重金属污染土壤生态修复研究进展聪.docx

重金属污染土壤生态修复研究进展马思聪（生物技术5班 生命科学学院 黑龙江大学 哈尔滨150080）摘要：污染土壤微生物生物修复技术是一项非常有应用前景的环保新技术。本文综述了近年来重金属对土壤微生物生物量、种群及生化过程的影响以及微生物对重金属污染土壤的修复机理和修复研究进展，较全面的分析了重金属对土壤微生物的生态效应。关键词：土壤微生物；重金属；生物修复Research Progress on ecologicalremediation of soil contaminated withheavy metalsMa Sicong(The 5th class of Biologicaltechnology , College of Life Science, Heilongjiang University, Harbin,150080)Abstracts: The technology of microbialbioremediation of pollutedsoil isa very promisingnew environmental protection technologies.This paper reviews recentheavy metals on soilmicrobial biomass,populationand biochemicalprocess andrepair mechanismof microorganisms onsoil heavy metal pollutionandbioremediation,a comprehensive analysis of theecologicaleffect of heavy metals on soilmicroorganisms.Keywords: Soil microorganism;heavy metal;bioremediation正文：土壤重金属污染是指人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于原有含量、并造成生态环境质量恶化的现象1。它一方面对农作物、农产品和地下水等许多方面产生重大影响，并通过食物链危害人体健康；另一方面因大多数重金属在土壤中相对稳定且难以迁出土体，对土壤理化性质及土壤生物学特性(尤其是土壤微生物)和微生物群落结构产生明显不良影响，从而影响土壤生态结构和功能的稳定性。国内外专家曾采用非毒性改良剂法、深耕法、排土法和客土法以及化学冲洗等方法来解决土壤重金属污染问题。但由于上述方法自身的局限性，都未能成为较为理想的土壤重金属污染治理措施14，6，7。为此，近年来提出的土壤污染生物修复受到广泛的重视。土壤污染生物修复是利用各种天然生物过程而发展起来的一种现场处理土壤环境污染的技术，具有处理费用低、对环境影响小、效率高等优点。生物修复的途径主要有两条：通过在污染农田种植植物，利用其自身生物学特性对重金属加以吸收、积累去除污染物；但其重金属生物载体可能产生二次污染，至今也未找到有效的解决途径。利用微生物的生物活性对重金属的亲合吸附或转化为低毒产物，从而降低重金属污染程度4，5，8。但这种方法应用难度较大，目前尚未获得突破性进展。本文将评述重金属污染对土壤微生物生物量、群落结构及生物化学过程的影响以及重金属污染土壤的微生物修复机理。壤微生物生物量是指土壤中体积小于5103 mm3的生物总量。它能代表参与调控土壤中能量和养分循环以及有机质转化的对应微生物的数量，且土壤微生物量碳或氮转化速率较快，可以很好地表征土壤总碳或总氮的动态变化，是比较敏感的生物学指标5。大量研究表明：重金属污染的土壤，其微生物生物量存在不同程度的差异。Brookes和Mcgrath用熏蒸法测定了连续20 a施用污泥的农田土壤微生物生物量，发现其微生物量比施用粪肥的土壤低得多18。Kandeler等人研究指出Cu、Zn、Pb等重金属污染矿区土壤的微生物生物量受到严重影响，靠近矿区附近土壤的微生物生物量明显低于远离矿区土壤的微生物生物量16。研究表明：不同重金属及其不同浓度对土壤微生物生物量的影响效果也不一致。Chander研究了不同重金属浓度对土壤微生物生物量的影响，结果表明只有当重金属浓度达到欧盟制定的标准土壤重金属环境容量的23倍，才能表现出对微生物生物量的抑制作用19。Fliebbach等研究结果表明低浓度的重金属能刺激微生物的生长，增加微生物生物量碳；而高浓度重金属则导致土壤微生物量碳的明显下降12。