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解磷微生物修复土壤重金属污染研究进展

北极星环境修复网  来源:《生态学报》  作者:李敏 等  2018/9/17 8:44:18  我要投稿  

北极星环境修复网讯:土壤重金属污染问题日益严重,具有普遍性、隐蔽性、表聚性、不可逆性等特点,已经成为环境污染治理中的热点、难点问题。解磷微生物能够依靠自身的代谢产物或通过与其他生物的协同作用,将土壤中的难溶性磷转化为可供植物吸收利用的磷,具有多重植物促生长功能和重金属解毒能力,可在重金属毒害水平下,促进植物生长、提高植物抗病能力、克服重金属对植物生长的不利影响,从而增强重金属修复植物的生存竞争力。

本文从解磷微生物的研究现状入手,介绍了解磷微生物对土壤重金属污染的修复能力,综述了解磷微生物对土壤重金属污染修复的作用机制,分析了目前解磷微生物在重金属修复过程中存在的问题,并提出了今后研究的方向,为重金属污染土壤的修复提供了新思路。

前 言

随着社会经济快速发展,我国土壤污染问题日益凸显,尤其是土壤重金属污染问题亟待解决。土壤中的重金属污染主要来自矿物母质的风化和人类生产活动中废水、废气、废渣的直接排放,具有普遍性、隐蔽性、表聚性、不可逆性等特点。首次全国土壤污染状况调查(2005 年4 月—2013 年12 月)结果显示,Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8 种重金属污染点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%,严重影响了我国土壤生态环境和粮食生产安全。因此,重金属污染已经成为目前最为严峻的环境问题之一,如何治理已受到极大关注,成为科学研究的热点和难点。

植物修复重金属污染土壤是一种非常有前途、生态良性的方法,近年来得到了广泛关注。但是,超累积植物通常都生物量低、生长缓慢,尤其是当重金属浓度过高时,植物的生理活动受到阻碍,重金属抗性机制被削弱,植物易受病原体攻击,大大降低了修复效率。解磷微生物作为土壤微生物的重要组成部分,能够依靠自身的代谢产物(有机酸、磷酸酶)或通过与其他生物的协同作用,将土壤中难溶态磷(如铁磷、钙磷、中稳定性有机磷、高稳定性有机磷等)转化为可供植物吸收利用的磷,不仅可大幅提高土壤中磷的利用率,改善植物磷营养状态,促进植物生长,而且可以改变重金属的形态,提高修复效率。

关于解磷微生物修复土壤重金属污染的研究主要有:重金属污染土壤中解磷微生物的分离、筛选、鉴定,解磷微生物对土壤重金属污染的修复能力、修复机制以及强化技术措施等。但重金属压力下解磷微生物的解磷功能和重金属抗性功能基因表达差异,解磷微生物对重金属形态的影响规律及其对重金属固定/活化机理等方面的研究鲜有报道,而这些正是制约重金属污染土壤修复的重要因素。因此本文即从这几个方面对目前的研究进行了总结和展望,为提高土壤重金属污染修复效率、改善我国土壤环境质量、保障土壤生态安全提供理论意义和实际价值。

1 解磷微生物概况

解磷微生物的种类多而且复杂,根据微生物的种类可以分为解磷细菌、解磷真菌、解磷放线菌。土壤中的解磷微生物群落中,解磷细菌占1%—50%,而解磷真菌仅占0.1%—0.5%。其中常见的解磷微生物如表 1 所示:

61.jpg

有学者根据解磷微生物分解底物的不同将它们划分为能够溶解有机磷的有机磷微生物和能够溶解无机磷的无机磷微生物,但是由于某些菌株既可以分解无机磷也可以分解有机磷, 所以实际操作过程中很难区分。

迄今为止,见诸报道的解磷微生物已有39 个属,89 种以及数以万计的解磷菌株。其中假单胞菌属作为植物促生菌已经被广泛的研究,这是已知的能够合成激素,作为生物防治剂和解磷菌剂的菌属。Azziz 等从免耕土壤中分离出12 株解磷菌株,进行TP-RAPD 指纹识别后发现, 其中10 株为假单胞菌属,1 株为洋葱伯克霍尔德菌,剩余1 株为不动杆菌属。由此可见,解磷微生物的种类繁多,这为土壤磷素转化提供了足够的菌源。

2 解磷微生物对土壤重金属污染的修复能力

2.1解磷微生物的解磷能力

解磷微生物的解磷能力与其对重金属的修复效果有直接的联系,解磷能力越强,其释放磷酸盐的能力就越强。研究表明,解磷微生物释放的磷素,既可以降低土壤中重金属活性,避免因外界使用的含磷物质而造成污染;还可以促进植物生长,有利于植物修复重金属污染。解磷圈直径(D)与菌落生长直径(d)的比值可以表征解磷菌的相对溶磷能力。陈倩等从山西矿区土壤中分离的菌株Y14 经过鉴定确认为泛菌属,其D/d 值和解磷率均达到较高值,无机磷与有机磷平板的D/d值分别为3.28 与1.59,降解磷酸钙、磷矿粉、卵磷脂的解磷率分别为12.61%、1.21%、3.07%。但单纯从透明圈直径与菌落直径的比值来判断菌株解磷能力并不可靠,忽略菌体自身吸收的有效磷会低估某些解磷菌的解磷能力,单纯从培养液中测定有效磷的含量也不能准确反映菌体的解磷能力。

