（环境科学专业论文）耐cu、cd微生物的分离筛选及其吸附机理研究.pdf

电镜观察和能谱分析图谱结果表明，菌株$ 1 0 8 吸附c u 2 + 主要是基于其细 胞表面的吸附沉淀作用，菌株i s 0 2 1 对c d 2 + 的吸附主要是细胞表面的生物吸附 作用。微生物可能通过其表面的带电电荷和活性位点来结合重金属，从而使溶 液中的金属离子减少。 关键词：土壤耐受微生物c uc d生物吸附 i i i s o l a t i o nt h ec 1 1 、 s t u d y t h e c dt o l e r a n tm i c r o o r g a n i s ma n d m e c h a n i s mo fa d s o r p t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y ，t h e p o l l u t i o no fh e a v ym e t a l i n c r e a s e sg r e a t l y t o n g l i n gd i s t r i c ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o p p e ri n d u s t r y p r o d u c t i o nb a s e si no u rc o u n t r y h o w e v e r , t h ep r o s p e r o u sm i n i n ga c t i v i t i e sa l s o c a u s e ds e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n i th a sb e e ni n v e s t i g a t e dt h a tt h ea m o u n to f z n 、c u 、p b 、c d 、c ra n do t h e ri nd i f f e r e n tf u n c t i o n a la r e a so f t h em i n i n ga r es e r i o u s e x c e e d e d ，h e a v ym e t a l sa r ee x t r e m e l yh a r m f u lt ot h ee c o l o g i c a le n v i r o m e n t t h e y a r eh a r dt ob i o d e g r a d a t i o nw h e ne n t e r e dt h ee n v i r o n m e n t ，t h e r e f o r e ，m o s to ft h e m p a r t i c i p a t e di nt h ef o o dc h a i nc i r c l ea n de v e n t u a l l ya c c u m u l a t e di nt h eb i o l o g i c a l a n dt h e n d e s t r o y s o m en o r m a l p h y s i o l o g i c a l a n dm e t a b o l i c a c t i v i t i e s m i c r o o r g a n i s m sc o u l dr e d u c et h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l st h r o u g hb i o s o r p t i o n ， d i s s o l v i n g ，r e d u c i n ga n dr e d o x t h ep u r p o s eo fi s o l a t i o na n ds t u d yt h eb a c t e r i a t o l e r a n c e dt o w a r d sh e a v ym e t a l s ，w h i c hc a na d s o r ba n da c c u m u l a t eh e a v ym e t a l si s ae f f e c t i v em e a s u r et os o l v et h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o n t h ep a p e rh a v ec h o o s e dt h e s i o lo ft o n g l i n gx i n q i a om i n i n g ，a n h u ia n da n a l y z e dt h ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e n h e a v ym e t a lp o l l u t i o