（环境科学专业论文）类芽孢杆菌针铁矿鸭跖草强化植物修复技术研究以土壤中cu元素为例.pdf

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。 君我所知，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，也不包含为获得盒胆王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：彩确签字日期：印，年争月秽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金昱巴王些太堂 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 金目巴王些太堂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： 伯确j 签字日期：土纠f 年午月瑚归 i 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 以土壤中c u 安徽省铜陵矿集区是长江中下游成矿带中最重要的矿集区之一。该区金属 矿产资源开发利用导致土壤重金属污染问题日益凸现，已对周边生态环境、食 品安全和人体健康构成威胁，进行污染土壤修复已成为金属矿区生态恢复的重 要工作内容。植物修复技术以其安全、成本低、生态协调及环境美化功能等 优点成为污染土壤治理行之有效的方法之一，引起了国内外学者的高度关 注。但在天然条件下重金属元素耐性超积累植物存在生物量低，修复效率 低等缺点，因此寻找一条既可提高植物修复效率、又能改善土壤环境的强化 植物修复途径，将具有重要的理论意义和实践意义。 本论文选用从铜陵新桥矿区土壤分离的c u 耐性微生物一类芽孢杆菌 ( c o h n e l l a s p ) 、针铁矿及铜耐性植物鸭跖草，采用静态培养实验和盆栽实验， 研究了类芽孢杆菌一针铁矿鸭跖草联合强化植物修复技术在c u 污染土壤治理 中的可行性。主要研究成果如下： 通过研究类芽孢杆菌( c o h n e l l a s p ) 、类芽孢杆菌针铁矿复合物吸附c u 2 + 前后的红外谱图，表明类芽孢杆菌的羟基、羰基和酰胺基是c u 2 + 的主要吸附点； 类芽孢杆菌与针铁矿复合物所含的羟基官能团是c u 2 + 的主要吸附点。 采用静态培养实验，利用t e s s i e r 五步连续提取技术，分别研究类芽孢杆菌、 类芽孢杆菌与针铁矿交互作用对土壤中c u 元素形态的影响。结果表明，类芽孢 杆菌可以降低土壤溶液p h 值，可交换态、有机结合态c u 的比例增加，而碳酸盐 结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态c u 的比例降低，土壤重金属c u 生物有效性 增加。相比类芽孢杆菌处理，类芽孢杆菌针铁矿处理，使得可交换态c u 的量减 少了降低了土壤c u 的生物有效性。 利用盆栽试验分别研究了类芽孢杆菌、针铁矿及类芽孢杆菌针铁矿对 鸭跖草根际根际土壤c u 化学形态、鸭跖草生物量及其c u 富集能力的影响。 结果表明，类芽孢杆菌增加了鸭跖草根际土壤c u 的生物有效性，提高了鸭跖 草的生物量及其对c u 的富集能力；针铁矿降低了c u 的生物有效性及鸭跖草生 物量，但提高了单位重量鸭跖草对c u 富集；类芽孢杆菌针铁矿联合作用增 加了鸭跖草根际土壤c u 的生物有效性，明显提高了鸭跖草的生物量及其对c u 的富集能力。在所有处理中，类芽孢杆菌针铁矿鸭跖草对土壤c u 的处理效 区c u 污染土 s t u d y o ns t r e n g t h e n i n gp h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y o f jo i n t i n gw i t hc o h n e l l a s p ，g o e t h i t ea n d c o m m e l i n a c o m m u n i s ：ac a s eo fc ui nt h es o i l a bs t r a c t t h ep h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h es a f e ，e f f e c t i v ea n dl o wc o s t t e c h n o l o g i e st or e m e d yt h ec o n t a m i n a t i v es o i l s ，w h i c hh a sb e e ni n c r e a s i n ga t t e n d e d b yt h ee c o l o g i s t sa l lo v e rt h ew o r l d h o w e v