研究表明,赵小蓉等采用熏蒸、消煮方法测定砂培过程中微生物分解出来的磷,这种测定方法能准确测定微生物解磷能力。田江等从铅锌矿表层土壤中分离的嗜麦芽寡养单胞菌和唐菖蒲伯克霍尔德菌,解磷量最高分别达到402.9 mg/L 和589.9 mg/L,解磷率分别达到19.7%和28.8%。Park 等研究表明,阴沟肠杆菌可以溶解加入的6.46 mmol/L 磷矿石的17.5%,表现出溶磷能力和对铅的抗性。不同解磷菌种解磷能力差异较大,所以筛选高效解磷菌株就显得尤为重要。

2.2解磷微生物的重金属抗性

高浓度的重金属是土壤重金属污染修复过程中最重要的限制性因素,因此,筛选具有金属抗性的微生物极为重要。通常解磷微生物对重金属的耐受能力与菌株的分离环境有关。如田江等从铅锌矿区表层土壤中筛选到的两株解磷细菌,除了具有很强的解磷能力之外,对于重金属Pb2+、Zn2+和Cr2+的抗性也非常强,抗性浓度最高达到了2000 mg/L。Jiang 等从重金属污染土壤中分离的具有解磷能力的伯克氏菌J62,对重金属的最大耐受浓度分别为Cd(2000 mg/L)、Pb(1000 mg/L)、Cu(100mg/L)、Zn(400 mg/L)、Ni(50 mg/L)、Cr(20 mg/L),由此可见菌株J62 具有很强的铅、镉耐性。

因此,重金属污染地区是重金属抗性解磷微生物菌株的重要来源,从矿区分离的重金属耐受解磷微生物在重金属污染土壤修复方面具有很大应用潜力。通常植物根系土壤微生物含量很高,故可以从一些植物根系土壤中获得解磷菌。Misra等从木犀属植物根际分离的6株解无机磷菌株,具有良好的溶磷特性,同时对高浓度的硫酸锌也表现出很强的耐性。

解磷微生物之所以具有金属抗性,是因为其金属抗性基因起作用。汞抗性基因是目前研究较深入的一类基因,包括汞还原酶基因MerA、有机汞裂解酶基因MerB 以及其他转运系统基因MerT、MerP、MerC。有解磷功能的无色杆菌和假单胞杆菌能使亚砷酸盐氧化成砷酸盐而降低砷的毒性。微生物体内有控制砷毒性的功能基因ArsC,该基因可将As(Ⅴ)还原为毒性更强的As(Ⅲ),而ArsA 和ArsB 基因控制着As(Ⅲ)从细胞质中释放。此外,丁香假单胞菌和大肠杆菌均含抗Cu 基因CopA,芽孢杆菌含有抗Cd 基因CadA,菌株可通过该基因编码的酶将镉转移出菌体外,从而达到解毒的作用,绿脓杆菌含有抗Zn 基因Czr,产碱菌含抗重金属基因CzcD,其编码的蛋白质是离子泵出系统的一员,赋予宿主菌一定的Cd、Ni 及Co 抗性。

细菌的重金属抗性基因存在很高的多样性,不同的重金属有不同的抗性基因,同一种金属的抗性基因在不同的细菌中存在于不同的操纵子上。文献中只是单纯的报道有关重金属抗性基因,或者解磷功能基因研究,但很少有把解磷微生物的重金属抗性基因和解磷功能基因联合起来研究,这将影响对解磷微生物修复重金属污染机理的深入理解。

2.3环境因子对解磷微生物重金属修复能力的影响

土壤溶液中数量众多的根分泌物、营养物质、有机降解产物及微生物等,尤其是土壤性质如温度、pH、Eh、营养条件(P、碳水化合物和氨基酸)、重金属元素的浓度都会影响解磷微生物对土壤重金属的修复能力。重金属污染区,溶磷细菌数量与综合污染指数呈正相关,污染区中有效磷含量影响溶磷微生物种群丰度,有机质可以激活土壤解磷微生物的代谢,同时也会影响重金属的生物可利用性。pH 值是影响磷酸铅沉淀形成的重要因素,同时也可以促进土壤中原生矿物重金属的风化溶解。芽孢杆菌通过分泌有机酸而降低土壤pH,增加溶解性磷的含量,能够固定大量的铅和锌。土壤有效磷的含量增加,可以暂时促进土壤重金属的固定,降低高浓度重金属对解磷微生物的毒害作用。Cu 胁迫下,丛枝菌根真菌(AMF菌)可以降低土壤有机酸的总含量,尤其是草酸和丙二酸的含量,导致海州香薷根际pH 值升高。

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