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1、微生物修复农业水资源重金属污染的应用研究进展摘要：近年来,农业水资源中重金属污染十分严重,造成大量农业经济损失以及危及生命健康。微生物修复技术具有成本低廉、效率高和产生二次污染少等优点,广泛应用于农业水资源重金属污染治理。目前,随着现代生物技术的进步,农业水资源中重金属污染的微生物修复技术也得到十分迅速的发展。本文重点从农业水资源重金属污染来源和国内外现状、微生物修复农业水资源重金属污染的原理以及几种常见的农业水资源重金属微生物修复技术等方面进行综述。此外,还对微生物修复农业水资源重金属污染的进一步研究工作进行了展望。关键词：重金属污染；微生物修复；农业水资源；微生物吸附随着社会和工业的快速发
2、展，农业化学用品的广泛应用，农业水资源中的重金属污染问题日益突出，引起社会的广泛关注。重金属的持久性更强且更倾向于在活的植物体内积累，从而造成有毒的不良症状或者致癌比环境中的有机污染物，如多环芳烃、农药和石油更严重1-2。微生物修复农业水资源重金属污染的原理是通过具有重金属离子抗性的微生物转变和转化金属离子，降低重金属毒性，从而改善和净化污染环境3-4。微生物能够通过吸收，转化和降解改变或者降低重金属和其代谢产物的毒性，从而修复被重金属污染物的环境。微生物修复农业水资源重金属污染物与植物和动物修复相比较，微生物更直接接触污染物5-7。显然，将微生物修复技术与其他技术相结合来治理农业污染水资源是
3、未来的研究的方向。本文将国内外农业水资源中重金属污染的来源、现状及微生物修复农业水资源中重金属污染的原理以及几种常见的微生物修复农业被重金属污染的水资源技术。此外对微生物修复被重金属污染的农业水资源进行了展望。1. 国内外农业水资源重金属污染现状及对策随着工业和城市污染的增加，化学在农业中的应用，农业水资源被重金属污染的形式越来越严峻，几乎威胁到每个国家。现在，重金属污染逐年恶化，从2000年开始，平均每年全球向环境中排放的汞15000吨，340万吨的铜，500万吨的铅，1500万吨的锰和100万吨的镍8。接近2000万公顷的农业耕地在中国受到镉，汞，砷，铬，铅和其他重金属的污染，每年大概有1
4、200万吨的食物被重金属污染，造成的直接经济损失超过200亿元9-10。这些被重金属污染的农业水资源聚集在中国南部云南省，贵州省，中国中部江西省，湖南省，也包括珠江三角和长江三角洲9。这些污染农业水资源重金属的主要来源包括金属采矿冶炼，化工制造业，重金属农药肥料的应用,工业废水用于灌溉的。这其中重金属的工业废水的排放、有色重金属的冶炼废水的沉降和固体非铁的金属溶解是重金属污染农业水资源的重要途经。采矿冶炼导致河流和下游河流的重金属大量的堆积，在采矿和冶炼的活动中，污染表现为流域性和典型性的区域分布。这些重金属通过多种渠道进入农业水资源是很难去分解，少量移动积累到农业用地里。当这些重金属积累到农
5、业水资源和农业用地到达某一定量时，将会严重影响到农产品的质量，通过食物链堆积到人体和动物体内，威胁人类健康。2. 微生物修复农业水资源重金属污染的原理最近几年，微生物与重金属的相互作用得到了广泛的研究11-12。一般来说，一些微生物可能依靠重金属，重金属产生的毒性来抑制微生物的生长和抗生素活性。然而，微生物本身可以产生很多的重金属抗性和解毒机制。微生物修复重金属污染包括但不限于生物吸附、生物积累、生物还原、生物矿化等13。根据微生物修复被重金属污染的水的不同方法，我们从以下几个反面综述微生物修复重金属污染的原理。2.1微生物对重金属的依赖性目前已知重金属有重要的微生物功能：钴、镍、铜、锌、钼和
