重金屬農(nóng)藥復合污染土壤的微生物修復進展

吳 奇，劉海華，李瑞娟，金 文，馬 寧

(西安航空學院 能源與建筑學院,陜西 西安 710077)

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，危險廢物大規(guī)模、長期的使用，土壤污染問題日益嚴重。無機和有機污染物，包括重金屬、農(nóng)藥、石油烴和多環(huán)芳烴都會影響土壤的質(zhì)量和功能[1]。其中重金屬不能自然降解成無毒的形式，而是廣泛且持久地存留在土壤中[2]。農(nóng)藥可以降解，但由于過量和持續(xù)使用，使其分布廣泛但濃度較低[3]，大部分殘留農(nóng)藥通過降水和徑流分散在環(huán)境中[4]，是環(huán)境中最普遍的有機污染物之一[5]。大多數(shù)重金屬具有很高的流動性和水/酸溶解性，而農(nóng)藥大多是疏水性。重金屬和農(nóng)藥同時污染土壤的情況時有發(fā)生，例如巴基斯坦的棉花種植區(qū)[6]、圣路易斯波托西的土壤[7]、大加那利群島的班達瑪高爾夫球場[8]。

土壤中重金屬和農(nóng)藥的復合污染不僅嚴重威脅土壤質(zhì)量和安全，而且對牲畜和人類都有害[9-10]。重金屬和農(nóng)藥復合污染土壤的修復面臨著許多挑戰(zhàn)，因為不同的污染物類別需要不同的化學過程、修復技術(shù)和處理目標。同時，土壤中重金屬與農(nóng)藥的相互作用使得修復過程變得更加復雜。例如，污染物的毒性隨著其他污染物的存在而增加[11]。Xu Zhi等[12]研究表明環(huán)草隆和鎘的復合污染下對蚯蚓的損傷更大。Uwizeyimana等[13]研究也表明復合污染環(huán)草隆和鎘對小鼠DNA損傷顯著增加。

土壤修復技術(shù)大致可分為生物修復和物理化學修復兩大類。物理化學修復技術(shù)是一種省時、易破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)的修復技術(shù)，成本較高，如電動修復、包埋、萃取清洗、填埋、納米材料修復、固化、土壤沖洗及表面覆蓋等。在過去的幾十年中，生物修復作為一種更加環(huán)保的方法被認為是一種可行的土壤污染修復方法。微生物可以進行生物修復，這取決于微生物的代謝能力(微生物修復)[14]。微生物修復具有效率高(特別是對大面積、低污染區(qū)域)、成本低、易獲得、對生態(tài)系統(tǒng)無害、公眾接受度高等優(yōu)點[15]。已經(jīng)證明，許多微生物可以有效地修復土壤中的農(nóng)藥和重金屬[16]。例如在鎘的存在下，歐氏雷斯頓菌 JMP134作為一種除草劑降解菌，可降解除草劑[17]。

本文簡述重金屬和農(nóng)藥的復合污染的危害及處理方法，重點介紹微生物法處理土壤中重金屬和農(nóng)藥的復合污染的原理、影響因素及微生物修復案例，并對其發(fā)展前景進行展望。

1 重金屬農(nóng)藥復合污染土壤微生物修復

1.1 修復機理

許多細菌(如枯草芽孢桿菌、棉鈴蟲)可以產(chǎn)生生物表面活性劑，如表面活性劑、鼠李糖脂、槐脂、七葉皂苷和皂甙，以溶解土壤中的金屬。一般認為微生物從水溶液中去除重金屬離子的主要機制是微生物細胞可以將重金屬離子吸附到細胞表面，然后通過細胞膜將重金屬離子輸送到細胞中，并“積聚”在細胞體內(nèi)[18]。當農(nóng)藥量達到對微生物膜產(chǎn)生有害影響時，它可以改變重金屬在生物膜上的遷移。農(nóng)藥可麻醉微生物并與生物膜的親脂性成分相互作用，從而改變生物膜的通透性，使重金屬容易滲入微生物細胞。由于酶-底物復合物的形成，微生物產(chǎn)生的酶將促進農(nóng)藥的降解。由于酶-金屬-底物復合物的形成，某些低濃度重金屬可能會促進農(nóng)藥的酶降解。這些重金屬可以作為蛋白質(zhì)的輔助因子，并負責蛋白質(zhì)的生物活性。然而，過量的重金屬會與大量的營養(yǎng)元素(如Mg2+、Ca2+)競爭，抑制微生物產(chǎn)生酶或蛋白質(zhì)的活性。