e r ，f e wp l a n t sc a nl a r g e l ye n d u r ea n d e f f e c t i v e l ya b s o r bh i g hc o n c e n t r a t i o n so fh e a v y m e t a l si nt h ei n a r t i f i c i a lc o n d i t i o n i ti ss i g n i f i c a n ta n dn e c e s s a r yt oc o n s t r u c ts o m et e c h n o l o g i e st oe f f e c t i v e l ya b s o r b t h eh e a v ym e t a l sf r o mp o l l u t e ds o i la n di m p r o v et h es o i lc o n d i t i o n t h ex i n q i a o m i n i n ga r e a ，t o n g l i n gc i t y , a n h u ip r o v i n c ei so n e o fm o s ti m p o r t a n tm i n i n ga r e a s i nt h em i d d l e d o w n r i v e ry a n g z ir i v e rm i n e r a l i z e dz o n e s t h es o i lh a sb e e n i n t e n s i v e l yh e a v ym e t a l s ( e s p e c i a l l yc o p p e re l e m e n t ) p o l l u t e db yt h el o n gt e r m m e t a lm i n i n ga n de x p l o i t a t i o n ，w h i c hh a v eb e e nd o i n gh a r mt ot h es o i l ，c r o p sa n d f o o d s ，r e s i d e n th e a l t h ya n dl i v i n ge n v i r o n m e n t s o ，i ti sc r i t i c a l l yn e c e s s a r yt o s o l v et h e s es e r i e so fp r o b l e m sb yd e c r e a s i n gt h eh e a v ym e t a l sc o n c e n t r a t i o n so ft h e p o l l u t e ds o i li nt h em i n i n ga r e a i nt h i sa r t i c l e ，c o h n e l l a s p ( c ut o l e r a n tm i c r o o r g a n i s m ) ，g o e t h i t e ，a n d c o m m e l i n ac o m m u n i s ( c ut o l e r a n tp l a n t ) a r eu t i l i z e df o rs t a t i cs t a t ec u l t i v a t i n g e x p e r i m e n t sa n dp o t t e de x p e r i m e n t s t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： a f t e rt h ei n f r a r e dr a ys p e c t r u mc o m p a r i s o n so fc o h n e l l a s p a n d c o h n e l l a s p 一g o e t h i t ec o m p l e xw i t ht h es t a t e so f a b s o r b e dt h ec u p o rn o t ，i t s u g g e s tt h a th y d r o x y l ，c a r b o x y la n da m i d oa c y lo fc o h n e l l a s p a r et h em a i nc u z a d s o r p t i v ep o i n t s ，a n dh y d r o x y lf u n c t i o n a lg r o u p o f c o h n e l l a s p - g o e t h i t ec o m p l e x i st h em a i nc u 2 + a d