微生物修复砷污染的研究进展

来源:用户上传      作者:龙中 黄臣臣

　　摘要 微生物广泛参与了砷的地球化学循环，对砷的迁移转化过程具有重要影响。利用微生物修复砷污染具有较大的潜力，也是砷污染防治的研究热点。综述了微生物作用下砷的地球化学循环和微生物修复机制，重点分析了各类微生物对砷污染的修复潜力，最后对微生物修复砷污染存在的问题和今后的发展方向进行了展望。
　　关键词 砷污染;微生物;修复;积累;存在问题;展望
　　中图分类号 X172  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2020）21-0016-05
　　Abstract Microorganisms are widely involved in the geochemical cycle of arsenic， which has an important influence on the migration and transformation of arsenic. The use of microorganisms to repair arsenic pollution has great potential and is also a research hotspot in the prevention and control of arsenic pollution. The geochemical cycle of arsenic under the action of microorganisms and the mechanism of microbial remediation were reviewed， and the remediation potential of various microorganisms for arsenic pollution were analyzed. Finally， the existing problems and the future development of microbial remediation of arsenic pollution were prospected.
　　Key words Arsenic pollution;Microorganisms;Remediation;Accumulation;Existing problem;Prospect
　　作者简介 龙中（1992—），男，贵州铜仁人，硕士，从事重金属污染与防治研究。*通信作者，硕士，从事重金属污染与防治研究。
　　收稿日期 2020-04-19;修回日期 2020-05-12
　　砷（As）是一种全球关注的有毒非金属元素，来源包括自然活动和人类活动。由于含砷杀虫剂、防腐剂等的使用以及矿产开采与冶炼、煤炭燃烧等人为因素的影响，加剧了土壤砷污染[1]。As具有极强的毒性和致癌作用，严重威胁到人类的身体健康[2]，以致土壤砷污染问题受到广泛关注。
　　目前，土壤砷污染修复方法有很多，如玻璃化法、电动修复法、固化/稳定化技术、植物修复等，但由于存在投资费用高、可能导致二次污染等问题，其发展和应用受到了制约[3]。由于微生物修复技术具有环境协调性、修复成本低且对砷污染土壤修复表现出较大的发展潜力等特点，逐渐成为环境科学领域的研究热点[4]。微生物可以通过对As的氧化/还原、吸附/解吸、甲基化/去甲基化、沉淀/溶解等作用影响其生物有效性，通过自身细胞壁或代谢产物吸附砷，对砷进行积累而将其固定;或通过氧化或甲基化作用生成毒性较As（Ⅲ）更低的As（V）或三甲基砷（TMA）、三甲基砷氧化物（TMAO）;或通过促进含砷化合物与土壤胶体等的络合、沉淀，从而达到降低环境中的砷毒害、修复砷污染土壤的目的[5]。 笔者总结了近年来国内外砷污染微生物修复技术的研究进展，并展望了今后的研究方向，以期为微生物修复技术及砷污染的防治工作提供理论基础。
　　1 微生物作用下砷的地球化学循环
　　自然界中的As以砷酸盐[As（V）]、亚砷酸盐[As（Ⅲ）]、元素砷和砷化物4种形态存在，其中As（V）和As（Ⅲ）在自然界中最常见。土壤中As的存在形态复杂，包括无机砷和有机砷，在自然条件下土壤As主要以无机形态存在，在氧化条件下其主要存在形态为As（V），而在还原条件下则主要以As（Ⅲ）形态存在[6]。As的毒性主要取决于其形态，一般认为 As 的毒性顺序为无机As（Ⅲ）>有机As（Ⅲ）>有机As（V）>无机As（V）[7]。
