（环境科学专业论文）耐铅镉菌株的筛选及其在污染土壤修复中的应用.pdf

两南大学硕十学伊论文 对重金属离子的吸附，并获得绿色木霉菌对p b 2 + 、淡紫拟青霉菌对c d 2 + 的最大吸附量分别为 1 2 6 5 8m g g 菌丝体( 干重) 、9 0 0 9m g g 菌丝体( 干重) 。其中，l a n g m u i r 方程能更好地描述绿 色木霉菌对p b 2 + 的吸附特征，f r e u n d l i c h 方程能更好地描述淡紫拟青霉菌对c d 2 + 的吸附。绿色木 霉菌与p b 2 + 结合的稳定性和亲和力大于淡紫拟青霉菌- 与c d 2 + 的结合。两种菌株对重金属离子都 有较高的吸附量，说明它们在重金属污染土壤修复中具有潜在的应用价值。 在温室用盆栽试验培育龙葵，在供试土壤中接种两种菌株，研究了微生物植物对土壤中 c d h 、p b 2 + 的联合去除效果。结果表明：菌株对龙葵生长具有明显的促进作用，提高了龙葵对 两种重金属离子的吸收富集能力。其中，淡紫拟青霉菌对c d 2 + 有较好的活化作用，促进了c d 2 + 从地下向地上部分的迁移，在高浓度的c d 2 + 存在下，可提高去除率3 5 5 ；单一p b 处理下绿 色木霉菌对p b ”的活化作用不明显：复合污染下混合菌液能明显促进龙葵对c d 2 + 和p b 2 + 的吸 收和富集，高浓度的重金属离子处理下，可分别提高去除率2 0 6 和6 4 8 ：龙葵对c d 2 + 的富 集系数最高可达到4 2 5 ，而对p b 2 + 的富集系数较低。 关键词：铅；镉；耐受菌株；生物修复 i i a b s 下r a c t s c r e e n i n go fh e a v ym e t a l - t o l e r a n ts t r a i n sa n dt h e i r a p p l i c a t i o nt ot h er e m e d i a t i o no fc o n t a m i n a t e ds o i l m a s t e rc a n d i d a t eo fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ：j i nz h i g u o s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gj i n z h o n g p r o f z h o up e i a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lr e m e d i a t i o nm e t h o d so ft h es o i lc o n t a m i n a t e db yh e a v ym e t a l sw e r em a i n l y p h y s i c a l jc h e m i c a l a n db i o l o g i c a l m e t h o d s b i o r e m e d i a t i o nh a sb e c o m et h em a i nt r e a t m e n t t e c h n o l o g yo fc o n t a m i n a t e ds o i lf o rw h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fl o wc o s ta n dc o u l dn o tc a u s e s e c o n d a r yp o l l u t i o nc o m p a r e dt ot h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lr e m e d i a t i o n p l a n ta n dm i c r o b e c o m b i n e dr e m e d i a t i o nh a db e e np a i dm u c ha t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ，a n dh a sm a d es i g n i f i c a n t p r o g r e s s t h ei n t e r a c t i o no fr h i z o s p h e r e - m i c r o b i a ls y s t e m sc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ea b i l i t yo f c o n t a m i n a t e ds o i lb i o r e m e d i a t i o n h o wt os e p a r a t et h em i c r o b i a ls t r a i n sw h i c hc a nt o l e r a t eh i 曲 c o n c e n t r a t i o n so fh e a v ym e t a l sa n dt oe n h a n c ep h y t o r