s o r p t i v ep o i n t s t h es t a b l ec u l t i v a t i o ne x p e r i m e n ta n df i v e s t e pt e s s i e rs e q u e n t i a le x t r a c t i o n m e t h o dw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h ec h a n g e so fc h e m i c a lf o r m so fc ui ns o i l s i n f e c t e db yc o h n e l l a s p a n dc o h n e l l a s p 一g o e t h i t er e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，t h e p o s s i b l em e c h a n i s mo fc h a n g i n gf o r m so fc uw a ss t u d i e d - t h er e s u l t ss h o w e dt h a t c o h n e l l a s p c a u s ep hv a l u e so fs o i ls o l u t i o na n dd i s t r i b u t i o nr a t i oo f a c i d s o l u b l e f o r m o x i d a t i o nf o r ma n dr e s i d u a lf c r mo fc o p p e rr e d u c e d ，w h i l ed i s t r i b u t i o nr a t i o o fe x c h a n g e a b l ef o r m ，o r g a n i cc o m b i n e df o r mo fc o p p e ra n db i o a v a i l a b i l i t yo fc u i n c r e a s e di nt h ee x p e r i m e n t a ls o i l f u r t h e r m o r e ，c o m p a r e dw i t ht h es i n g l e c o h n e l l a s p t r e a t i n g ，c o h n e l l a s p 一g o e t h i t et r e a t i n gm a d ee x c h a n g e a b l ef o r m c o p p e rd e c r e a s e ，a n db i o a v a i l a b i l i t yo fc ud e c r e a s e d t h ee f f e c t so fc o h n e l l a s p ，g o e t h i t ea n dc o h n e l l a s p g o e t h i t eo nt h es o i l m i c r o b i a lc o m m u n i t yd i s t r i b u t i o n ，r h i z o s p h e r ec uc h e m i c a lf o r m ，t h eg r o w t ha n d c ua c c u m u l a t i o nb yc o m m e l i n ac o m m u n i sw e r ee v a l u a t e di np o te x p e r i m e n t s t h er e s u l t sa r ef o u n dt h a t ：c o h n e l l a s p i n f l u e n c et h ef o r m a t i o nd i s t r i b u t i o no fc u t oi n e r e s et h eb i o a v a i l a b i l i t yo fc u ，a n dp r o m o t et h eg r o w t ho ft h ec o m m e l i n a c o m m u n i sa n dc uc o n c e n t r a t i o n s t h eg o e t h i t ed e c r e a s et h eb i o a v a i l a b i l i t yo fc u a n ds u p p r e s st h e g r o w t ho ft h ec o m m e l i n ac o m m u n i s ，a n dh o w e v e rt h ec u c o n c