生物修复菌剂的分类_应用及研究进展_岑旭峰

生物修复菌剂的分类·应用及研究进展岑旭峰,唐标　(南京农业大学生命科学学院,江苏南京210095)摘要　由于人类的生产与社会活动,使得我们生存的自然环境遭到了前所未有的破坏。

鉴于采用物理或化学方法修复环境,除去有害物质,易造成二次污染,寻找高效的生物修复方法成为了全世界的共同课题。

微生物作为生态链中的分解者,由于其具有易繁殖、适应性强、代谢快等特性,是作为生物修复的极佳材料。

对生物修复菌剂的分类、生产、应用及研究进展进行了综述。

关键词　生物修复;菌剂;分解代谢;微生物中图分类号　X172 文献标识码　A 文章编号　0517-6611(2008)30-13352-03Clas sificatio n ,Applica tion a nd R esearch P ro gress o f the Bio rem edia tion Ba cteria CE N X u -feng et a l (College of Life Science ,Nanjin g Agricultural Un ivers it y ,Nanjing ,Jian gsu 210095)A bstract Because of the ind ustrial and s ocial activit y of hu man b ein g ,environ ment became wors e t han ever before .S o it was extre mel y critical to find a high efficient way to restore environm en t for the whole world without th e s econdary pollution .As t he disintegrator of ecosystem ,the special ch aracter of mi -croorganism such as rapid propagate an d metaboliz e made th em become t he b est material to res tore .The bacterial of organis ms restorin g from concepts of application ,classification and researc h developm en t were su mm ariz ed .Key w ords Bioremediation ;Bacterial agent ;Catabolis m ;Microorganism作者简介　岑旭峰(1987-),男,浙江杭州人,本科生,专业:生物科学。

收稿日期　2008-09-01 生物修复是一项低投资、清洁、高效益的项目。

其利用生物特定的生理生化效应以及在物质循环过程中的分解合成代谢,使得有害的污染物被转变为不易扩散的、无害的物质,达到净化环境的作用。

这其中,土壤与各种水体是净化的主要场所,利用环境与生物之间的相适应性,可以从污染的环境中分离到利用污染物的菌种,从而进行开发利用,微生物作为生物修复的主体,发挥了巨大的作用。

生物修复菌剂显示了广阔的应用价值与前景。

1　生物修复的概念、种类与作用生物修复有广义与狭义的概念之分,广义的生物修复是指一切以利用生物为主体的环境污染的治理技术。

包括利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化土壤和水体中的污染物,使污染物的浓度降到可接受的水平,或将有害有毒的污染物转化为无毒无害的物质,减少其向周围环境的扩散。

一般分为植物修复、动物修复和微生物修复3种类型。

而狭义的生物修复,专指通过微生物的作用清除土壤和水体中的污染物,使其转化为无害物质的过程,即生物修复菌剂。

微生物作为物质循环的分解者,具有极强的分解能力。

理论上,微生物可以分解自然界中存在的所有化合物,这就为生物修复提供了广阔的空间与发展前景。

人们可以利用微生物的这种能力分解有害的物质,使其转变为人类可利用的物质,李顺鹏等研究的农药残留降解技术,就是利用了微生物的分解能力,将土壤中的残留农药降解[1-4]。

2　生物修复菌剂分类及其研究进展微生物修复主要针对于土壤与各种水体,可分为土壤修复菌剂与水体修复菌剂。

根据不同的污染类别又可细分为无机物修复菌剂、有机物修复菌剂和放射性修复菌剂。

2.1　无机物污染的修复　无机物污染主要是重金属污染,重金属汞、镉、铜、砷、铬、锌、镍、硒等可以通过大气沉降、污水灌溉、固体废弃物排放以及农药和化肥的施用等途径进入土壤与水体[5]。

人类的生产活动使得大量的重金属通过不同的途径进入土壤与水体,破坏了土壤与水体中的正常生态环境,使得土壤的肥力迅速下降,水体的生态遭到破坏,危害生态平衡与人类健康。

2.1.1　微生物抗重金属的机理。

微生物作为土壤中的主要生物群落,土壤的重金属污染必然会对微生物产生一定的影响。

在正常情况下,适量的重金属是微生物生长必不可少的,如Cu 参与了多酚氧化酶的组成,Zn 是乙醇脱氢酶、R N A 、D NA 聚合酶的组分,Ni 是脲酶和氢化酶的组成部分[6]。

但在重金属大量超标的情况下,其会对微生物产生毒性,影响其正常的生理代谢。

但同样的,某些微生物对重金属仍然存在着抗性,从而在较高浓度的重金属离子环境中生存。

长期以来,人们从生理学、生态学、生物化学、遗传学和分子生物学等方面就微生物对重金属的抗性机制及其解毒机理进行了研究,提出了种种解释,微生物对重金属的抗性机制是非常复杂的,而且环境中的污染源多是几种金属伴生,微生物对重金属的解毒机理,还有待于深入研究和探讨。

