浅谈微生物修复土壤重金属和农药污染的研究进展.doc

1、浅谈微生物修复土壤重金属和农药污染的研究进展XXX1(1. 西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100）摘要：土壤污染是引起土壤质量退化，影响我国农业可持续发展和粮食安全、农业生态环境安全的重要问题。目前，土壤污染的修复方法中以生物修复效果较好，其中微生物修复在土壤污染净化、修复中显示出的作用越来越重要。该文以土壤污染中的重金属污染和化学农药(除草剂)残留等有机污染为切入点，分析了我国土壤的重金属污染和农药污染的严峻形势,综述了微生物修复土壤重金属和农药污染的研究进展，讨论了微生物在土壤重金属和农药污染修复中前景。关键词：土壤重金属、农药、微生物修复Analysis on the res

2、earch progress on microbial remediation of soil contaminated with heavy metals and pesticidesXXX1(1. College of Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)Abstract: Soil contamination has resulted in soil quality degradation, and influenced the agricultural sus

3、tainable development as well as agricultural eco-environmental security. Currently, bio-remediation of soil pollution remediation methods is a better way, in which microbial remediation has play more important role in soil contamination purification and remediation. The objective of this study is to

4、 investigate the heavy metals pollution and chemical pesticides (e.g., herbicides) residues in soil contamination, analyze the severe situation on soil heavy metals pollution and pesticide pollution in China, describe the research progress of microbial remediation of soil polluted by heavy metals an

5、d pesticides, and discuss the prospect on the effect of microbial remediation on soil heavy metal and pesticide pollution.Key words：soil heavy metals; pesticides; Microbial remediation 土壤污染是指各种外来物质进入土壤并积累到一定程度，超过土壤本身的自净能力，而导致土壤性状变劣、质量下降的现象或者对人类及动、植物有害的化学物质经人类活动进入土壤，其积累数量和速度超过土壤净化速度的现象。因此，凡是妨碍土壤正常功能，

6、降低作物产量和质量，还通过粮食、蔬菜，水果等间接影响人体健康的物质，都叫做土壤污染物1。土壤污染大致可分为以重金属为主的无机污染和有机农药为主的有机污染两大类。2006年7月,国家环保总局在全国土壤污染状况调查及污染防治专项工作会议上发布的最新统计数据显示,目前全国受污染的耕地约有1000万hm2，有机污染物污染农田达360万hm2,主要农产品的农药残留超标率高达16%20%；污水灌溉污染耕地216.7万hm2，固体废弃物堆存占地和毁田13.3万hm2，合计约占耕地总面积1/10以上，全国每年因土壤污染的粮食达1 200万t，其中多数集中在经济较发达地区。一些地区土壤污染严重,对生态环境、食品

7、安全和农业发展都构成威胁，每年因为土壤污染造成的经济损失达200亿元2。我国耕地质量和农业生态环境安全3引起了广泛关注，进而也提出了一些土壤污染的修复方法，其中生物修复方法效果最为显著，而微生物修复更是生物修复方法中的重中之重。王庆仁4将微生物修复技术定义为“利用特定的微生物吸收、转化、清除或降解环境污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施”。微生物修复作为很好吸附、富集重金属、有效清除有机污染物、实现环境恢复与植被重建的新兴技术，可通过代谢等作用将重金属、有机污染物部分或全部转变成对环境稳定的末端产物，减轻或消除对土壤的污染5。 1 土壤重金属污染及农药污染状况1.1土壤重金属污染状况

8、污染土壤环境的重金属主要是指生物毒性显著的镉、汞、铅以及类金属砷,其次是指毒性一般的重金属铜、铬、镍、锌、钴、锡等,当前最引起人类关注的是汞、镉、铅、铬、砷等6。我国农田土壤重金属污染现象已经十分严重,近10%的耕地和多数城市近郊农田土壤都受到了不同程度的污染。调查表明工矿企业的污水排放、污水灌溉、污泥、垃圾肥料、畜禽粪便以及化肥的大量使用是土壤重金属污染的来源7。污水灌溉是我国农田重金属污染的主要原因之一，我国的大型污灌区主要集中在部分大中城市的近郊县,普遍出现了重金属污染问题8。 重金属污染不仅使土壤肥力退化,农产品的产量和品质降低,而且促使水环境恶化,并且通过食物链最终危及人类的生命健康

