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跟着经济的快速生长,我国面对着泥土镉(Cd)净化日趋严峻的题目。应用微生物修复泥土Cd净化具有结果好、本钱低等长处,遭到人们愈来愈多的存眷。而芽孢杆菌情况适应性强,具有高效吸附Cd才能,正在修复泥土Cd净化上有肯定的潜力,因而深切研讨芽孢杆菌对泥土Cd净化修复具有主要的意义。

文章综述了我国泥土Cd净化近况及芽孢杆菌正在修复重金属Cd净化的运用,剖析了其修复泥土Cd净化的感化机制,并对芽孢杆菌修复泥土重金属Cd净化的存在题目停止瞻望。

泉源:《广东农业科学》2016年第1

 

跟着产业快速生长和人类运动逐步增强,泥土重金属净化的题目也日趋严峻,个中泥土Cd净化局限最广、净化水平最严峻。由2014年的天下土壤污染状态观察公报可知,我国耕地土壤污染点位超标率为19.4%,且以无机污染物,特别是重金属净化为主。个中重金属Cd点位超标率到达7.0%,是重金属污染物中点位超标率最高的。据统计,每一年我国有2000hm2以上的耕地受镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铬(Cr)、铅(Pb)等重金属净化,遭到净化的粮食产量高达1200t,形成经济损失凌驾200亿元。Cd是耕地及工业园区、矿区四周泥土重金属净化的最主要泉源。表1是局部矿区四周耕地和农作物中的Cd含量状态,从表1能够看出,那局部区域的耕地Cd含量皆远远超越该地Cd配景值,且农作物可食局部Cd含量也大部分凌驾《食物中污染物限量》(GB2762-2012)中划定的食物中Cd含量的限制值,阐明这些区域的Cd净化水平相称严峻。鉴于我国泥土Cd净化日益严峻,展开修复事情曾经迫在眉睫。

现在,重金属净化修复要领有物理修复法(客土法、电动修复法、电热修复法)、化学修复法(泥土淋洗法、化学流动手艺)和生物修复法(动物修复法、植物修复法和微生物修复法)。物理修复法和化学修复法修复结果好,然则本钱下,易形成二次污染,不适于大面积泥土重金属修复。而微生物修复法具有本钱低、净化少等长处,再加上国度政策倾斜,使其成为重金属净化泥土修复的主要偏向。

常用于泥土重金属修复的菌株有菌根真菌、假单胞菌、光合细菌、芽孢杆菌、酵母菌等,个中芽孢杆菌(Bacillus)果具有较下的情况兼容性,且对重金属Cd具有较好的吸附结果,正在泥土重金属Cd净化修复上具有较大的研讨代价。本文便其运用及感化机制停止总结,以期为芽孢杆菌用于重金属净化修复供应理论依据。

1 芽孢杆菌正在泥土Cd净化修复的运用

大多数芽孢杆菌属为革兰氏阳性菌,正在缺少营养或不良情况时能发生芽孢。常见用于泥土修复剂的芽孢杆菌有枯草芽孢杆菌(Bacillus. subtilis)、伟大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、胶质芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus)、蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)、短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)、地衣芽孢杆菌(Baclicus lincheniformis)等。很多研讨发明芽孢杆菌对重金属离子吸附结果显着。表2是几种芽孢杆菌对重金属Cd2+的吸附程度,从表2能够看出,芽孢杆菌对火相中重金属Cd的吸附率对照下,可将其应用到重金属废水、重金属净化泥土的修复中。

1.1

低落泥土有用态Cd和动物Cd积聚

泥土有用态Cd含量转变取决于泥土Cd差别形状的比例分派。泥土Cd总量越下,有用态Cd的比例越下,动物体内Cd含量也就越下。一些芽孢杆菌不只能够间接吸附泥土Cd2+,借能够经由过程影响泥土理化性子去低落泥土有用态Cd含量,从而低落泥土Cd对动物的毒性。

