2023年污染土壤的微生物修复原理与技术进展.doc

污染土壤的微生物修复原理与技术进展       土壤污染已经成为全球性的重要环境问题之一。近20年来，随着社会经济的高速开展和高强度的人类活动，我国土壤的污染面积在不断扩大，土壤质量持续恶化加剧，危害更加严重，已经影响到全面建设小康社会和实现可持续开展的战略目标，未来15年将面临着更为严峻的挑战。在这一形势下，开展污染土壤的治理与修复技术在我国显得尤为必要而紧迫，尤其是生物修复技术。     土壤微生物是土壤生态系统的重要生命体，它不仅可以指示污染土壤的生态系统稳定性，而且还具有巨大的潜在环境修复功能。由此，污染土壤的微生物修复理论及修复技术便应运而生。微生物修复是指利用天然存在的或所培养的功能微生物群，在适宜环境条件下，促进或强化微生物代谢功能，从而到达降低有毒污染物活性或降解成无毒物质的生物修复技术，它已成为污染土壤生物修复技术的重要组成局部和生力军。至此，本文以土壤中污染物(重金属及典型有机污染物1为对象，从土壤微生物与污染物质的相互作用入手，较为系统地综合评述污染土壤的微生物修复原理与技术。 1  重金属污染土壤的微生物修复原理     土壤微生物种类繁多、数量庞大，是土壤的活性有机胶体，比外表大、带电荷和代谢活动旺盛，在重金属污染物的土壤生物地球化学循环过程中起到了积 极作用。微生物可以对土壤中重金属进行固定、移动或转化，改变它们在土壤中的环境化学行为，可促进有毒、有害物质解毒或降低毒性，从而到达生物修复的目的。因此，重金属污染土壤的微生物修复原理主要包括生物富集(如生物积累、生物吸着)和生物转化(如生物氧化复原、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)等作用方式。 1.1  微生物对重金属的生物积累和生物吸着     微生物对重金属的生物积累和生物吸着主要表现在胞外络合、沉淀以及胞内积累等3种形式，其作用方式有以下几种：①金属磷酸盐、金属硫化物沉淀；②细菌胞外多聚体；③金属硫蛋白、植物螯合肽和其他金属结合蛋白；④铁载体；⑤真菌来源物质及其分泌物对重金属的去除。由于微生物对重金属具有很强的亲合吸附性能，有毒金属离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上，或被轻度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上。研究说明，许多微生物，包括细菌、真菌和藻类可以生物积累(bioaccumulation)和生物吸着(biosorption)环境中多种重金属和核烈引。一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸盐复原菌以及某些藻类，能够产生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的阴离子基团，与重金属离子形成络合物。Macaskie等别离的柠檬酸细菌属(Citrobacer)，具有一种抗Cd的酸性磷酸酯酶，分解有机的2-磷酸甘油，产生HP042-与Cd2+形成CdHP04沉淀。Bargagli在Hg矿附近土壤中别离得到许多高级真菌，一些菌根种和所有腐殖质分解菌都能积累Hg到达100 mg/㎏埏干重。 重金属进入细胞后，可通过“区域化作用〞分配于细胞内的不同部位，体内可合成金属硫蛋白(MT)， MT可通过Cys残基上的巯基与金属离子结合形成无毒或低毒络合物。研究说明，微生物的重金属抗性与 MT积累呈正相关，这使细菌质粒可能有抗重金属的基因，如丁香假单胞菌和大肠杆菌均含抗Cu基因，芽孢杆菌和葡萄球菌含有抗Cd和抗Zn基因，产碱菌含抗Cd、抗Ni及抗Co基因，革兰氏阳性和革兰氏阴性菌中含抗As和抗Sb基因。Hirokit61发现在重金属污染土壤中参加抗重金属产碱菌可使得土壤水悬浮液得以净化。可见，微生物生物技术在净化污染土壤环境方面具有广泛的应用前景。 