e m e d i a t i o nh a db e e nt h ef o c u so nt h e b i o r e m e d i a t i o n , b u tt h ep l a n ta n dm i c r o b ee o m c i n e dr e m e d i a t i o nw e r es t u d i e dl e s s w es e l e c t e dt h e m i c r o b i a ls t r a i n st os t u d yi t sa b i l i t yt op r o m o tt h ep l a n ta c c u m u l a t i n gc da n dp b ，a n dt oa p p l yt ot h e r e m e d i a t i o no f t h es o i lc o n t a m i n a t e db yh e a v ym e t a l s t h em i c r o b i a ls t r a i n sw h i c hc a l lt o l e r a t eh i 【g hc o n c e n t r a t i o n so fl e a d ，c a d m i u mw e r es e p a r a t e d f r o mt h es o i lc o n t a m i n a t e db yh e a v ym 砌s a n dt h e i rb i o l o g i c a lp r o p e r t i e sw e r ei d e n t i f i e d t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a th y p o c r e av i r e n ss e l e c t e dc a nt o l e r a t eh i g hc o n c e n t r a t i o n so fl e a da n d p a e c i l o m y c e sl i l a c i n u ss e l e c t e dc a nt o l e r a t eh i g hc o n c e n t r a t i o n so fc a d m i u m t h et w os t r a i n sh a d g o o da d a p t a b i l i t yi nt h ee n v i r o n m e n t , w h i c hc o u l dg r o ww e l la t1 5 3 0 0 ca n da tp h 和1 2 t h eb e s t g r o w t ha n ds p o r u l a t i o nt e m p e r a t u r ew a s2 5 - 3 0 0 c ，t h eb e s tm y c e l i a lg r o w t hw a sa tp h5 - 9 t h e t o l e r a n c eo fm i c r o o r g a n i s m sf o rp b 2 + a n dc d 2 + w a st h ep r e m i s eo fp o l l u t i o nc o n t r o lo ft h eh e a v y m e t a l s ，s ot h a tt h ef u n # p r o v i d eg p o dm a t e r i a lf o rt h em i c r o b ea n dp l a n tc o m b i n e dr e m e d i a t i o n t h em y c e l i u m sw e r eu s e df o rt h eb i o s o r b e n t so ft h ea d s o r p t i o ne x p e r i m e n t s ，a n dt h ee f f i c i e n t i m p a c t so ft h el i v i n gc e l l so fh y p o c r e av i r e na n dp a e c i l o m y c e sl i l a c i n u sw e r eo b s e r v e da td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s ，t h ea m o u n to fb a c t e r i a , p hv a l u e s ，c o n c e n t r a t i o n sa n dt h e i ra d s o r p t i o nk i n e t i c sa n d i i i 两南大学硕十学位论文 皇暮曼皇舞ii i 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼量吕鲁吕皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼量曼鼍曼鼍曼曼曼曼曼曼量曼皇曼曼皇曼量虽曼量曼皇曼曼曼罡曼曼量 