1、LOGO唐守寅唐守寅福建农林大学资源与环境学院福建农林大学资源与环境学院几种利用微生物修复土壤重金属污染几种利用微生物修复土壤重金属污染方法的比较研究方法的比较研究土壤重金属污染的背景土壤重金属污染的背景 重金属对人类具有巨大的危害，能引起头痛、头晕、失眠、健忘、神经错乱、关节疼痛、结石、癌症，如肝癌、胃癌、肠癌、膀胱癌、乳腺癌、前列腺癌、乌脚病、畸形儿等。随着社会经济的发展，我国重金属污染已越来越严重，重金属污染事故频发。l2005年的广东北江韶关段镉严重超标事件l2006年的湘江湖南株洲段镉污染事故l2009年的湖南省浏阳市镉污染事件l2010年福建紫金矿业铜矿废水泄漏事件l2011年山东
2、渤海蓬莱油田漏油l2011年云南曲靖铬渣非法倾倒l2012年广西龙江河的镉污染微生物修复土壤重金属污染的特点微生物修复土壤重金属污染的特点物理化学修物理化学修复复能达到一定的效果能达到一定的效果,但是能耗大、但是能耗大、二次污染等问题也限制了其应用，二次污染等问题也限制了其应用，尤其对于大面积有害的低浓度重金尤其对于大面积有害的低浓度重金属污染属污染,更是难以处理更是难以处理微生物修复处理费用低，对环境影响小、效率高等优点，加之微生物自身具有种类繁多，数量庞大，比表面积大等特点，具有很大的潜力微生物修复重金属的原理微生物修复重金属的原理u1生物吸附和富集作用生物吸附和富集作用u2固定作用固定作
3、用u3氧化还原作用氧化还原作用u4转化作用转化作用生物吸附和富集作用生物吸附和富集作用 微生物对重金属的生物吸附与富集作用是指土壤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，并将其富集在细胞表面或内部。土壤中重金属离子有土壤中重金属离子有5 5种形态种形态:可交换态、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态结合态、残渣态(按稳定性递增排序按稳定性递增排序)固定作用固定作用重金属离子有机结合态、残渣态胞外吸附作用胞外沉淀作用胞内积累作用氧化还原作用氧化还原作用 微生物对重金属的氧化还原作用则可以微
4、生物对重金属的氧化还原作用则可以改变土壤中重金属的价态，降低其毒性或迁改变土壤中重金属的价态，降低其毒性或迁移性。如假单胞菌移性。如假单胞菌(Pseudomonad sp.)(Pseudomonad sp.)可可以把六价铬还原为三价铬以把六价铬还原为三价铬,从而降低其毒性。从而降低其毒性。FwukowaFwukowa从土壤中得到假单胞杆菌从土壤中得到假单胞杆菌K-62,K-62,它能它能分解无机汞和有机汞而形成元素汞分解无机汞和有机汞而形成元素汞,元素汞的元素汞的生物毒性比无机汞和有机汞低得多生物毒性比无机汞和有机汞低得多 微生物对重金属的转化作用包括甲基化与去微生物对重金属的转化作用包括甲基
5、化与去甲基化作用。甲基化作用。FrankenberFrankenber等通过耕作、优化管理等通过耕作、优化管理、施加添加剂等来加速硒的原位生物甲基化、施加添加剂等来加速硒的原位生物甲基化,使使其挥发而降低硒的毒性其挥发而降低硒的毒性,此生物技术已在美国西此生物技术已在美国西部灌溉农业中用于清除硒污染。部灌溉农业中用于清除硒污染。几种常见的微生物修复技术几种常见的微生物修复技术u 微生物刺激技术微生物刺激技术u 微生物强化技术微生物强化技术u 微生物微生物-植物联合修复技术植物联合修复技术微生物刺激技术微生物刺激技术 生物刺激即向污染的土壤中添加生物刺激即向污染的土壤中添加微生物生长所需的氮、磷
6、等营养元微生物生长所需的氮、磷等营养元素以及电子受体素以及电子受体,刺激土著微生物的刺激土著微生物的生长来增加土壤中微生物的数量和生长来增加土壤中微生物的数量和活性。活性。微生物刺激技术微生物刺激技术 研究表明研究表明,限制铬污染场地修复进程的一个共同限制铬污染场地修复进程的一个共同因素是污染场地通常缺乏足够的营养以供引进的外因素是污染场地通常缺乏足够的营养以供引进的外来微生物或土著微生物生长来微生物或土著微生物生长,以至这些微生物自身具以至这些微生物自身具备的还原备的还原CrCr6+6+的潜力得不到充分发挥的潜力得不到充分发挥微生物强化技术微生物强化技术 生物强化技术即向重金属污染土壤中加入
7、一生物强化技术即向重金属污染土壤中加入一种种高效修复菌株高效修复菌株或由几种菌株组成的高效微生或由几种菌株组成的高效微生物组群来增强土壤修复能力的技术。物组群来增强土壤修复能力的技术。高效菌株的来源高效菌株的来源高效菌株的筛选基因工程的构建微生物表面展示技术高效菌株微生物表面展示技术微生物表面展示技术 微生物表面展示技术是将编码目的肽的微生物表面展示技术是将编码目的肽的DNADNA片片段通过基因重组的方法构建和表达在噬菌体表面段通过基因重组的方法构建和表达在噬菌体表面、细菌表面、细菌表面(如外膜蛋白、菌毛及鞭毛如外膜蛋白、菌毛及鞭毛)或酵母菌或酵母菌表面表面(如糖蛋白如糖蛋白),),从而使每个
