重金属污染的微生物修复技术

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江苏农业科学 2005年第 4期
性和实际效果 ,确定基质存在或缺乏条件下的生物 循环过程 ; (5)最佳环境参数的确定 (如温度 、水分 、 pH值 、营养物 ) ; (6)在实验室理想条件下和室外模 拟条件下的修复速率和修复效果 ; ( 7 )原位处理中 水系统对修复反应的阻滞或土壤矿物盐导致的化学 阻滞的研究 ; ( 8)微生物繁殖的不均性引起的生物 阻滞 ; (9 )相关的基础研究 ———微生物 、环境 、靶标 物质之间的相互作用机制等 。 3 重金属的微生物修复机理 3. 1 微生物固定
2 重金属污染的微生物修复研究技术
2. 1 前期工作 前期工作要求确定修复对象 、修复时间和预期
目标 ,了解修复位点的一般情况 ,选择适当的修复方 法 ,确定修复效果的评价指标 ,了解所要选取的微生 物前人相关研究工作及其与当前研究目标的关系 。 2. 2 微生物修复研究的主要程序
(1)从污水处理厂 、造纸厂 、冶炼厂和被污染的 土壤中采集原始菌群 ,进行简单扩增 ; ( 2)对微生物 进行适应性培养并逐步驯化 ,了解菌群在重金属富 集培养中的生存质量 ,如形态变化 、菌体质量 、生存 数量 、基础代谢 ,初步筛选目标微生物 ; ( 3 )研究目 标微生物对靶标的吸附 、固定 、转化或分解的能力 ; (4)评价添加基质和电子受体 、电子供体的必给要
(1)通过微生物的氧化还原降低重金属毒性 , 例如由微生物将 C r6 + 转变成 C r3 + ; ( 2 )可以像植物 一样将离子态的 A s、Hg、Se等还原成单质态使之挥 发 ,然后集中收集 ; ( 3)甲基化 、去甲基化 ; ( 4)分泌 有机酸改变根际 pH 值 ,调节重金属离子在土壤胶 体上的吸附特征 ,或产生不溶性盐钝化重金属 ; ( 5) 产生硫化物钝化重金属 。
M unier - Lamy和 Berthelin ( 1987 ) 发现在酸性 条件下 ,微生物能有效地将 A l、Fe、M g、Ca、Cu、U 等 溶解 。微生物代谢产生的有机物质能促进此过程 , 溶解出来的元素以 M r为 2000～2900的金属 - 有机 酸络合物形式存在 ,这些有机配体包括乙二酸 、琥珀 酸 、柠檬酸 、异柠檬酸 、阿魏酸 、羟基苯等 [ 15 ] 。
4 重金属污染生物修复研究示例
4. 1 吸附和富集作用 根霉 (R h iopus) 对 Cd2 + 和 Cu2 + 离子的最大吸
附量达 820 mmol/ kg和 210 mmol/ kg[ 5 ] ; 大肠杆菌 K212 ( Escherich ia coli)的细胞外膜能吸附除 L i、V 以 外的其他 30 多种金属离子 [ 5, 6 ] ; 木霉 ( T richoderm a ha rzianum ) 、小刺青霉 ( Pen icillium spinu losum ) 和深 黄被包霉 (M ortierell isabellina )即使在 pH 很低的情 况下 ,对 Cd、Hg都仍有很强的富集作用 [ 7, 8 ] 。
Sm ith等报道 , E. coli能将汞蒸气氧化成二价 汞离子 ,这主要与大肠杆菌能够分泌过氧化氢酶等 有关 。另外 , 芽孢杆菌 (B acillus)和链霉菌 ( S trepto2 m yces)对汞也有氧化作用 。硫还原细菌可以通过两 种途径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 S2 - 分泌于体外 , S2 - 可以和重金属如 Cd2 + 形成沉淀 。青霉菌能还原 C r6 +为 C r3 + ;氧化铁硫杆 菌 ( Th iobacillus)能氧化硫铁矿 、硫锌矿中的负二价 硫 ,使元 素 Fe、Zn、Co、Au 等 以 离 子 的 形 式 释 放 出来 [ 20 ] 。
W norow ski测定了 80种从被重金属污染的天然 水源中分离出的真菌和异养菌生物累积重金属的能 力 ,筛选了金属抗性菌株 ,研究了它们对 A l、Ag、N i 和 Cd的摄取能力 [ 11 ] 。