1.2 微生物修復

生物修復是一個將有害污染物轉(zhuǎn)化成無毒化合物的活生物體的過程[19]。微生物具有巨大的分解代謝潛力，可以對污染物進行生物修復，然后將其分解成活性/毒性較低的化合物或使其不能移動。包括放線菌、真菌、細菌和植物在內(nèi)的生物已顯示出修復重金屬和農(nóng)藥復合污染土壤的能力。Polti M A等[20]研究表明，添加鏈霉菌M7(從重金屬和農(nóng)藥復合污染的環(huán)境中分離出來)后，林丹的生物有效性降低了42%，Cr(Ⅵ)的生物有效性降低了52%。放線菌聯(lián)合體也是一種很有前途的生物技術(shù)工具，可以降解林丹，并減少復合污染土壤中的Cr(Ⅵ)。由鏈霉菌M7、MC1、A5和土庫曼擬青霉AB0組成的放線菌群被接種在6種不同程度的受林丹和Cr(Ⅵ)復合污染的土壤中，14天后，6種土壤中有5種成功修復[21]。除Cr(Ⅵ)外，利用細菌或真菌對土壤進行微生物修復，可修復農(nóng)藥和Cd、Cu、Pb、Zn、As等幾種常見重金屬的復合污染。

與放線菌不同的是，用于修復重金屬和農(nóng)藥復合污染系統(tǒng)的細菌主要是工程菌。對能同時處理重金屬和農(nóng)藥的天然細菌研究較少。農(nóng)藥降解菌已被人工賦予去除重金屬的能力，用于修復復合農(nóng)藥重金屬污染場地。Yang C等[22]在實驗室液體環(huán)境中成功地利用γ-HCH降解菌，降解鞘氨醇UT26和毒死蜱的同時，解毒重金屬鎘。一些研究還著重探討了抗重金屬的農(nóng)藥降解菌在重金屬和農(nóng)藥共同污染土壤中降解農(nóng)藥的可能性。例如，Tiwary M等[23]研究發(fā)現(xiàn)，當存在多種金屬時，氯氰菊酯已被芽孢桿菌AKD1降解。水溶液中存在砷、銅和鎘的情況下，銅綠假單胞菌YNS-85降解了超過55%的初始五氯硝基苯(40 mg·L-1)[24]。李亞茹等[25]分離得到一株拉烏爾菌，水溶液實驗結(jié)果表明，該菌種能同時去除芘與Cr(Ⅵ)，芘的存在對Cr(Ⅵ)還原有輕微促進作用，而Cr(Ⅵ)對芘降解有抑制作用。真菌也被研究和應(yīng)用于重金屬和農(nóng)藥共污染土壤的修復，研究最多的是蘑菇，與放線菌和細菌相比，蘑菇能將土壤中的污染物吸收到體內(nèi)，更容易與土壤分離。同時蘑菇分泌的漆酶和MnP(錳過氧化物酶)促進修復。通過這些機制，大杯蕈、杏鮑菇和雞腿菇成功地修復了重金屬和農(nóng)藥共同污染的土壤[26-27]。廢蘑菇基質(zhì)也具有修復重金屬和農(nóng)藥共污染的潛力。Jia Z等[28]將廢棄香菇基質(zhì)應(yīng)用于鎘-二氯酚共污染土壤，二氯酚降解率為85.0%～96.9%。重金屬的生物累積和農(nóng)藥的生物降解在其他真菌屬中也有發(fā)現(xiàn)，包括黃曲霉、灰黃霉素、康寧木霉、馬爾坎迪擬青霉[29]。

2 影響因素

影響重金屬農(nóng)藥復合污染土壤微生物修復因素較多，主要有非生物和生物因素。

2.1 非生物因素

非生物因素可以顯著影響金屬和農(nóng)藥的生物修復，如pH值、溫度、土壤濕度、土壤類型、氧化還原電位(Eh)、陽離子交換容量(CEC)、生物化學過程和土壤中污染物。生物可利用率是生物修復效率的關(guān)鍵，并對生物修復的成敗產(chǎn)生重大影響。

土壤pH值可以通過多種方式影響微生物修復。(1)影響金屬生物有效性。土壤pH值的降低通常導致金屬生物有效性的提高。在較低的pH值下，土壤顆粒表面的金屬離子與H+的交換容量大于較高pH值時的交換容量，粘土礦物顆粒和膠體表面的金屬離子進入土壤溶液;而且金屬離子間的溶解-沉淀平衡被打破，金屬離子被釋放到土壤溶液中[30]。(2)對微生物影響。①不同物種的最適pH值范圍不同；②金屬的氧化還原和溶解度也受到pH值的影響，金屬的不同形態(tài)和價態(tài)對微生物產(chǎn)生不同的毒性作用[31]。(3)影響吸附過程。pH值的變化影響吸附反應(yīng)中結(jié)合金屬離子的有效性。(4)影響土壤中的有機成分。隨著pH值的增加，配體離子對金屬陽離子的親和力會隨著土壤中有機組分的官能團如醇、羰基、羧基和酚官能團的離解而增強。

