重金屬污染環(huán)境的微生物修復(fù)原理研究

程為波，楊麗娟

（1.山東正潤(rùn)環(huán)境科技有限公司；2.山東藍(lán)城分析測(cè)試有限公司，濟(jì)南 250101）

重金屬具有特殊的化學(xué)性質(zhì)，對(duì)環(huán)境具有較大的危害。微生物修復(fù)技術(shù)可以運(yùn)用于重金屬污染環(huán)境的治理中，具有無(wú)二次污染的優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展前景良好，研究微生物修復(fù)重金屬污染環(huán)境的原理具有理論意義，也具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值[1]。

1 微生物的絡(luò)合固定作用

1.1 絡(luò)合固定

在真菌細(xì)胞壁被動(dòng)吸附金屬離子的過(guò)程中，細(xì)胞上存在的部分物質(zhì)（如多糖）為重金屬的離子交換提供了交換點(diǎn)，在結(jié)合點(diǎn)飽和的情況下，真菌就需要通過(guò)絡(luò)合作用富集重金屬離子。有研究發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)條件下，姬松茸子實(shí)體中的Cd質(zhì)量比可達(dá)到5～ 16 mg/kg，姬松茸內(nèi)含有較高含量的特定氨基酸，這種氨基酸可以結(jié)合Cd，進(jìn)而達(dá)到治理重金屬污染的目的，同時(shí)部分結(jié)合蛋白也可以絡(luò)合固定重金屬離子。

1.2 礦化固定

微生物可通過(guò)礦化固定作用將重金屬固定，在生物作用下，離子態(tài)的重金屬被轉(zhuǎn)化為固相礦物，重金屬離子沉淀，降低了重金屬對(duì)生物的有效性。不僅如此，微生物的代謝產(chǎn)物也具有治理重金屬的作用，某些微生物代謝產(chǎn)物含有磷酸根離子與硫離子，這些離子接觸金屬離子后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而生成沉淀，原本有害、有毒的重金屬元素轉(zhuǎn)化成低毒或無(wú)毒的金屬沉淀物。

Cd2+離子與H2S經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成CdS沉淀，可對(duì)Cd2+離子予以固定；硫酸鹽在硫酸鹽還原細(xì)菌的作用下被還原為硫化物，導(dǎo)致土壤中的重金屬沉淀鈍化，經(jīng)過(guò)碳源和沸石的配合，2 d內(nèi)可將100%的可交換態(tài)Sr與Ba鈍化；革蘭氏陰性細(xì)菌接觸磷酸酶后，分泌的碳酸氫根離子于細(xì)菌的表面結(jié)合重金屬形成礦物。有研究者向BaCl2、SrCl2溶液中加入尿素酶，化學(xué)反應(yīng)后的沉淀呈堿性，其主要成分為BaCO3和SrCO3。

除此之外，真菌體內(nèi)的酸根離子也能與重金屬反應(yīng)，進(jìn)而生成沉淀，幾丁質(zhì)等真菌細(xì)胞壁組分物質(zhì)對(duì)重金屬具有鈍化固定的作用，在這種作用下，土壤中原本有毒、有害的重金屬離子的移動(dòng)性降低，重金屬被固化，此時(shí)宿主植物即可不受重金屬的毒害。

常見的微生物固定金屬類型如下：微生物中的尿素酶可固定Sr、Ba；微生物中的有機(jī)酸根離子可固定Mn、Pb、Cd以及Cu；微生物中的碳酸根離子可固定Cd；微生物中的磷酸根離子可固定Sr、Ba以及Cd；微生物中的硫離子可固定Cd、Sr、Ba、Pb、Zn以及Ag等[2]。

