土壤重金屬污染問題日益嚴重，具有普遍性、隱蔽性、表聚性、不可逆性等特點，已經成為環(huán)境污染治理中的熱點、難點問題。解磷微生物能夠依靠自身的代謝產物或通過與其他生物的協(xié)同作用，將土壤中的難溶性磷轉化為可供植物吸收利用的磷，具有多重植物促生長功能和重金屬解毒能力，可在重金屬毒害水平下，促進植物生長、提高植物抗病能力、克服重金屬對植物生長的不利影響，從而增強重金屬修復植物的生存競爭力。

本文從解磷微生物的研究現(xiàn)狀入手，介紹了解磷微生物對土壤重金屬污染的修復能力，綜述了解磷微生物對土壤重金屬污染修復的作用機制，分析了目前解磷微生物在重金屬修復過程中存在的問題，并提出了今后研究的方向，為重金屬污染土壤的修復提供了新思路。

前 言

隨著社會經濟快速發(fā)展，我國土壤污染問題日益凸顯，尤其是土壤重金屬污染問題亟待解決。土壤中的重金屬污染主要來自礦物母質的風化和人類生產活動中廢水、廢氣、廢渣的直接排放，具有普遍性、隱蔽性、表聚性、不可逆性等特點。首次全國土壤污染狀況調查(2005 年4 月—2013 年12 月)結果顯示，Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8 種重金屬污染點位超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%，嚴重影響了我國土壤生態(tài)環(huán)境和糧食生產安全。因此，重金屬污染已經成為目前最為嚴峻的環(huán)境問題之一，如何治理已受到極大關注，成為科學研究的熱點和難點。

植物修復重金屬污染土壤是一種非常有前途、生態(tài)良性的方法，近年來得到了廣泛關注。但是，超累積植物通常都生物量低、生長緩慢，尤其是當重金屬濃度過高時，植物的生理活動受到阻礙，重金屬抗性機制被削弱，植物易受病原體攻擊，大大降低了修復效率。解磷微生物作為土壤微生物的重要組成部分，能夠依靠自身的代謝產物(有機酸、磷酸酶)或通過與其他生物的協(xié)同作用，將土壤中難溶態(tài)磷(如鐵磷、鈣磷、中穩(wěn)定性有機磷、高穩(wěn)定性有機磷等)轉化為可供植物吸收利用的磷，不僅可大幅提高土壤中磷的利用率，改善植物磷營養(yǎng)狀態(tài)，促進植物生長，而且可以改變重金屬的形態(tài)，提高修復效率。

關于解磷微生物修復土壤重金屬污染的研究主要有：重金屬污染土壤中解磷微生物的分離、篩選、鑒定，解磷微生物對土壤重金屬污染的修復能力、修復機制以及強化技術措施等。但重金屬壓力下解磷微生物的解磷功能和重金屬抗性功能基因表達差異，解磷微生物對重金屬形態(tài)的影響規(guī)律及其對重金屬固定/活化機理等方面的研究鮮有報道，而這些正是制約重金屬污染土壤修復的重要因素。因此本文即從這幾個方面對目前的研究進行了總結和展望，為提高土壤重金屬污染修復效率、改善我國土壤環(huán)境質量、保障土壤生態(tài)安全提供理論意義和實際價值。

1 解磷微生物概況

解磷微生物的種類多而且復雜，根據微生物的種類可以分為解磷細菌、解磷真菌、解磷放線菌。土壤中的解磷微生物群落中，解磷細菌占1%—50%，而解磷真菌僅占0.1%—0.5%。其中常見的解磷微生物如表 1 所示：

有學者根據解磷微生物分解底物的不同將它們劃分為能夠溶解有機磷的有機磷微生物和能夠溶解無機磷的無機磷微生物，但是由于某些菌株既可以分解無機磷也可以分解有機磷， 所以實際操作過程中很難區(qū)分。