e n t r a t i o n sp e ru n i tw e i g h ti n c r e a s e t h e c o h n e l l a s p g o e t h i t ei n c r e s et h e b i o a v a i l a b i l i t yo fc u ，a n dp r o m o t et h eg r o w t ho ft h ec o m m e l i n ac o m m u n i sa n dc u c o n c e n t r a t i o n s t h er e s u l t sd e s c r i b e da b o v ei n d i c a t et h a tt h ec o h n e l l a s p g o e t h i t e t r e a t i n gi st h eb e s t ，a n di tc a ns u i t a b l ef o rr e p a i r i n gm i n i n ga r e ac o n t a m i n a t e ds o i l b yc o h n e l l a s p 一g o e t h i t e - c o m m e l i n ae o m m u n i s k e yw o r d s ：c o h n e l l a s p ；g o e t h i t e ；c o m m e l i n ac o m m u n i s ，c u 将结束。此时 的不舍之情。 助，使我专业 水平显著提高了知识技能，受益匪浅。 首先我要感谢导师周涛发教授，三年来对我学业悉心指导与帮助，周老师 渊博的理论知识，严谨的治学态度，敏锐的科学思维和孜孜不倦的工作精神让 我深受感动，终身难忘，将是我一生学习和工作的榜样。 衷心感谢李湘凌老师，从课程学习到论文选题，从实验计划到论文完成， 李老师都给予了我耐心的指导和宝贵的建议，这是我论文得以顺利完成的重要 保障。 感谢袁峰老师和范裕老师学习过程中给予的宝贵意见和经验，启发我解决 了实验和论文完成过程中的许多难题。 感谢4 3 5 研究室所有师兄弟( 姐妹) ，在与你们朝夕相处的日子里，让我的 三年生活充满了欢声笑语，留下了很多美好的回忆和珍贵的友谊。 最后，衷心感谢我的家人，三年来是你们默默的支持与鼓励，才使我学业 得以顺利完成。 作者：范丽 2 0 1 1 年4 月 1 。? l 2 2 1 2 2 重金属的生物有效性与植物修复的关系2 1 2 3 超富集植物与植物修复的关系6 1 3 土壤重金属植物修复的主要强化措施8 1 3 1 化学强化措施8 1 3 2 生物强化措施9 1 4 研究目的、意义及研究内容9 1 4 1 研究目的和意义9 1 4 2 研究内容1 0 1 4 3 技术路线1 l 第二章类芽孢杆菌及其与针铁矿交互作用下土壤中c u 元素形态分布特征1 3 2 1 材料与方法1 3 2 1 1 试验用菌和培养液：j 1 3 2 1 2 试验仪器1 4 2 1 3 供试土壤1 4 2 1 4 供试针铁矿1 4 2 1 5 试验过程和方法1 4 2 2 结果与分析1 8 2 2 1 类芽孢杆菌与类芽孢杆菌针铁矿吸附c u 2 + 前后的红外光谱结果1 8 2 2 2 类芽孢杆菌对土壤中c u 元素形态分布的影响2 0 2 2 3 类芽孢杆菌对添加针铁矿土壤中c u 元素形态分布的影响2 7 2 2 4 类芽孢杆菌对原土和添加针铁矿的土壤中c u 形态影响的对比分析3 2 2 3 小结3 4 第三章类芽孢杆菌、针铁矿及其交互作用对鸭跖草富集土壤c u 的影响3 5 3 1 材料与方法3 5 3 1 1 土壤处理3 5 3 1 2 鸭跖草盆栽试验3 5 3 i 3 鸭跖草根际土壤理化性质及c u 形态分布3 6 3 1 4 鸭跖草根际土壤微生物群落分布3 6 弘卯物分知铊“的 如 如如 钇 插表清单 表2 1 实验仪器1 4 表2 2 供试土壤的基本理化性质1 4 表2 3 不同类芽孢杆菌接种量条件下土壤溶液p h 值2 0 表2 4 不同类芽孢杆菌接种量下产酸结果( r a g l ) 2 1 表2 5 接种类芽孢杆菌后土壤中各形态c u 含量( m g k g ) 及各形态比例( ) ：1 1 表2 6p h 与接种量和灭菌土壤重金属c u 各形态的相关系数2 3 表2 7 接种类芽孢杆菌后未灭菌土壤p h 、各形态c u 含量( m g k g ) 及各形态 比例( ) 2 4 表2 8 添加针铁矿的土壤在不同类芽孢杆菌接种量条件下的p h 值2 7 表2 9 接种类芽孢杆菌后添加1 针铁矿的土壤中各形态c u 含量( m g k g ) 及各形态比例( ) 2 8 表2 1 0 接种类芽孢杆菌后添加1 针铁矿的未灭菌土壤中各形态c u 含量 ( m g k g ) 及各形态比例( ) 3 0 表3 1 盆栽试验处理设置3 