i s o t h e r m s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yi n c r e a s e dw h e r e a st h er e m o v a lr a t e d e c r e a s e dw i t ht h eq u a l i t yo ft h em y c e l i u ma n dt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fl e a di n c r e a s i n g t h ep h v a l u ew a so n eo ft h ei m p o r t a n ti n f l u e n c ef a c t o r s ，t h eo p t i m u ma d s o r p t i o no fp hw a s5a n dt h e a d s o r p t i o nc a p a c i t yo fp b po ft h el i v i n gc e l l sw a s5 3 5 6m g gd w ( d r yw e i g h t ) ，t h er e m o v a lr a t e w a s2 0 6 5 ：t h eo p t i m u ma d s o r p t i o no fp hw a s7a n dt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc d 什o ft h el i v i n g c e l l sw a s2 8 5m g 儋d w ( d r yw e i g h t ) ，t h er e m o v a lr a t ew a s12 o t h ei d e a lr e a c t i o nt e m p e r a t u r e w a s3 0 。c ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yw a s5 3 7 a n d4 5 4m 眺f o rp b 2 + a n dc d 2 + e l o v i c he q u a t i o n , d o u b l e - c o n s t a n te q u a t i o nc o u l dd e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei s o t h e r m k i n e t i c so f m y c e l i u ma d s o r b e dl e a d ，a n dd o u b l e c o n s t a n te q u a t i o nc o u l dd e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ei s o t h e r mk i n e t i c so fm y c e l i u ma d s o r b e dc a d m i u m t h ea d s o r p t i o nr a t eo fh y p o c r e av i r e n st o l e a di o na r ef a s t e rt h a nt h ep a e c i l o m y c e sl i l a c i n u st oc a d m i u mi o n s l a n g m u i ra n df r e n d l i c h e q u a t i o nc a ns i m u l a t et h ep r o c e s so fa d s o r p t i o ni s o t h e r mw h i l et h el a n g m u i rm o d e lw a sm o r e s u i t a b l ef o rl e a da n dt h ef r e n d l i c hm o d e lw a sm o r es u i t a b l ef o rc a d m i u m t h es t a b i l i t ya n da f f i n i t y o fh y p o c r e av i r e n st ol e a di o na l eb e t t e rt h a n p a e c i l o m y c e sl i l a c i n u st oc a d m i u mi o n s t h e t h e o r e t i c a lm a x i m u ma d s o r p t i o nc a p a c i t yo ft h el i v i n gc e l l so fl e a da n dc a d m i u mr e a c h e d12 6 5 8 a n d9 0 9m g gd w ( d r yw e i g h t ) ? w h i c hs h o w e dt h a tt h e yh a dr o t e n t i a ic a p a c i t yf o