朱一民等研究了 M ycobacterium ph lei菌 (菌种代 号 AS4. 1. 180, 中 科 院 微 生 物 所 保 藏 ) 对 重 金 属 Pb2 + 、Zn2 + 、N i2 、Cu2 +的吸附规律 ,这一菌株超强的 金属吸附能力源于菌体表面大量的负电荷 [ 12 ] 。李 明春等从酿酒废水中分离了 6属 33个酵母菌株 ,并 研究了它们对重金属的吸附能力 ,结果表明红酵母 类对 Cd有较强的吸附力 [ 13 ] 。 4. 2 对重金属的溶解
寻找科学 、合理 、经济的环境治理方法是所有关 注人类生存质量的人们努力探究的问题 。生物修复 技术是最近 30年来各国极力研究开发的一种绿色 、 经济的环境修复方法 。生物修复是利用天然存在的 植物或微生物在可控条件下对污染物进行转化或降 解 ,降低或消除其毒害的技术 。主要技术体系有植 物修复和微生物修复 ,修复的环境对象有水体 (包 括地表水和地下水 )和土壤 (包括污泥 ) 。
- PO4对重金属离子的固定 ,主要过程有胞外沉积 、 胞外络合及随后的积聚 、结合 ;其次是代谢产物 (如 微生物分泌磷酸根 、腐植酸 、富里酸 ,产硫细菌产生 H2 S) ,与此同时重金属能够在土壤中产生不溶性的 化合物 ,使其对植物的可利用度减小 。微生物也可 以直接将重金属吸收 ,在细胞内积聚 ,使重金属的移 动性降低 。从化学反应考虑 ,主要是金属离子的络 合或以其他的方式相配位 [ 3, 4 ] 。 3. 2 微生物转化
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重金属污染的微生物修复技术
李荣林 , 李优琴 , 沈寿国 , 王春梅 , 石志琦
(江苏省农业科学院食品质量安全与检测研究中心 ,江苏南京 210014)
摘要 : 从微生物修复研究的主要程序 、微生物修复过程对重金属的固定 、转化 、吸附 、溶解 、氧化还原过程的 分子机制等方面 ,重点讨论了微生物修复的技术原理和研究示例 ,同时对微生物修复的基因工程进展作了评述 。 关键词 : 重金属 ; 生物修复 ; 微生物 中图分类号 : X172 文献标识码 : A 文章编号 : 1002 - 1302 (2005) 04 - 0001 - 03
江苏基本农田保护区土壤质量也在下降 。据淮 安市 调 查 , 全 市 土 壤 平 均 含 铅 59 mg / kg、砷 9 mg / kg、镉 0. 224 mg / kg、汞 0. 109 mg / kg、铬 50 mg / kg、钴 18. 97 mg / kg,分别超过本底值 l. 96 倍 、 3. 16倍 、3. 15 倍 、1. 06 倍 、6. 50 倍 、2. 77 倍 。其次 , 农药及氟污染也较严重 。农田土壤平均含六六六 0. 16 m g / kg、乐 果 0. 01 mg / kg、速 灭 杀 丁 0. 011 mg / kg,多菌灵含量高达 1. 37 mg / kg。氟的含量更 高 , 达 436 mg / kg, 超 过 本 底 值 ( 89. 5 mg / kg )
收稿日期 : 2004 - 12 - 30 基金项目 :江苏省科技攻关项目 [编号 : (2003) BE9010411 ]。 作者简介 : 李荣林 ( 1963—) ,男 ,安徽和县人 ,硕士 ,副研究员 ,主要
从事农业与食品化学研究 。 Tel: ( 025 ) 84390422; E - mail: l899 lrl @ eyou. com。
3. 87倍 [ 2, 3ห้องสมุดไป่ตู้] 。 重金属和农药 、激素释放到环境中以后 ,通过在
农田土壤和水体中迁移 ,严重影响了土壤质量和土 地生产力 ,而且还导致水体和大气环境质量下降 。 严重的污染不仅危及生态安全 ,而且因为污染物直 接进入农作物 ,或被其他动物和植物吸收 ,通过生物 链的富集和放大 ,转移到农产品中 ,最终进入人类的 食物链 ,危及食物安全和人体健康 。