ne l e m e n tc o n t e n t s a n dm i c r o b i a lb i o m a s si nt h es o i l s c r e e n i n gt h et o l e r a n tm i c r o o r g a n i s m sa n ds t u d yt h e i rg r o w t hc h a r a c t e r i s t i c so f s t r a i n sa n dt h em e c h a n i s mo fh e a v ym e t a la d s o r p t i o n t h r o u g ht h es t u d yo ft h ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nh e a v ym e t a lp o l l u t i o n e l e m e n tc o n t e n t sa n dm i c r o b i a lb i o m a s si nt h es o i lo ft o n g l i n go r ed i s t r i c th a v e f o u n dt h eb a c t e r i a ，a c t i n o m y c e t e s ，h i g hi r o ns u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i ai nt h es o i l h a v et h ed i f f e r e n tl e v e l so fp o l l u t i o ni ns e n s i t i v ee l e m e n t s ，t h e i rd e g r e eo f s e n s i t i v i t ya r e ：a c t i n o m y c e t e s b a c t e r i a h i g hi r o ns u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i a t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n t e n to fa s ，a u ，c d ，z n ，c u ，p ba n dt h eb i o m a s so fs o i l b a c t e r i a ，a c t i n o m y c e t e s ，h i g hi r o ns u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i ai nt h es o i lo ft o n g l i n g o r ed i s t r i c ta r ea s ：a s ，a u ，z n ，c ua n db a c t e r i aa n da c t i n o m y c e t e s ，c d ，p ba n d a c t i n o m y c e t e sa l ld i s p l a y e dn e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nl e v e l s ，r e f l e c t i n gt h a t h i g hc o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t i o ne l e m e n t si ns o i l o nm i c r o b i a li n h i b i t i o n c d ，p b a n db a c t e r i a ，c d ，z na n dh i g hi r o ns u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i aw e r ep o s i t i v e l y c o r r e l a t e d ，a u ，p b ，a sa n dh i g hi r o ns u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i as h o w e dn o to b v i o u s r e l a t i o n s h i po nt h en u m b e r t h i ss t u d yf u l l yu t i l i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tm i c r o o r g a n i s mm a yp r o d u c e i i i r e s i s t a n c ea f t e re x p o s e dt oh e a v ym e t a li nn a t u r