微生物在重金屬離子污染修復(fù)及治理中的應(yīng)用研究

李司宇,劉雪,王文婧,盧松霖,郝雪萌,張杰

(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150040)

隨著現(xiàn)代化工業(yè)體系的不斷發(fā)展與進(jìn)步,各種各樣的污染正在不同程度上影響著人們的生活[1],其中重金屬污染的問題尤為嚴(yán)峻,主要包括土壤污染和水環(huán)境污染。重金屬指密度大于5g/cm3的金屬,例如：錳、銅、鎘、鉛等。從生態(tài)學(xué)角度看,任何不能被生物降解而產(chǎn)生累積,從而對(duì)環(huán)境造成污染的金屬、類金屬都被視為重金屬[2]。當(dāng)這些重金屬離子含量超過一定限度時(shí),便會(huì)造成水體或土壤環(huán)境重金屬污染。重金屬污染不僅造成經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重?fù)p失,同時(shí)也威脅著各生命體的生存與健康。

1 重金屬污染現(xiàn)狀

重金屬污染主要包括土壤重金屬污染和水環(huán)境重金屬污染。土壤重金屬污染是指土壤中重金屬含量超過其背景值,土壤質(zhì)量下降且產(chǎn)出的作物受到污染的現(xiàn)象[3]。這種污染具有隱蔽性、滯后性等特點(diǎn),其危害不易被人們察覺,因而很少能引起人們的高度重視[4]。一些研究數(shù)據(jù)表明,我國(guó)大多數(shù)地區(qū)的農(nóng)田都遭受到重金屬污染,其中受鉻、汞、鉛、砷和鎘污染的約為3萬畝,每年因污染造成的糧食損失約1000萬噸,經(jīng)濟(jì)損失難以計(jì)數(shù)[5-6]。

水環(huán)境主要包括海洋、河流、湖泊、水庫(kù)以及地下水等水體[7]。水環(huán)境重金屬污染是指排入水體中的重金屬物質(zhì)過多,超過了水體的自凈能力,影響了水的性質(zhì)和水環(huán)境中生物的生長(zhǎng)發(fā)育,并且通過生物累積效應(yīng)影響到人類生活環(huán)境和健康[8]。由我國(guó)相關(guān)部門對(duì)飲用水源的監(jiān)測(cè)情況分析可知,汞在重金屬污染物中排在首位,鎘排在第二位。地表飲用水源中,鉛、鉻污染比較普遍,銅、鎳等元素的超標(biāo)現(xiàn)象也很嚴(yán)重[9-10]。長(zhǎng)江是我國(guó)第一大河流,流域面積達(dá)到180萬km2。學(xué)者調(diào)查發(fā)現(xiàn),其下游沉積物中錳、鋅、銅、汞含量分別為752.78mg/kg、 33.13mg/kg、 38.5mg/kg、 0.33mg/kg[11]。1996年至今,江河湖庫(kù)底泥的污染程度已經(jīng)達(dá)到了80%。其中,太湖底泥中的有害物質(zhì)含量處于輕度污染水平,黃浦江干流表層沉積物的有害元素含量也超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求,并呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。被譽(yù)為母親河的黃河近年來重金屬污染也不斷加重[12-13]。

2 微生物修復(fù)

微生物修復(fù)是指在特定或者適合的環(huán)境條件下,利用在這個(gè)條件中的微生物群體,提高微生物降解重金屬的能力,進(jìn)而達(dá)到降低重金屬濃度、降低有毒性污染物活性或者降解重金屬的生物修復(fù)技術(shù)。

2.1 細(xì)菌修復(fù)重金屬離子污染

細(xì)菌在重金屬離子污染中的作用主要體現(xiàn)在吸收和富集等方面。馬薇等[14]制備了含有200mg/L Cr2+的瓊脂平板培養(yǎng)蠟狀芽孢桿菌,結(jié)果顯示蠟狀芽孢桿菌快速生長(zhǎng),而在含有鎘離子、鉻離子和鉛離子濃度分別為75mg/L和錳離子濃度為100mg/L的培養(yǎng)基中,蠟狀芽孢桿菌的生長(zhǎng)速度沒有出現(xiàn)異常,維持正常的生長(zhǎng)速度。研究表明,在鎘離子的污染治理中,蠟狀芽孢桿菌可以發(fā)揮重要的作用和優(yōu)勢(shì)。黃文粵等[15]的研究探討了細(xì)菌對(duì)重金屬離子銅離子和鎘離子的修復(fù)作用,考察了三種細(xì)菌：大腸桿菌、枯草桿菌和酵母菌。試驗(yàn)結(jié)果表明,細(xì)菌對(duì)重金屬離子的修復(fù)結(jié)果與重金屬的含量呈正相關(guān)的關(guān)系。