Khan等采用室内培养实验，研究了Cd、Pb和Zn对红壤微生物生物量的影响，当其浓度分别为30 ug g-1、450 ug g-1、150 ug g-1时导致微生物生物量的显著下降13。土壤环境因素也影响重金属污染对土壤微生物生物量的大小。比如，Baath等研究表明，重金属污染对不同质地土壤的微生物生物量的影响是不同的，对砂质、砂壤质土壤的微生物量生物量的抑制作用比壤质、粘质土壤大得多11。土壤微生物种群结构是表征土壤生态系统群落结构和稳定性的重要参数之一。通常情况下，重金属污染对微生物有两个明显效应：一是不适应生长的微生物种数量的减少或绝灭；二是适应生长的微生物数量的增大与积累。近年来国内外学者采用较为先进的碳素利用法、脂肪酸甲基酯（PLFA）分析法及核酸测定法研究了土壤微生物功能多样性和结构多样性。Knight等用BIOLOG微平板反应系统评价了Cd、Cu、Zn污染土壤微生物的功能多样性17。Kell等也用BIOLOG微平板反应系统对锌污染下的土壤微生物群落进行了研究，发现锌污染会影响土壤微生物群落结构和功能多样性18。Baath等人用碳素利用法研究了Cu、Ni、Zn等重金属污染土壤的微生物组成，结果得出高铜污染土壤中微生物群落比Ni、Zn污染的土壤中微生物群落少，重金属严重污染会减少能利用有关碳底物的微生物量的数量，降低微生物对单一碳底物的利用能力，减少了土壤微生物群落的多样性19。姚槐应等研究了外源铜对不同利用方式下红壤中微生物群落结构的影响，结果表明外源铜对不同利用方式的红壤微生物群落结构有明显影响，且重金属污染降低了土壤微生物对碳源的利用效率。Smit等用核糖体DNA限制性分析法研究了土壤微生物对外源铜的反应，表明两种土壤中的微生物量种类均发生一定变化。Frostegard等用磷酸酯脂肪酸法（即PLFA法）研究了森林土壤和农用耕地对外源锌污染的反应，结果表明：两种土壤的总磷酸酯脂肪酸均随Zn浓度的增加而下降，但182w5,9脂肪酸所占比例随着浓度的加大而上升28。但Pennanen等人研究了长期遭受Cu、Zn、Pb、Cd复合污染土壤，其结果与Frostegard的结论不一致，即重金属污染使20:4及182w5,9脂肪酸比例显著下降，同时也使支链180、170、160、161的脂肪酸的比例发生变化（即真菌、细菌的比例有下降趋势）。随后，有人用不同浓度的Cd、Cu、Ni、Pb、Zn等重金属元素，详细探讨了182w5,9脂肪酸的比例变化，结果表明除Cu污染使其比例下降外，其余污染物使182w5,9脂肪酸的比例上升29。一些微生物可对重金属进行生物转化，其主要作用机理是微生物能够通过氧化、还原、甲基化和脱甲基化作用转化重金属，改变其毒性，从而形成了某些微生物对重金属的解毒机制4，6。在细菌金属抗性和生物修复的可行性研究中，许多人关注了汞的脱甲基化和还原挥发、亚砷酸盐氧化和铬酸盐还原以及硒的甲基化挥发等。细菌对Hg的抗性归结于它含的两种诱导酶；一种Hg还原酶和一种有机Hg裂解酶，其机制是通过汞-还原酶将有机的Hg2+化合物转化成低毒性挥发性的汞；李志超发现有些微生物能把剧毒的甲基汞降解为毒性较低的无机汞。Fwukowa从土壤中得到假单胞杆菌K-62，它也能分解无机汞和有机汞而形成元素汞。可见，利用无机和有机汞化合物还原及挥发，铬酸盐还原和亚砷酸盐氧化特性，可应用于重金属污染土壤的微生物修复。Frankenber等以硒的生物甲基化作为基础进行原位生物修复，通过耕作、优化管理、施加添加剂等来加速喜硒的原位生物甲基化，使其挥发来降低加利福尼亚Resterson水库里硒类沉积物的毒性，此生物技术已应用于清除美国西部灌溉农业中的硒污染33。由上述可知，重金属污染土壤的微生物生态效应，不仅在土壤微生物生物量、种群结构、生理生化代谢活性以及生物修复的机理等基础理论研究上取得了一定的研究进展，且在生产实践中也得到一定程度的应用（特别是国外发达国家）。但其广泛应用难度较大，目前尚未获得突破性的进展。主要存在以下几个方面问题。（1）由于土壤环境本身的非均质性，加之外界环境条件变化比较复杂，难以确定不同土壤条件下重金属对土壤微生物的毒害临界值以及寻找有价值的微生物学评价指标，因而尚未定量制定出统一的土壤重金属环境质量标准。（2）目前这方面研究侧重于室内培养试验，研究结果与野外实际条件存在很大的差异，仍然需要作大量的野外试验以获得准确的试验参数来验证室内实验的结果，以期建立较为标准的研究方法。