9、。和其他类型的污染物相比,重金属污染具有普遍性、隐蔽性、表聚性、长期性、不可逆性、易积累、不能被降解、毒性大等特点,是影响生态系统安全的一类重要污染物质,对土壤污染有较长的潜伏期，一旦进入农田土壤,对其进行治理十分困难，其修复不仅见效慢而且费用高。1.2农药污染状况化学农药(包括杀虫剂、杀菌剂、除草剂等)残留是目前造成我国农田土壤有机污染的主要污染物,也是环境中持久性有机污染物的主要组成,它们严重污染农业生态环境,影响到我国农业的可持续发展和粮食安全。目前我国的农药污染已经相当严重,据统计,我国农药施用面积总计超过2.8亿hm2,每年用药量50万60万t。目前农药的施用方法仍以药液喷洒和粉剂喷

10、洒为主,研究表明所施用的农药仅有1%2%的药作用于防治对象本体,有10%20%附着在作物本体上,其他80%90%的农药主要散落在农作物的周边环境,如农田、土壤或漂浮于大气,与尘埃吸附形成气溶胶,造成环境污染9。作物从污染土壤吸收累积农药不但影响正常生长发育,而且还会在植物体内形成积累,最终通过食物链进入人体。国家质检总局2001年对23个大中城市的大型蔬菜批发市场进行了农药残留调查,结果显示有47.55%的蔬菜农药残留量超过国家允许标准10。农药以有机氯农药为主要类型，指含有氯的有机化合物,大部分是含一个或几个苯环的氯衍生物。最主要的品种有DDT和六六六,有机氯类农药的特点是化学性质稳定,在环

11、境中残留时间长,不易分解,如DDT在土壤中自然分解95%所需时间长达430年11。这些农药长时间残留在土壤和植物体内,在茎叶、种子、果实内积累,通过食物链造成人、畜的慢性中毒。目前，除草剂是我国最主要的化学农药，使用面积约6000万hm2,其中长残留除草剂占总面积的30%。内蒙古呼伦贝尔市等地近10年来在大豆、小麦、油菜田多年连续使用长残留除草剂,占总播种面积的80%以上12。长残留除草剂指对后茬作物造成药害的除草剂,主要品种有普施特、氯嘧磺隆、莠去津、胺苯磺隆、咪唑乙烟酸等。这类除草剂的优点是除草效果好、杀草谱宽、用药量少、使用方便、用药成本低,但它们在土壤中残留时间长,一般可达23年,长的

12、可达4年以上,在连作或轮作农田中使用极易造成后茬作物药害、减产,甚至绝产,并严重影响了农业种植业结构的调整。 化学农药的大量施用不仅污染农田环境,而且还污染水环境和大气环境。进入土壤中的农药随水淋溶、或通过气体挥发在环境中扩散迁移,极易造成生态环境破坏。调查显示农田中的农药随雨水或灌溉水向水体转移,目前我国地表水域中基本上找不到一块未受农药污染的水体,在江苏、江西以及河北等地的地下水中已经检测到了六六六、阿特拉津、杀虫双等农药残留,农药污染已成为我国影响范围最大的有机污染。2 微生物修复土壤重金属和农药污染的研究进展2.1土壤重金属污染微生物修复的机理 重金属微生物修复的机理包括细胞代谢（专一

13、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1317。微生物对土壤中重金属活性的影响18,19主要体现在以下4个方面：生物吸附和富集作用；溶解和沉淀作用；氧化还原作用；菌根真菌与土壤重金属的生物有效性关系。2.1.1 微生物对重金属离子的生物吸附和富集 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重金属离子，将重金属离子富集在细胞表面或内部20。大肠杆菌K12细胞外膜能吸附除Li、V以外的其他30多种金属

