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枯草芽孢杆菌是土壤中广泛分布的一种需氧型细菌,在防治作物病虫病害、修复重金属污染方面起到重要作用。纪宏伟等研究发现枯草芽孢杆菌可以使土壤有效态Cd含量降低5.07%~42.63%,且培养时间越长,钝化效果越显著。范仲学等通过盆栽试验表明,施用2g/kg的枯草芽孢杆菌对缓解花生Cd胁迫的效果最好,可使籽粒中Cd含量降低25.37%。Jiang CX 等以枯草芽孢杆菌为出发菌株进行诱变,筛选出一株高抗Cd的诱变菌B38,该菌和诺沃肥复合对Cd污染(10mg/kg)的土壤进行修复后,胡萝卜地下部Cd含量下降至0.15mg/kg,土壤中可提取态Cd的含量降低了73.9%。
蜡状芽孢杆菌对Cd、Pb、Cr等重金属具有较强的抗性,可通过静电吸附、离子交换作用、表面络合作用吸附水相中重金属。但蜡状芽孢杆菌用于土壤重金属修复的实例相关报道还不多见。胡永娟利用蜡状芽孢杆菌修复麦田Cr,结果表明小麦幼苗叶和根系Cr含量分别下降8.87%~24.67% ;当蜡状芽孢杆菌与米根霉联用时,可使小麦地上部和地下部Cr含量分别降低42.15%~46.91% 和26.11%~48.24%,土壤有效态Cr含量下降2.1%~9.0%,说明蜡状芽孢杆菌在修复土壤重金属污染方面的应用是具备一定潜力的。目前有关蜡状芽孢杆菌对土壤Cd的修复的实例还比较少,但由于蜡状芽孢杆菌对Cd具有极强的抗性,且对Cd的吸附效果好,使其在土壤Cd污染修复方面的应用具有较大的研究价值。
1.2强化植物修复土壤Cd污染
1.1微生物-植物联合修复是目前常见的土壤重金属污染修复方法之一,微生物能够改善土壤环境,解决土壤中重金属的生物有效性较低而限制植物修复发展的问题。有研究表明,某些芽孢杆菌接种于土壤后,能促进植物生长,提高土壤有效Cd含量,很大程度上提高植物修复效率。
巨大芽孢杆菌、胶质芽胞杆菌具有解磷、解钾的功能,能促进植物生长,在代谢过程中可产生有机酸,对土壤重金属有一定溶解活化作用。王小敏等研究表明,不同Cd污染水平下巨大芽孢杆菌可使土壤中有效态Cd含量提高3.8%~24.4%;将其与印度芥菜联合修复土壤Cd污染,可使印度芥菜Cd含量提高13.9%~96.9% ,印度芥菜地上部Cd含量最高增加42.1%,土壤中可交换态Cd含量最高增加10.7%。杨榕等考察了不同接种量条件下胶质芽孢杆菌对印度芥菜修复Cd污染土壤的影响,结果表明,不同浓度的胶质芽孢杆菌可使土壤Cd含量降低4.7%~20.9%,同时能提高根际土壤有效态Cd含量15.15%~36.54%,非根际土壤有效态Cd含量提高31.73%~45.28%。
2 芽孢杆菌修复Cd污染土壤的作用机制
2.1胞外吸附
芽孢杆菌属于革兰氏阳性菌,细胞壁中含有大量肽聚糖和磷壁酸,因此能够提供大量的羧基、酰胺基等活性基团,这些基团可以失去质子而使菌体表面带有较强负电荷,使之能靠静电引力吸附重金属离子。例如,在蜡状芽孢杆菌吸附Cd饱和平衡后,pH 值的升高或降低会改变菌体吸附Cd的解吸率以及细菌表面所带电荷,说明静电吸附对蜡状芽孢杆菌吸附重金属Cd起到一定作用。同时,在细胞吸附重金属离子过程中,细胞壁会与重金属离子进行离子交换,置换出其他阳离子。在蜡状芽孢杆菌吸附Cd后,上清液中K+、Na+、Mg2+和Ca2+离子含量增加,说明发生了离子交换作用。
重金属阳离子与分子或带有自由电子的阴离子能够发生络合、螯合作用。芽孢杆菌表面带有大量的阴离子活性基团,如-OH、-COOH能吸附重金属离子形成重金属配合物,降低迁移率。刘红娟等筛选到一株对Cd具有较高抗性和富集能力的蜡状芽孢杆菌,通过红外光谱分析发现,蜡状芽孢杆菌细胞壁上活性基团-OH、-NH-、-COOH、-PO43- 和-M-O(O-M-O)(M 为金属离子)与重金属Cd2+的络合密切相关。孙静等通过考察地衣芽孢杆菌富集镉的特性及机理,发现地衣芽孢杆菌对Cd2+的吸附以表面吸附为主,细胞壁上的羧基、羰基、酰胺基含有大量孤对电子,能成为Cd2+的电子供体,发生络合作用,从而实现对Cd的富集。
吸附在芽孢杆菌表面的Cd离子能够与可溶性或不可溶性的生物多聚物发生螯合作用,形成Cd(OH)2、Cd3(PO4)2、CdS、CdCO3等沉淀,使重金属固定。孙静等通过扫描电镜观察Cd胁迫下的地衣芽孢杆菌发现,地衣芽孢杆菌细胞壁存在大量含Cd2+的颗粒。刘红娟等发现,在Cd浓度为150mg/L的条件下,蜡状芽孢杆菌的细胞壁和菌体表面有大量Cd沉淀物存在,无Cd条件下则没有。芽孢杆菌在含高浓度Cd的液体培养基中培养时能在细胞表面形成沉淀或吸附Cd沉淀,从而富集重金属Cd。
2.2胞内积累
芽孢杆菌胞外吸附重金属Cd离子,再通过依赖能量的转移系统将Cd运送到细胞内,可能通过外排作用或在细胞内形成沉淀来降低重金属Cd对细胞的毒害。Surowitz 等研究了枯草芽孢杆菌1A1原生质体对Cd2+离子的吸附,发现Cd2+离子的积累与细胞代谢有关,当存在抑制剂氰化钾时,枯草芽孢杆菌原生质体对Cd2+离子的吸附能力远远降低,表明枯草芽孢杆菌1A1可以通过主动运输的方式将Cd2+离子运送至细胞内。此外,Cd2+可被作为Mg2+、Zn2+等结构类似物通过离子通道运到细胞内。有研究人员通过透镜电镜观察高浓度(1000mg/L)Cd条件下培养的地衣芽孢杆菌,发现菌体表面凹凸不平,细胞壁上和细胞内含有大量大小为50nm左右的Cd沉淀颗粒。
有研究表明,几乎所有微生物细胞内的蛋白质、多肽等大分子对重金属都有很强的结合能力。利用圆二色光谱分析不同浓度Cd胁迫下菌体蛋白质分子二级结构的变化,结果发现高浓度Cd胁迫下地衣芽孢杆菌的蛋白质空间构象发生了变化。
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