a le n v i r o n m e n tf o ral o n gt i m e t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho fs c r e e n i n gb a c t e r i at o l e r a n c et o w a r d sc u 、c di ns o l ia n d s u c c e s s f u l l yo b t a i n e dt w os t r a i n s o n es t r a i ni sc u - t o l e r a n ta t5 0 9 la n di d e n t i f i e d a sp a e n i b a c i l l u sc o h n e l l a s p ，n u m b e r e da ss10 8 ；a n o t h e ri sf u n g is t r a i nt h a tc a nb e t o l e r a n tc d ha t6 0 0 0 m g la n di d e n t i f i e da sf u n g a ls p ，n u m b e r e da si s 0 21 b yi n v e s t i g a t i n gt h eg r o w t ha n da d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r a i n si t h a v ec o n c l u d e dt h a t ：t h eo p t i m u mp ho ft h es t r a i ns1 0 8g r o w t hi s8 0 ，5 0 m l m e d i u mw a sa d d e dt oa2 50 m lf l a s k ，t h ee f f e c to fc u z 十c o n c e n t r a t i o nt ot h eg r o w t h o fs t r a i nw a ss m a l l t h eo p t i m u mp ho fs t r a i ni s 0 21i s7 0 ，5 0 m lm e d i u m ，h i g h c d 2 + c o n c e n t r a t i o ni n h i b i t e dt h eg r o w t ho fs t r a i n t h eb e s tc o n d i t i o no fs t r a i ns10 8 a d s o r p t e dc u 2 + a r ep h8 0 ，s t r a i na g e i s3 d ，t h ec u 2 + i n i t i a lc o n c e n t r a t i o ni s 10 0 m g l t h em a x i m u ma d s o r p t i o nt i m ei s12 h6 8 t h eb e s tc o n d i t i o no fs t r a i n i s 0 21a d s o r p t e dc d 2 + a r ep h7 0 ，s t r a i na g ei s2 d ，t h ec u 2 + i n i t i a lc o n c e n t r a t i o ni s 10 0 m g l ，t h ea d s o r p t i o nt i m et oe q u i l i u mi s7 ha n dt h em a x i m u ma d s o r p t i o nw a s 6 5 p hh a ss o m ee f f e c tt ot h ea d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h es t r a i n s t o oh i g ho r l o wp hg o e sa g a i n s tt h ea d s o r p t i o no fm i c r o o r g a n i s m ；c e l la g eh a sg r e a ti m p a c to n t h ea d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h es t r a i n s ；t h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l i n c r e a s e s w i l ld e c r e a s et h ea d s o r p t i o nr a t ed u et ot h es a t u r a t i o no fa d s o r p t i o n p o i n t t h er e s u l to fe l e c t r o nm i c r o s c o p ea n de n e r g yd i s p e r s i v ea n a l y s i s ( e d s ) s h o w s t h a tt h ea d s o r p t i o no fc u 。