14、离子21。2.1.2 微生物对重金属的溶解 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的。土壤微生物的代谢作用能产生多种低分子量的有机酸、氨基酸等，溶解重金属及含重金属的矿物。2.1.3 微生物对重金属的氧化还原 土壤中的一些重金属元素可以多种价态存在，它们呈高价离子化合物存在时溶解度通常较小，不易迁移，而以低价离子形态存在时溶解度较大，易迁移。微生物还能氧化土壤中多种重金属元素，某些自养细菌如硫-铁杆菌类能氧化As(I)、Cu(I)、Mo(I)、Fe(V)等22。2.1.4 微生物对重金属有机络合物的生物降解 重金属可与土壤有机质形成稳定的络合物，对重金属在土壤中的化学行为产

15、生深刻的影响。2.1.5 菌根真菌对重金属的生物有效性的影响 菌根真菌23与植物根系共生可促进植物对养分的吸收和植物生长,也能借助有机酸的分泌活化某些重金属离子。菌根真菌还能以其他形式如离子交换、分泌有机配体、激素等间接作用影响植物对重金属的吸收。当土壤重金属含量较高时，VA 菌根接种处理明显促进植物减少对 Cu、Zn、Pb 的吸收。2.2土壤重金属污染微生物修复技术近年来随着研究工作的深入,人们发现微生物及其抗性基因在重金属污染土壤的生物修复方面也显示出越来越大的作用和潜力。目前为止，污染土壤的微生物修复技术主要有 2 类：原位生物处理技术和地上处理技术或称异位处理技术24,25。原位生物修

16、复不需将土壤挖走，其优点是费用较低，但较难严格控制。原位生物处理通常是向污染区域投放氮、磷营养物质和供氧，促进土壤中依靠有机物作为碳源的微生物的生长繁殖，或接种经驯化培养的高效微生物等，利用其代谢作用达到消耗某些有机污染物的目的。地上生物处理法则要求把污染的土壤挖出，集中起来进行生物降解。可以设计和安装各种过程控制器或生物反应器以产生生物降解的理想条件，这样的处理方法包括：土耕法、土壤堆肥法和生物泥浆法。但地上生物处理法一般适合污染物含量极高、面积较小的地块，成本也相对较高。2.3农药污染的微生物修复研究进展 耕地质量和农业环境安全问题一直受到国内外农业专家的高度重视和研究26,发达国家对农药

17、有机污染的修复问题进行了大量研究，近些年我国也开始对农药污染修复逐步展开研究。2.3.1农药污染的微生物修复技术目前的修复技术有物理修复、化学修复、生物修复等。应用最广泛的当属生物修复，而在生物修复技术中，微生物原位修复技术27，特别是投菌法（降解菌剂法）具有成本低、易操作、修复效果好的特点，不形成二次污染或导致转移,可将农药的残留浓度降到很低,是目前切合农业生产实际、具有广泛应用前景的农田土壤污染修复方法。原位生物修复技术是污染土壤不经搅动或移动，在原位和易残留部位进行的处理方法，包括以下 7 种方法。投菌法：直接向遭受污染的土壤接入外源的污染物降解菌，同时提供这些微生物生长所需的营养。Sc

18、iliano等投加假单胞菌菌株R75和 CB35，大大提高了土壤中2-氯苯酸的降解速度28。生物培养法：定期向受污染土壤中加入营养和氧或H202作为微生物氧化的电子受体，以满足污染环境中已经存在的降解菌的需要，提高土著微生物的代谢活性，将污染物彻底地矿化为 C02和 H20。研究认为，通过提高受污染土壤中土著微生物的活力比采用外源微生物的方法更可取29。生物通气法是一种强迫氧化的生物降解方法。在污染的土壤上打至少2口井，安装鼓风机和抽真空机，将空气强排入土壤中，然后抽出，土壤中挥发性的有毒有机物也随之去除。在通入空气时，加入适量的氨气，能为土壤中的降解菌提供氮素营养，促进微生物降解活力的提高。

19、具有多孔结构的土壤污染可以采用生物通气法来处理30。生物注射法又称空气注射法，即将空气加压后注射到污染地下水的下部，气流可加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解。一般处理砂土层土壤污染的效果较好。农耕法：对污染土壤进行耕犁处理，在处理过程中结合施肥、灌溉等农业措施，尽可能地为微生物提供一个良好的生存环境，使其有充分的营养、适宜的水分和 pH 值，从而使微生物的代谢活性增强，保证污染物的降解在土壤的各个层次上都能发生。有机粘土法：利用人工合成的有机粘土可有效地去除污染物。带正电荷的有机修饰物、阳离子表面活性剂通过化学键键合到带负电荷的粘土表面上，合成有机粘土，粘土上的表面活性剂可以将有毒有机物吸附