迄今為止，見諸報道的解磷微生物已有39 個屬，89 種以及數(shù)以萬計的解磷菌株。其中假單胞菌屬作為植物促生菌已經被廣泛的研究，這是已知的能夠合成激素，作為生物防治劑和解磷菌劑的菌屬。Azziz 等從免耕土壤中分離出12 株解磷菌株，進行TP-RAPD 指紋識別后發(fā)現(xiàn)， 其中10 株為假單胞菌屬，1 株為洋蔥伯克霍爾德菌，剩余1 株為不動桿菌屬。由此可見，解磷微生物的種類繁多，這為土壤磷素轉化提供了足夠的菌源。

2 解磷微生物對土壤重金屬污染的修復能力

2.1解磷微生物的解磷能力

解磷微生物的解磷能力與其對重金屬的修復效果有直接的聯(lián)系，解磷能力越強，其釋放磷酸鹽的能力就越強。研究表明，解磷微生物釋放的磷素，既可以降低土壤中重金屬活性，避免因外界使用的含磷物質而造成污染；還可以促進植物生長，有利于植物修復重金屬污染。解磷圈直徑(D)與菌落生長直徑(d)的比值可以表征解磷菌的相對溶磷能力。陳倩等從山西礦區(qū)土壤中分離的菌株Y14 經過鑒定確認為泛菌屬，其D/d 值和解磷率均達到較高值，無機磷與有機磷平板的D/d值分別為3.28 與1.59，降解磷酸鈣、磷礦粉、卵磷脂的解磷率分別為12.61%、1.21%、3.07%。但單純從透明圈直徑與菌落直徑的比值來判斷菌株解磷能力并不可靠，忽略菌體自身吸收的有效磷會低估某些解磷菌的解磷能力，單純從培養(yǎng)液中測定有效磷的含量也不能準確反映菌體的解磷能力。

研究表明，趙小蓉等采用熏蒸、消煮方法測定砂培過程中微生物分解出來的磷，這種測定方法能準確測定微生物解磷能力。田江等從鉛鋅礦表層土壤中分離的嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌和唐菖蒲伯克霍爾德菌，解磷量最高分別達到402.9 mg/L 和589.9 mg/L，解磷率分別達到19.7%和28.8%。Park 等研究表明，陰溝腸桿菌可以溶解加入的6.46 mmol/L 磷礦石的17.5%，表現(xiàn)出溶磷能力和對鉛的抗性。不同解磷菌種解磷能力差異較大，所以篩選高效解磷菌株就顯得尤為重要。

2.2解磷微生物的重金屬抗性

高濃度的重金屬是土壤重金屬污染修復過程中最重要的限制性因素，因此，篩選具有金屬抗性的微生物極為重要。通常解磷微生物對重金屬的耐受能力與菌株的分離環(huán)境有關。如田江等從鉛鋅礦區(qū)表層土壤中篩選到的兩株解磷細菌，除了具有很強的解磷能力之外，對于重金屬Pb²⁺、Zn²⁺和Cr²⁺的抗性也非常強，抗性濃度最高達到了2000 mg/L。Jiang 等從重金屬污染土壤中分離的具有解磷能力的伯克氏菌J62，對重金屬的最大耐受濃度分別為Cd(2000 mg/L)、Pb(1000 mg/L)、Cu(100mg/L)、Zn(400 mg/L)、Ni(50 mg/L)、Cr(20 mg/L)，由此可見菌株J62 具有很強的鉛、鎘耐性。

因此，重金屬污染地區(qū)是重金屬抗性解磷微生物菌株的重要來源，從礦區(qū)分離的重金屬耐受解磷微生物在重金屬污染土壤修復方面具有很大應用潛力。通常植物根系土壤微生物含量很高，故可以從一些植物根系土壤中獲得解磷菌。Misra等從木犀屬植物根際分離的6株解無機磷菌株，具有良好的溶磷特性，同時對高濃度的硫酸鋅也表現(xiàn)出很強的耐性。