　　微生物在自身代謝As的过程中伴随着价态与形态的转化，通过氧化/还原、甲基化/去甲基化等作用对砷的地球化学循环产生重要影响[8]。无机态As通过土壤微生物甲基化作用转变成有机态As，挥发到大气中，从而将As以气态形式释放迁移[9-10]。挥发性的含砷化合物在大气中能逐渐被氧化，然后随雨水或大气干沉降进入到土壤或水体中，最终完成As在土壤/水体与大气中的循环。
　　2 微生物修复砷污染
　　2.1 微生物固定作用
　　微生物对As的累积包括细胞壁及自身代谢产物对As的吸附，同时也包括新陈代谢作用As在细胞体内的累积[11]。其中微生物吸附砷是进入细胞、形态转化、固化砷的重要环节，由于某些微生物细胞壁外含有氨基、咪唑、碳水化合物、去磷酯酸、肽聚糖等带电基团和胞外聚合类等物质，可与环境中的金属元素发生电荷吸附或专性吸附[12]。魏小凡等[13]研究表明细菌细胞表面存在多种结合As的官能团，如羟基、羧基、酰胺基和苯酚类，能与As发生离子交换、配位结合或络合等化合反应而达到吸附As的目的。
　　大量研究表明真菌对As（Ⅲ）和As（V）具有良好的吸附效果，其中紫青霉（P.purpurogenum）对As（Ⅲ）的最大吸附量为35.6 mg/g[14];黄青霉（P.chrysogenum）在添加表面活性剂或阳离子电解液后对As（V）的最大吸附能力为56.1 mg/g[15];改性拟青霉（Paecilomyces sp.）对1 mg/L As（Ⅲ）的去除率为64.5%[16];黄曲霉（Aspergillus flavus）、拟青霉（Paecilomyces sp.）和烟曲霉（A.fumigatus）对1 mg/L As（V）的去除率分别可达97.1%、89.0%和83.4%[17];黑曲霉（Aspergillus niger）对As（V）的吸附率达95%，As（Ⅲ）的吸附率达75%，DMA的吸附率达50%[18-19]。此外，细菌对砷也有较好的吸附效果，Haris等[20]研究表明，在羟基、酰胺和胺基的参与下，耶尔森菌（Yersinia sp.）对As（Ⅲ）吸附量可达159  mg/g，对As（Ⅲ）的回收率高达96%。 　　大多数微生物不仅已经形成了抗As机制，而且还能利用As进行呼吸作用或作为电子供体[21-22]。尽管As在细胞质中不发挥任何代谢或营养作用，没有形成专门的As吸收系统，但它可以通过其他分子的转运体进入细胞，并在细胞中累积[23]。多数研究表明，部分细菌、真菌和藻类对As都具有一定的积累作用。
　　吕常江等[24]研究发现在有光照的厌氧条件下，沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）在浓度01 mmol/L As（V）中培养，细胞中积累As总量为1.32 mg/g，其中9.8%在细胞质中，4.9%与细胞膜的脂质相结合，其余吸附在细胞表面;海单胞菌（Marinomonas）在As浓度为5 mg/L的溶液中培养，细胞中As的累积量为2.2 mg/g，其中45%在细胞质中，10%与膜的脂质结合，其余吸附在细胞表面[25];芽孢杆菌（Bacillus sp.）对As的最大积累量为9.8 mg/g，其中80%的砷积聚在细胞质中[26];卤代碱性嗜盐细菌（Haloalkaliphilic Exiguobacterium sp.）可去除水中约99%的As，由于As在细胞内积累，使细胞尺寸增加了4倍[27]。Mallick等[28]通过盆栽试验证实了抗砷短杆菌（Brevibacillus sp.）通过对土壤砷进行固定，降低砷在植株体内的积累。青霉（Penicillin janthinellum）在2.5 mg/L As（V）浓度下培养，对砷的积累量达39.5 μg，木霉（Trichoderma asperellum）和尖孢木霉（Fusarium oxysporum）对胞外砷的吸收和胞内砷的积累能力分别可达到总As的82.2%和63.4%[29]。Singh等[30]研究了54株真菌对As的累积能力，结果发现，As的生物累积量为0.023～0.260 mg/g，其中米曲霉（Aspergillus oryzae）、镰刀菌（Fusarium sp.）、巢状曲霉（Aspergillus nidulans）、多变根毛霉（Rhizomucor variabilis sp.）对砷的积累量较高，可作为污染农田土壤的修复剂。微囊藻属（PCC7806）、诺斯托克菌属（PCC7120）和集囊藻属（PCC6803）对As的积累分别高达0.39、0.45和0.38 mg/g[31];小球藻（Chlorella vulagaris）能通过细胞壁吸附及新陈代谢作用累积大量的 As（Ⅲ），由小球藻形成的菌藻共生体对砷的积累量高达7.47 mg/g[32-33]。