20、到粘土上富集，有利于微生物对污染物的原位降解。原位微生物植物联合修复：在污染土壤上栽种对污染物吸收力高、耐受性强的植物，利用植物的生长吸收以及根区的微生物特殊修复作用，从土壤中去除污染物。2.3.2微生物对农药污染的修复技术机理和降解途径目前国内外分离了许多可降解农药的微生物，这些微生物包括细菌、真菌、放线菌。其中，对微生物降解农药的研究主要集中于细菌上,并且对于细菌代谢农药的机理已经比较清楚31,32。机理之一是细菌降解农药的酶促反应,即农药化合物通过一定的方式进入细菌体内,然后在各种酶的作用下,经过一系列的生理生化反应,最终将农药完全降解或分解成分子量较小的无毒或毒性较小的化合物的过程。细

21、菌降解农药的酶类包括水解酶类和氧化还原酶类。目前细菌通过酶促反应对多种农药的降解途径已经比较清楚3335,其主要途径主要有以下几种:水解作用。在微生物作用下,酯键和酰胺键被水解,使得农药脱毒,如对马拉硫磷、敌稗等的降解。脱卤作用。卤代烃类农药在脱卤酶的作用下其取代基上的卤元素被氢、羧基等取代从而失去毒性,如微生物使DDT降解。氧化作用。微生物通过合成氧化酶使分子氧进入有机分子,如微生物对2, 4-D的降解。硝基还原。在微生物的作用下,农药中的-NO2转变为-NH2,如4-氨基-2-硝基酚,对硫磷被转化为氨基对硫磷。甲基化。有毒酚类被加入甲基使其钝化,如微生物对五氯酚的甲基化。去甲基化。含有与N

22、、O、S相连的甲基的农药,被微生物脱去这些基团后即转为无毒,如微生物对敌草隆的降解即为脱去两个N-甲基。去氨基化。脱氨基后变为无毒,如微生物对醚草通的降解。轭合作用。生物体内的中间代谢产物与异生素进行合成反应。通常微生物对农药的降解不以单一方式进行,而是在多种酶的共同作用下以多种方式进行。2.3.3农药污染的微生物修复的影响因素微生物对环境污染物的修复能否最终实现不仅仅依赖于其降解能力本身，而且依赖于农药本身的理化性质36，尤其是内部化学键、浓度、水溶性、分子极性、生物可利用性、化合物的吸附性等，以及细菌与土著微生物之间的竞争能力等其他因素，另外环境因子如温度、盐度、pH、氧化还原电位、营养可

23、利用程度等也是影响农药等顽固性化合物生物降解和修复的主要因素37,38。迄今为止各国研究人员已从土壤、污泥、污水、天然水体、垃圾场和厩肥中分离到降解不同农药的活性微生物。美国密执安州立大学的James Tiedje实验室就首次从污染的河泥中分离出了具有脱氯功能的厌氧微生物39,我国学者分离到了有机氯和有机磷农药的降解菌,并且有微生物菌剂产品应用于污染农田的生物修复40,41。3 微生物修复土壤重金属和农药污染的研究展望 微生物修复技术是依靠细菌、真菌以及细胞游离酶的自然代谢过程，降解并且去除环境污染物的生物技术，这一技术具有低耗、高效和环境安全的特色和优点，必将成为本世纪环境技术的主攻方向之一

24、。3.1微生物修复土壤重金属污染的思考与展望3.1.1土壤重金属生物修复技术的局限性 土壤重金属污染的微生物修复技术虽然已取得很大成功，但在实施中仍然存在不少问题42。首先，微生物恢复技术对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水、通气等自然和人为条件有一定的要求；其次，一种微生物往往只作用于一种或两种重金属元素，对土壤中其它浓度较高的重金属则表现出某些中毒症状，从而限制了微生物技术在多种重金属污染土壤修复方而的应用前景；再次，用于清洁重金属的大多数微生物往往会死亡后又会使重金属部分重返土壤，带来二次污染；最后，异地引种或者培育新品种对生物多样性的威胁，也是一个不容忽视的问题。除了以上问题外，