2 + b yt h es10 8i sb a s e do na d s o r p t i o ns e d i m e n t a t i o no nt h e s u r f a c eo fc e l l s ，m e a n w h i l e ，t h ea d s o r p t i o no fc d z 十b yt h ei s 0 21 i sb a s e do n b i o s o r p t i o no nt h es u r f a c eo fc e l l s m i c r o o r g a n i s mm a yr e d u c et h em e t a li o ni nt h e s o l u t i o nw i t hi t ss u r f a c ee l e c t r i c i t ya n da c t i v es p o t k e y w o r d s ：s o i l ；t o l e r a n tm i c r o o r g a n i s m ；c u ；c d ；b i o s o r p t i o n i v 插图清单 图卜1 微生物对重金属的作用方式1 2 图2 1 铜陵地区采样分布图1 5 图2 2 a s 与土壤中微生物数量的对应关系一1 7 图2 3a u 与土壤中微生物数量的对应关系1 8 图2 4c d 与土壤中微生物数量的对应关系一18 图2 5z n 与土壤中微生物数量的对应关系1 8 图2 6c u 与土壤中微生物数量的对应关系1 8 图2 7p b 与土壤中微生物数量的对应关系1 9 图3 1 含c u 2 + 1 0 9 l 液体培养基( 左) 和不含c u 2 + 的液体培养基( 右) 中 菌株的生长情况2 2 图3 2 含c u 2 + 5 0 9 l 液体培养基( 左) 和不含c u 2 十的液体培养基( 右) 中 菌株的生长情况2 2 图3 3菌株s 1 0 8 基因组图谱2 4 图3 4 菌株s 1 0 8 的p c r 结果图谱2 4 图3 5 菌株s 1 0 8 平板划线2 4 图3 6 光学显微镜下菌株s 1 0 8 的形态2 5 图3 7p h 对菌株s 1 0 8 生长的影响2 5 图3 8 铜浓度对菌株s 1 0 8 生长的影响2 6 图3 9 装液量对菌株s 1 0 8 生长的影响2 6 图3 1 0 不含c d 2 + ( 左) 和含c d 2 + 4 0 0 0 r n g l ( 右) 的放线菌液体培养基中菌 株的生长2 8 图3 1l 不含c d 2 + ( 左) 和含c d 2 + 6 0 0 0 m g l ( 右) 的放线菌液体培养基中 菌株的生长2 8 图3 1 2 菌株i s 0 2 1 的基因组图谱2 9 图3 1 3 菌株i s 0 2 1 的p c r 结果图谱2 9 图3 1 4 菌株i s 2 0 1 平板划线2 9 图3 。1 5 光学显微镜下菌株i s 2 0 1 孢子丝形态3 0 图3 1 6p h 对菌株i s 0 2 1 生长的影响一3 0 图3 1 7 装液量对菌株i s 0 2 1 生长特性的影响3 1 图3 1 8镉浓度对菌株i s 0 2 1 生长特性的影响一3 l 图4 1 吸附时间对菌株s 1 0 8 吸附c u 元素的影响3 5 图4 2p h 对菌株s 1 0 8 吸附c u 元素的影响3 5 图4 3 菌龄对菌株s 1 0 8 吸附c u 元素的影响：3 6 v i i i 图4 4c u 2 + 初始浓度对菌株s 1 0 8 吸附c u 元素的影响3 7 图4 5 时间对菌株i s 0 2 1 吸附c d 元素的影响3 7 图4 6p h 对菌株i s 0 2 1 吸附c d 元素的影响3 8 图4 7 菌龄对菌株i s 0 2 1 吸附c d 元素的影响3 9 图4 8c d 2 十初始浓度对菌株i s 0 2 1 吸附c d 元素的影响3 9 图5 1 菌株s 1 0 8 在未加c u 2 + 的环境下的菌体形态( x1 0 0 0 ) 及能谱分析 图谱4 2 图5 2 菌株s 1 0 8 在未加c u 2 + 的环境下的菌体形态( 2 0 0 0 ) 及能谱分析 图谱4 3 图5 3 菌株s 1 0 8 在加c u 2 + 的环境下的菌体形态( 2 0 0 ) 及能谱分析图谱 ，。