微生物—土壤污染生态学研究综述

作者简介 徐静圆(1981-),女,江苏徐州人,硕士研究生,研究方向:

环境污染控制。

收稿日期 2007-06-12

微生物—土壤污染生态学研究综述

徐静圆1,戈振扬2,贺勇

2(1.昆明理工大学环境科学与工程学院,云南昆明650093;2.昆明理工大学现代农业工程学院,云南昆明650224)

摘要 微生物—土壤污染生态学是研究菌类、污染物、土壤环境之间相互关系的一门科学。就微生物—土壤污染生态学的概念、土壤污染物对微生物的影响、微生物修复土壤的机理及技术、特点等进行了综述,并对其研究方向和发展前景进行了展望。关键词 污染土壤;污染物;微生物修复

中图分类号 X171.5 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2007)31-10033-02

R e se a rc h Sum m a ry on M ic rob e -S o il Po llu t ion E c o log y XU J in g -yua n e t a l (C o llege o f E n v ironm en ta l S cien ce and E n g in eer in g ,K u nm i n g U n iv ers ity o f S cien ce and T ech no lo gy ,K u nm in g ,Y un n an 650093)Ab s trac t M icrobe -so il po llu tion eco logy is a sub ject resea rch in g th e in ter re la tion sh i p am on g fun gu s ,po ll u tan ts and so il env ironm en t .T he con cept o f m icrobe-so il po llu tion eco logy ,in flu en ces o f so il po llu tan ts on m icrobe s ,m e ch an ism,tech n iqu es an d cha racte rs o f rem edy in g so il by m icrobe and so on w ere sum m ar ized ,an d its re sea rch d irection and de ve lopm en t prospect w e re v iew ed .K e y w o rds P o ll u ted so il ;P o llu tan t ;M icro -rem edia tion

污染生态学是研究生物与环境之间相互关系的一门学科[1]。随着社会经济的飞速发展,物质生活水平的不断提高,生态环境遭到了日益严重的破坏。以前的发展是建立在社会—经济的基础上,而不是以社会—经济—生态为基础。在这样的背景下,污染物与生物的关系倍受关注,污染生态学逐步形成,并显示了强大的生命力。

目前,土壤污染的总体形势相当严峻。据不完全调查,

全国受污染的耕地约有1000万hm 2。据估算,全国每年因

重金属污染而损失的粮食达1200万t ,直接经济损失超过200亿元[2]。就土壤污染处理而言,传统的物理、化学修复技术的最大弊端是污染物去除不彻底,导致二次污染的发生。而微生物修复技术主要是利用微生物的降解和吸附作用将污染物分解并最终去除,具有快速、安全、费用低的优点。因此,它被称为环境友好替代技术[3]。利用微生物对不同污染类型的土壤进行生物修复已经成为微生物研究的热点之一[4-5]。

笔者在综述微生物—土壤污染生态学的产生、发展及现状的基础上,对其发展趋势做了初步探讨。1 土壤污染物对微生物的影响1.1 重金属

许多金属离子作为微量元素是生物代谢所

必需的,然而当它们超过一定浓度时,便会对土壤微生物菌群产生毒害。如今,重金属污染已成为威胁人类健康和影响人类生活的全球性环境危害。

目前的研究主要着重于毒理性试验。H g 的毒性主要表现在抑制生物大分子(如蛋白质和核酸)的合成,致突变效应,停止细胞分裂,抑制生物氧化及其运动性。Pb 可造成细胞膜损伤,破坏营养物质的运输和酶活性。Pb 对细菌种群苷酶的毒性较高,182μg/L 就可抑制20%酶活性,对脱氢酶的IC 20为60μg/L 。C u 进入细胞后与酶或蛋白质的-SH 基结合,使之失活或变性。当C u 的浓度为1和10nm ol/L 时,可分别使细菌的葡萄糖矿质化活性下降15%和86%。C u 和咪唑及其混合物对微生物的毒性随pH 值的变化而变化,在酸性条件下毒性明显,中性条件下毒性较低。C d 具有致突变作用,能导致DN A 链断裂。过量的N i 抑制酵母醇脱氢

酶的活性[6-

7]

。H osE a ll 认为,重金属阳离子毒性顺序为A g

>H g >C u >C d >C r >N i >C o >Zn ,并指出这种顺序可因生物种类的不同而不同。重金属的毒性还与其化学性质、价态、pH 值和重金属之间的拮抗和协同作用有关[8]。

1.2 有机污染物 人类对化学品的依赖程度的升高、农药的不合理使用以及石油的污染使得土壤有机污染问题日益严重。据UN E P (联合国环境署)1990年的报告(IRRTC ),每年约有3亿～4亿t 有机物进入环境,大部分进入土壤环境。王连生对农药中的重要组成物———含硫苯衍生物与发光细菌的毒性效应进行了研究,发现其毒性效应可能与细菌发光反应中的主要辅助酶FM N H 2形成多个氢键从而干扰正常的发光过程有关[9]。2 土壤污染的微生物修复

近年来利用微生物修复土壤的技术迅猛发展,在一定程度上给受污染土壤的修复带来了技术革命,并推动了生态化学修复的发展。污染土壤的微生物修复技术主要有3类:生物反应器、原位生物处理技术和地上处理技术(或称异位生物处理技术)。

