微生物在土壤镍离子污染修复中的研究与应用

微生物在土壤镍离子污染修复中的研究与应用杨丽琴--------------------------------------------------------------------------------摘要：虽然镍是一种必需的微量营养元素，但在较高含量时，对土壤微生物会造成毒害。在长期受镍胁迫土壤中，土壤细菌、真菌、内生菌根、外生菌根中的某些种类产生了体内和体外的抗性机制以减少镍的毒害作用。通过微生物的吸收、沉淀、络合等作用，可以减少土壤中重金属的迁移性和生物毒性；另外，某些根际微生物还能提高超富集植物对重金属的提取效果。分析结果表明，利用根际微生物和植物的共生关系强化植物修复的效果是可能的。关键词：土壤微生物；镍；重金属污染；修复环境中的重金属主要来自于各种工业和农业活动，如矿山开采、金属冶炼、农业施肥、污水灌溉和施用污泥等。据估计[1]，全球每年释放到环境中的有毒重金属数量高达数百万吨，其中镍为38.1×104，这给包括土壤在内的环境安全和人类健康造成严重威胁[2]。在长期受重金属胁迫的条件下，土壤中微生物的生物量显著下降，基础呼吸和代谢商明显升高[3]；一些敏感性种群数量下降或消失，而一些耐性强的种群得以生长和繁殖。通过对重金属耐性强的微生物种类的筛选和污染治理方面的应用研究，日益受到人们的关注本文就近年来国内外镍污染条件下微生物的抗性机理及应用研究进行综述，探讨镍污染土壤生物修复的可能性。1重金属胁迫下微生物的抗性机制在重金属污染的土壤环境中，受重金属胁迫的影响，土壤微生物群落结构、数量、分布和体内代谢功能会发生改变[4]。为了适应重金属胁迫的环境，微生物体内形成了相应的耐性和抗性机制。这些机制包括：荚膜保护，细胞壁结合，生物膜保护，细胞内隔离，主动外排系统，酶脱毒，降低金属敏感性，抗性质粒等[56]。除上述内部机制外，微生物分泌物质，如胞外高聚体、铁载体等，也能直接与重金属发生沉淀作用和胞外络合作用而减少重金属的毒性。另外，微生物还可通过生物甲基化作用、挥发作用、氧化还原作用等对某些重金属进行生物转化[78]。上述抗性机制，可以单独作用，也可以几种同时作用。微生物在重金属环境中形成的这些机制，有些已在工农业生产中广泛应用，如微生物湿法采矿、含重金属废水处理、燃煤中硫的去除、污染土壤的生物修复[8]等。1.1细菌镍（Ni）是细菌必需的微量营养元素之一[910]。细菌可以吸收Ni，但吸收数量的大小，取决于细菌生存条件和菌株特征。正常剂量时，细菌吸收的Ni参与体内代谢过程。但在Ni胁迫下，细菌细胞内的脯氨酸、硫醇的含量升高，这可能是过量Ni进入细胞后引起的反应。细菌对金属的细胞外吸附是其抗性机制之一。细菌的分泌物质，如多聚体（主要是多糖、质白质和核酸），含有多种具有金属络合、配位能力的基团，如巯基、羧基、羟基、氨基、磷酸根等，这些基团能通过离子交换或络合作用与金属结合形成金属-有机化合物，有毒金属元素变成无毒或低毒化合物。据报导，带有甲基乙二醛抗性基因的酵母S.cerevisiae能分泌大量的谷胱甘肽，谷胱甘肽与重金属有很强的结合能力，可与Ni结合形成Ni-谷胱甘肽复合物，因这一复合物为复杂的结构体，不能通过细胞膜进入细胞内，这可能是减少该细菌对Ni吸收的原因。有些细菌的分泌物中含有铁载体(Siderophore)、多糖、果胶类物质等，对金属也具有吸附、降低毒性的功能。Komarova等采用含有多肽、多聚糖、脂质的Bacillusmegaterium进行吸附重金属的试验，发现在水溶液中试验菌吸附Ni、Co和Pb的吸附等温线符合Langmuir方程，并在30min内达到吸附平衡，吸附率分别为Pb42%、Ni34%、Co27%。细菌对金属的吸附作用，受细菌自身的影响，如细菌表面性质、数量、年龄、机体死活和环境因子等等。大西洋假单胞菌Pseudomonasatlantica对铅的吸附试验发现，较高的细胞密度时吸附量反而减少，其原因是在较高的细胞密度时，悬液中的细胞相互粘连，细胞总的体表面积减少。Ni被细菌吸收或吸附后，形成金属!有机化合物，引起镍存在形态变化，其移动性下降，对植物的毒性也会有所减轻。1.2真菌真菌也能吸收重金属，真菌的细胞壁在对重金属的吸附中起到关键作用。因为分离细胞壁吸收重金属量约占38%~77%，且细胞壁的吸收能力比菌丝体总的吸收能力高20%~50%。在重金属污染的环境中，真菌通常是采用细胞内和细胞外的螯合物来固定重金属，减少重金属的移动性。这种螯合物主要是重金属与低分子有机酸、金属硫因等形成的。真菌对重金属的抗性机制与细菌的抗性类似，但从单一个体来说，由于真菌的个体可能发育形成菌丝体或菌落，与土壤的接触面积较单一个体细菌的接触面积要大得多，因此，单一真菌个体吸附重金属的量可能会较单一细菌的大。据报导，白