5 表3 2 各处理下鸭跖草根际土壤微生物群落组成3 7 表3 3 各处理下鸭跖草修复后根际土壤中c u 各形态的含量及各形态比例 ：j z i ( ) 表3 4 各处理下鸭跖草的生长指标4 2 表3 5 各处理下鸭跖草的c u 富集量4 4 插图清单 图1 1 重金属形态转化关系图3 图1 2 研究工作流程图1 1 图2 1 类芽孢杆菌( c o h n e l l a s p ) 在光学显微镜下的形态1 3 图2 2 类芽孢杆菌( c o h n e l l a s p ) 吸附c u 前后的红外光谱图a 吸附c u 2 + 前； b 吸附c u 2 十后1 8 图2 3 类芽孢杆菌( c o h n e l l a s p ) 与铁氧化物( 针铁矿) 交互作用形成的复 合物吸附c u 2 + 前后的红外光谱图a 吸附c u 2 + 前；b 吸附c u 2 十后1 9 图2 4 不同接种量下土壤中c u 各形态所占比例的分布图2 2 图2 。5 不同接种量下灭菌土与未灭菌土中c u 形态比例对比图2 6 图2 6 不同接种量下添加1 的针铁矿的灭菌土壤中c u 各形态比例分布图 ：1 9 图2 7 不同接种量下添加针铁矿的灭菌土壤和未灭菌土壤中c u 各形态比 例分布对比图3 1 图2 8 灭菌的原土和灭菌的添加1 针铁矿的土壤在接种类芽孢杆菌后c u 各形态比例的分布对比图3 2 图2 9 未灭菌的原土和未灭菌的添加l 针铁矿的土壤在接种类芽孢杆菌 后c u 各形态比例的分布对比图3 3 图3 1 根际土壤稀释1 0 巧时，各处理下细菌平板计数结果3 8 图3 2 根际土壤稀释l o 。3 时，各处理下真菌平板计数结果3 9 图3 3 各处理下鸭跖草修复后根际土壤中c u 各形态的分布4 1 图3 4 各处理下鸭跖草主枝长度及干重4 3 图3 5 各处理下鸭跖草对c u 的富集浓度及富集总量4 5 图3 6c u 0 c k 和c u 0 菌针处理下鸭跖草的生长情况4 6 图3 。7c u 0 c k 处理下的鸭跖草组织一茎的横截面形态( x 3 5 0 ) 及能谱分析 图谱4 7 图3 8c u 0 菌针处理下的鸭跖草组织茎的横截面形态( x 3 5 0 ) 及能谱分 析图谱4 8 第一章文章综述 1 1 土壤重金属c u 的污染与危害 土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是生态环境的重要组成部分。 随着工业和城市污染的加剧和农用化学物质种类和数量的增加，土壤重金属污 染日益严重，污染面积逐年扩大。据报道，我国将近0 2 亿h m 2 的土壤遭受不 同程度的重金属污染，其中c d 、c u 和p b 的污染比较广泛和突出。( 徐应明等， 2 0 0 6 ) 。 c u 是生物必须的微量元素，又是环境污染元素。土壤中c u 的含量一般为 2 1 0 0 m g k g ，我国环境标准规定的土壤背景值为2 3 m g k g 。但是在一些c u 矿附 近的土壤中的c u 含量却比背景值高两个数量级( 赵静，2 0 0 9 ) 。如c u 陵矿区土 壤中c u 含量为4 7 5 1 0 0 6 3 9 m g k g 左右，其平均值为1 3 9 6 1 m k g ，是背景值的 6 0 倍( 张鑫，2 0 0 5 ) ；甘肃金川镍c u 矿山附近的土壤中，c u 的含量最高位 4 6 9 8 7 0 m g k g ，平均含量为l7 4 4 8 7m g k g ，是背景值的7 6 倍( 李小虎等，2 0 0 8 ) ； 福建某矿区周围土壤的c u 含量为2 6 6 8 2 0 9 1 4 6 4 0 m g k g ，平均含量为4 5 1 4 2 7 m g k g ，是背景值的2 0 倍( 许雅玲等，2 0 0 9 ) 。这些矿区土壤的c u 含量不仅超过 背景值两个数量级，同时也超过国家土壤环境质量三级标准限值( 4 0 0 m g k g ) 一个数量级，污染状况非常严重。 当进入土壤中的重金属c u ，远远超出土壤的自净能力以及耐受能力的范围 时，就会降低土壤生态环境质量，危害作物产量与品质，而且可以通过食物链 危害人类的生命和健康。已有研究表明，植物c u 中毒后，表现出根系伸长受阻， 褐变畸形，叶片黄化并有褐斑等。曹越等( 2 0 1 0 ) 报道，当土壤中的c u 浓度超 过某一阂值时，作物根部会受到直接毒害，影响水分和养分的吸收，造成作物 生长不良甚至死亡。紫云英受到c u 污染时，其根尖扭曲腐烂，细胞质膜受到损 伤( 倪才英等，2 0 0 3 ) 。通过食物链进入人体的过量c u ，会引起一系列病变。 人体摄入过量的c u 很容易蓄积在肝脏内，对肝脏造成负担，一旦肝脏出现问题， 肝硬化和肝腹水等病变就会出现。同时，c u 摄入过量还可引起神经系统、消化 系统、心血管方面和内分泌系统出现紊乱，出现神经衰弱综合症、腹痛腹泻黄 疸、心悸、高血压或低血压和阳痿等病变。 