解磷微生物之所以具有金屬抗性，是因為其金屬抗性基因起作用。汞抗性基因是目前研究較深入的一類基因，包括汞還原酶基因MerA、有機汞裂解酶基因MerB 以及其他轉運系統(tǒng)基因MerT、MerP、MerC。有解磷功能的無色桿菌和假單胞桿菌能使亞砷酸鹽氧化成砷酸鹽而降低砷的毒性。微生物體內有控制砷毒性的功能基因ArsC，該基因可將As(Ⅴ)還原為毒性更強的As(Ⅲ)，而ArsA 和ArsB 基因控制著As(Ⅲ)從細胞質中釋放。此外，丁香假單胞菌和大腸桿菌均含抗Cu 基因CopA，芽孢桿菌含有抗Cd 基因CadA，菌株可通過該基因編碼的酶將鎘轉移出菌體外，從而達到解毒的作用，綠膿桿菌含有抗Zn 基因Czr，產堿菌含抗重金屬基因CzcD，其編碼的蛋白質是離子泵出系統(tǒng)的一員，賦予宿主菌一定的Cd、Ni 及Co 抗性。

細菌的重金屬抗性基因存在很高的多樣性，不同的重金屬有不同的抗性基因，同一種金屬的抗性基因在不同的細菌中存在于不同的操縱子上。文獻中只是單純的報道有關重金屬抗性基因，或者解磷功能基因研究，但很少有把解磷微生物的重金屬抗性基因和解磷功能基因聯(lián)合起來研究，這將影響對解磷微生物修復重金屬污染機理的深入理解。

2.3環(huán)境因子對解磷微生物重金屬修復能力的影響

土壤溶液中數(shù)量眾多的根分泌物、營養(yǎng)物質、有機降解產物及微生物等，尤其是土壤性質如溫度、pH、Eh、營養(yǎng)條件(P、碳水化合物和氨基酸)、重金屬元素的濃度都會影響解磷微生物對土壤重金屬的修復能力。重金屬污染區(qū)，溶磷細菌數(shù)量與綜合污染指數(shù)呈正相關，污染區(qū)中有效磷含量影響溶磷微生物種群豐度，有機質可以激活土壤解磷微生物的代謝，同時也會影響重金屬的生物可利用性。pH 值是影響磷酸鉛沉淀形成的重要因素，同時也可以促進土壤中原生礦物重金屬的風化溶解。芽孢桿菌通過分泌有機酸而降低土壤pH，增加溶解性磷的含量，能夠固定大量的鉛和鋅。土壤有效磷的含量增加，可以暫時促進土壤重金屬的固定，降低高濃度重金屬對解磷微生物的毒害作用。Cu 脅迫下，叢枝菌根真菌(AMF菌)可以降低土壤有機酸的總含量，尤其是草酸和丙二酸的含量，導致海州香薷根際pH 值升高。

3 解磷微生物修復土壤重金屬污染的主要作用機制

3.1解磷微生物對土壤重金屬的轉化作用

3.1.1解磷微生物對土壤重金屬的甲基化作用

某些解磷微生物能夠把鈷胺素轉化為甲基鈷胺素，在ATP 及特定的還原劑存在的條件下，甲基鈷胺素作為甲基供體，使金屬離子與甲基結合而生成甲基汞、甲基砷、甲基鉛。但是有些金屬離子被甲基化后，其毒性反而增強，這是在微生物修復過程中要避免的。假單胞菌屬在金屬及類金屬離子的甲基化作用中具有重要貢獻，他們能夠使許多金屬或類金屬離子發(fā)生甲基化反應。合適的pH 和Eh 能使微生物對砷的甲基化速率最優(yōu)。

3.1.2解磷微生物對土壤重金屬的氧化還原作用

解磷微生物可以通過自身的代謝作用，改變重金屬的價態(tài)，從而達到解毒的目的。研究表明，細菌可以在細胞外沉積鐵和錳的氧化物或氫氧化物并可以調節(jié)Zn²⁺、Pb²⁺和其他金屬的氧化還原反應。Hg、Pb、Sn、Se、As 等金屬或類金屬離子都能在微生物作用下通過氧化還原作用而失去毒性。芽孢桿菌PSB10 有溶解無機磷的能力，可以在增強植物分泌激素，促進植物生長的同時降低重金屬Cr 的毒性。在重金屬污染的土壤中施用銅綠假單胞桿菌菌劑，鷹嘴豆的根、芽、種子對重金屬Cr 的吸收分別減少了36%、38%、40%。解磷畢赤酵母P. farinoseFL7 在Ni(NO₃)₂或Ni₃(PO₄)₂污染土壤中均表現(xiàn)出解磷活性，并且能夠將Ni(NO₃)₂污染土壤中存在的大部分Ni²⁺轉化為無效態(tài)Ni。