rd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o ni nf u t u r e s o l a n u m 玎谚堋w a sc u l t i v a t e di nt h eg r e e n h o u s ea n dt h es t r a i n sw e r ei n o c u l a t e di ns o i l ，a n d t h er e m e d i a t i o ne f f e c to fp l a n ta n dm i c r o - o r g a n i s m sw a se x a m i n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e f u n g u sp r o m o t e dg r o w t ho ft h eh y p e r a c c u m u i a t o r , a n de n h a n c e dt h ea c c u m u l a t i o na b i l i t yo ft h e p l a n t p a e c i l o m y c e sl i l a c i n u sh a dab e t t e re f f e c tt op r o m o t et h ep l a n ta c c u m u l a t i n gc db y3 5 5 a t h i g hc o n c e n t r a t i o ni ns o i l h y p o c r e a v i r e n sc o u l dn o ti m p r o v es i g n i f i c a n t l yt h ee f f e c to f a c c u m u l a t i n gp bu n d e rs i n g l ep bp o l l u t i o n t h el i q u i dm i x t u r eo fp a e c i l o m y c e sl i l a c i n u sa n d h y p o c r e av i r e n sp r o m o t e dt h ep l a n ta c c u m u l a t i n gc da n dp bb y2 0 6 a n d6 4 8 a th i g h c o n c e n t r a t i o nt r e a t m e n t t h eh i g h e s ta c c u m u l a t i o nc o e f f i c i e n to fc dw a s4 2 5 w h i l et h a to fp bw a s l o w e rr e l a t i v e l y k e yw o r d s ：l e a d ；c a d m i u m ；t o l e r a n ts t r a i n s ；b i o r e m e d i a t i o n i v 独创性声明 学位论文题目：煎堑鱼菌挂鲍篮选区基查透鎏壤堡复生鲍廑周 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者：1 西i 训 签字日期：z 。产年 月宕日 i 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：筛保密，口 保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：铂侈 签字日期： 沙卜年多j 月 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 习导师签名：张址老， 9 日 签字日期：w p 年否月萝 日 电话：(2 邮编： 保护知识产权声明 本人完全了解西南大学关于对研究生在本校攻读学位期间，撰写 论文的知识产权保护规定。本人撰写的论文是在导师具体指导下，并 得到相关研究经费支持下完成的。具体数据和研究成果归属于导师和 作者本人，知识产权单位属西南大学。本人保证毕业后，以本论文数 据和资料发表论文或使用论文工作成果时，需征得导师同意，署名第 一单位仍然为西南大学。 学位论文作者签名：锄汔l 习 签字日期：沙o 年占肖矿日 第1 章文献综述 第一章文献综述 随着工业的快速发展，人类活动对环境的影响不断加剧，向土壤中释放了大量的重金属， 超过了其承载力，进而造成了土壤重金属污染。土壤是人类赖以生存和发展的物质基础，是 生态环境的重要组成部分，而土壤重金属污染是一个不可逆的过程，具有严重的危害性，直 接影响到农产品安全，进而威胁动物和人类的健康。目前，重金属污染土壤修复研究已成为 当前国内外的热点科学问题和前沿领域。 修复重金属污染土壤的方法包括物理、化学、生物等方法。生物修复技术已开始成为土 壤污染修复的主要处理技术。植物和微生物的方法近年来受到到了特别重视，并取得了显著 进展。当前，我国重金属土壤污染的生物修复研究，特别是超累积植物的开发研究尚处于起 步阶段。目前关于微生物和植物联合修复土壤重金属污染土壤的报道相对较少，因此开展微 生物和植物联合修复土壤重金属污染土壤的研究具有重要的意义。 