污染，所以当下我国也加大了对微生物修复技术的应用研究，但微生物技术不适用于大面积的土壤污染修复中。

结束语

土壤中的镉是最具毒性的环境污染物之一。微生物对土壤中Cd2+具有固定与活化的修复作用，体现在降低或增加了镉的生物有效性从而对土壤镉进行修复。微生物的活性和生长周期影响修复效率，在应用过程中促进微生物的活性可以提高修复效率。

参考文献

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