与其他修复技术相比,微生物修复污染土壤技术的优点是:不破坏植物生长所需的土壤环境,不会形成二次污染或导致污染物的转移,遗留问题少,可最大限度地降低污染物浓度,并且污染物可在原地被降解清除,费用低,操作简便,修复时间短,对周围环境干扰少等;其缺点是:微生物不能降解所有进入土壤的污染物,有些污染物在降解的过程中会转化成有毒的代谢产物,物理因子(如低温)导致反应速率低,一些有毒物质对微生物降解有抑制作用等[15]。2.1 微生物对有机物污染土壤的修复 微生物是自然界中的分解者,是生物修复中降解有机污染物的主力军[11]。微生物对有机污染物的降解主要是通过微生物酶的作用来完成。对某些有机污染物微生物通过去毒作用使其钝化,即将有活性的物质转化为无活性的物质[12]。西方发达国家对原位微生物修复最为重视,主要包括生物食法(B ios lu rp -

ing)和生物通气法(B ioven tin g)

[10]

。目前,利用微生物治理污

染土壤的工作主要集中在以下3个方面:

(1)寻找高效污染物的降解菌。如,用白腐菌降解有机氯化合物,用真菌cunn in gham ella eleg an s ATCC 36112降解M e to lach a r 除莠剂。

安徽农业科学,J ou rn a l o f A n h u i A g r i .S c i .2007,35(31):10033-10034,10039责任编辑 刘 永 责任校对 俞洁

(2)有机污染物的可利用性。目前这方面的工作主要集中在有机表面活性剂,特别是生物表面活性剂的应用上。

(3)为微生物提供更合适的环境。常规做法是加入石灰、营养物质和过氧化氢。

2.2 微生物对重金属污染土壤的修复微生物对重金属污染土壤的生物修复作用主要是通过微生物对重金属的溶解、转化与固定来实现。

(1)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进行的。土壤微生物通过代谢作用能产生多种低分子量的有机酸,如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等。S iege l等报道,真菌可以通过分泌氨基酸、有机酸以及其他代谢产物来溶解重金属以及含重金属的矿物[16]。C hanm ug a tha s等比较了同一碳源条件下微生物对重金属的溶解,发现以土壤有机质或土壤有机质加麦秆作为微生物的碳源时,微生物并不促进铅、镉、锌、铜等重金属的溶解;如果在加入土壤有机质、麦秆的同时还加入容易被微生物利用的葡萄糖,经过一段时间后,未灭菌处理的淋洗液中重金属离子的浓度明显高于灭菌处理的[17]。

(2)一些微生物可对重金属进行生物转化。其主要机理是微生物通过氧化、还原、甲基化和脱甲基化作用转化重金属,改变其毒性[18-19]。自养细菌如硫-铁杆微生物(T h ioba cn1u s fe r rob acillu s)能氧化A s、C u、M o、F e等;假单孢杆菌(P seudom on a s)能氧化A s、F e、M n等;微生物的氧化作用能降低这些重金属元素的活性。微生物可以通过对阴离子的氧化,释放与之结合的重金属离子。如,氧化铁-硫杆菌(T h ioba ci11us)能氧化硫铁矿、硫锌矿中的负二价硫,使元素

F e、Zn、C O、A u等以离子的形式释放出来。

(3)微生物对重金属的生物固定作用主要表现在胞外络合、胞外沉淀和胞内积累3种方式上。由于微生物对重金属具有很强的亲合吸附性,有毒金属离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上,或被轻度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上。一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类,能够产生具有大量阴离子基团的胞外聚合物(如多糖、糖蛋白等),与重金属离子形成络合物,从而将其从土壤中有效去除[18-19]。在含有5.0m m ol/L C u、H g、N i、Pb2+、Zn、C r的硝酸盐溶液中,各种粘土矿物和细菌细胞组织吸附上述重金属离子的能力大小依次为细胞壁>细胞外膜>蒙脱石>高岭石。粘土矿物和细菌细胞的复合体吸附这些重金属离子的能力大小依次为:细胞壁-

蒙脱石>细胞壁-高岭石>细胞外膜-蒙脱石>细胞外膜-高岭土[20]。

3微生物监测

细菌具有生长迅速、周期短、可在其体内得到可靠的毒性资料等特点,因而被用作检测的污染物毒性指示生物。利用微生物监测土壤环境污染主要是通过土壤中微生物群落的变化反映土壤受到污染的状况。通过对土壤中异养菌(主要是细菌、放线菌和霉菌)的分离和计数,观察受测土壤中微生物群系的结构和数量的变化,来评价土壤被污染的状况、程度。细菌、真菌、放线菌总数、假单胞菌总数、纤维素分解细菌和真菌、菌根真菌、植物根病原菌、微生物、C和N矿化量、CO2呼吸量、纤维素分解量、土壤酶活性(肽酶、磷酸酶、硫酸酯酶)等土壤微生物学特性可作为土壤健康的生

物指标[21]。我国目前的微生物监测主要应用于监测农药和重金属对土壤环境的影响。

4问题与展望

随着对微生物研究的深入,微生物在污染土壤的修复与监测中扮演着越来越重要的角色。虽然我国对重金属污染土壤、有机污染土壤的微生物修复技术进行了初步研究,但与欧美等发达国家相比,研究相对滞后[22-25]。随着生物技术的发展、转基因手段的成熟,利用微生物修复治理土壤污染的前景广阔。尽管微生物技术在污染生态学的研究上已经取得了一定的成果,但它仍需要进一步的发展与完善。为此,应当采取以下4项措施:①彻底查清土壤污染的现状;

②培养筛选专一或广谱性的微生物种群(类),使之能专一地修复某种或某一类化合物或重金属的污染,并且在分解污染物过程中不会产生毒性代谢物;③创造良好的土壤环境,协调土著微生物和外来微生物的关系,使微生物的修复效果达到最佳;④建立微生物修复效果的监测与评价体系。参考文献

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