重金属污染的微生物修复技术

重金属污染的微生物修复技术

1 重金属污染的微生物修复原理

许多重金属是生命必需的物质或元素，但是当它们在环境中的浓度超过了限度就成了毒物，微生物可对它们进行固定、移动或转化，改变它们在土壤中的环境化学行为，从而达到生物修复的目的。重金属污染的微生物修复原理主要包括生物吸附和生物转化。

1.1 微生物对重金属离子的生物吸附

细胞壁带有负电荷而使整个细菌表面呈现阴离子特性，通过细菌细胞中均聚物或杂聚物上的羰基或磷酰基等阴离子作用可以增加金属离子的吸附。此外，细胞壁中的分子结构也具有活性，可以将金属螯合在细胞表面。细菌可以通过细胞表面的络合作用而阻止某些重金属进入细胞内部敏感区域，而对于那些细胞化学反应需要的金属则可以通过细胞壁运输到原生质中特定位点。真菌对重金属的吸附方式主要有2 种：一是细胞壁上的活性基团（如琉基、羧基、羟基等）与重金属离子发生定量化合反应（如离子交换、配位结合或络合等）而达到吸收的目的；二是物理性吸附或形成无机沉淀而将重金属污染物沉积在自身细胞壁上。细胞通过螯合作用吸附重金属已被证明和真菌细胞壁结构有关，如细胞壁的多孔结构使其活性化学配位体在细胞表面合理排列并易于和金属离子结合。此外，胞壁多糖可提供氨基、羧基、羟基、醛基以及硫酸根等官能团，它们对金属离子有着较强的络合能力。

1.2 微生物对重金属的生物转化作用

微生物对重金属进行生物转化主要作用机理包括微生物对重金属的生物氧化和还原、甲基化与去甲基化以及重金属的溶解和有机络合配位降解转化重金属，改变其毒性，从而形成某些微生物对重金属的解毒机制。细菌对Hg 的抗性归结于它所含的2 种诱导酶：Hg 还原酶和有机Hg 裂解酶，其机制是通过Hg-还原酶将有机的Hg2+化合物转化成低毒性挥发态Hg。微生物也可通过改变重金属的氧化还原状态，使重金属化合价发生变化，改变重金属的稳定性。微生物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（Thiobacillus ferrobacillus）能氧化As、Cu、Mo 和Fe 等，假单孢杆菌属（Pseudomonas）能使As、Fe 和Mn 等发生生物氧化，降低这些重金属元素的活性。硫还原细菌可通过2 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，与重金属Cd 形成沉淀，这一过程在重金属污染治理方面有重要的意义。另外，金属价态改变后，金属的络合能力也发生变化，一些微生物的分泌物与金属离子发生络合作用，这可能是微生物具有降低重金属毒性的另一机理。

2 重金属污染微生物修复技术的研究与应用

（1）重金属污染的微生物修复是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，从而降低重金属的污染程度。目前应用微生物的高效降解、转化能力在治理重金属污染方面已经取得了良好效果。其治理过程分为：①高效生物降解能力和极端环境微生物的筛选、鉴定；②污染物生物降解基因的分离、鉴定和特殊工程菌的构建；③生物恢复的实际应用和工程化。

（2）筛选污染物高效降解菌株的研究是微生物修复技术研究的第1 步。根据微生物与污染物的作用机制，选择高效微生物的标准包括：①对污染物有较高的耐性；②对环境的适应性较强；③对污染物的降解效率高、专一性强；④不影响环境中原有的生物多样性。我国对生物修复高效降解微生物的筛选源于对农药高效降解微生物的研究，现已筛选出大量的可用于生物修复技术开发的微生物。肖伟等[2]从宝钢电镀污泥中分离得到一系列高六价铬抗性菌株能耐受40mmol/L Cr6+。

（3）由于大多数微生物对重金属的抗性系统主要由质粒上的基因编码，且抗性基因亦可在质粒与染色体间相互转移，许多研究工作开始采用质粒来提高细菌对重金属的累积作用，并取得了良好的应用效果。李福德[3]利用复合功能菌处理电镀废水取得了很好的去除效果。

3 微生物修复存在的问题与展望

3.1 微生物资源及其生物降解途径

需继续筛选和驯化新的降解菌株，进一步解析典型污染众的气象信息，并不属于专门气象经济学的范畴；而专业气象预报则是为订制单位“量体裁衣”的精确气象信息，能帮助企业预测，进而直接指导企业生产、采购、销售。一条准确的气象信息有时减少经济损失或带来经济效益可数以百万元计。

我国的部分气象局虽然也有专业性服务，譬如为行业提供特定的气象信息，但是并没有多少企业重视，表示希望订购气象服务。由于大多数专业气象产品乏人问津，气象台推出的专业气象服务大都只收取成本费，投入大于支出；而且新推出的气象产品无人问津，新产品又因缺乏经费无法开发，长期下去，将走上恶性循环的道路，最终结果是气象产业发展不起来，经济发展受阻。

3 市场化的“屏障”

分析人士认为，气象服务市场化的障碍之一是市场需求不足，其症结是许多企业对气象信息有偿使用的意识不足。国内气象服务还是一种以国家投入为主的公益事业，即使是市场化程度较高的上海市气象局，其每年有偿服务收入也仅有数百万元。

气象服务市场化的障碍之二是地区发展不平衡。据调查，气象经济在我国发展很不平衡，东南沿海地区在市场化发展上走得较快，订购气象信息的企业逐年递增，如手机短信服务已成为气象部门的主要业务之一。与气象服务相关的产品有些已成为新兴产业，如广东的防雷产品。比较而言，中西部地区气象经济发展滞后，气象服务市场基本上未开发，人们获得的仍然是气象部门发布的单一气象预报服务。气象服务市场化的障碍之三是气象服务产品的提供能力有限。长期以来，我国气象服务都是公益性的，大家都不认为气象服务也应该商业化，也要付费，都希望气象部门无偿提供服务。还有就是企业的观念和意识落后，他们还不习惯把天气当成商品买卖，认为没有必要花钱“买天气”。其实，像经营服装类、餐饮类的一些商家，他们的商业活动与天气息息相关，小投入可能会给他们带来大效益。

据调查，现在气象部门提供的专业气象服务，还远远不能满足巨大的市场信息需求，提供气象服务的部门相对较少；同时，服务体系还很不健全，提供专业气象服务的公司或有关部门市场化程度不够；气象产品提供者对自身的宣传还远远不够，很多需要这方面信息的个人和企业不知道在哪里能得到这些信息；另外，气象服务提供者与信息需求者之间还需要更多的沟通和联系，了解市场的需要和客户的需求；提供气象信息产品的质量、气象预报的准确率等还有进一步提高的空间。

诚然，在我国，“气象经济”要成为新的消费热点，需要气象部门面向市场不断开拓。虽然目前接受气象消费的还不多，“气象经济”的威力还无法凸显，但随着经济的发展与国民生活质量的提高，专业气象服务必将进入人们生活的方方面面，气象经济将大有可为。