同时土壤受n c u 污染时，土壤微生物数量、种群结构、土壤酶活性、生物 多样性和基础呼吸也会受到影响( 倪才英等，2 0 0 3 ) 。龙健等( 2 0 0 2 ) 对矿区 c u 污染土壤微生物量的研究表明，重度污染( 全c u 含量为1 6 2 6 8m g k g ) 和中 度污染( 全c u 含量为1 5 8 7m g k g ) ) 的矿区土壤的微生物生物量只有非矿区土 壤( 全c u 含量为4 1 6m g k g ) ) 的1 9 7 和3 1 6 。e l l i s 等( 2 0 0 1 ) 报道也指出， c u 显著减少土壤中可培养微生物的总量。通常情况下重金属污染对微生物群 落结构的影响表现在两个方面：一是不适应重金属毒性的微生物种数量的减少 或绝灭：二是适应重金属毒性的微生物数量的增大与积累。重金属污染导致的 土壤微生物群落的变异性的增大，降低了群落的稳定性( 王秀丽等，2 0 0 3 ) 。赵 祥伟等( 2 0 0 5 ) 的研究还表明，不同程度的重金属复合污染使得土壤微生物群 落遗传多样性改变了。同时王秀丽等( 2 0 0 2 ) 等研究重金属c u 污染对土壤环境 质量生物学指标时发现，c u 污染明显抑制了土壤酶活性，使得土壤中物质和能 量转化、养分释放等生化过程受到影响( 倪吾钟等，2 0 0 3 ) 。目前，c u 污染对 高等植物毒害作用的研究目前主要集中在对植物光合作用、细胞结构、细胞分 裂、酶学系统和其他营养元素的吸收上。 1 2 土壤重金属植物修复及主要限制因素 1 2 1 植物修复的概念和作用方式 重金属相对稳定不易降解，而且可以在土壤中长期存留并富集，因而是最 难修复的一类土壤无机污染物质。现有的物理或化学修复技术存在着造价昂 贵、需要复杂设备、破坏污染土壤场地结构，影响土壤理化性质或者破坏土 壤生物多样性等缺点( c h a n n y e ta 1 ，1 9 8 3 ；q u y a n g ，2 0 0 2 ；r a s k i ne ta 1 ，l9 9 4 ) ， 而植物修复技术普遍被认为具有利用太阳能、成本低、不引起二次污染、生 态协调及环境美化功能等优点( s a l te ta 1 ，1 9 9 5 ；a l k o r t ae ta 1 ，2 0 0 1 ；w e b e r e ta 1 ，2 0 0 1 ) ，因此，植物修复技术是一项很有发展潜力的技术( k r a m e re ta 1 ， 1 9 9 6 ：o r t i ze ta 1 ，1 9 9 5 ) 。 土壤重金属植物修复是以可以耐受或积累重金属的植物为基础，利用自然 生长或遗传培养的植物消除土壤环境中的重金属。重金属污染土壤的植物修复 技术可以有三种方式：( 1 ) 植物稳定一通过耐受重金属植物根系的分泌物去螯 合、沉淀土壤中的重金属，降低重金属的生物有效性和移动性，防止其进入食 物链，危害环境和人类；( 2 ) 植物挥发一通过植物将污染物吸收到体内后，将 其转化为气态物质，释放到大气环境中，降低污染物对土壤环境的危害： ( 3 ) 植物提取一通过超累积植物根系从土壤中吸取重金属，将其转移、贮存到植物 地上部分，然后通过地上部分收获，回收重金属。 1 2 2 重金属的生物有效性与植物修复的关系 重金属的生物有效性是指重金属能对生物体产生毒性效应或被生物吸 收的性质，它是植物根系从土壤中吸收重金属的重要因素( c a r l o se ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 重金属在土壤中一般以多种形态存在，不同的化学形态对生物的有效性不同。 根据不同形态重金属对生物的有效性，可以分为3 类：易利用态、可利用态和惰 2 性态( 李晓晨，2 0 0 7 ) 。易利用态为可交换态，可以直接被生物利用；可利用态 包括碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态，它们必须在酸性或者其 它特定环境下才能释放出来，转化成活性态为生物利用；惰性态主要指残渣态 的重金属，它们主要存在于硅酸盐、原生和次生矿物等土壤晶格，通常不能为 生物利用。易利用态、可利用态和惰性态重金属之间经常处于动态平衡状态， 易利用态部分的重金属一旦被植物吸收而减少时，可利用态重金属就会转化为 易利用态来补充，而当易利用态部分重金属因外界输入而增多时，则会促使可 利用态向惰性态部分转化，这三种形态在某一时刻可达到某种平衡状态，但随 着环境条件( 如土壤p h 、有机质、氧化还原电位和土壤质地、植物吸收等) 的改 变而不断地发生变化( 图1 1 ) 。 图1 1 重金属形态转化关系图 土壤中重金属的形态转化受到多种因素的制约，特别是各种有机、无机 胶体组分对重金属离子的吸附解吸、溶解沉淀、螯合、配位等等。土壤有机 胶体，特别是土壤微生物，数量众多、比表面积大、带电、代谢活动旺盛， 可以通过多种方式影响土壤重金属的活性。