1 1 重金属铅、镉污染及其生物有效性 1 1 1 土壤重金属污染来源 土壤重金属污染主要来自大气沉降、农田灌溉( 特别是污灌) 、农药和肥料、矿山的开采 和冶炼等。其中，大气沉降主要是由于工业废气和汽车尾气排放而造成的；农田灌溉中利用 超标污水灌溉作物也会造成土壤中重金属的积累。据不完全统计，由污灌引起的土壤重金属 污染面积已达1 0 0 0 多万亩。在农业生产中含重金属的化肥、农药用量较大、施用过于频繁也 容易造成土壤中某些重金属如h g 、c d 等的浓度超标。随着工农业生产的发展，重金属对土壤 和农作物的污染越来越严重。土壤中c d 的主要来源是工业废渣、废气中c d 的扩散、沉降、 累积、含c d 废水灌溉农田，以及含c d 农药、磷肥的大量使用。在我国，土壤c d 污染非常 严重。c d 是一种毒性较强、分布范围较广的重金属元素，由于长期施用磷肥以及电镀、塑料 工业的发展等，造成其在农田中长期残留，并且具有很长的半衰期。 p b 是自然界常见的重金属元素之一。土壤中p b 的自然源主要为矿物和岩石，人为源主要 是大气降尘、污泥、城市垃圾的土地利用、采矿和金属加工业等。通过汽车尾气进入大气中 的p b 的最后归宿是海洋和土壤，而土壤是植物吸收p b 的主要来源；当土壤遭受p b 污染时， 就增加了植物吸收较多p b 甚至超积累的风险。用城市工业废水灌溉农田也能将大量的p b 带 入土壤中，铅矿开采、冶炼和一些杀虫剂的使用都会导致p b 在土壤中的积累。 1 1 2 土壤重金属污染现状及危害 现代农业中各种农药和化肥的大量使用，汽车尾气的大量排放，城市污水、垃圾处理不 当以及工业生产“三废”的不合理排放，都导致土壤中重金属含量的不断增加，土壤植物系 统中重金属污染问题日趋严重( 孙铁珩等，2 0 0 1 ) 。目前，全世界平均每年排放h g 约1 5 万t ， 两南大学硕十学位论文 c u 约3 4 0 万t ，l a b 约5 0 0 万t ，m n 约1 5 0 0 万t ，n i 约1 0 0 万t 。据农业部进行的全国污灌区调查结果 显示，在我国约1 4 0 万h m 2 的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的6 4 8 ， 其中轻度污染占4 6 7 ，中度污染占9 7 ，严重污染占8 4 ，其中以h g 和c d 的污染面积最大 ( 尹彦勋等，2 0 0 7 ) 。我国受不同程度重金属污染的耕地面积已接近2 0 0 0 万h m 2 ，约占耕地总 面积的l 5 ，其中c d 污染耕地1 3 万h m 2 ，涉及1 1 个省市的2 5 个地区；h g 污染3 2 7 y h m 2 ，涉及1 5 个省市的2 1 个地区( 陈怀满，1 9 9 6 ) 。每年因土壤污染造成粮食减产约1 0 0 0 万t ，1 2 0 0 万t 粮食 污染物超标，许多地区粮食、蔬菜、水果等农产品中c d 、c r 、a s 、p b 等重金属含量接近临界 值或超标( 韦朝阳等，2 0 0 1 ) 。土壤重金属污染正在严重威胁着人类环境和生存安全。2 0 0 2 年，农业部环保监测系统调查了全国2 4 个省市3 2 0 个严重污染区的5 4 8 万h m 2 土地，发现大田类 农产品污染超标面积占污染区农田面积的2 0 ，其中重金属超标占污染土壤和农作物的8 0 ( 周启星等，2 0 0 4 ) 。全国每年受重金属污染的粮食多达1 2 0 0 万t ，因重金属污染而导致粮食 减产高达1 0 0 0 多万t ，合计经济损失至少2 0 0 亿元( 骆永明等，2 0 0 6 ) 。据不完全统计，目前我 国c d 污染的农田已超过2 0 1 0 4h m 2 ，每年生产含c d 超标农产品1 4 6 1 0 8k g ( 孙琴等，2 0 0 5 ) ， 使得土壤c d 污染越来越受到人们的关注。蔬菜重金属污染调查显示，我国菜地土壤重金属污 染形势更为严峻。珠三角地区近4 0 菜地重金属污染超标，其中1 0 属严重超标( 茹淑华等， 2 0 0 6 ) 。广东省地勘部门的土壤凋查结果显示，西江流域的l 万k m 2 土地中有5 5 0 0h m 2 遭受重金 属污染，污染率超过5 0 ，其中，h g 污染面积2 5 7k m 2 ，污染深度达地下4 0c m ( 高翔云等，2 0 0 6 ) 。， 上海农田耕层土壤中h g 、c d 含量增加了5 0 ，天津近郊因污水灌溉导致2 3 万h m 2 农田受重金 属污染，沈阳张士灌区重金属污染面积超过2 5 0 0h m 2 ( 杨苏才等，- 2 0 0 6 ) 。 含c a 化合物具有较强的脂溶性、生物富集性和毒性。c d 可在人体内长期积累，对肾、 肺、肝、脑、骨骼和血液产生一系列损伤，能直接引起单链d n a 损伤，大量研究表明c d 还 具有一定的致癌和致突变性( 夏立江等，2 0 0 1 ) 。国际癌症研究署( 认r c ) 把c a 归为第一 类人类致癌物；美国国家毒理学计划( n 1 1 p ) 也把c a 确认为人类致癌物。c d 的环境污染问题 自2 0 世纪2 0 年代开始出现，直到在1 9 6 8 年日本出现“骨痛病”，c d 的环境污染问题才引起 人们的广泛关注。 