3.2解磷微生物對土壤重金屬的溶解與螯合作用

3.2.1解磷微生物對土壤重金屬的溶解作用

解磷微生物對重金屬的溶解主要是通過各種代謝活動直接或間接地進行的，其代謝作用能產生多種低分子量的有機酸，如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、檸檬酸、蘋果酸、延胡索酸、琥珀酸和乳酸等。這些有機酸在環(huán)境中解離成質子和低分子有機酸根，質子能引起土壤pH 值以及氧化還原電位的變化，促進土壤中重金屬原生礦物的風化溶解過程。研究表明，解磷微生物可以溶解生物難以利用的難溶態(tài)Ni、Cu、Zn，提高重金屬生物有效性。將巨大芽孢桿菌(Bacillus megaterium)用于Cd 污染土壤，能夠增加Cd 的流動性并提高其生物有效性，使植物提取率增加了2 倍。接種AM 真菌可以降低盆栽土壤pH 值，提高土壤中有效態(tài)銅的含量，促進植物對Cu 的吸收。通過對溶磷細菌溶解不同磷礦粉以及連續(xù)發(fā)酵磷礦粉的溶磷效果的研究發(fā)現(xiàn)，磷礦粉中的部分伴生性金屬元素會隨著磷的釋放而溶出，其溶出的難易程度隨伴生性金屬元素在磷礦粉中的位置而不同。

3.2.2解磷微生物對土壤重金屬的絡合與螯合作用

細菌表面的羧基和磷酸鹽基團可以與重金屬離子配位生成內圈絡合物，提高植物磷利用率的同時也提高了對Cu、Cd、Zn 的吸收，其含量與土壤溶液中溶解性有機物呈正相關，因為形成了有機物金屬絡合物。低分子有機酸根對重金屬有很強的親和力，能絡合和螯合重金屬陽離子而形成重金屬有機結合體，在環(huán)境中，低分子有機酸根與固體顆粒之間形成對重金屬離子的競爭結合，可見低分子有機酸的存在有利于重金屬的遷移。菌根真菌通過分泌檸檬酸和蘋果酸螯合作用，以提高不溶性ZnO 和Zn₃(PO₄)₂中Zn 釋放。鐵載體能與重金屬離子結合，形成金屬-鐵載體螯合物，提高植物根際環(huán)境中重金屬的活性，增加植物對重金屬的吸收和累積。腸桿菌屬的鐵載體高產突變解磷微生物NBRI K28 SD1 不僅可以增加植物的生物量，而且加強了芥菜對Ni、Cr 的吸收。

3.3解磷微生物對土壤重金屬的吸附與沉淀作用

3.3.1解磷微生物對土壤重金屬的吸附與累積作用

重金屬污染土壤中的微生物通過各種機制來抵抗重金屬的危害，微生物對重金屬吸附可分為三類：胞外吸附，表面吸附和胞內吸收。細胞壁是細菌個體與重金屬接觸最早的部分，富含羧基陰離子和磷酸陰離子，使得細菌表面具有陰離子的性質，很容易與金屬發(fā)生反應，因而金屬很容易結合到細菌的表面。芽孢桿菌和銅綠假單胞桿菌在修復土壤Pb 污染的過程中，可以通過生物的吸附作用，與細胞表面的官能團或細胞壁上的酸性物質相互作用形成鉛化合物，降低Pb 的移動性。生物積累主要依賴微生物的新陳代謝，研究表明，在重金屬培養(yǎng)基中培養(yǎng)的蠟狀芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌細胞內的重金屬濃度遠高于培養(yǎng)基中的濃度。芽孢桿菌(Bacillus)對Cd 的富集可以達到其生物量(干重)的21.4%，對Pb 的富集可高達61%。