土壤无机胶体如铁氧化物含有大 量的羟基和水合羟基等官能团，它们可以与重金属发生配位络合，改变土壤中 重金属元素的形态分布，影响重金属的生物活性和毒性。 ( 1 ) 微生物对土壤中重金属活性的影响 重金属污染土壤中的微生物，长期在重金属的选择作用下，会不断增强自 己的耐性、抗性，并通过生物积累和生物吸着、生物转化作用影响重金属的活 性及毒性( 滕应等，2 0 0 7 ) 。 微生物对重金属的生物积累和生物吸着 微生物对重金属的生物积累和生物吸着，主要包括吸附、沉淀以及胞内积 累等3 种形式。 a 、微生物对重金属的吸附作用 微生物的主要重金属吸附位点包括细胞壁、胞外聚合物和细胞膜 3 ( t a b a k e t a 1 ，2 0 0 5 ) 。 荧光假单胞菌吸附的c d 2 + 有6 5 是细胞壁的作用( m c e l d o w n e y ，2 0 0 0 ) 。 细菌细胞壁的组分肽聚糖、脂多糖、磷壁酸可以吸附重金属离子( 郭学军等， 2 0 0 2 ；l a n g l e ye ta l ，1 9 9 9 ；b e v e r i d g e ，1 9 8 9 ) 。报道，耐c d 2 + 菌株细胞壁上活 性基团n h 2 、c o o h 和p 0 4 3 - 活跃参与重金属离子的络合作用( 刘爱民等， 2 0 0 5 ) 。进一步的研究指出，革兰氏阳性菌的吸附位点是细胞壁肽聚糖、磷壁酸 上的羧基和糖醛酸上的磷酸基，因此它们有很强的吸收金属阳离子的趋向；革 兰氏阴性菌富集重金属离子的位点主要是脂多糖分子中的核心低聚糖和氮乙酰 葡萄糖残基上的磷酸基及2 一酮3 脱氧辛酸残基上的羧基( b e v e r i d g ee t a l ， 1 9 9 5 ) ，肽聚糖含量少，因此表现出对金属有限的吸附能力( b e v e r i d g e ，1 9 8 9 ) 。 微生物分泌的代谢产物胞外聚合物也可吸附重金属( 陈亚刚等，2 0 0 9 ) 。 胞外聚合物主要包括多糖和多肽，其他的物质成分包括蛋白质，核酸和营养盐 类，这类物质的表面常带有一c o o 、一h p 0 4 、o h 。等基团，使得胞外聚合物不 但具有离子交换特性，也可以与金属离子发生螯合作用。土壤中的固氮杆菌属， 假单孢杆菌属，根瘤菌属分泌的荚膜多糖，可以有效的固定重金属( l a n g l e ye t a 1 ，1 9 9 9 ：b e v e r i d g e ，1 9 8 9 ) 。 b 、微生物对重金属的沉淀作用 微生物可以通过异化还原作用或是微生物自身新陈代谢作用，产生s 2 + 和 p o 。3 。，这些离子与金属离子发生沉淀反应，使有毒有害的金属元素转化为无毒 或低毒金属沉淀物。例如环境中的硫还原细菌可以通过两种方式将硫酸盐还原 成硫化物，一是在呼吸过程中硫酸盐作为电子受体被还原；二是在同化过程中 利用硫酸盐合成氨基酸如胱氨酸和蛋氨酸，再通过脱硫作用使s 分泌于体外 ( 郭学军等，2 0 0 2 ) 。呼吸方式已经在水重金属污染和土壤重金属污染的治理领 域得到应用，其反应机理为：有机物+ s 0 4 厶一c h 3 c o o 。+ h s 。+ h c 0 3 ；m e p ( 金 属离子) + h s 一m e sl + h + ( v i v e ke ta 1 ，2 0 0 3 ；k a t h ye ta 1 ，2 0 0 0 ) 。已有报 道( w h i t ee ta l ，1 9 9 8 ，2 0 0 0 ；l a b r e n ze ta l ，2 0 0 0 ；w a n ge ta l ，2 0 0 1 ) 指出环 境中的z n 、c u 、p b 、n i 、c o 和c d ，在硫酸盐还原菌的作用下可生成硫化物沉 淀( z n s 、c d s 、c u s 、c o s 、ni s 和p b s ) ，从而降低重金属的迁移性。也有学 者报道，产气克氏杆菌的抗金属菌株可以促使p b 、h g 和c d 生成不溶的硫化物颗 粒，沉淀在细胞外表面( 池振明，2 0 0 5 ) 。 再如，环境中微生物可通过两种方式释放无机磷酸盐，而无机磷酸盐易与 金属发生沉淀反应，一种方式是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；另一种方式是细菌在好氧条件下不 断合成多磷酸盐，并把多磷酸盐作为细菌生长代谢的能源物质，在厌氧条件下， 多磷酸盐被降解产生a t p ，同时产生金属磷酸盐的沉淀( 池振明，2 0 0 5 ) 。f i n l a y 4 等( 1 9 9 9 ) 报道，将柠檬酸菌细胞固定于生物膜反应器通过化学耦合作用，以 h u 0 2 p 0 4 沉淀形式，去除超过9 0 的金属u 。m a e a s k i e 等( 1 9 8 7 ) 也指出，革 兰氏阴性细菌c i t r o b a e e r 分泌磷酸酶产生的大量磷酸氢根离子在细胞表面与重 金属形成沉淀。 