8、颗粒或细胞只展示一从而使每个颗粒或细胞只展示一种多肽。种多肽。Kuroda K Kuroda K、Ued MUed M将酵母金属硫蛋白将酵母金属硫蛋白(YMT)(YMT)串串联体在酵母表面展示表达后联体在酵母表面展示表达后,四聚体对重金属吸附四聚体对重金属吸附能力提高能力提高5.95.9倍倍,八聚体提高八聚体提高8.78.7倍。倍。植物植物-微生物联合修复技术微生物联合修复技术 植物植物-微生物联合修复是在植物修复的基础上，联合微生物联合修复是在植物修复的基础上，联合与植物共生或非共生微生物，形成联合修复体，促进植物与植物共生或非共生微生物，形成联合修复体，促进植物营养吸收，增强植物抗逆性，营
9、养吸收，增强植物抗逆性，借助增加生物量的手段提高借助增加生物量的手段提高修复能力修复能力；增加植物根部重金属浓度，促进重金属的吸收；增加植物根部重金属浓度，促进重金属的吸收或固定。或固定。植物植物-微生物联合修复目前研究较多的主要是植物微生物联合修复目前研究较多的主要是植物-菌菌根真菌联合修复与植物根真菌联合修复与植物-根瘤菌联合修复，其中植物根瘤菌联合修复，其中植物-菌根菌根真菌联合修以真菌联合修以AMAM菌（丛枝菌根）为例。菌（丛枝菌根）为例。植物植物-丛枝菌根修复丛枝菌根修复 丛枝菌根是土壤生态系统中一种同时具有植丛枝菌根是土壤生态系统中一种同时具有植物根系和微生物特性的互惠共生体。物根
10、系和微生物特性的互惠共生体。研究表明，研究表明，AM AM 真菌能够显著提高宿主植物真菌能够显著提高宿主植物在重金属污染土壤中的耐受能力。长期生长于胁在重金属污染土壤中的耐受能力。长期生长于胁迫环境中的植物经过一段时间的适应，会逐渐具迫环境中的植物经过一段时间的适应，会逐渐具备耐受胁迫的能力，备耐受胁迫的能力，AM AM 真菌能够促进宿主植物提真菌能够促进宿主植物提高对重金属胁迫的耐受性，减轻重金属对植物生高对重金属胁迫的耐受性，减轻重金属对植物生长造成的危害。长造成的危害。植物植物-丛枝菌根修复丛枝菌根修复 另一方面，也有研究发现，在重金属污染条另一方面，也有研究发现，在重金属污染条件下，件
11、下，AM AM 真菌侵染宿主植物后不会减少植株对重真菌侵染宿主植物后不会减少植株对重金属的吸收，金属的吸收，但是能够提高植株对重金属的耐受但是能够提高植株对重金属的耐受性性，从而帮助植物在较高浓度重金属水平下存活，从而帮助植物在较高浓度重金属水平下存活。通过对不同植物与重金属的研究发现，接种。通过对不同植物与重金属的研究发现，接种 AM AM 真菌能够促进植物的形态建成，增加对真菌能够促进植物的形态建成，增加对 Zn Zn、PbPb、CuCu、AsAs和和 Cd Cd等重金属胁迫的耐受性。等重金属胁迫的耐受性。植物植物-根瘤菌联合修复根瘤菌联合修复原理：在重金属污染地，重金属毒性和养分不足是重
12、金属污染地植被恢复的主要限制因子，而氮素氮素的极端不足又是养分不足的核心问题，提高重金属污染地氮素含量水平成为重金属污染地生态修复的首要工作。根瘤菌-豆科植物共生体系是已知固氮能力最强、固氮量大、抗逆能力强的生物固氮体系之一，它们之间是一种紧密互利关系，是其适应胁迫环境(如营养物质匮乏、干旱、重金属污染等)的有效策略之一。植物植物根瘤菌修复根瘤菌修复 SRIPRANG SRIPRANG 等发现了一种紫云英属野豌豆与根等发现了一种紫云英属野豌豆与根瘤菌的共生体，瘤菌的共生体，每个植株上的每个植株上的 100 100 个左右的根个左右的根瘤可多去除瘤可多去除 140 nmol Cd 140 nmo
13、l Cd2+2+。经过基因工程改良经过基因工程改良后，共生体对后，共生体对 Cd Cd2+2+的吸收增加了的吸收增加了 1.5 1.5 倍。倍。微生物修复的问题微生物修复的问题u微生物存在遗传稳定性差、易发生变异，一般不微生物存在遗传稳定性差、易发生变异，一般不能将污染物全部去除等问题能将污染物全部去除等问题u微生物对重金属的吸附和累积容量有限，而且须微生物对重金属的吸附和累积容量有限，而且须与土著菌株展开生存竞争，最终有可能因难以适与土著菌株展开生存竞争，最终有可能因难以适应环境（竞争失利）而被淘汰应环境（竞争失利）而被淘汰u应用前较为繁琐的培植、驯化过程也必不可少，应用前较为繁琐的培植、驯化过程也必不可少，这也在一定程度上制约了微生物修复技术的广泛这也在一定程度上制约了微生物修复技术的广泛应用应用u目前应用微生物修复重金属污染环境仍存在许多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技术上的难题