土壤溫度是影響金屬和農(nóng)藥生物修復的關(guān)鍵因素。首先，隨著溫度的升高，金屬和農(nóng)藥的溶解度增加，從而提高了金屬和農(nóng)藥的生物利用率。溫度也會影響有機污染物的物理性質(zhì)和化學組成。溫度直接影響微生物或土壤顆粒對金屬和農(nóng)藥的吸附和解吸過程。在適當條件下，吸附容量和吸附強度會隨著溫度的升高而增大。其次，溫度影響微生物的生長、活性和降解潛力。在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，溫度的升高有利于微生物的降解。此外，不適當?shù)耐寥篮繒璧K生物修復過程。土壤含水量低限制了微生物的生長和代謝，而含水量高則減少了土壤通氣量。通常，在較高的土壤濕度條件下，重金屬的吸附率會得到提高。金屬離子和農(nóng)藥的生物可利用率與土壤顆粒的質(zhì)地密切相關(guān)。細密結(jié)構(gòu)的粘土有效性最低，其次是粘壤土，壤土和砂的有效性最高[32]。土壤類型的差異也可能影響金屬和農(nóng)藥之間的相互作用[33]。

土壤的氧化還原電位是一種在土壤溶液中獲得或提供電子的趨勢的量度。許多金屬離子以多種氧化還原形式存在于土壤中。金屬的溶解度和遷移率在很大程度上取決于氧化狀態(tài)[32]。同時，氧化還原電位在很大程度上決定了細菌群落的代謝類型，是土壤生物活性的重要參數(shù)。每種微生物類型都適合其特定的氧化還原電位條件。

土壤陽離子交換容量是土壤成分保持金屬離子能力的量度。隨著陽離子交換容量的增加，金屬離子利用率降低。陽離子交換容量越低，固定化的金屬離子越少，土壤中金屬離子的生物有效性越高[32]。金屬的遷移、轉(zhuǎn)化和生物有效性可受到金屬與某些土壤成分(如腐植酸和低分子量有機酸)之間的表面吸附、離子交換和配位絡(luò)合作用的影響。粘土含量、氧含量、鹽度、礦物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的有效性都會影響金屬和農(nóng)藥的生物修復過程。同時，土壤特性，如土壤類型、有機質(zhì)含量等，會影響生物對多種污染物的反應(yīng)以及不同污染物之間的相互作用。

2.2 生物因素

土壤中生物修復的效率在很大程度上取決于接種密度、存活率、繁殖能力、競爭力、微生物活性和物理擴散能力等[34]。生物修復成功的基礎(chǔ)是物種的生存。接種后死亡的細胞數(shù)應(yīng)在可接受的范圍內(nèi)。接種劑與原生生物之間的相互作用在生物修復過程中起關(guān)鍵作用，如生態(tài)位、捕食和營養(yǎng)競爭[5]。在存活后，生物修復還受到生物活性和許多可能影響生物活性因素的影響，如物種、生物量、營養(yǎng)源、適當?shù)臏囟?、濕度、pH范圍。此外，由于污染物的有毒中間產(chǎn)物，接種劑的活力可能會受到抑制，并且在生物修復過程中，接種劑的降解能力可能會降低。如果在接種過程中失去了太多的微生物活力，那么生物修復的目標就很難實現(xiàn)。在尋找目標生物的過程中，還需要考慮到在目標生物環(huán)境中具有持久性和功能活性的其他基本特征，土壤中重金屬農(nóng)藥的生物修復需要一套系統(tǒng)的非生物因子和生物因子來維持污染物的高生物有效性和微生物的高生物修復能力。

3 結(jié)語與展望

(1) 篩選出對重金屬和農(nóng)藥具有高效生物修復作用的細菌和真菌，與土著微生物競爭，削弱其污染能力，增強菌株在實際中的活性。

(2)許多結(jié)論是在實驗室人工控制條件下得出的。實驗參數(shù)的設(shè)計應(yīng)盡量模擬自然條件，包括氣候、天氣和污染物條件。因此，需要進一步的工作來驗證在實際條件下的生物修復效率。

(3)當修復目標涉及有機污染物時，應(yīng)針對有機污染物母體及其代謝物制定修復辦法，而不僅僅針對有機污染物母體。某些有機污染物的代謝物半衰期較長甚至比母體污染物毒性更大。

(4)污染物的生物有效性直接影響微生物的利用。采用適當?shù)姆椒ㄌ岣呱锟衫枚瓤梢蕴岣咝迯托Ч?/p>

(5)污染物對微生物的有害作用嚴重破壞了細胞的結(jié)構(gòu)和功能，進而影響修復效果。微生物的解毒機制以及延緩污染物生物毒性的方法仍需進一步研究。不同污染物在生物修復和過程中的相互作用機制也有待進一步研究。

(6)用于污染土壤生物修復的微生物需要進行后續(xù)處理，以避免因生物死亡或環(huán)境變化而造成二次污染。