3.3.2解磷微生物對土壤重金屬的沉淀作用

解磷微生物將土壤礦物磷或有機磷中的磷酸根釋放，與重金屬結合形成磷酸鹽沉淀，降低重金屬在土壤環(huán)境中的移動性和生物可利用性，起到固定或鈍化的作用。具有解磷活性的陰溝腸桿菌(Enterobacter cloacae)能夠溶解土壤中的磷酸鹽并形成磷酸鉛復合物從而降低土壤中Pb 的流動性。解磷菌對Pb 污染土壤修復不僅使土壤中游離態(tài)的Pb得到了固定，從而有效抑制了植物對重金屬Pb的吸收。接種G.mosseae菌，抑制了Cd、Zn 從地下部分向地上部分的轉移，可以降低鋅對植物的毒害作用，同時加強Zn 在土壤中的固定作用。

革蘭氏陰性細菌Citrobacter 通過磷酸酶分泌大量磷酸氫根離子在細菌表面與重金屬形成礦物。檸檬酸桿菌等能分泌酸性磷酸酶，催化2-磷酸甘油水解，釋放無機磷酸鹽，無機磷酸鹽在細胞表面大量積累，與細胞表面的金屬發(fā)生沉淀反應，形成金屬磷酸鹽沉淀。解磷微生物對重金屬的沉淀主要是釋放的磷酸鹽起作用，伴隨著微生物自身的富集作用，使土壤中的重金屬固定在土壤中，而不被農作物吸收。

3.4解磷微生物對重金屬超累積植物的促生作用

解磷微生物在土壤和植物根際大量存在，具有多重植物促生作用，如圖 1 所示。重金屬污染條件下，由于應對環(huán)境脅迫的需要，解磷微生物更多提供植物吸收生存所需的礦質元素，改善宿主植物N、P 等礦質營養(yǎng)狀況，提高營養(yǎng)元素(P、N、S 等)與重金屬元素(As、Cd、Pb等)含量之比，被認為有助于增強重金屬超累積植物耐受重金屬的能力，提高植物對重金屬的累積量。通過接種AMF 菌增加植物組織中的磷含量，使得植物依賴ATP 提取Mn 或形成低溶解性的P-Mn 化合物，從而降低Mn 對植物組織的毒害作用。盆栽試驗研究發(fā)現(xiàn)，接種AMF顯著提高萬壽菊對Cd 的吸收，增加Cd 向地上部的轉運；在各種Cd 處理水平下，萬壽菊地上部分的吸收量都遠遠高于根系的吸收量，表現(xiàn)出促進植物提取的應用潛力。

鐵載體能為重金屬脅迫下的植物提供營養(yǎng)物質(尤其是鐵元素)，緩解脅迫產生的毒害，促進植物生長。研究表明，解磷微生物能夠增加植物對K、Ca、Mg、Fe、Zn 等營養(yǎng)元素的吸收。Cu、Zn 污染的土壤中接種AMF 可以顯著的促進咖啡苗的生長，可能是由于根外菌絲的作用增加了根系表面土壤中可溶性磷的含量。許多植物根部土壤中的解磷微生物能夠分泌生長素(IAA)，增加植物生長素含量，從而促進植物生長。目前具有產鐵載體能力的微生物強化植物重金屬修復的研究仍處于初步階段，鐵載體產生菌如何影響植物獲取重金屬的確切機制仍不清楚。

除了上述植物促生作用，解磷微生物產生的細胞壁溶解酶、抗生素等能夠抵抗植物病毒，減緩病毒對植物的侵害。解磷微生物還可以產生抗病原菌代謝產物、1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)脫氨酶等物質，增加植物抗病能力，可以降低乙烯含量提高植物對重金屬污染的修復效率。從Cd 污染土壤中分離的抗鎘性菌株銅綠假單胞菌MKRh3，不但具有溶磷特性，而且還可以產生鐵載體，提高1-氨基環(huán)丙烷羧酸脫氨酶的活性，促進植物的生長。具有汞抗性的熒光假單胞菌表現(xiàn)出了較高的溶磷能力，并且可以產生吲哚乙酸(IAA)和鐵載體。從鎳超富集植物庭薺屬植物(Alyssum serpyllifolium)根莖葉組織內部分離的內生細菌對重金屬鎳的耐受性高達750—1000 mg/kg，并具有分泌ACC 脫氨酶、鐵載體、植物激素以及溶磷等特性，從而顯著地促進植物對鎳的提取和吸收。