4 ：； 图5 4 菌株s 1 0 8 在加c u 2 + 的环境下的菌体形态( 3 0 0 0 ) 及能谱分析图 谱4 4 图5 5 菌株i s 0 2 1 的扫描电镜结果4 5 图5 6 菌株i s 0 2 l 在不加c d 2 + 的环境下的菌体形态( 1 0 0 0 ) 及能谱分析 图谱4 6 图5 7 菌株i s 0 2 1 在加c d 2 + 的环境下的菌体形态( 1 0 0 0 倍) 及能谱分析 图谱4 7 i x 表格清单 表卜1 微生物对重金属的抗性1 3 x 独创性声明 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金日巴：些太堂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。 学位论文作者签字： 1 旆签字日期：如和年年月璐e t学位论文作者签字：夕0 吼 签字日期：冽p 年午月塔 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥照王些丕堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒蟹工业厶 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名： 猡、j 鹏 导师签名： 、1 ： 签字日期：弦f o 年午月墙日 签字日期：立。f 年专月巧阳 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 时光荏苒，岁月如梭，转眼间研究生学习生活就要结束了。此时此刻，心中既有 浓浓的喜悦，又有淡淡的失落。回首三载，常自问是否已经努力，是否已经实现了入 学前的种种愿望。 三年前，作为一名环境科学的本科毕业生，我对专业知识还只是一知半解，就开 始了在研究生的学习生活。求学过程是清苦的，却也是充实的。不经意中，自己恍然 已经提高了很多，收获了不少，这一切既是自己努力的结果，更是工大诸位老师教导 点拨的成就。 本论文是在导师袁峰教授的悉心指导下完成的，老师严谨踏实的治学态度，高效 务实的工作作风和严以律己的自我要求将会是我一生工作和学习的榜样。衷心感谢袁 老师在我的研究生学习生活期间对我的学习和生活的指导和帮助! 感谢周涛发老师和李湘凌老师在学习和生活上的鼓励和指导。感谢张鑫老师和范 裕老师对我学习上的帮助，给我树立了学习的榜样! 感谢李军红老师和周元祥老师对 我的实验的指导! 感谢4 3 5 研究室的所有师兄弟( 姐妹) ，在与他( 她) 们朝夕相处的日子里，让 我的研究尘生活变得更加丰富多彩，留下了很多美好的回忆。 感谢我的父母亲人，正是他们的支持和鼓励，才使我顺利完成学业。感谢文中所 引用过文献的所有作者们，感谢所有曾帮助、关心和支持过我的老师、同学和朋友们! v 作者：刘丽 2 0 1 0 年4 月 第一章文献综述 1 1 重金属污染现状 重金属系指密度4 0 k g m 3 以上约6 0 种元素或密度在5 0k g m 3 以上的4 5 种元 素。砷硒是非金属，但是它的毒性及某些性质与重金属相似，所以将砷硒列入 重金属污染物范围内：环境污染方面所指的重金属主要是生物毒性显著的汞镉 铅铬以及类金属砷，还包括具有毒性的重金属锌铜钴镍锡钒等污染物( 郑喜坤， 2 0 0 2 ) 。 从2 0 世纪3 0 年代以来，工农业迅速发展，大量的污染物进入环境，引起 环境质量严重恶化，尤其是重金属污染，极为严重。由于重金属污染的范围广， 持续时间长，又不易在生物物质循环和能量交换中分解，在环境中易蓄积，能 被土壤作物吸收，且性质稳定，很难降解，又能抑制作物生长发育，促进早衰， 降低产量，并通过根系进入植物体，再通过食物链的传递和富集，最终危害人 体健康( 王学锋，2 0 0 3 ) 。随着工业的发展，人们对重金属的使用越来越广泛， 重金属污染这个问题也越来越严竣。重金属是对生态环境危害极大的污染物之 一，它们进入环境后不易被生物降解，大部分参与食物链循环，最终在生物体 内积累，生物体正常生理代谢活动被破坏，人体健康受到严重危害。重金属的 污染有时会造成很大的危害。例如，日本发生的水俣病( 汞污染) 和骨痛病( 镉污 染) 等公害病，都是由重金属污染引起的，所以，应当严格防止重金属污染。 目前，世界各国土壤存在不同程度的重金属污染，全世界平均每年排放h g 约1 5 万t 、c u 为3 4 0 万t 、p b 为5 0 0 万t 、n i 为1 0 0 万t 。中国北方大城市的蔬菜 基地和部分商品粮基地也存在着不同程度的重金属污染，如北京、天津、西安、 沈阳、济南、长春、郑州等地；南方相对较轻，如福州、宁波、上海、武汉、 成都等地。土壤重金属污染将会造成生态系统的严重破坏。从中国土壤资源状 况看，到2 0 0 0 年底中国人均耕地仅为0 1 h m 2 ，而且随着今后中国经济社会的发 展，如生态退耕，农业结构调整及自然灾害损毁等，土壤资源将进一步减少。 因而如何有效的控制及治理土壤中金属的污染，改良土壤质量，将成为生态环 境保护工作中十分重要的一项内容( 陈志良，2 0 0 3 ) 。 重金属污染废水是指那些富含重金属离子的一类废水，其对生态环境危害 极大。重金属进入环境后不能被生物降解且往往参与食物链循环并最终在生物 体内富集，破坏生物体正常的新陈代谢，并最终危害人体健康。大多数重金属 离子的毒性与浓度和作用时间有关，浓度越大，作用时间越长，致毒后果愈严 重。 