2 微生物的淋濾作用

2.1 生物淋濾作用

生物淋濾也被稱為微生物濕法冶金，它利用部分桿菌的微生物代謝，將重金屬被氧化還原成重金屬鹽。其具有較為理想的溶解度，可以分離浸提固相中的硫、重金屬以及其他不溶性成分。有研究者接種嗜酸性硫桿菌復(fù)合菌株，利用生物淋濾作用來(lái)處理生活垃圾飛灰中的重金屬，發(fā)現(xiàn)其對(duì)Pb、Cu、Zn以及Cd的去除率分別為29.3%、72.6%、81.8%以及89.7%。

2.2 通過(guò)表面活性劑提高重金屬的溶解性

細(xì)菌表面產(chǎn)生的活性劑的相對(duì)分子質(zhì)量較低，具有水溶性，因此具備自由穿過(guò)土壤微孔的能力，生物表面活性劑對(duì)重金屬的親和力極強(qiáng)。利用其分子小的特點(diǎn)，表面活性劑絡(luò)合重金屬后，對(duì)含有重金屬的土壤進(jìn)行清洗即可去除污染物。

3 微生物的轉(zhuǎn)化作用

微生物的轉(zhuǎn)化作用主要包括甲基化與去甲基化、間接還原和直接轉(zhuǎn)化等。

3.1 甲基化與去甲基化作用

微生物可促使Pb、Cd以及Hg等重金屬離子發(fā)生甲基化。例如，微生物可以將Hg2+甲基化，將其還原為Hg，其他有機(jī)汞、甲基汞化合物也被裂解并原為Hg。

汞離子可以被部分匙形梭菌、厭氧產(chǎn)甲烷細(xì)菌轉(zhuǎn)化為二甲基汞和甲基汞，導(dǎo)致汞的危害性增強(qiáng)。人們可以利用部分假單細(xì)胞菌、金黃色葡萄球菌、氧化鐵硫桿菌、芽孢桿菌以及大腸桿菌的作用，將有機(jī)汞化合物或汞離子還原為金屬Hg，生成的金屬Hg擴(kuò)散至空氣中被稀釋，因此其毒害作用減輕。假單細(xì)胞菌K62可以將有機(jī)汞、無(wú)機(jī)汞轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘貶g；變形桿菌、銅綠色假單胞菌可以將汞離子轉(zhuǎn)化為金屬Hg；燕麥核腔菌、粗糙脈菌、青霉以及黑曲霉對(duì)有機(jī)汞和無(wú)機(jī)汞化合物具有一定的抗性[3]。

3.2 間接還原

硫還原菌可以通過(guò)多種途徑將硫酸鹽還原為硫化物。一是經(jīng)硫酸鹽合成氨基酸（其中包括脫氨酸、蛋氨酸等），硫經(jīng)脫硫作用被分解，之后與Cd反應(yīng)生成沉淀。二是硫還原菌呼吸期間，硫酸鹽成為電子受體而被還原。

在厭氧條件下，硫酸鹽還原菌包括腸狀菌屬、脫硫弧菌屬，二者將硫酸鹽還原，最終生成硫化氫，腸狀菌屬菌體的金屬硫團(tuán)結(jié)合汞，汞被富集于菌體上，在體外或膜上的生化反應(yīng)作用下，汞被還原或降解；腸狀菌屬還與Hg2+反應(yīng)而產(chǎn)生HgS沉淀，因此Hg2+的活性被抑制。

3.3 直接轉(zhuǎn)化

部分微生物可以利用直接轉(zhuǎn)化重金屬離子，被轉(zhuǎn)化后，重金屬離子的價(jià)態(tài)發(fā)生變化，重金屬離子的穩(wěn)定性也發(fā)生改變。例如，部分細(xì)菌可氧化As3+、Fe2+，部分細(xì)菌可還原Se4+、Hg2+以及As3+。

隨著重金屬的價(jià)態(tài)發(fā)生改變，重金屬的絡(luò)合能力也不斷變化，部分微生物產(chǎn)生的分泌物可以與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用，使得重金屬的毒性降低。此外，微生物可以產(chǎn)生具有還原性的產(chǎn)物，促進(jìn)金屬離子的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化。