土壤c d 污染可以影响微生物( 细菌、真菌和放线菌等) 的活性( 如呼吸作用、土壤酶活 性、纤维素分解作用、碳、氮矿化和固氮作用) 、数量，对微生物具有一定的生态毒性( 王秀 丽等，2 0 0 3 ) 。长期施用含c d 量高的肥料，c d 会在土壤中积累，难以被微生物转化为无毒物 质：c d 在土壤中具有较强的化学活性，能在动植物体内积累，对作物的生长和品质造成不利 影响，在人体内即使浓度很低也会与含巯基、羟基和氨基的蛋白质结合，从而抑制生物酶活 性，引发多种疾病，对人体健康危害极大，成为令人关注的环境污染物( 吴燕玉等，1 9 9 1 ； 周启星，2 0 0 1 ) 。 p b 污染可破坏土壤的生态平衡，导致土壤功能失调、土质恶化等一系列环境问题。p b 能 破坏植物细胞核，减少叶绿体，降低硝酸还原酶的活性，继而阻碍植物呼吸代谢、光合作用、 2 第1 章文献综述 量曼皇量蔓曼曼曼曼曼曼苎曼曼曼l - - m m - - it _ mm _m i 鼍曼皇曼曼曼曼曼曼 细胞分裂等生理功能的正常运行，并影响植物品质和生物量。p b 是人和动物生长发育非必须 的微量元素，当摄入p b 的量超过人体所能适应的范围时，人体内不同元素之间的固有比例比 打破，就会对人体产生危害，引起疾病，发生p b 中毒，甚至死亡。p b 还能引起人体神经末梢 炎，造成运动和感觉障碍。此外，p b 随血流入脑组织，损害小脑和大脑皮质细胞，干扰代谢 活动，使营养物质和氧气供应不足，引起脑内小毛细血管内皮细胞肿胀，进而发展成为弥漫 性的脑损伤。经常接触低浓度p b 的入，当血p b 浓度达到一定浓度时，就会出现头痛、头晕、 疲乏、记亿力减退和失眠、食欲不振、便秘、腹痛等消化系统的症状。p b 也能引起神经系统 的严重缺陷，表现出强烈的致畸、致癌和致突变活性( w h e a t l ye ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 1 1 3 重金属的生物有效性 重金属的吸附解吸作用直接影响其在土壤环境中的形态转化、迁移和归趋，最终影响农 产品的质量和人类健康( 陈苏等，2 0 0 7 ) 。重金属的生物有效性和迁移特性与其存在形态密切相 关，土壤中重金属的形态包括价态、化合态、结合态和结构态。重金属的形态不同，其活性、 毒性和环境效应也不同。目前，土壤重金属的形态分析大多采用化学试剂浸提法，通过测定 浸提液中重金属含璧确定土壤中重金属的形态。常用方法有t e s s i e r 等的5 步提取法、c a r h b r e l l r 的7 步提取法、s h u m a n 的8 步提取法和欧洲参考交流局的b c r 提取法等。 目前，通常将重金属的存在形态主要划分为5 种，即可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化 结合态、有机物结合态和残渣态。除残渣态外，其余形态重金属都可被植物直接或间接吸收 ( 旷文远等，2 0 0 3 ) 。按照t e s s i e r 的形态分级方法( t e s s i e re ta 1 ，1 9 7 9 ) ，可交换态可被吸附 到固体颗粒物表面，对水环境变化敏感，易被生物吸收；碳酸盐结合态为颗粒物中以碳酸盐 沉淀形式存在的重金属，对环境p h 变化较敏感，在酸性条件下容易溶解并释放入水相中；铁 锰氧化物结合态为与铁锰氧化物结合成沉淀的重金属，它们可在氧化还原电位降低时释放出 来；有机质及硫化物结合态可进入或吸附在有机物颗粒上，与有机物发生螯合或离子交换或 形成硫化物沉淀，这部分重金属较稳定，不易被生物吸收利用；残渣态为上述4 种形态以外的 形态，可存在于矿物晶格中，较为稳定，难于被生物吸收利用。重金属的可交换态、碳酸盐 结合态和铁锰氧化物结合态为不稳定态，其生物有效性高；有机质及硫化物结合态和残渣态 为稳定态，生物有效性低。重金属在土壤中各种存在形态的数量比直接影响其在土壤中的迁 移、转化和对植物的毒性( 贺建群，1 9 9 4 ：朱波，2 0 0 2 ) 。 影响土壤中c d 的植物有效性的因素有p h 值、氧化还原电位、有机物质、营养物质浓度 等( 江水英等，2 0 0 8 ) 。土壤中绝大多数金属污染物都是以难溶态形式存在，其可溶性很大 程度受环境酸碱度的影响。一般而言，土壤p h 值越低，其溶解度越大，活性越高；反之则越 容易被固定，活性越低。土壤中的重金属不仅存在于无机物、有机物和生物体之中，还与土 壤中各种固相物质表面产生复杂的化学反应。土壤中重金属的存在形态是衡量其环境效应的 关键因素，植物吸收土壤重金属并不是吸收重金属的全量，而只是吸收重金属的某一形态， 3 两南大学硕十学伊论文 特别是重金属的有效态。因此，土壤中重金属存在的形态备受关注，越来越重视土壤重金属 的生物有效态研究。 根际微生物可以通过分泌生物表面活性剂，有机酸、氨基酸和酶等来提高根际环境中重 金属的生物有效性。根际微生物能够通过催化金属的氧化还原来改变土壤金属生物有效性； 一些根际微生物能够通过产生生物表面活性剂，提高重金属的生物有效性，促进重金属在植 物中的积累；在根际环境中，有些根际微生物在结构上可以产生含f e 细胞，它不仅能够提高 f e ”的移动性还能提高其他金属阳离子的移动性( d i e l se ta 1 ，2 0 0 2 ) 。