通常微生物抵抗高浓度金属离子的毒害有3种解毒机制:①通过酶促或氧化还原反应,将有毒的物质还原成无毒或低毒物质。

如微生物的氧化作用能使重金属元素的活性降低,自养细菌如氧化硫硫杆菌(T hio bac illus thio oxidans )和氧化亚铁硫杆(T hio bac illus fe rr ooxidans )能氧化As 3+、Cu +、Mo 4+、Fe 2+;假单胞菌(Ps eudo monas )能使As 3+、Fe 2+、Mn 2+等发生氧化;褐色小球菌(Mic roc oc cus lactyicus )能还原As 5+、Se 4+、Cu 2+、Mo 4+;脱硫弧菌(Desulfovib rio )在厌氧条件下可将Fe 3+还原为Fe 2+;厌氧的固氮梭状杆菌能通过酶的催化作用还原氧化铁和氧化锰;钩端螺旋菌(L e ptospirillum )也具有氧化还原重金属的能力[7]。

②通过抗性基因编码的透性酶,促进金属阳离子的外排,现在已测定出啤酒酵母的抗铜基因C up 1、C r 55、C c c p 和Pc alP ;C .albic ans 的抗铜基因C rd 1、C rd 2、C rd 2P 等许多抗性基因。

③通过合成某种鳌和剂或结合因子将有毒金属离子鳌合成复合物,避免对细胞的毒害。

如蓝细菌、酵母菌、粗糙脉胞菌属的金属硫蛋白。

金属硫蛋白[8]是一类广泛存在于生物中的低分子量、富含半胱氨酸但不含芳香簇氨基酸和组氨酸的能被金属诱导的金属结合蛋白。

其生物功能广泛,主要参与微量元素的储存、运输和代安徽农业科学,Journal of An hu i Agri .Sci .2008,36(30):13352-13354,13380 责任编辑　罗芸　责任校对　李洪谢,拮抗电离辐射,清除自由基及重金属解毒等多种作用。

一般认为,原核微生物对重金属的抗性机制以建立阳离子、阴离子外流系统为主,真核微生物对重金属的抗性机制以诱导合成金属硫蛋白或重金属鳌合为主。

2.1.2　重金属修复菌剂。

目前,有多种具有修复重金属功能的菌株被筛选分离,并研究了其特殊的性质。

根据微生物对重金属的抗性机理不同,可以分为吸附与转化两类,吸附是指有些微生物如胶菌、蓝细菌、硫酸盐还原菌等,能够产生带有大量阴离子基团的胞外聚合物,如多糖、糖蛋白、脂多糖等,可以与金属离子结合。

如Ni与谷胱甘肽有很强的结合能力,带有甲基乙二醛的酵母能分泌大量的谷胱甘肽,可以大量吸附Ni[9]。

同时,一些腐木真菌中某些代谢产物具有鳌合金属离子的作用。

除此之外,转化是指微生物能够通过氧化、还原,甲基化和去甲基化作用转化重金属。

大量研究表明,微生物对重金属的抗性基因一般都存在于染色体之外的质粒上,其编码的抗性基因可以将重金属转变为无毒的形式。

陶红群等研究了从枝菌根菌丝对土壤中隔和锌的吸收,对其吸收能力进行了定量研究[10]。

有更多的研究者[11-14]对真菌与藻类对重金属的吸附进行了研究,可见对于重金属的吸附效应是广泛存在的现象。

2.2　有机物污染的修复　有机物污染主要是农药的大量使用与工业有机废料的排放造成的,我国目前由农药生产、使用引起的较为突出的环境问题主要是农药三废的点源污染与高毒农药使用造成的危害问题,此外还有由各种原因引起的农药药害以及农副产品的农药污染等问题[15]。

因此,利用生物尤其是微生物的高效降解机制来清除环境中残留的农药已成为迫在眉睫的问题。

2.2.1　微生物降解有机物的机理。

农药属于有机物的范畴,鉴于我国目前农药的使用状况,在有机氯农药禁用后,有机磷、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯及有机氮农药的广泛使用,使得土壤水体中此类农药的残留比较严重。

在长期的适应过程中,这些环境中有适应高浓度农药的微生物存在,为微生物的农药残留降解提供了理论基础。

微生物代谢农药的方式主要有:①酶促方式。

通过广谱的酶(水解酶、氧化酶等)进行,农药作为底物或作为电子受体或供体;分解代谢,以农药为能源的代谢,多发生在农药浓度较高且农药的化学结构适合于微生物降解或作为微生物的碳源时;解毒代谢,是微生物抵御外界不良环境的一种抗性机制。

②非酶促方式。

微生物的代谢物作为光敏物吸收光能并传递给农药分子;或者微生物的代谢物作为电子受体或供体;或通过改变pH值发生作用,产生辅助因子促进其他反应进行[16]。

崔中利等分离到了高效降解甲基一六★五降解菌J5,降解率达95%,并初步推测其为共代谢[17]。

洪永聪等研究了蜡状芽孢杆菌菌株TR2的氯氰菊酯降解酶特性[18]。

辛伟等分离到一株能在茶树体内内生定殖并对氯氰菊酯降解效能高的菌株[19]。

2.2.2　降解农药菌剂。

目前,具有降解农药特性的菌株包括细菌、真菌、放线菌等。

细菌中主要是假单胞菌与芽孢杆菌,降解农药类型有DD T、马拉硫磷、甲拌磷、二嗪农、D D V、甲基对硫磷、对硫磷、西维因、茅草枯、西马津等。

有研究者分离到了多株降解农药的菌株,并研究了其主要降解特性,为生产应用提供了基础[20-23]。