c 、微生物对重金属的胞内积累 微生物可通过摄取必要的营养元素主动吸收重金属离子，将重金属离子富 集在细胞内部( 王新等，2 0 0 4 ；b e v e r i d g ee ta 1 ，19 7 8 ，19 8 1 ) 。在生物累积过 程中，可溶性金属从微生物细胞外通过细胞膜转运到细胞质中，金属离子在细 胞中被隔离到特定部位，以防止接触到重要的细胞组分或细胞器，或者在细胞 质中被胞内蛋白质结合，形成无毒螯合物，降低重金属的毒性。( v i j v e re ta l ， 2 0 0 4 ) 报道，活酵母将吸收的s r 和c o 离子积累在液泡里。真菌可将大部分吸 收的c 0 2 + 、m n 2 + 、m 9 2 + 、z n 2 + 和k + 以离子态、或低分子量的多聚磷酸 酯结合态累积于小气泡中。此外，许多微生物的胞内蛋白可以被z n 、c d 、c u 、 h g 等金属诱导，与这些金属形成螯合物，从而降低细胞内金属的生物活性及毒 性( c a v e t ，2 0 0 3 ；g u i m a r a e s s o a r e s ，2 0 0 6 ；j a e c k e l ；2 0 0 5 ) 。与重金属结合形 成无毒螯合物的蛋白质主要指金属硫蛋白。例如，聚球藻产生的金属硫蛋白与 重金属都有很强的络合能力。 微生物对重金属的生物转化作用 a 、还原作用 脱色希瓦氏菌( s h e w a n e l l ad e c o l o r a t i o n i s ，s j 2 ) ( 一株异化铁还原菌) 和 脱弧杆菌( d e s u l f o v i b r o ) ，在厌氧条件下能够将三价铁( f e ( i i i ) ) 还原成亚铁 ( f e ( i i ) ) ( f r a n c i sa j ，e ta l ，1 9 8 8 ；李晓敏等，2 0 0 9 ) 。亚硒酸可以被某些细菌和真 菌如e e o l i 和链孢霉菌还原为元素硒。铬酸盐和重铬酸盐可以被青霉菌、产碱 菌属( a z c a l i g e n e s ) 、芽孢杆菌属、棒杆菌属( c o r y n e b a c t e r i i z m ) 、肠杆菌属、假单 胞菌属和微球菌属( m i c r o c o c u s ) 等还原为低毒性的c r 3 + ( w a n ge ta l ，1 9 9 7 ) 。程 国军等( 2 0 0 8 ) 从耐c r ( v i ) 试验分离出了抗c r ( v i ) 细菌m d s 0 8 ，将m d s 0 8 接 种到含0 2 m m o l 的c r ( v i ) 的液体培养基中，2 4h 对c r ( v i ) 的还原率达至1 j 9 9 。硫酸盐可以被硫酸盐还原菌还原为s 厶( 郭学军等，2 0 0 2 ) 。 b 、氧化作用 a s 元素在环境中可以以0 价、3 f i r 、+ 3 价和+ 5 价形式存在。在无机a s 中+ 3 价a s 比+ 5 价a s 的生物毒性大几倍。环境中有些细菌如化能自养亚a s 酸盐氧化菌 ( c h e m o a u t o t r o p h i ca r s e n i t eo x i d i z e r , c 么d ) 和异养亚a s 酸盐氧化菌 ( h e t e r o t r o p h i c a r s e n i t eo x i d i z e r , h a o ) 可以氧化as ( i i i ) 为as ( v ) ，降低其毒性 ( 洪斌等，2 0 0 6 ) 。已有研究发现( 杨宏等，2 0 0 8 ) ，氧化硫硫杆菌( t h i o b ac i l l u s t h i o o x i d a n s ) 和氧化亚铁硫杆菌( t h i o b ac i l l u s f e r r o o x i d a ，l s ) 、生丝微菌属 ( h y p k o m i c r o b i u m ) 等可以氧化m n ( i i ) 和f e ( i i ) 。也有报道阐述( s m i t h e ta l ， 5 1 9 9 8 ) ，e c o i l 、芽孢杆菌( b a c i l l u s ) 和链霉菌( s t r e p t o m y c e s ) 可以氧化汞。 c 、溶解作用 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。土壤 微生物的代谢作用能产生多种有机酸，如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、柠檬酸、 苹果酸、琥珀酸以及各种氨基酸等，以此溶解、络合土壤中固定的稳定态的重 金属。 李荣林等( 2 0 0 6 ) 报道，在营养充分的条件下，p b 、c d 耐受性真菌( 白腐 菌) 可以促进p b 、