近几十年，随着现代工业的发展和人类自身活动的增加，大量带有重金属 的废水排入江河湖泊中，据统计，全球每年释放到环境中的重金属高达数百万 吨，其中铅为3 4 6 万吨，锌为2 7 6 万吨，铜为1 4 7 万吨，砷为1 2 5 万吨，镉 为3 9 万吨，汞为1 2 万吨，镍为3 4 6 万吨。由此可见，全球的重金属污染是 相当惊人的。一方面，重金属是对生态环境危害极大的一类污染物，严重危害 人体健康。另一方面随着现代工业的发展，对重金属的使用越来越广泛，从而 造成重金属资源的相对缺乏。因此如何有效地回收重金属是当今环境保护领域 中的一个突出问题。 1 2 重金属铜的来源及危害 1 2 1 重金属铜的来源 铜是人类最早发现的古老金属之一，早在三千多年前人类就开始使用铜。 化学元素符号c u ，原子量6 3 ，5 4 ，比重8 9 2 ，熔点1 0 8 3 0 c 。纯铜呈浅玫瑰色或 淡红色，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫铜色。铜具有许多可贵的物理化学特性， 例如其热导率和电导率都很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接，具抗蚀 性、可塑性、延展性；纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。能与锌、锡、 铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金。 1 2 2 重金属铜的危害 铜缺乏将导致贫血、骨质疏松、皮肤和毛发的脱色素、肌张力的减退和精 神运动性障碍。摄入过多的铜可导致肝细胞和红细胞的损伤，症状为恶心、呕 吐、腹泻，严重时将昏迷。在人的血液中，铜是铁的“助手”。铜的吸收部位主 要是胃和小肠上部。铜在肠中被吸收后进人血液中，8 0 的结合成血浆铜蓝蛋 白。铜在血红蛋白形成中的作用，一般认为是促进对肠道铁的吸收和从肝及网 状内皮系统的贮藏中使它释放出来，故铜对于血红蛋白的形成起着重要作用。 尽管铜是重要的必需微量元素，但应用不当，也易引起中毒反应。一般丽言重 金属都有一定的毒性，但毒性的强弱与重金属进入体内的方式及剂量有关。口 服时，铜的毒性以铜的吸收为前提，金属铜不易溶解，毒性比铜盐小，铜盐中 尤以水溶性盐如醋酸铜和硫酸铜的毒性大。人体铜中毒的最早报告见于17 8 5 年，一1 7 岁女性，因食含铜化合物食品过多而致死。表现为腹痛，皮疹、腹 泻、呕吐，呕吐物为绿色，不久死亡。据l u c k e y 报道，当铜超过人体需要量的 1 0 0 1 5 0 倍时，可引起坏死性肝炎和溶血性贫血。 ，铜中毒的症状有很多，主要表现有：1 急性铜中毒。引起本病的原因是多 种多样的，常因为结晶硫酸铜烧伤或意外误服引起，也有食用被污染的水和食 物造成，主要因为冶炼铜时造成环境污染。国家规定车间允许铜尘、铜烟浓度 为o 0 1m g l 。急性铜中毒开始产生胃肠道黏膜刺激症状，如恶心、呕吐、腹泻， 溶血作用特别明显，尿中出现血红蛋白，继而出现黄疸及心律失常，严重时可 出现肾功能衰竭及尿毒症、休克。2 慢性铜中毒：( 1 ) 呼吸系统长期接触铜尘、 铜烟的工人，最常见的呼吸系统症状为咳嗽、咳痰、胸痛、胸闷，有的咯血鼻、 咽黏膜充血、鼻中隔溃疡，甚至可引起尘肺和金属烟雾热。( 2 ) 眼睛接触铜盐可 2 发生结膜炎和眼睑水肿，严重时角膜可以发生浑浊和溃疡。从事枪弹钢壳生产 的工人易发生铜性白内障。( 3 ) 动物皮肤实验证明，铜尘可致接触性和致敏性皮 肤病变，局部皮肤发红、水肿、溃疡，有病例报道，皮肤致敏斑贴试验阳性率 8 8 ，经抗过敏治疗可好转。肝内胆汁淤积症是急性铜中毒的另一表现，这是 由于铜过量使肝小叶发生中心性坏死所致。 1 3 重金属镉的来源及危害 1 3 1 环境中重金属镉的来源 镉是一种比较稀有的元素，属亲硫元素，主要矿物在自然界的存在形式是 硫化镉矿，在锌矿中含量颇高，通常与锌共生，作为冶炼锌的副产物加以收集。 自然界中镉的分布很广泛，土壤中c d 的含量在o 0 1 。0 7 0 m g k g 之间，在海水 中的浓度为0 11u g k g ，河流湖泊的水中为1 1 0u g k g ，最大的镉浓度可达13 0 u g k g ，空气中的镉含量为o 0 0 2 0 0 0 5u g m 3 。环境中的镉大约有7 0 积累在土 壤中，l5 存在于枯枝落叶中，迁移到水中的镉3 4 左右，进入天然水中的镉， 大部分存在于底泥和悬浮物中( 陈华勇等，2 0 0 3 ) 镉的应用极为广泛，作为原料或催化剂用于生产镉电池、塑料、颜料和试 剂。常见的镉化合物有氧化镉、氯化镉、硫酸镉、硝酸镉、硫化镉和硒化镉等。 水溶液中的镉离子在碱性条件下能够生成氢氧化镉沉淀。镉在水体中可以简单 离子或者配合离子的形态存在，能与氨、氰化物、氯化物、硫酸根生成多种配 合离子而溶于水。镉在水体中的迁移能力取决于镉的存在形态和所处的环境化 学条件，就其形态而言，迁移能力顺序如下：离子态 络合态 难溶悬浮态。