解磷微生物修复土壤重金属污染研究进展

3 解磷微生物修复土壤重金属污染的主要作用机制

3.1解磷微生物对土壤重金属的转化作用

3.1.1解磷微生物对土壤重金属的甲基化作用

某些解磷微生物能够把钴胺素转化为甲基钴胺素，在ATP 及特定的还原剂存在的条件下，甲基钴胺素作为甲基供体，使金属离子与甲基结合而生成甲基汞、甲基砷、甲基铅。但是有些金属离子被甲基化后，其毒性反而增强，这是在微生物修复过程中要避免的。假单胞菌属在金属及类金属离子的甲基化作用中具有重要贡献，他们能够使许多金属或类金属离子发生甲基化反应。合适的pH 和Eh 能使微生物对砷的甲基化速率最优。

3.1.2解磷微生物对土壤重金属的氧化还原作用

解磷微生物可以通过自身的代谢作用，改变重金属的价态，从而达到解毒的目的。研究表明，细菌可以在细胞外沉积铁和锰的氧化物或氢氧化物并可以调节Zn²⁺、Pb²⁺和其他金属的氧化还原反应。Hg、Pb、Sn、Se、As 等金属或类金属离子都能在微生物作用下通过氧化还原作用而失去毒性。芽孢杆菌PSB10 有溶解无机磷的能力，可以在增强植物分泌激素，促进植物生长的同时降低重金属Cr 的毒性。在重金属污染的土壤中施用铜绿假单胞杆菌菌剂，鹰嘴豆的根、芽、种子对重金属Cr 的吸收分别减少了36%、38%、40%。解磷毕赤酵母P. farinoseFL7 在Ni(NO₃)₂或Ni₃(PO₄)₂污染土壤中均表现出解磷活性，并且能够将Ni(NO₃)₂污染土壤中存在的大部分Ni²⁺转化为无效态Ni。

3.2解磷微生物对土壤重金属的溶解与螯合作用

3.2.1解磷微生物对土壤重金属的溶解作用

解磷微生物对重金属的溶解主要是通过各种代谢活动直接或间接地进行的，其代谢作用能产生多种低分子量的有机酸，如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和乳酸等。这些有机酸在环境中解离成质子和低分子有机酸根，质子能引起土壤pH 值以及氧化还原电位的变化，促进土壤中重金属原生矿物的风化溶解过程。研究表明，解磷微生物可以溶解生物难以利用的难溶态Ni、Cu、Zn，提高重金属生物有效性。将巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)用于Cd 污染土壤，能够增加Cd 的流动性并提高其生物有效性，使植物提取率增加了2 倍。接种AM 真菌可以降低盆栽土壤pH 值，提高土壤中有效态铜的含量，促进植物对Cu 的吸收。通过对溶磷细菌溶解不同磷矿粉以及连续发酵磷矿粉的溶磷效果的研究发现，磷矿粉中的部分伴生性金属元素会随着磷的释放而溶出，其溶出的难易程度随伴生性金属元素在磷矿粉中的位置而不同。

3.2.2解磷微生物对土壤重金属的络合与螯合作用

细菌表面的羧基和磷酸盐基团可以与重金属离子配位生成内圈络合物，提高植物磷利用率的同时也提高了对Cu、Cd、Zn 的吸收，其含量与土壤溶液中溶解性有机物呈正相关，因为形成了有机物金属络合物。低分子有机酸根对重金属有很强的亲和力，能络合和螯合重金属阳离子而形成重金属有机结合体，在环境中，低分子有机酸根与固体颗粒之间形成对重金属离子的竞争结合，可见低分子有机酸的存在有利于重金属的迁移。菌根真菌通过分泌柠檬酸和苹果酸螯合作用，以提高不溶性ZnO 和Zn₃(PO₄)₂中Zn 释放。铁载体能与重金属离子结合，形成金属-铁载体螯合物，提高植物根际环境中重金属的活性，增加植物对重金属的吸收和累积。肠杆菌属的铁载体高产突变解磷微生物NBRI K28 SD1 不仅可以增加植物的生物量，而且加强了芥菜对Ni、Cr 的吸收。