2.2 真菌對(duì)重金屬離子污染的修復(fù)作用

早在19世紀(jì)就有學(xué)者發(fā)現(xiàn)真菌在修復(fù)土壤重金屬離子污染中發(fā)揮了作用。有研究表明,真菌對(duì)重金屬離子污染的修復(fù)作用原理是自身的抗性和對(duì)離子的吸附性。后來又有很多研究佐證了真菌對(duì)重金屬離子的耐受性。當(dāng)下,研究較多的是青霉菌、黑曲霉和釀酒酵母菌等真菌。李國(guó)卉等[16]利用顯微技術(shù)和生物形態(tài)學(xué)技術(shù),分析釀酒酵母菌在吸附了鉛離子后,真菌本身的形態(tài)變化。研究結(jié)果表明鉛離子在溶液中的含量降低,大部分都吸附在真菌表面,另外一些鉛離子以沉淀形式存在于溶液中。楊小敏等[17]實(shí)地考察了大量汞礦得出結(jié)論,土壤中的菌根菌和分解菌可以大量地富集汞,降低汞離子在土壤中的含量,從而降低了汞排放的污染。

2.3 放線菌對(duì)重金屬離子污染的修復(fù)作用

放線菌具有數(shù)量和種類眾多、分布廣和適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。NIES等[18]的研究結(jié)果表明,放線菌釋放的絮狀活性分泌物和重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),引起重金屬離子的價(jià)態(tài)改變,進(jìn)而降低重金屬離子的含量,降低污染的程度。海米提·依米提等[19]的研究結(jié)果表明,抗性鏈霉菌在含有重金屬離子的土壤中廣泛分布,對(duì)重金屬離子有很強(qiáng)的耐受性,并且其本身具有很強(qiáng)的溶解重金屬物質(zhì)的能力,可以降低重金屬離子的濃度。他們研究了50株放線菌對(duì)于重金屬銅離子的降解作用,定量研究結(jié)果表明,這些菌株對(duì)銅離子的耐受濃度最大可達(dá)1000mg/L。菌株種類鑒定結(jié)果為鏈霉菌屬。

3 微生物在重金屬離子污染治理中的作用機(jī)制

3.1 溶解和沉淀

微生物可以通過自身代謝活動(dòng)產(chǎn)生有機(jī)酸等分泌物,對(duì)重金屬離子進(jìn)行溶解或者絡(luò)合沉淀。微生物對(duì)重金屬的這種作用可以是直接的也可以是間接的。一般來說,微生物在代謝過程中可以產(chǎn)生有機(jī)酸,有甲酸、丙酸等。劉曉俊等[20]對(duì)微生物溶解重金屬離子的效果和作用參數(shù)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,氧化亞鐵硫桿菌對(duì)重金屬離子的溶解作用受到很多因素的影響,例如培養(yǎng)基成分、pH值、溫度等。通常來說,營(yíng)養(yǎng)充足、pH值和溫度條件都適中的環(huán)境條件下,微生物的代謝越旺盛,分泌的有機(jī)酸就越多,對(duì)重金屬離子的溶解和沉淀作用就越強(qiáng),對(duì)污染的治理效果就越好。李淑更等[21]在研究中,以加入了馴化污泥的城市污泥作為培養(yǎng)基,檢測(cè)污泥中重金屬離子的濾除率,結(jié)果顯示,污泥中重金屬離子的濾除率分別為銅離子67.2%、鋅離子88.9%、鉻離子82.4%和鎳離子68.4%。

3.2 吸附作用

微生物對(duì)重金屬離子的吸附作用,主要體現(xiàn)在吸收、吸附和沉淀三方面。鄒春艷等[22]研究發(fā)現(xiàn)：膠質(zhì)芽孢桿菌(Bacillus mucilaginosus)K02菌株制得的微生物吸附劑對(duì)鉛、鋅、鎘、銅和鉻等離子都有一定的吸附作用。此外,劉建英等[23]認(rèn)為,螺旋藍(lán)細(xì)菌對(duì)重金屬的吸附會(huì)受到有機(jī)陰離子的影響,這種影響可以是促進(jìn)也可以是抑制。例如,檸檬酸根可以促進(jìn)吸附作用,而乙酸根會(huì)抑制吸附作用的產(chǎn)生。黃民生等[24]考察了微生物吸附重金屬離子的影響因素,考察的微生物包括嗜熱性真菌、啤酒酵母、銅綠假單胞菌、酒曲霉菌屬、白腐真菌,當(dāng)重金屬起始濃度、溫度、pH值、微生物量等影響因素變量發(fā)生改變時(shí),微生物對(duì)鋅、鎳、鉛、銀等離子吸附程度也會(huì)發(fā)生改變。