　　2.2 氧化作用
　　无机砷中As（Ⅲ）的毒性最强，并且As（Ⅲ）在多数环境下相比于As（V）更难以被吸附，因此具有更强的移动性[34-35]。微生物As氧化一是能将As（Ⅲ）氧化为毒性和移动性更低的As（V）[36]，降低环境中的砷污染毒性;此外，As（Ⅲ）氧化菌还能通过As氧化反应过程中产生的能量完成自身的生长代谢[37]，如硫单胞菌（Thiomonas）可以在没有任何有机化合物的情况下利用As（Ⅲ）作为唯一的能源生长[38]。
　　杨宇等[39]研究表明假单胞菌属（Pseudomonas）对As有极强的氧化作用，在20 h内能将As（Ⅲ）几乎完全氧化;恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）在35 h内将1 mmol/L的As（Ⅲ）完全氧化为As（V）[40];假单胞菌（Pseudomonas sp.）在有氧条件下，对0.25 μmol/L的亚砷酸盐氧化率达到92%[41];Valenzuela等[36]从高砷污染河流沉积物中分离得到的9种假单胞菌株，对初始浓度为0.5 mmol/L的As（Ⅲ）氧化率达95.6%～100%。
　　硫单胞菌对As（Ⅲ）也具有较强的氧化能力，硫单胞菌（Thiomonas）能介导As和Fe氧化，使As通过与Fe（Ⅲ）共沉淀作用去除20%～60%[42]。硫单胞菌属（Thiomonas）对As（Ⅲ）氧化速率可达160 mg/（L·h）[43]。Battaglia-Brunet等[44]分离出的硫单胞菌属（Thiomonas）能在指数生长阶段氧化亚砷酸盐，该菌若能以As（Ⅲ）作为能量底物，将会在砷的生物地球化学循环中发挥重要作用。
　　短杆菌属（Brevibacterium sp.）和北京芽孢杆菌（Bacillus beijingensis）对As（Ⅲ）具有较强的耐受性，在72 h内YZ-1和YZ-2分别氧化73.5和66.0 mg/L As（Ⅲ），2株菌对碱性砷污染土壤的生物修复具有较好的经济效益[45]。YZ-1在最佳培养条件下，对土壤中水溶性As（Ⅲ）和NaHCO3提取态As（Ⅲ）去除率分别达92.3%和84.4%，若生物氧化再结合生物施韦特曼石固定作用，对As污染土壤会有更好的處理效果，对水溶性和NaHCO3提取态As的固定效率分别为993%和82.6%[46]。
　　根瘤菌（Rhizobium sp.）能以亚砷酸盐作为电子供体，从亚砷酸盐氧化中获取能量[47-48];周武先等[49]研究发现将中华根瘤菌属（Sinorhizobium sp.）菌株接种到淹水的As污染水稻土中，土壤底泥中磷酸可提取态的As（Ⅲ）含量降低了800%。Paul等[50]研究也证实根瘤菌属（Rhizobium）具有高的As（Ⅲ）氧化活性，且As（Ⅲ）抗性与As（Ⅲ）氧化之间呈正相关关系，这种具有高度As（Ⅲ）氧化活性且代谢良好的细菌菌株可用于对砷污染的生物修复。
　　其他细菌对As（Ⅲ）也具有较强的氧化能力，如产碱菌（Alcaligenes sp.）在21 h对As（Ⅲ）氧化率近100%[51];嗜麦芽窄食单胞菌（Stenotrophomonas panacihumi）在12 h内将500 μmol/L的As（Ⅲ）完全氧化为As（V）[52];Bosea sp.AS-1可以完全氧化2 mmol/L的As（Ⅲ），AS-1结合针铁矿体系能去除99%初始浓度为500 μg/L的As（Ⅲ）[53];黑链球菌（Paracoccus niistensis）接种到淹水土壤中，能大大增强As（Ⅲ）在土壤的溶液相和吸附相中氧化为As（V）的能力，并从As（Ⅲ）氧化为As（V）过程中获取能量[54];侧孢短芽孢杆菌在最佳条件下培养在10 h，能将200 mg/L的As（Ⅲ）氧化为As（V），对苗期水稻As（Ⅲ）毒害具有显著修复效果[55]。Aliihoeflea sp.能氧化亚砷酸盐，可去除天然地下水中64%的砷[56]。钩虫属（Ancylobacter）、硫杆菌（Thiobacillus）、嗜氢菌属（Hydrogenophaga）在有氧条件下，将10 mmol/L的亚砷酸盐氧化为砷酸盐[57];有一些细菌在厌氧条件下也能将As（Ⅲ）氧化，如嗜碱菌（Alkalilimnicola ehrlichii）能以As（Ⅲ）作为电子供体，以硝酸盐作为电子受体，在加利福尼亚州莫诺湖的富As（Ⅲ）的缺氧水底中将As（Ⅲ）氧化成As（V）[58]。α-变形杆菌不仅对As（Ⅲ）具有较强的氧化作用，还对Li、Pb、Hg、Sb（Ⅲ）、Cd、Cr（VI）、Ni等重金属有抵抗作用，可用于As与多种重金属复合污染的土壤修复[59]。 　　2.3 挥发作用