就环 境化学条件而论，酸性环境能使镉的难溶态溶解，络合态离解，因而以离子态 存在的镉增多利于迁移。随水流迁移到土壤中的镉，可被土壤吸附。吸附的镉 一般在0 1 5 c m 的土壤表层累积，1 5 c m 以下含量显著减少。大多数土壤溶液中 的c d 的主要形态为c d 2 + 或c d s 0 4 ( 夏立江等，2 0 0 1 ) 。镉矿的冶炼、加工，含镉 肥料的施用是土壤镉污染的主要来源。 镉的应用也带来了镉的污染，人类对镉的开采量不断上升，在1 9 1 0 年为 5 0 t 1 9 6 9 年是1 7 0 0 0 t ，1 9 8 0 年达到5 0 0 0 0 t ，环境中的镉污染随之不断加剧( 孔志 明，2 0 0 4 ) 矿山废水的镉污染特别严重，由于硫化矿床中镉的主要形态是硫化 镉，硫容易被氧化形成酸性环境，有利于镉的溶解，提高了镉的活性，某些矿 山的酸性废水中含镉量高达1 0 0m g l 以上。有模型预测表明：废石堆酸性废水 和重金属污染将持续5 0 0 年以上，而尾矿的酸性废水和重金属污染也要持续1 0 0 年( 黄铭洪，2 0 0 4 ) 。 1 3 2 镉污染的主要危害 镉是一种对人体和动物危害极大的元素，已被列入美国环保署水环境中优 先污染物、空气中重点控制的有害污染物名单及我国有毒化学品的优先登记名 单。由于土壤中镉的溶解度较高，c d 2 + 在土水系统中比较容易迁移，并具有较 高的有效性，易被植物吸收而通过食物链( 如镉米) 危及人和动物的健康。因 此镉污染已经引起土壤学、生态学、环境科学、卫生学、预防医学等诸多学科 科学家的重视。镉可以通过多种途径进入人体，在体内的半衰期长达1 0 3 5 年， 从人体内排除是十分缓慢的，且早期不易觉察( 王燮，1 9 9 6 ) 。欧盟规定( 4 6 4 2 0 0 1 污物排放指令8 6 2 7 8 e e c ) 在食物和农田土壤中，镉的最大含量为l 3 m g k g 干物质( 马榕，2 0 0 2 ) 。世界粮农组织和世界卫生组织专家委员会认为，镉的容 许含量以人的体重计不得超过o 0 0 7 5 m g k g ，每人每周摄入量不得超过0 5 m g ， 饮用水中镉含量不得超过l0u g l 。一般情况下，大多数食品均含有镉，主食 ( 米、面粉) 含镉量小于o 1 m g k g ，蔬菜水果中含镉量平均o 3 m g k g ( 毛跟年等， 2 0 0 4 ) 。 镉对人体器官和组织的危害是多方面的，它能引起高血压、神经病、骨质松 软、骨折、肾炎和分泌失调等病症，锡在人体内有积蓄作用，潜伏期可达1 0 3 0 年，镉类化合物具有较大脂溶性、生物富集性和毒性，是一种剧毒物，也是土 壤中最具运动性的重金属之一。在我国出现了许多污染区镉中毒的情况，镉对 人体的毒害引起了世界各国的重视，它是机体生长发育非必需元素，很少量进 入人体即可通过生物放大和生物积累，能直接引起单链d n a 损伤或通过各种 不同途径引起d n a 改变、d n a 一蛋白质交联、d n a 修复抑制( 吕中明等，1 9 9 5 ) ， 具有一定的致癌和致突变性。 食用含过量镉食品而造成的中毒大多是急性的，主要症状是恶心、呕吐、 腹泻、腹痛。家兔口服硝酸镉的致死量为1 3 m g k g ( q ：燮，1 9 9 6 ) 。多食用高锌、 高钙和高硒食物有助排除镉。也有研究表明，镉可能为某些动物所必需，在一 定条件下它对于特定种类的动物起着特殊的生物学功能( 任继平等，2 0 0 3 ) ，如 马肾的皮质含有镉与大分子蛋白质特殊结合，可能有某种生理作用。我国国家 环保法规定，镉是一类污染物，不得用稀释法代替必要的处理，而一般工厂的 含镉废水在处理前镉的浓度都远高于国家制定的标准( - r 业废水中镉的最高容 许排放浓度为o 1 m g l ，eu 规定生活饮水c d ( i i ) 离子最高污染水平( m c l ) 是 5 u g l ( s m e e t se ta 1 1 9 8 0 ) ，所以含镉废水在排放前必须进行处理，实行达标排 放，因此镉的污染治理和卫生防治势在必行。 1 9 6 8 年日本发现的骨痛病( 又叫痛痛病) ，是镉中毒的典型范例，发现死者 骨中的镉，较正常人高出l5 9 倍，其他器官中的镉含量，亦较正常人高出数十 至数百倍。在我国也出现了许多污染区中毒的情况。镉对人体的毒害引起了世 界各国的重视，它是机体生长发育非必需元素，很少量进入人体即可通过生物 放大和生物积累，对肾、肺、肝、脑、骨骼以及血液系统产生一系列损伤，能 直接引起单链d n a 损伤或通过各种不同途径引起d n a 改变、d n a 一蛋白质 交联、d n a 修复抑制( 吕中明等，1 9 9 5 ) ，具有一定的致癌和致突变性。镉具有 4 很强的生物毒性是由于它在化学性质上接近于锌，因此在多种生化过程中可能 扮演锌的角色，破坏与呼吸及其他生理过程有关的碳酸酐酶、各种脱氢酶和磷 酸酶，以及参与蛋白质和核酸代谢的蛋白酶、肽酶和有关酶的功能，在葡萄糖 磷酸化及碳水化合物生成和消耗所必需的酶系统中可能取代锌( 夏立江等， 2 0 0 1 ) 。