3.3解磷微生物对土壤重金属的吸附与沉淀作用

3.3.1解磷微生物对土壤重金属的吸附与累积作用

重金属污染土壤中的微生物通过各种机制来抵抗重金属的危害，微生物对重金属吸附可分为三类：胞外吸附，表面吸附和胞内吸收。细胞壁是细菌个体与重金属接触最早的部分，富含羧基阴离子和磷酸阴离子，使得细菌表面具有阴离子的性质，很容易与金属发生反应，因而金属很容易结合到细菌的表面。芽孢杆菌和铜绿假单胞杆菌在修复土壤Pb 污染的过程中，可以通过生物的吸附作用，与细胞表面的官能团或细胞壁上的酸性物质相互作用形成铅化合物，降低Pb 的移动性。生物积累主要依赖微生物的新陈代谢，研究表明，在重金属培养基中培养的蜡状芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌细胞内的重金属浓度远高于培养基中的浓度。芽孢杆菌(Bacillus)对Cd 的富集可以达到其生物量(干重)的21.4%，对Pb 的富集可高达61%。

3.3.2解磷微生物对土壤重金属的沉淀作用

解磷微生物将土壤矿物磷或有机磷中的磷酸根释放，与重金属结合形成磷酸盐沉淀，降低重金属在土壤环境中的移动性和生物可利用性，起到固定或钝化的作用。具有解磷活性的阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)能够溶解土壤中的磷酸盐并形成磷酸铅复合物从而降低土壤中Pb 的流动性。解磷菌对Pb 污染土壤修复不仅使土壤中游离态的Pb得到了固定，从而有效抑制了植物对重金属Pb的吸收。接种G.mosseae菌，抑制了Cd、Zn 从地下部分向地上部分的转移，可以降低锌对植物的毒害作用，同时加强Zn 在土壤中的固定作用。

革兰氏阴性细菌Citrobacter 通过磷酸酶分泌大量磷酸氢根离子在细菌表面与重金属形成矿物。柠檬酸杆菌等能分泌酸性磷酸酶，催化2-磷酸甘油水解，释放无机磷酸盐，无机磷酸盐在细胞表面大量积累，与细胞表面的金属发生沉淀反应，形成金属磷酸盐沉淀。解磷微生物对重金属的沉淀主要是释放的磷酸盐起作用，伴随着微生物自身的富集作用，使土壤中的重金属固定在土壤中，而不被农作物吸收。

3.4解磷微生物对重金属超累积植物的促生作用

解磷微生物在土壤和植物根际大量存在，具有多重植物促生作用，如图 1 所示。重金属污染条件下，由于应对环境胁迫的需要，解磷微生物更多提供植物吸收生存所需的矿质元素，改善宿主植物N、P 等矿质营养状况，提高营养元素(P、N、S 等)与重金属元素(As、Cd、Pb等)含量之比，被认为有助于增强重金属超累积植物耐受重金属的能力，提高植物对重金属的累积量。通过接种AMF 菌增加植物组织中的磷含量，使得植物依赖ATP 提取Mn 或形成低溶解性的P-Mn 化合物，从而降低Mn 对植物组织的毒害作用。盆栽试验研究发现，接种AMF显著提高万寿菊对Cd 的吸收，增加Cd 向地上部的转运；在各种Cd 处理水平下，万寿菊地上部分的吸收量都远远高于根系的吸收量，表现出促进植物提取的应用潜力。

铁载体能为重金属胁迫下的植物提供营养物质(尤其是铁元素)，缓解胁迫产生的毒害，促进植物生长。研究表明，解磷微生物能够增加植物对K、Ca、Mg、Fe、Zn 等营养元素的吸收。Cu、Zn 污染的土壤中接种AMF 可以显著的促进咖啡苗的生长，可能是由于根外菌丝的作用增加了根系表面土壤中可溶性磷的含量。许多植物根部土壤中的解磷微生物能够分泌生长素(IAA)，增加植物生长素含量，从而促进植物生长。目前具有产铁载体能力的微生物强化植物重金属修复的研究仍处于初步阶段，铁载体产生菌如何影响植物获取重金属的确切机制仍不清楚。

除了上述植物促生作用，解磷微生物产生的细胞壁溶解酶、抗生素等能够抵抗植物病毒，减缓病毒对植物的侵害。解磷微生物还可以产生抗病原菌代谢产物、1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)脱氨酶等物质，增加植物抗病能力，可以降低乙烯含量提高植物对重金属污染的修复效率。从Cd 污染土壤中分离的抗镉性菌株铜绿假单胞菌MKRh3，不但具有溶磷特性，而且还可以产生铁载体，提高1-氨基环丙烷羧酸脱氨酶的活性，促进植物的生长。具有汞抗性的荧光假单胞菌表现出了较高的溶磷能力，并且可以产生吲哚乙酸(IAA)和铁载体。从镍超富集植物庭荠属植物(Alyssum serpyllifolium)根茎叶组织内部分离的内生细菌对重金属镍的耐受性高达750—1000 mg/kg，并具有分泌ACC 脱氨酶、铁载体、植物激素以及溶磷等特性，从而显著地促进植物对镍的提取和吸收。