25、目前还需要对以下几个方面的问题进行深入的研究：重金属对微生物降解的抑制效应及外源物质（如表面活化剂）对微生物降解的促进效应；通过遗传工程构建高效降解的微生物菌株，通过生物技术手段将微生物的耐重金属基因克隆到植物体中,创造超积累型转基因植物；重金属超常环境中植物土壤微生物重金属之间的关系，以及正常环境中野生植物的根际微生物和土壤酶活性。3.1.2土壤重金属生物修复技术的展望随着生物技术的发展，一些通过转基因技术克隆了金属硫蛋白的具有超量蓄积重金属的微生物，将广泛应用于土壤重金属污染治理的过程中。而对复合污染的生物修复，单一修复技术往往难以奏效，必须将不同修复技术有效结合，形成联合生物修复技术，采

26、用生态修复方式，以更有效地降解、去除污染物43。目前，受到关注较多的方法是采用专性微生物与特异性植物相结合的生物修复技术，其中，特异性植物用于吸收、转化和富集污染物，同时提供微生物生存的有利生态条件、促进其降解过程。这一方法不需扰动土壤，可减少污染物在人群中的暴露程度和暴露时间，特别适合大范围的土壤污染修复。好的微生物修复，需要污染生态学、分子生物学与生物技术、土壤化学、植物学、微生物学和环境工程学等多学科的共同合作。只有通过吸收、借鉴、采纳已有微生物修复的成功和失败的经验，特别是结合我国资源、环境等方面的国情进行研发，才会使我国污染重金属土壤的微生物修复的工作进入到一个崭新的阶段。3.2微生

27、物修复农药污染的思考与展望近些年，尽管高效、低毒、低残留、易降解新型化学农药的开发和研制工作取得了很大进展，但已残留在土壤中化学农药的降解，以及新型化学农药带来的新污染仍是不容回避的问题。开发以茶皂素、银杏杀菌剂，芦荟杀菌剂为代表的植物农药虽然具有高效降解性以及对环境污染小等特点44，但其成本高，短期内仍不可能取代化学农药。作为一项有效的环境治理技术，农药污染土壤的原位微生物修复技术将越来越受到重视。然而当前，土壤污染并不仅仅是由单一污染物造成。而是逐渐呈现多种污染物(重金属、化学肥料、农药、农膜等)的复合污染趋势，龙其呈现出土壤、生物、水体、大气的复合污染。因此应用多种修复技术的联合修复将是

28、未来发展的重点方向，如植物微生物联合修复、化学微生物联合修复，以及综合了微生物修复、植物修复和化学修复技术的污染生态化学修复等。此外，微生物修复农药污染已进入基因水平，利用分子生物学技术，通过基因重组,筛选高效降解菌，构建能降解农药的“超级工程菌”45，有很多成功的报道。蒋建东等人46通过同源重组法构建多功能农药降解基因工程菌，在相同的降解条件下，工程菌CDS-raps和CDS-2mpd在l2小时内便可迅速降解甲基对硫磷，呋喃丹也可在30小时内完全降解。而且，自然界中仍有很多具降解特性的微生物不被人们所发现和认识，相信通过多途径多方法分离和筛选具有高效降解特性的菌株，深入研究微生物降解农药的特

29、性，构建高效遗传工程菌，综合治理农药环境污染，将显示出诱人的应用前景。参考文献:1 边疆,孙忠良.浅析我国土壤污染现状及治理措施J东京文学2011,(8):365.2 邵泽慧.北京晚报, 2006-07-18.3邱建军,张士功,李哲敏,等.农业生态环境安全与生态农业发展J.中国农业资源与区划,2005,26(6):42-46.4王庆仁,刘秀梅,崔岩山,等.土壤与水体有机污染的生物修复及其应用研究进展J.生态学报,2001,21(1):159-163.5Balmer M E,Goss K-U,Schwarzenbachr P.Photolytic transformation of organi

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