Siegel等 (1986) 报道 ,真菌可以通过分泌氨基 酸 、有机酸以及其他代谢产物溶解重金属及含重金 属的矿物 。重金属被溶解后有利于从污泥中分离 , 或从土壤中被超积累植物更有效地吸收 。
Chanmugathas和 Bollag(1988)报道 ,在营养充分的 条件下 ,微生物可以促进镉的淋溶 ,从土壤中溶解出来 的镉主要是和低分子量的有机酸结合在一起 [14] 。
钝顶螺旋藻 、斜生栅藻 ( S cenedesm usobliquus) ,
普生轮藻 ( Cha ravu lga ris)等多种藻类吸附 Pb、Cd能 力很强 ,绿藻和小球藻吸附 Pb最高量达初始浓度 的 90% ,吸附 Cd最高量达初始浓度的 98% ;藻类对 Pb的高忍耐力 ,可能是由于 Pb离子容易从细胞壁 排出或是高浓度的 Pb易于从溶液中沉淀所致 [ 9, 10 ] 。
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李荣林等 :重金属污染的微生物修复技术
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能氧化 A s3 + 、Cu+ 、Mo4 + 、Fe2 + ;假单胞杆菌 ( Pseudo2 m onas)能使 A s3 + 、Fe2 + 、M n2 +等发生氧化 ;褐色小球 菌 (M icrococcus lacty icus) 能还 原 A s5 + 、Se4 + 、Cu2 + 、 Mo4 + ;脱弧 杆 菌 (D esu lfovibro) 在 厌 氧 条 件 下 可 将 Fe3 +还原为 Fe2 + ;厌气的固氮梭状杆菌 ( C lostrid ium sp. )能通过酶的催化作用还原氧化铁和氧化锰 ;原 孢子囊杆菌 ( Th iobacillus prosperus) 、含铜杆菌 ( Th io2 bacillus cuprinus)和钩端螺旋菌 (L eptospirillum )也具 有氧化还原重金属的能力 [ 18, 19 ] 。
1 研究背景
伴随着工业化 、城市化 、农村集约化进程的加 快 ,人为地排入大气 、水体和土壤的重金属 、有害物 质日益增多 ,环境污染引起的问题日益突出 ,受污染 的土壤和水体面积在不断扩大 ,制约着可持续发展 战略目标的实现 。
由于农业生产中化肥 、农药施用过量 ,且技术不 规范 ,工业“三废 ”不达标排放 ,生产 、流通 、贸易环 节安全监控不到位等因素的影响 ,农田土壤存在不 同程度的重金属含量超标现象 ,农产品质量安全状 况仍令人担忧 。2000年农业部对 10个省会城市郊 区农产品质量调查发现 ,有 7 个城市重金属超标达 监测产量的 30%以上 , 2000年对全国 30 万 hm2 基 本农田保护区 2. 2亿 kg粮食抽样调查发现 ,重金属 超标率大于 10% [ 1 ] 。
微生物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 。微生物 可以直接依靠生物量吸持重金属 ,主要过程有微生 物直接吸附固定金属离子 ,例如微生物多糖 、多肽 、 糖蛋白上的官能团 - COOH、- NH2 、- SH、- OH、
Francis和 Dodge (1988)从洗煤废渣中筛选出一 种具有固氮作用的梭菌 ( C lostrid ium sp. ) ,在厌氧条 件下能通过酶促反应直接溶解氧化铁 、氧化锰 ,通过 分泌有机酸 (丁酸 、乙酸 、乳酸 )使环境 pH 值降低从 而溶解镉 、铜 、铅和锌的氧化物 [ 16 ] 。
Chanmugathas和 Bollag ( 1991 ) 比较了在不同 碳源条件下微生物对重金属的溶解 ,发现以土壤有 机质或土壤有机质加麦秆作为微生物碳源均可促进 溶解 [ 17 ] 。 4. 3 氧化还原
微生物的氧化作用能使重金属元素的活性降 低 ,自养细菌如氧化铁硫杆菌 ( Th iobacillus th ioox i2 dans)和氧化亚铁硫杆菌 ( Th iobacillus ferroox idans)