枯草芽孢杆菌是泥土中普遍散布的一种需氧型细菌,正在防治作物病虫病害、修复重金属净化方面起到重要作用。纪宏伟等研讨发明枯草芽孢杆菌能够使泥土有用态Cd含量低落5.07%42.63%,且造就工夫越少,钝化结果越明显。范仲学等经由过程盆栽实验注解,施用2g/kg的枯草芽孢杆菌对减缓花生Cd强迫的结果最好,可使子粒中Cd含量低落25.37%Jiang CX 等以枯草芽孢杆菌为动身菌株停止诱变,挑选出一株高抗Cd的诱变菌B38,该菌和诺沃肥复合对Cd净化(10mg/kg)的泥土停止修复后,胡萝卜天下部Cd含量下降至0.15mg/kg,泥土中可提取态Cd的含量低落了73.9%

蜡状芽孢杆菌对CdPbCr等重金属具有较强的抗性,可经由过程静电吸附、离子交换感化、外面络合感化吸附水相中重金属。但蜡状芽孢杆菌用于泥土重金属修复的实例相干报导还不多见。胡永娟应用蜡状芽孢杆菌修复麦田Cr,效果注解小麦幼苗叶和根系Cr含量离别下落8.87%24.67% ;当蜡状芽孢杆菌取米根霉联用时,可使小麦天上部和天下部Cr含量离别低落42.15%46.91% 26.11%48.24%,泥土有用态Cr含量下落2.1%9.0%,阐明蜡状芽孢杆菌正在修复泥土重金属净化方面的运用是具有肯定潜力的。现在有关蜡状芽孢杆菌对泥土Cd的修复的实例借对照少,但因为蜡状芽孢杆菌对Cd具有极强的抗性,且对Cd的吸附结果好,使其正在泥土Cd净化修复方面的运用具有较大的研讨代价。

1.2

强化动物修复泥土Cd净化

微生物-动物结合修复是现在常见的泥土重金属净化修复要领之一,微生物可以或许改进土壤环境,处理泥土中重金属的生物有效性较低而限定动物修复生长的题目。有研讨注解,某些芽孢杆菌接种于泥土后,能增进动物发展,进步泥土有用Cd含量,很大程度上进步动物修复效力。

伟大芽孢杆菌、胶质芽胞杆菌具有解磷、解钾的功用,能增进动物发展,正在代谢历程中可发生有机酸,对泥土重金属有肯定消融活化感化。王小敏等研讨注解,差别Cd净化程度下伟大芽孢杆菌可使泥土中有用态Cd含量进步3.8%~24.4%;将其取印度芥菜结合修复泥土Cd净化,可使印度芥菜Cd含量进步13.9%~96.9% ,印度芥菜天上部Cd含量最高增添42.1%,泥土中可交换态Cd含量最高增添10.7%。杨榕等考查了差别接种量条件下胶质芽孢杆菌对印度芥菜修复Cd净化泥土的影响,效果注解,差别浓度的胶质芽孢杆菌可使泥土Cd含量低落4.7%~20.9%,同时能进步根际泥土有用态Cd含量15.15%~36.54%,非根际泥土有用态Cd含量进步31.73%~45.28%

2 芽孢杆菌修复Cd净化泥土的感化机制

2.1

胞中吸附

芽孢杆菌属于革兰氏阳性菌,细胞壁中含有大量肽聚糖和磷壁酸,因而可以或许供应大量的羧基、酰胺基等活性基团,这些基团能够落空质子而使菌体外面带有较强负电荷,使之能靠静电引力吸附重金属离子。比方,正在蜡状芽孢杆菌吸附Cd饱和均衡后,pH 值的降低或低落会改动菌体吸附Cd的解吸率和细菌外面所带电荷,阐明静电吸附对蜡状芽孢杆菌吸附重金属Cd起到肯定感化。同时,正在细胞吸附重金属离子历程中,细胞壁会取重金属离子停止离子交换,置换出其他阳离子。正在蜡状芽孢杆菌吸附Cd后,上清液中K+Na+Mg2+Ca2+离子含量增添,阐明发作了离子交换感化。