另外，土壤中根际细菌， 如a z o t o b a c t e rc h r o o c o c c u m ，b a c i l l u sm e g a t e r i u m 和b a c i l l u sm u c i l a g i n o s u s 可能通过分泌低分子 量的有机酸来降低土壤的p h 值，从而提高金属c d 、p b 和z n 的生物有效性( c h e n e ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 1 2 微生物对土壤重金属的生物修复机理 重金属微生物修复的机理包括细胞代谢( 专一性的代谢途径可使金属生物沉淀或通过生 物转化使其低毒或易于回收) 、表面生物大分子吸收转运、生物吸附( 利用活细胞、无生命 的生物量、金属结合蛋白和多肽或生物多聚体作为生物吸附剂) 、空泡吞饮、沉淀和氧化还 原反应等。土壤微生物是土壤中的活性胶体，表面大、带电荷、代射活动旺盛。 受到重金属污染的土壤，往往富集多种耐重金属的真菌和细菌，微生物可通过多种作用 方式影响土壤重金属的霉性。微生物对土壤中重金属活性的影响主要体现在：生物吸附、溶 解与生物转化。 1 2 1 微生物对土壤重金属的生物吸附和富集 重金属污染的显著特点是不能通过微生物降解的形式从环境中彻底消除，只能从一种形 态转化为另一种形态，从高浓度变为低浓度，并能在生物体内富集积累。2 0 世纪7 0 8 0 年代起， 陆续开展了应用微生物修复重金属污染环境的研究，到9 0 年代研究更加活跃。在重金属污染 土壤的修复研究中，目前大多是从污染土壤或矿区等环境中筛选微生物，研究微生物对重金 属的抗性、积累和吸附机制，以微生物为生物吸附剂吸附处理重金属( 蔡佳亮等，2 0 0 8 ；v i n o d e ta 1 ，2 0 0 8 ；h a ne ta 1 ，2 0 0 6 ；s u n e e m te ta 1 ，2 0 0 8 ；吴娟等，19 9 9 ；p a ne ta 1 ，2 0 0 7 ；l ie ta 1 ，2 0 0 7 ； t a m e re ta 1 ，2 0 0 6 ；f a ne ta 1 ，2 0 0 8 ) 。王能飞等( 2 0 0 4 ) 从矿区土壤中筛选获得一株对c d 有强 富集能力的酵母菌，在浓度为4 8 1m g l 的含c d 水溶液中加入酵母菌体量为6g 几时，c d 的吸附 量达到最大( 9 5 6 ) ，菌体富集的镉9 9 在细胞壁中。应娇妍等( 2 0 0 4 ) 获得一株对c d 具有 很强抗性和富集能力的茎点霉菌，可在c a 2 + 浓度高达2 0 0 0m g l 下存活，在液体培养下，对培 养基中的高浓度c d 具有较好的去除作用。段学军等( 2 0 0 4 ) 从长期受c d 污染的土壤中分离出 菌株k d c l ，鉴定为r a l s t o n ia e u t r o p h a ，可以在含c d3 5 0m g l 的培养基上生长，显著高于普通 菌株对c d 的耐受性，对c d 的抗性强，且抗性基因定位于质粒上。盛下放等( 2 0 0 3 ) 从土壤中 分离到3 株具有很强的c d 抗性细菌，并分别接种到添加c d ( 2 0 0m e d i a 的土壤中进行盆栽试验， 结果表明供试抗性菌株均能显著促进番茄生长，活化植株根际吸收c d 。张汉波等( 2 0 0 5 ) 从 4 第1 章文献综述 i z=i_ - - _ -, 曼曼罾鼍曼舅舅 堆积时间为8 0 1 0 0 年的铅锌矿渣中分离出6 个菌株，其中冻干的节杆菌对c d 的吸附达到近1 7 7 m g g 干菌体。夏娟娟等( 2 0 0 5 ) 在培养基中加入一定浓度的c d ，从土壤中分离筛选出2 株具有 较强抗c d 能力和产酸能力的细菌，经鉴定属于芽孢杆菌属和黄单胞菌属，研究表明在培养液 和土壤中培养，两个抗性菌株均能降低溶液和土壤的p h 值，活化溶液中的沉淀态c d 、提高土 壤有效c d 含量。g a d d 等( 1 9 9 2 ) 研究表明，许多微生物可以积累和吸着外部环境的c d 2 + ，包 括细菌蜡样芽孢杆菌( b a c i l l u sc e r e u s ) 、柠檬酸杆菌( c i t r o b a c t e r ) 和芽孢杆菌( b a c i l l u s ) ， 霉菌少根根酶( r h i z o t z u sa r r h i z u s ) 和藻类等。u r r u t i a 等( 1 9 9 3 ) 发现，c d 能以硅酸盐或氢氧 化物形式结合在芽孢杆菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 细胞的表面。 土壤微生物可通过带电荷的细胞表面吸附重金属离子，或通过摄取必要的营养元素主动 吸收，将重金属离子富集在细胞表面或内部( 阎晓明等，2 0 0 2 ) 。土壤微生物本身及其代谢 产物都能吸附和转化重金属。微生物对重金属的生物积累机理主要表现在胞外络合作用、胞 外沉淀作用和胞内积累3 种形式( 王新等，2 0 0 4 ) ：胞外络合作用，一些微生物能够产生 胞外聚合物如多糖、糖蛋白、脂多糖等，具有大量的阴离子基团，与金属离子结合；某些微 生物产生的代谢产物，如柠檬酸是一种有效的金属螯合剂，草酸则与金属形成不溶性草酸盐 沉淀：胞外沉淀作用，在厌氧条件下硫酸盐还原菌及其他微生物产生的硫化氢- q 金属离子 作用，形成不溶性的硫化物沉淀；胞内积累作用，重金属进入细胞后，通过“区域化作用” 分布在细胞内的不同部位，可将有毒金属离子封闭或转变成为低毒的形式。