3.5解磷微生物對土壤重金屬的固定/活化雙向作用及修復措施

近年來，具有重金屬解毒能力和促進植物生長功能的解磷微生物在土壤重金屬污染修復中被應用和探索， 如表 2 所示。

綜上，不同種類的解磷微生物對不同重金屬作用機制不同，但綜合起來可以分為兩個方面，首先，解磷微生物可將土壤難溶礦物磷或有機磷中的磷酸根釋放，與重金屬結合形成磷酸鹽沉淀，同時通過生物吸附、積累等作用，降低重金屬在土壤中的移動性和生物可利用性，對重金屬起到固定或鈍化的作用。其次，解磷微生物也可以通過分泌有機酸、鐵載體、吲哚乙酸、金屬還原酶、HCN 等作用，與重金屬形成絡合物或改變重金屬的形態(tài)和價態(tài)，提高重金屬生物有效性和植物抗病性，從而增加植物對重金屬吸收。其作用機理如圖 2 所示。

因此，解磷微生物對土壤中的重金屬起到雙向調節(jié)的作用，相對應的就有兩種修復機制：①生物固定，包括微生物本身對重金屬的生物沉淀、吸附、細胞內累積以及促進重金屬的植物固定；②生物活化，通過提高重金屬的生物有效性，促進重金屬的轉移并積累在植物組織中。但是生物固定僅改變了重金屬污染物在土壤中的賦存形式，并不能減少重金屬總量，而且穩(wěn)定劑聯(lián)合使用會對土壤理化性質、微生物群落帶來一定的負面效應。因此，解磷微生物與植物的聯(lián)合修復是一種被公眾認可的環(huán)境友好型、生態(tài)可持續(xù)的修復方式，具有良好的應用前景。

4 存在的問題及展望

綜上所述，土壤重金屬污染修復依然是一個世界性問題，解磷微生物在土壤重金屬污染修復中發(fā)揮著重大作用，但目前研究還存在很多不足。

(1) 解磷微生物增加和降低重金屬活性的研究結論都有，很少從微觀層面研究解磷微生物及其胞外代謝產物與重金屬的作用方式。重金屬濃度、土壤環(huán)境因子、解磷微生物代謝產物、相關功能基因等對解磷微生物固定或活化重金屬的影響及其雙向作用機制尚不明確，嚴重阻礙了重金屬修復效率的提高。

(2) 目前，關于解磷微生物參與化學鈍化修復方面的研究不多。解磷微生物有可能會減弱磷酸鹽原位固定重金屬長時間尺度的修復效果，從而質疑解磷微生物在長期化學鈍化修復重金屬污染方面的應用潛力，因此，應加強研究不同土壤環(huán)境條件下，解磷微生物對重金屬鈍化的應用效果和修復機理。

(3) 缺乏對解磷微生物代謝產物、解磷功能及重金屬抗性等功能基因的深入研究，沒有從宏基因組的層面研究重金屬壓力下，解磷功能基因的多樣性及對解磷能力的影響，關于解磷功能基因在修復重金屬中的調控策略則尚未涉及。

因此，針對不同區(qū)域的重金屬污染狀況，研究施加解磷菌株后土壤微生物群落的變化情況，解磷微生物與植物的協(xié)同作用對土著微生物菌群的多樣性和結構的影響，分析植物根際不同形態(tài)重金屬含量，結合重金屬抗性基因的變化，從代謝產物和功能基因角度闡明解磷微生物對土壤重金屬固定或活化的雙向作用機制，可為改善我國土壤環(huán)境質量、保障土壤生態(tài)安全提供有力支撐。

來源:《生態(tài)學報》  作者:李敏 等

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