重金属阳离子取份子或带有自由电子的阴离子可以或许发作络合、螯合感化。芽孢杆菌外面带有大量的阴离子活性基团,如-OH-COOH能吸附重金属离子构成重金属合营物,低落迁移率。刘红娟等挑选到一株对Cd具有较下抗性和富集才能的蜡状芽孢杆菌,经由过程红外光谱分析发明,蜡状芽孢杆菌细胞壁上活性基团-OH-NH--COOH-PO43- -M-OO-M-O)(M 为金属离子)取重金属Cd2+的络合亲切相干。孙静等经由过程考查地衣芽孢杆菌富集镉的特性及机理,发明地衣芽孢杆菌对Cd2+的吸附以外面吸附为主,细胞壁上的羧基、羰基、酰胺基含有大量孤对电子,能成为Cd2+的电子供体,发作络合感化,从而实现对Cd的富集。

吸附正在芽孢杆菌外面的Cd离子可以或许取可溶性或不可溶性的生物多聚物发作螯合感化,构成CdOH2Cd3PO42CdSCdCO3等沉淀,使重金属流动。孙静等经由过程扫描电镜视察Cd强迫下的地衣芽孢杆菌发明,地衣芽孢杆菌细胞壁存在大量露Cd2+的颗粒。刘红娟等发明,正在Cd浓度为150mg/L的条件下,蜡状芽孢杆菌的细胞壁和菌体外面有大量Cd沉淀物存在,无Cd条件下则没有。芽孢杆菌正在露下浓度Cd的液体培养基中造就时能正在细胞外面构成沉淀或吸附Cd沉淀,从而富集重金属Cd

2.2

胞内积聚

芽孢杆菌胞中吸附重金属Cd离子,再经由过程依靠能量的转移体系将Cd输送到细胞内,能够经由过程外排感化或正在细胞内构成沉淀去低落重金属Cd对细胞的迫害。Surowitz 等研讨了枯草芽孢杆菌1A1原生质体对Cd2+离子的吸附,发明Cd2+离子的积聚取细胞代谢有关,当存在抑制剂氰化钾时,枯草芽孢杆菌原生质体对Cd2+离子的吸附才能远远低落,注解枯草芽孢杆菌1A1能够经由过程自动运输的体式格局将Cd2+离子输送至细胞内。另外,Cd2+可被作为Mg2+Zn2+等构造类似物经由过程离子通道运到细胞内。有研究人员经由过程透镜电镜视察下浓度(1000mg/LCd条件下造就的地衣芽孢杆菌,发明菌体外面凹凸不平,细胞壁上和细胞内含有大量巨细为50nm阁下的Cd沉淀颗粒。

有研讨注解,险些所有微生物细胞内的蛋白质、多肽等大分子对重金属都有很强的联合才能。应用圆二色光谱分析差别浓度Cd强迫下菌体蛋白质份子二级构造的转变,效果发明下浓度Cd强迫下地衣芽孢杆菌的蛋白质空间构象发作了转变。

芽孢杆菌吸附富集Cd的历程能够遭到基因调控,相干研讨以为蜡状芽孢杆菌的抗Cd基因是由质粒掌握的,经由消弭质粒处置惩罚的蜡状芽孢杆菌对下浓度(200mg/LCd不具有抗性。而Solovieva 等对枯草芽孢杆菌的抗Cd机能研讨发明,Cd2+可以或许引诱一个位于染色体上2.2kb CadA的转录,该基因正在枯草芽孢杆菌上是Cd2+ 抗性染色体决意子。微生物吸附重金属的机制十分复杂,差别微生物吸附机理也不单一,其详细机理借有待进一步研讨。

现在,微生物吸附重金属的研讨大多偏重于细胞的外面吸附机制,而细胞内代谢运动对Cd吸附影响的研讨较少。芽孢杆菌胞内Cd的积聚有利于情况中Cd的去除,但过量Cd会抑止菌体活性,因而追求耐Cd才能较下的菌株仍是研究人员络续勤奋的目的。