3.3 氧化和還原作用

一般來說,重金屬元素以穩(wěn)定價(jià)態(tài)的化合物形式存在時(shí),溶解度小,穩(wěn)定性好；以低價(jià)態(tài)或者過高價(jià)態(tài)存在時(shí)就會(huì)非常不穩(wěn)定,溶解度增大,對(duì)土壤和水體產(chǎn)生不利的影響。利用微生物對(duì)重金屬的氧化還原作用,使重金屬以其穩(wěn)定的價(jià)態(tài)存在,從而使重金屬的活性降低,可以降低其對(duì)水體和土壤的污染。王澤煌等[25]學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌能夠與多種重金屬離子發(fā)生體內(nèi)轉(zhuǎn)換,將高毒離子轉(zhuǎn)變成低毒或無毒離子。何德文[26]對(duì)微生物的氧化還原作用進(jìn)行了定量研究,根據(jù)鉻離子的濃度,調(diào)整培養(yǎng)基成分組成,改變微生物的存在環(huán)境。研究結(jié)果表明,微生物可以完全還原低于150mg/L濃度的鉻離子,此時(shí)的培養(yǎng)基即為最優(yōu)培養(yǎng)基。

3.4 菌根真菌的生物作用

當(dāng)真菌感染了植物的根并與其一起生長(zhǎng)時(shí),就成為菌根。菌根可以更好地吸收土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。菌根真菌對(duì)于重金屬離子可以產(chǎn)生直接影響,也可以產(chǎn)生間接影響。羅繼鵬等[27]研究表明,東南景天體內(nèi)分離的內(nèi)生菌顯著地增加了東南景天的根長(zhǎng)、根表面積和根毛數(shù),最終提高了植物對(duì)重金屬的吸收和積累。王江等[28]研究了五節(jié)芒對(duì)于土壤污染的修復(fù)作用,結(jié)果顯示,五節(jié)芒根際土壤微生物的濃度明顯高于周圍土壤中微生物的濃度。黃晶等[29]將紫花苜蓿用菌根真菌浸染,考察其對(duì)土壤中重金屬離子的吸收。結(jié)果表明浸染后的紫花苜蓿對(duì)重金屬離子的吸收效果明顯增加。與此同時(shí),不同菌根真菌浸泡,對(duì)于重金屬離子的吸收也有差異。

4 結(jié)論與展望

綜上所述,微生物在治理重金屬離子污染的問題上發(fā)揮著重要的作用。微生物修復(fù)法因其費(fèi)用低廉、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn),取得了不小的成就,有著十分良好的發(fā)展前景,但它在重金屬污染修復(fù)上仍有其局限性：(1)現(xiàn)階段培養(yǎng)的微生物大多需要特定的理化環(huán)境,而在實(shí)際應(yīng)用中的環(huán)境是復(fù)雜可變的,用于修復(fù)的微生物不能很好地發(fā)揮作用；(2)菌種的安全性和可控性也是一大局限性因素。培養(yǎng)的微生物在某些特定環(huán)境條件下,其自身大量繁殖或變異,這不僅起不到修復(fù)重金屬污染的作用,還會(huì)成為環(huán)境的污染源；(3)實(shí)際應(yīng)用中通常為多種重金屬污染復(fù)合,單一類別的菌種很難達(dá)到完全去除的效果,而多菌種同時(shí)進(jìn)行修復(fù)一是無法同時(shí)滿足各種菌的生存條件,二是菌種之間的相互作用致使達(dá)不到理想的修復(fù)效果。

針對(duì)這些問題,我們提出以下幾個(gè)方面的建議：(1)優(yōu)化微生物篩選過程,并對(duì)篩選出的高效降解菌進(jìn)行嚴(yán)格馴化,從而培養(yǎng)出在普遍環(huán)境中均耐受、可控的菌種；(2)要想同時(shí)對(duì)環(huán)境中重金屬進(jìn)行微生物修復(fù),要結(jié)合污染土壤、水體類型特點(diǎn)篩選出高效微生物群,并建立資源庫(kù),同時(shí)結(jié)合菌種群落開發(fā)出適用的多菌種聯(lián)合修復(fù)技術(shù),使其向技術(shù)化發(fā)展；(3)微生物修復(fù)技術(shù)與其他相關(guān)學(xué)科和技術(shù)并不是割裂的,應(yīng)探求與植物、化學(xué)、物理吸附等方法聯(lián)合,共同作用,更加妥善地治理重金屬污染,改善環(huán)境。