4 微生物的吸附與累積作用

4.1 微生物吸附重金屬

4.1.1 經(jīng)細(xì)胞壁吸附重金屬

微生物的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與微生物的吸附能力關(guān)系密切。生物吸附是指細(xì)胞表面存在多種官能團(tuán)，細(xì)胞表面帶有電荷，經(jīng)絡(luò)合作用、靜電吸附作用將重金屬離子予以固定。微生物吸附期間，細(xì)菌的細(xì)胞壁表面具有陰離子，因此這種細(xì)菌極易結(jié)合金屬，能有效吸附重金屬離子。

真菌經(jīng)細(xì)胞壁吸附重金屬時(shí)，一是形成無(wú)機(jī)沉淀，導(dǎo)致重金屬污染物在細(xì)胞壁上沉積，或出現(xiàn)物理性吸附；二是細(xì)胞壁上存在的羥基、羧基以及琉基等活性基團(tuán)經(jīng)過(guò)絡(luò)合、配位結(jié)合以及離子交換等定量化合反應(yīng)吸收重金屬離子。

細(xì)胞具有螯合作用，可以吸附重金屬，這與真菌細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如，細(xì)胞壁具有多孔結(jié)構(gòu)，因此活性化學(xué)配位體得以合理排列于細(xì)胞表面，減輕與金屬離子的結(jié)合難度[4]。細(xì)胞多糖提供的硫酸根、氨基、羧基、羥基以及醛基等官能團(tuán)均具有較強(qiáng)的金屬離子絡(luò)合能力。

藻類細(xì)胞壁的酚醛樹脂、羧基、羥基以及醛基可以與重金屬結(jié)合而形成復(fù)合物。例如，扁藻屬用于吸附Cd2+，鈍頂螺旋藻用于吸附Cu2+等。

4.1.2 利用細(xì)胞外聚物吸附重金屬

微生物細(xì)胞外多聚物是微生物代謝過(guò)程中分泌的多聚化合物，其中含有羧基、羥基等官能團(tuán)，官能團(tuán)與金屬離子發(fā)生作用，進(jìn)而螯合或吸附金屬離子。生物膜可以利用特殊的化學(xué)物理微環(huán)境，將重金屬離子轉(zhuǎn)化為碳酸鹽、硫化物、磷酸鹽以及氧化物等沉淀，沉積于特定部位。大量研究表明，微生物吸附重金屬時(shí)，微生物細(xì)胞并非與重金屬等量，避免生物膜中的細(xì)胞被重金屬完全毒害，同時(shí)重金屬也并非均勻分布于微生物膜中。

4.2 微生物細(xì)胞的吸收累積作用

微生物的吸收累積作用是指微生物活細(xì)胞去除重金屬離子的作用。細(xì)胞內(nèi)的金屬硫蛋白（MT）與微生物積累重金屬具有密切的關(guān)系，MT對(duì)Ag、Cu、Cd、Zn以及Hg均具有明顯的親和性，因此重金屬出現(xiàn)富集，同時(shí)重金屬的毒性被抑制。諸多微生物通過(guò)包括金屬硫蛋白在內(nèi)的蛋白質(zhì)，調(diào)節(jié)金屬離子的含量[5]。

多數(shù)真菌細(xì)胞內(nèi)均存在金屬硫蛋白，金屬硫蛋白對(duì)金屬離子具有較強(qiáng)的親和力，二者結(jié)合后，重金屬離子發(fā)生轉(zhuǎn)變，產(chǎn)物不具有生物活性，也無(wú)毒，從而達(dá)到治理重金屬污染的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

微生物修復(fù)技術(shù)治理重金屬污染，當(dāng)前已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，但是其修復(fù)原理的研究仍較為缺乏。同時(shí)，受土著微生物的干擾，微生物修復(fù)技術(shù)在重金屬污染治理中的應(yīng)用受到一定限制，因此有待開展更為深入的研究，以便明確其修復(fù)原理，擴(kuò)大其適用范圍。