2.3

胞中聚合物增进Cd吸附

微生物正在肯定条件下能排泄高分子聚合物(如蛋白质、多糖、核酸等),这些生物大分子即细菌胞中聚合物(EPS),对重金属有很强的吸附才能。Fang 等以为细菌联合态EPS官能团范例取枯草芽孢杆菌表面活性基团范例同等,EPS存在能明显提高菌体表面活性基团浓度。枯草芽孢杆菌EPS能经由过程络合、离子交换、沉淀等体式格局进步枯草芽孢杆菌对重金属离子的吸附感化,去除EPS后的枯草芽孢杆菌对Cd2+的吸附量下落51.4%EPS的存在借能加强细菌的粘附强度,促使细菌快速吸附于泥土矿物颗粒上。Huang等研讨注解,将细菌接种到泥土中,土壤胶体表面积增添3.0%8.8%,外面所带负电荷增添,增进对Cd的吸附。

2.4

小份子有机酸进步Cd的生物有效性

微生物经由过程种种代谢运动发生多种低分子量的有机酸(如甲酸、乙酸、丙酸、柠檬酸等),能影响泥土中重金属沉淀-消融均衡,从而改动重金属正在泥土中存在形状的散布。杨卓等应用反向高效液相色谱测定伟大芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌发酵液中的有机酸身分,发如今发酵历程中伟大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌能发生柠草酸、檬酸、苹果酸等有机酸,而这些有机酸能改动泥土Cd存在形状,进步泥土中Cd的生物有效性。芽孢杆菌经由过程代谢运动发生的有机酸能活化泥土重金属Cd,影响动物对Cd的吸取,可用于微生物强化动物修复泥土重金属Cd净化的研讨。

2.5

改动泥土理化性子

芽孢杆菌不只能够间接吸附重金属离子,借能够经由过程影响泥土理化性子(包孕泥土pH、阳离子交换量、有机质含量、氧化复原电位、泥土微生物等)去改动重金属正在泥土中差别形状的散布。杨榕等研讨发明胶质芽孢杆菌能排泄有机酸,低落动物根际泥土pH,从而进步泥土有用态Cd的含量,进一步证明了泥土有用态Cd取泥土pH呈背相干。胶质芽孢杆菌和伟大芽孢杆菌的解磷、解钾感化能增添泥土中的阳离子交换量,而阳离子交换量越下,阐明土壤胶体的负电荷量越高,经由过程静电吸附的Cd2+就越多。

2.6

结语

芽孢杆菌对泥土Cd的修复机理睹图1,由图1可知,芽孢杆菌对Cd的修复包孕:(1Cd2+经由过程静电吸附感化被吸附到细胞外面,取表面活性基团发作络合感化构成金属络合物;(2Cd2+取芽孢杆菌外面的Ca2+K+等阳离子发作离子交换;(3)细胞外面沉淀或吸附沉淀有利于Cd2+的稳固化;(4)芽孢杆菌经由过程自动运输积聚Cd2+;(5)代谢分泌物感化,EPSCd2+的吸附感化和有机酸对Cd沉淀的消融活化感化

3 题目取瞻望

芽孢杆菌对CdPbCr等重金属有较强的吸附感化,且正在改进泥土理化性子和低落泥土重金属含量方面表现出主动结果,正在CdPbCr等重金属净化泥土修复的发展前景非常辽阔。但是,芽孢杆菌正在修复泥土重金属净化方面的运用借处于初级阶段,仍需从以下几个方面停止深切研讨:

1)应用基因工程、细胞工程等生物技术手腕进步芽孢杆菌对Cd的耐受性和吸收性,对具有修复才能的菌株停止优化造就,使之到达最优的生物修复结果。

2)芽孢杆菌修复重金属Cd净化的感化机制对照庞大,需求进一步研讨芽孢杆菌取泥土矿物颗粒、动物分泌物的互相影响,以改进修复结果。

3)伟大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌等能活化泥土重金属Cd,增添Cd正在泥土中的转移性,轻易引发泥土和水体的二次污染。应深切研讨修复剂施用要领,最大水平天进步芽孢杆菌辅佐动物修复泥土Cd净化的效力。

4)现在芽孢杆菌修复泥土Cd净化的研讨多半是正在实验室或小规模田间停止,正在推行运用前,应联合大田实验。

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