1.2微生物对重金属的生物转化作用     重金属污染土壤中存在一些特殊微生物类群，它们对有毒重金属离子不仅具有抗性，同时也可以使重金属进行生物转化。其主要作用机理包括微生物对重金属的生物氧化和复原、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。在细菌对重金属抗性和生物修复的可行性研究中，人们多关注Hg的脱甲基化和复原挥发、亚砷酸盐氧化和铬酸盐复原以及Se的甲基化挥发等。细菌对Hg的抗性归结于它所含的两种诱导酶：一种Hg复原酶和一种有机Hg裂解酶，其机制是通过Hg-复原酶将有机的 Hg2+化合物转化成低毒性挥发态Hg。也有研究说明，土壤中分布着多种可以使铬酸盐和重铬酸盐复原的微生物，如产碱菌属(Alcaligenes)、芽孢杆菌属、棒杆菌属(Corynebacterium)、肠杆菌属、假单胞菌属和微球菌属(Micrococus)等，这些菌能将高毒性的Cr6+，复原为低毒性的Cr3+。可见，利用无机和有机Hg化合物复原及挥发，铬酸盐复原和亚砷酸盐氧化特性，可应用于重金属污染土壤的微生物修复。     微生物也可通过改变重金属的氧化复原状态，使重金属化合价发生变化，改变重金属的稳定性。Silver等提出，在细菌作用下氧化复原是最有希望的有毒废物生物修复系统。微生物能氧化土壤中多种重金属元素，某些自养细菌如硫一铁杆菌类(Thiobacillus ferrobacillusl)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。硫复原细菌可通过两种途径将硫酸盐复原成硫化物，一是在呼吸过程中硫酸盐作为电子受体被复原，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有机污染土壤的微生物修复原理 2.1  有机污染物进入微生物细胞的过程 土壤中大局部有机污染物可以被微生物降解、转化，并降低其毒性或使其完全无害化。微生物降解有机污染物主要依靠两种作用方式：①通过微生物分泌的胞外酶降解；②污染物被微生物吸收至其细胞内后，由胞内酶降解。微生物从胞外环境中吸收摄取物质的方式主要有主动运输、被动扩散、促进扩散、基团转位及胞饮作用等。 2.2微生物降解有机污染物的主要反响类型     微生物降解和转化土壤中有机污染物，通常依靠以下根本反响模式来实现的。     (1)氧化作用：①醇的氧化，如醋化醋杆菌(Acetobacter aceti)将乙醇氧化为乙酸，氧化节杆菌(Arthrobacter oxydans)可将丙二醇氧化为乳酸；②醛的氧化，如铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)将乙醛氧化为乙酸；③甲基的氧化，如铜绿假单胞菌将甲苯氧化为安息香酸，外表活性剂的甲基氧化主要是亲油基末端的甲基氧化为羧基的过程；④氧化去烷基化：如有机磷杀虫剂可进行此反响；⑤硫醚氧化：如三硫磷、扑草净等的氧化降解：⑥过氧化：艾氏剂和七氯可被微生物过氧化降解；⑦苯环羟基化：2,4-D和苯甲酸等化合物可通过微生物的氧化作用使苯环羟基化；⑧芳环裂解：苯酚系列的化合物可在微生物作用下使环裂解；⑨杂环裂解：五元环(杂环农药)和六元环(吡啶类)化合物的裂解；⑩环氧化：环氧化作用是生物降解的主要机制，如环戊二烯类杀虫剂的脱卤、水解、复原及羟基化作用，等等。     (2)复原作用：①乙烯基的复原，如大肠杆菌(Escherichia colitiform)可将延胡索酸复原为琥珀酸；②醇的复原，如丙酸梭菌(Clostridium propionicum)可将乳酸复原为丙酸；③芳环羟基化，甲苯酸盐在厌氧条件下可以羟基化；也有醌类复原、双键、三键复原作用等等。     (3)基团转移作用：①脱羧作用，如戊糖丙酸杆菌(Propionibacterium pentosaceum)可使琥珀酸等羧酸脱羧为丙酸；②脱卤作用，是氯代芳烃、农药、五氯酚等的生物降解途径：③脱烃作用，常见于某些有烃基连接在氮、氧或硫原子上的农药降解反响：还存在氢卤以及脱水反响等。        (4)水解作用：主要包括有酯类、胺类、磷酸酯以及卤代烃等的水解类型。 (5)其他反响类型：包括酯化、缩合、氨化、乙酰化、双键断裂及卤原子移动等。 2.3典型有机污染物的微生物转化与降解机理 2.3.1  氯代芳香族污染物的微生物转化与降解机理     前人研究说明，土壤中存在大量可降解氯代芳香族污染物的微生物类群，它们对氯代芳香族污染物的降解主要依靠两种途径：即好氧降解和厌氧降解。脱氯是氯代芳香族有机物生物降解的关键，好氧微生物可通过双加氧酶／单加氧酶作用使苯环羟基化，形成氯代儿茶酚，进行邻位、间位开环，脱氯：也可在水解酶作用下先脱氯后开环，最终矿化。如Mars等发现恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)GJ3l存在特异的氯代儿茶酚2,3-双加氧酶，通过问位裂解途径降解氯苯，可使3-氯代儿茶酚同时进行开环与脱氯，形成2-羟基粘康酸。但是，也有局部氯代芳香族污染物的降解是通过单加氧酶作用实现的，如2,4-D、2,4,5-三氯苯氧乙酸和2,4,5-TCP等可通过单加氧酶作用得到转化降解。Xun等【…发现在Burkholderia cepacia ACll00和Ralston eutropha JMPl34中存在利用FADH2的单加氧酶，前者单加氧酶催化两步氧化，使2,4,5-TCP先后转化为2,5-二氯苯醌和5-氯羟基苯二酚；后者单加氧酶催化2,4,6-TCP序列脱氯形成2,6-二氯苯醌，而后水解脱氯产生6-氯苯二酚。     氯代芳香族污染物的厌氧生物降解主要是依靠微生物的复原脱氯作用，逐步形成低氯代中间产物或被矿化生成C02+CH4的过程。一般情况下，高氯代芳香族有机物易于复原脱氯，低氯代的芳香族有机物厌氧降解较难。近年来人们已经别离到一些厌氧复原脱氯降解微生物，如对单氯酚、二氯酚类、羟基氯代联苯具有间位、邻位、对位脱氯活性的Desulfmonile teidjei DCB-1，Desulfitobacterum hafniense DCB-2， Desulftobacterum dehalogenans、Desul-fovibrio dechlo— ractivorans等。Fennell等发现四氯乙烯脱氯降解菌Dehalococcoides etheno-genes strain 195对多种氯代芳烃具有复原脱氯活性，如将1,2,3,4-TeCDD转化为1,2,4-TrCDD和1,3-DiCDD，2,3,4,5,6-五氯联苯复原脱氯形成2,3,4,6-四氯联苯或2,3,5,6-四氯联苯和2,4,6-三氯联苯，1,2,3,4-四氯萘转化为二氯萘，六氯苯序列复原脱氯形成1,2,3,5-四氯苯和1,3,5-三氯苯。以上研究说明，氯代芳香族污染物的厌氧微生物降解具有很大的应用潜力，已成为有机污染土壤环境修复的研究热点。美国EPA己提出将有机污染物厌氧生物降解作为生物修复行动方案的优先领域。 2.3.2  多环芳烃(PAHs)的微生物转化与降解机理     微生物对PAHs的降解通常有两种方式：一种是微生物在生长过程中以PAHs作为唯一的碳源和能源生活而降解PAHs。一般情况下，微生物对PAHs的降解都是需要氧气的参与，产生加氧酶，然后再在加氧酶的作用下使苯环分解。其中真菌主要产生单加氧酶，首先进行PAHs的羟基化，把一个氧原子加到PAHs上，形成环氧化合物，接着水解生成反式二醇和酚类。而细菌一般产生双加氧酶，把两个氧原子加到苯环上形成双氧乙烷，进而形成双氧乙醇，接着脱氢产生酚类。不同的途径会产生不同的中间产物，其中邻苯二酚是最普遍的。这些中间代谢产物经过相似的途径降解：苯环断裂，丁二酸，反丁烯二酸，丙酮酸，乙酸或乙醛。这些物质都能被微生物所利用，同时产生H20和C02。     另外一种是微生物可通过共代谢途径即PAHs与其他有机物共氧化)降解大分子量的PAHs。在共代谢降解过程中，微生物分泌胞外酶降解共代谢底物维持自身生