（3）目前应用微生物修复重金属污染环境仍存在许多技术上的难题。比如，环境中的重金属污染往往呈复合形态，怎样将具有不同修复功能的高效菌株加以混合培养？怎样将微生物修复技术与其它环境净化技术进行有效的组装、配套等问题。随着分子生物技术和基因工程技术的迅速发展，有待于从分子水平上去研究重金属对土壤微生物的影响机制，为进一步研究和运用微生物生物修复技术提供科学依据。参考文献：1 陈怀满. 土壤-植物系统中的重金属污染M. 北京: 科学出版社，1996.2 唐世荣，黄昌勇，朱祖祥. 污染土壤的植物修复及其研究进展J. 上海环境科学，1996，15（12）: 37-39.3 龚平，孙铁珩，李培军. 重金属对土壤微生物的生态效应J. 应用生态学报，1997，8（2）：218-224.4 夏立江，华珞，李向东. 重金属污染生物修复机制及研究进展J. 核农学报，1998，12（1）：59-64.5 蒋先军，骆永明，赵其国. 重金属污染土壤的微生物学评价J. 土壤，2000，3：130-134.6 王保军. 微生物与重金属的相互作用J. 重庆环境科学，1996，18（1）: 35-38.7 李志超. 微生物对甲基汞的降解作用J. 环境科学，1984，5(3): 61-64.8 马文漪，杨柳燕. 环境微生物工程M. 南京: 南京大学出版社，1998: 136-141.9 王淑芳，胡连生，纪有海，等. 重金属污染黑土中固氮菌及反硝化菌作用强度的测定J. 应用生态学报，1991，2 (2): 174-177. 10 Berg B、G ekbohl Reduction of decompostion错过了苏格兰松木垃圾由于重金属污染 J 。水和土壤的污染空气，1991年，59：165- 178。 11 . Effects of复兴党重金属土壤微生物过程和我们人民（a review） J 。水和土壤的污染空气，1989年，47 :379335-。 12 fliepbach，马丁瑞宝。土壤微生物生物量，土壤和活性在处理以及重金属污染污泥 J 。土壤生物学倍肯，1994年，26：1201-1205。 13 汗K S，谢Z M，黄C . Effects of镉、铅和锌在土壤微生物生物量在红色size of J 。土壤圈，1998年，8:2732。 14 babichhd stotzk G开发标准，包括环境为毒物：the need to consider非生物环境因子与微生物介导的生态过程 J 。环境健康透视，1983年，49：247260。 15 汉斯特拉L谷氨酸分解土壤中重金属污染J 一个敏感的措施。土壤生物化学，1983，16：595-600。 16 kandeler E，luftenegger G，施瓦茨美国影响重金属对土壤微生物群落功能多样性研究 J 。生物和土壤肥力：23，1997，299-306。 17 骑士B.生物量碳基材的利用模式测量和微生物种群的土壤镉，铜，锌的研究J 。应用与环境bicrobiology，1997，63，：39-43.。 18 凯尔L J，R L泰特影响重金属污染和修复在锌冶炼厂J附近土壤微生物群落。环境科学学报，1998，27（3）：609-617。 19 复兴e.diaz-ravina M，Frostegard，等。丰富的金属污泥对土壤微生物群落的影响J.。应用与环境bicrobiology，1998，64：238-245。 20 姚华，他将儿子M Z，J，et al.。随着肥力和土地用途的改变J.序列中的土壤微生物生物量和群落结构。微生物生态学，2000，40：223-237。 21 布鲁克斯P C的影响金属的毒性对土壤微生物生物量的研究J 的大小。土壤科学学报。1984，35：341-346。 22 Chander K，布鲁克斯P C合成补充葡萄糖的微生物生物量的重金属污染和非污染土壤熏蒸后重复J.。土壤生物化学，1992，24：613-614。 23 麦克格拉斯S P M，乔德里，污水中的微生物在土壤中，重金属吉勒K E.长期的影响J，植物。工业微生物学杂志，1995，14：94-101。 24 吉勒KE.应用土壤生态学，1997，6：3-16。 25 将克B M的长期影响了不同无机污染物氮转换在一个沙地张丹J 。生物肥料的土壤，1989，7：254-258。 26 罗瑟J A.季节性波动的固氮细菌无镉污染的土壤，铅和锌的研究J 。J土壤科学，1982，33：101-113。 27 斯密特E.检测通过扩增核糖体DNA限制性分析 J 铜污染土壤微生物群落结构和多