镉离子的电荷和半径与钙离子非常接近，有可能取代细胞内的钙离子结 合位点，导致细胞内钙稳态失调( 吕中明等，19 9 5 ) ；也可以取代钙、铜等在蛋 白中的位置，与含s h 的大分子基团( 如蛋白、酶、核酸等) 紧密结合。n 的许多 毒副作用都是由于它与必需微量和常量元素尤其是钙、锌、铜、铁和硒的相互 作用而引起的，这些相互作用发生在元素吸收、分布和排泄的不同阶段，以及 必需微量元素发挥生物学功能的阶段。在生物系统内，镉、锌主要是通过与s 、 0 和n 供体的相互作用而与生物大分子连接。尽管二者都能与含s h 的生物大 分子紧密结合，但镉与s 和n 供体的连接比锌要紧密，因此镉可以和锌竞争进 入各种细胞的机会，并在许多生物学过程中置换锌离子，根据二者含量的高低， 其中一种金属可影响另一种的吸收和活性；二者相互作用的机制呈竞争性或非 竞争性。 1 4 重金属与微生物的相互作用研究进展 1 4 1 重金属对微生物的毒性 土壤微生物群落的生物量和物种多样性变化一直是评价重金属急性毒害效 应的重要指标，然而由于重金属长期留存于环境中，因此分析重金属的长期生 态效应，尤其是对微生物种群生理特征和遗传结构的深远影响将具有重要的理 论意义和实践价值。不仅可以揭示微生物对重金属污染坏境的适应进化策略， 为生物多样性保护提供理论支持，还可以指导污染环境的生物修复。 重金属作为一种重要的常见污染物( l e e p e q l9 7 8 ) ，对生物的毒害作用主 要表现在两个方面。一是它们极易同一些生物大分子如酶的活性中心，以及给 电子基团如蛋白质上的巯基、羧基，核酸上的碱基、磷酸酯基等结合，导致这 些生物大分子失活，最终引起生物个体的病变和死亡。其次，由于重金属大多 不可能被生物分解，进入生物体内后和大量的金属硫蛋白、类金属硫蛋白和小 分子量的配体如甘氨酸、牛磺酸等结合，极易在生物体内积累，这神积累作用 会随食物链转移，可以危害到整个食物链网所有个体特别是人类的身体健康和 生命安全( 郁建栓，19 9 6 ；m a l i n s ，19 9 4 ；b o t k i n ，19 9 5 ：n e w m a n ，1 9 9 8 ) 。 微生物在自然界物质的分解、转化和循环中起重要作用， 在其生长代谢 和分化过程中，除了k 、n a 、c a 、m g 外，还需要有一些具有特殊生物学功能 的微量金属元素( 王嘉等，2 0 0 6 ) 。c u 是多酚氧化酶的组分并为羧化酶作用所 必需。当环境中重金属浓度增高时就会影响甚至抑制微生物的生长及代谢活动。 c d 对细胞具有致突变效应，导致d n a 链断裂，c d 还可与含羧基、氨基，特别 是含琉基的蛋白质分子结合，而使许多酶的活性受到抑制和破坏，使肾、肝等 组织中的酶系功能受到损害( 陈牧霞等，2 0 0 6 ) 。p b 可与微生物体内一系列蛋 白质、酶和氨基酸内的功能团相结合，从多方面干扰机体的生化和生理功能， 可造成细胞膜的损伤，破坏营养物质的运输。同时，在高浓度下，重金属离子 可在胞内形成非专一性的复杂化合物而产生毒性作用( 田生科，2 0 0 5 ) 。某些非 生物学功能的金属如h g 、a g 、c d 等在其浓度很低时即有高毒性( 李海华等， 2 0 0 2 ) 。金属的毒性还与其自身的化学性质如和金属硫化物的不溶性顺序有关， 与其价态或配基也相关。h 9 2 + 相对于h 酽而言毒性要大，而有机汞如甲基汞的 毒性是无机汞的10 0 多倍( r o b i n s o njb ，19 8 4 ) ，c r 6 + 毒性也高于c r ”( wi l l i a m s tw ，1 9 8 4 ) 。重金属对微生物的毒性小表现在以下几方面： ( 1 )重金属对微生物生物量的影响 土壤微生物生物量包括微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷以及微生物 量硫。通常以微生物量碳含量来表示，而且微生物生物量碳转化迅速，是比较 敏感的评价重金属污染程度的指标( 俞慎一等，2 0 0 3 ) 。有关重金属污染对土壤微 生物量的影响，前人曾做过许多报道，结果表明将含有较低浓度重金属的污泥 施入土壤能够刺激微生物的生长，增加土壤微生物生物量( 高焕梅等，2 0 0 7 ) 。 值得注意的是，微生物生物量的下降并不意味着土壤中某些种群有灭绝的危险， 理论上会有几种更具耐性的种群来填补，从而丰富了微生物生态系统( w y l e rg ， e ta i 1 9 8 9 ) 。 g a r l a n d ( 1 9 9 1 ) 、t u c k e re ta 1 ( 2 0 0 4 ) 研究发现，土壤中重金属含量超过一定 浓度时，对微生物有着明显的毒害作用，能引起蛋白质变性及改变生物膜透性， 土壤微生物的生长、繁殖和代谢均受到干扰，这不仅使得微生物生物量下降， 碳氮比亦发生变化，还影响到有机质的微生物转化效率( 杨元根等，2 0 0 1 ) ，导 致微生物群落结构发生变化，种群减少、生态平衡稳定性受到破坏。b r o o k e s ( 1