由于微生物对重 金属具有很强的亲合吸附性能，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，能够产生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量阴离子的基团，南重金 属离子形成络合物。 微生物对土壤重金属的积累和吸着作用方式主要有： ( 1 ) 形成金属磷酸盐、金属硫化物 沉淀；( 2 ) 形成细菌胞外多聚体；( 3 ) 金属硫蛋白、，植物螯合肽和结合蛋白与重金属的络 合；( 4 ) 形成铁载体； ( 5 ) 真菌来源物对金属的去除； ( 6 ) 衍生、诱导或分泌的微生物产 物与金属作用。刘爱民等( 2 0 0 5 ) 采用红外光谱与原子吸收光谱法，研究了在c u 2 + 、p b 2 + 、 z n 2 + 、m n 2 + 存在下耐c d 的假单胞菌属( p s e u d o m o a ss p ) 对c d 2 + 的积累，结果表明细胞壁上的 - n h 2 、o h 、- c o o h 、p 0 4 孓、m o ( o m o ) 基团吸附c d 2 + 的能力显著。m o h d 等( 2 0 0 7 ) 从 污灌土壤中分离出一株大肠杆菌( ec o l iw s l l ) ，通过c d 的吸附试验表明：当c d ：+ 浓度为 5 0 - 4 0 0i , g m l 时，在2h 内对c d 的吸附量从4 9 6 增加到4 5 3 7m e , g 干重。某些微生物生长 过程产生的硫化物可与重金属离子形成金属硫化物沉淀或结晶体，并沉积于细胞表面，如硫 酸还原细菌( d e s u l p h o v i b r i o ，d e s u l p h o t m a c u l u m ) 可以还原硫酸盐产生h 2 s ，与2 砰+ 、c d 2 + 、 c u 2 + 和f e 2 + 分别形成z n s 、c a s 、c u s 和f e s 等硫化物沉淀。某些微生物代谢产生草酸( 曹裕 松等，2 0 0 3 ) 和柠檬酸( b e r t i n ie t a l ，2 0 0 0 ) 等有机酸，与重金属形成沉淀或螯合物，使重金 属的毒害作用大大减弱。细菌、真菌和藻类细胞的许多结构组分具有结合重金属的能力，大 5 两南大学硕十学伊论文 量研究证实胞外多糖带有负电荷，可以作为重金属的有效生物吸附剂，阻止重金属离子进入 细胞。 研究表明，重金属可以以磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐或氢氧化物形式以及聚核作用在细胞 壁上或是细胞内部沉积下来，微生物胞壁凹陷也能捕获c d 2 + ( 陈玉成，2 0 0 3 ) 。细胞壁的多 孔结构使活性化学配位体在细胞表面合理排列，也可以与金属离子结合( 陈勇生等，1 9 9 7 ) 。 菌体可以产生碱性物质，使溶液中h + 含量减小，会暴露出更多的吸附基团，有利于c d 2 + 的接 近并吸附在细胞表面上，c d 2 + 也可能易于生成氢氧化物微沉淀沉积于细胞表面( 刘瑞霞等， 2 0 0 2 ) 。 真菌对重金属的耐性和抗性取决于真菌的种类和数量。y i l m a z ( 2 0 0 3 ) 从重金属污染的土 壤中分离出一株杆状细菌( b a c i l l u sc i r c u l a n se b i ) ，获得了其对c d 的最小抑制浓度( 2 0 m m o l l ) ，说明c d 对细菌e b l 的毒性较大。真菌细胞壁各组分对重金属的吸附能力顺序为： 几丁质 磷酸纤维素 羟基纤维素 纤维素。此外，脱乙酰基几丁质、纤维素、葡聚糖、 葡萄糖醛酸、多聚糖、蛋白质、油脂和黑色素等真菌细胞壁组分也可以吸附重金属( 郭学军 等，2 0 0 2 ) 。 1 2 2 微生物对土壤重金属的溶解 微生物可以通过直接、间接的代谢活动溶解重金属离子。微生物的代谢作用能产生多种 低分子量的有机酸，简单的如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等，稍复杂的有柠檬酸、苹果酸、t 延 胡索酸、琥珀酸、乳酸和各种氨基酸等，以此来溶解、络合重金属及含重金属的矿物，也可以 加速重金属元素从风化壳中的释放。这些都可以改变重金属在土壤中的存在状态，降低污染程 度。李荣林等( 2 0 0 6 ) 从铅锌尾矿上筛选到一株对铅、镉有极强耐受力的白腐真菌，研究了 与土壤共培养条件下该真菌促进土壤中铅、镉向可溶态转化的效应。结果表明：培养2 4 7 2h ， 土壤中可溶态铅和可溶态镉一直增加；从第7 2 , - , 9 6h 可溶态铅急剧上升。相反，培养7 2h 以后 可溶态镉趋于减少。 微生物对重金属的溶解作用在土壤污染修复中有很多用途，通过淋洗作用可以清除土壤 中的重金属；与植物进行联合修复，先将土壤中结合态重金属溶解出来，以增强植物修复的 效果。夏娟娟等( 2 0 0 5 ) 从土壤中分离筛选出2 株具有较强镉抗性及产酸