6、钨。在温泉中发现超嗜热细菌（如糠酸焦球菌）需要钨，在这种环境中钨酸盐被考虑代替钼酸盐14。钴可以成为维生素B12的成分和在共生固氮微生物和植物之间。镍是脲酶和氢化反应的组分之一，可以刺激某些化学自养微生物的生长。钼不仅能起到微生物的作用，而且还是反硝化细菌硝酸还原反应的酶辅因子15。众所周知，微生物对重金属的依赖是指微生物的生命活动、生理生化过程需要重金属。微生物的酶催化、分子运输、蛋白质修饰、电荷中和等过程中通常需要某些重金属。这些重金属的几个基本特征包括：(1)它们是许多蛋白质中的非朊基组，在中心构型中对维持酶活性方面起着重要作用。（2）它们是许多酶催化反应中的辅因子。（3）它们是配体中心
7、（卟啉分子）。（4）它们是氧化还原中心，通过参与细胞内重要的氧化还原反应。2.2微生物对重金属的解毒作用及其机理微生物对重金属的抗性分为不依赖重金属胁迫的普遍抗性和依赖重金属胁迫的特异性抗性。前者普遍性抗性微生物适应所有的重金属，生物抗性公约的最基本的原则是依据固定的重金属，减少游离态的重金属，防止重金属进入细胞，减少重金属的生物利用度从而减少重金属的毒性。后者特异性抗性特征取决于重金属的离子的活性和特异性，这种抗性的存在主要看（1）重金属络合物由金属硫蛋白或者相似的蛋白质组成，可以从重金属中分离。（2）排除细胞内重金属通过依靠能量的重质粒编码排出16。（3）重金属离子的氧化、被还原、甲基化或
8、者脱甲基作用使得价态稳定、低毒或者无毒化合物，减少对有机体的毒害影响17。3. 微生物修复农业水资源重金属污染的几个技术3.1微生物吸收和新陈代谢修复技术通过微生物的新陈代谢转换重金属离子可以降低重金属毒性。一些研究表明18-19 嗜酸菌通过代谢活动消除进入细菌体内的高价态的Cr6+成毒性较小的Cr3+，正三价的铬离子可以减少对环境的危害，某些微生物可以将不溶性Pu4+转化成成Pu3+，将元素Hg还原成Hg2+。酵母细菌的表面可以成功地将Cr6+降低成价态的Cr离子使其可有效的富集20。一些研究发现21-22 通过优化培养基，可使微生物充满在去毒后浓度低于150mg/L Cr6+中，培养基组成
9、具有微生物适应性；CR6+还原菌在强碱性环境中初始浓度为500 mg/L可达到99.9%的含铬废水的去除效果。由于微生物细胞和细胞外物质有许多潜在的金属结合位点，目前已开始通过悬浮或固定细胞吸附重金属23。微生物通过直接或间接的生命代谢作用溶解和矿化重金属离子，代谢产生的有机酸、氨基酸等物质能溶解重金属和含重金属的矿物质，也会加速重金属从风化壳的释放24。这些影响可以改变农业水资源中重金属的存在，减少污染程度。微生物还可通过产生铁营养素、金属硫蛋白、植物螯合肽、改变水体的pH等来影响重金属的活性25-26。微生物对重金属的生物吸附作用十分重要，因为它有助于有毒重金属离子的去除和从受污染水体中收
10、集金属资源。微生物吸附修复技术在低浓度重金属中具有修复污染效果好、操作简单等优点，在农业水资源中重金属污染治理中具有广阔的应用前景。大多数微生物表面带负电荷，有利于重金属的吸附，但吸附的重金属选择主要取决于不同的结合位点。微生物对重金属的吸附能力取决于微生物本身的性质(如吸附类型、活性位点数、应变时效等)、重金属的种类和价态,同时受到外界环境因素(如pH、温度的影响。污染物的共存等）27。3.2微生物植物修复微生物-植物修复作为一种强化的重金属植物修复技术逐渐成为国内外的研究热点28。微生物-植物修复重金属污染的农业水资源主要有两种形式，一种是由产生含铁细胞的微生物、生物表面活化剂和有机酸分泌
11、的，如增加水中金属的迁移率，促进植物吸收重金属。第二种是植物生长促进了根际细菌和菌根真菌的共生，增加了植物的生物量，从而增加了重金属的积累29-30研究表明，丛枝菌根真菌(AMF)能显著提高宿主植物在污染环境中的重金属耐受性。微生物-植物修复主要靠重金属超富集植物的根部通过微生物活性吸收、转化、转运重金属离子和富集到植物的颈部和叶部31。马克思等人32表明，近明球囊霉和根内球囊霉的存在，增强了茄子对锌的吸收和富集(锌的富集分别达到83和49)。安德雷得等人的33研究认为，在污染环境中，油菜根瘤菌能有效维持共生温和锌的浓度，提高油菜根瘤菌在这些条件下的复合行为可能是由于生理和营养的变化，导致真菌
12、与植物之间的密切关系。梁等人34发现丛枝菌根菌的主要作用是帮助蜈蚣草对砷的吸收和富集(作为超富集植物)，并表明蜈蚣草根的原生菌根真菌对砷积累有促进作用。通过以上实例，我们知道微生物-植物修复技术能够有效地修复环境中的重金属污染物，不仅能起到美化环境的作用，还能收到一定的经济效益。3.3.生物膜系统生物膜系统可以来自一个或多个单种或多种微生物群落，如不同电子受体和供体的细菌、真菌、藻类和古菌，以及环境的养分浓度35-36。生物膜系统可以通过微生物吸附、生物还原、生物螯合、重金属污染物的生物富集效应，对农业水资源中重金属污染有巨大的影响37。科斯特利等人38成功地应用了膜系统去除废水中重金属污染，
13、其中CuZnCd，去除率分别为73%和33%。戈尔比等39研究表明，利用生物矿化的生物膜系统，他们还研究了存活细胞的原生质中铜、银、铅、镍、锌的浓度。他们发现，该混合物中含有多达20mg/L铅、16mg/L锌、1000mg/L锶和3.2mg/L镍的耐金属生物膜。利用扫描电镜和Cu、Ag、Pb、Sr渗出膜的金属晶体对重金属矿化进行可视化观察。与重金属接触后，通过分子生物学方法发现混合物种生物膜保持了高度的复杂性。3.4.生物燃料电池（MFCs)生物燃料电池技术(MFCs）是近年来发展起来的一种很有前途的重金属污染修复技术，它在修复重金属的同时伴随着发电。生物燃料电池（MFCs）是转化有机物质成化
14、学能被设计用于微生物催化（代谢）活性功率生物电化学系统40。作为生物电化学系统，MFCs和微生物电解池（MEC）被开发用于从废水中选择性回收Cu2+和Ni2+离子41。典型的双室MFCs由阳极和阴极组成，由阳离子特异膜隔开，其废水处理在MFCs阴极中进行，系统可以有效地去除重金属离子42。目前，MFCs已广泛应用于重金属废水的处理。黄等人43指出，MFCs通过常规化学工艺和无酸控制，根据MFCs中Co3+浓度的协同作用能力，可帮助降低锂钴氧化物，导致Co3+的浸出速度是总和的3.4倍。吴等人44采用了一种新的MFC方法，极大地提高了Cr6+还原的效率，主要归因于生物阴极具有高的生物量浓度和低的
15、CR3+沉淀阴极电阻与普通驯化方式（无处理控制）相比。这些例子证明，在微生物燃料电池（MFCs）中，当厌氧物质降解有机物时，微生物可以将化学能转化为电能45。4.结论与展望农业水资源中的重金属污染日益加剧，迫切需要有效的修复方法，有效的重金属污染监测和控制措施。微生物可以通过自身及其代谢物的物理和化学作用来吸收、降解和转化重金属，从而改变或降低农业水资源中重金属残留物的毒性。由于微生物修复成本低、效率高，在重金属污染农业水资源修复中具有良好的应用前景。尽管微生物修复技术发展迅速，但仍需进一步研究：(1)随着基因工程和分子生物学技术的发展和应用，我们将向高效率、高菌种过滤下修复各种有毒重金属，并
16、为重金属生物修复技术的广泛应用提供更有利的条件；(2)需要进一步研究微生物高效降解修复基因、酶和一些调控因子、遗传多样性和功能微生物修复，通过不断研究和探讨细菌多种有效的修复机制，以及修复途径的能力，它将朝着人类所期望的方向发展；(3)进一步研究农业水资源中重金属污染物的状态和形态，使生物修复后的农业水资源能够尽可能地循环利用。试图寻找一种有效的生物修复和再循环利用更多的重金属污染废物的方法对未来环境更加重要；(4)为了适应日益严格的环境法规，各种水处理技术已经发展其优点改进缺点并试图去除重金属，比如化学沉淀、混凝、絮凝、浮选、离子交换和膜过滤等46。由于重金属来源广泛、种类繁多，不同行业和工艺，如果只采用单一的微生物修复方法有其局限性，难以达到预期的效果。因此，随着生物技术的发展，生物修复技术等技术和其他技术的