　　砷的生物挥发在全球砷的生物地球化学循环中起着重要的作用，也是砷生物修复的潜在方法。因此，当环境中或生物体内的无机砷被转化为毒性较弱的有机砷或以气体形式挥发到大气中，一定程度上能够降低砷的环境风险和健康毒害。
　　砷的甲基化在自然界很普遍，很多微生物如部分真菌、酵母菌、细菌都具有砷甲基化功能。在微生物作用下，无机As可以被转化为毒性较低的一甲基砷酸（MMAA）、二甲基砷酸（DMAA）、三甲基砷氧（TMAO）以及无毒的芳香族化合物arsenocholine（AsC）和arsenobetaine（AsB）[9]，甲基砷酸可以在某些微生物的作用下分别转化为一甲基砷（monomethy-larsine，MMA）、二甲基砷（dimethylarsine，DMA）和三甲基砷（trimethylarsine，TMA）[10]。甲基砷酸的毒性比砷酸盐小得多，其形态的转化降低了砷的毒性风险，最终形成的甲基砷沸点较低，很容易挥发进入到大气中，As可以得到有效的去除。目前已发现多种微生物能通过甲基化过程将砷挥发到大气中，包括多种真菌、细菌、真核藻类等，他们挥发砷的能力各有不同[60]。
　　真菌是首先被发现具有砷挥发能力的微生物，Gosio[61]研究发现曲霉（Aspergillus sp.）和青霉（Penicilluium sp.）能够将砷化物转化为一种剧毒的大蒜味道的气体（Gosio气体），后来Challenger等[62]证实了微生物可以通过一系列生物甲基化反应将无机 As 转化为挥发性的Gosio气体TMA，而后越来越多具有砷挥发能力的真菌被报道出来，如黑曲霉和青霉在500 mg/L的As（V）培养15 d，细胞中分别积累313%和32.4%的DMA，8.3%和2.3%的MMA;Guimares等[63]研究也表明青霉（Penicillium sp.）、曲霉（Aspergillus sp.）和黑曲霉（A.niger）分別能产生57.8%、46.4%和5.2%的挥发性砷，产生的挥发性砷主要为TMAs，其次是MMAs和DMAs;Edvantoro等[64]也证实了青霉的强化作用能够提高土壤中砷的释放速率;此外，链霉菌属（Streptomyces）也能将As（Ⅲ）转化为MMAA和DMA[65]。Srivastava等[66]研究发现根霉（Rhizopus sp.）、新宇宙孢子菌属（Neocosmospora sp.）、青霉（Penicillium sp.）、曲霉（Aspergillus sp.）等10种真菌对砷的去除率在10.9%～65.8%，生物挥发砷的平均去除率为371%～2986%，这些真菌菌株可有效地用于砷污染农田土壤的生物修复。
　　具有甲基化As能力的微生物在细菌中也广泛分布。沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）可以催化As（Ⅲ）生成大量甲基化中间体，最终产物为三甲基胂[67];水稻土中分离出的梭状芽孢杆菌（Clostridium sp.）也具有甲基化As的能力，其甲基转移酶（CsArsM）催化亚砷酸盐形成甲基化产物[68]。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）可将无机As在48 h内转化为二甲基胂和三甲基胂氧化物，并挥发大量的二甲基胂和三甲基赖氨酸[69]。噬纤维菌属（Cytophagaceae）具有较强的甲基化和挥发能力，将几乎所有的亚砷酸盐（10 μm）转化为二甲基胂酸盐和三甲基氧胂气体，在砷污染水稻土修复方面显示出巨大的潜力[70]。砷的甲基化还受其他因素的影响，Huang等[71]研究表明砷的甲基化和挥发随着有机质的添加量增加而显著增加。
　　藻类和一些原生动物也具有一定的甲基化砷能力。Yin等[31]研究发现微囊藻（Microytis sp.）、诺斯托克藻（Nostoc sp.）和集囊藻（synecyocystis sp.）在As浓度较高时，每种蓝细菌的细胞都会产生挥发性砷，最终产物为三甲基胂;红藻（Cyanidioschyzon sp.）能使As（Ⅲ）甲基化形成三甲氧基胂氧化物（TMAO）和二甲基胂[DMAS（V）]，这也说明真核微生物对地热系统中砷的生物地球化学循环具有重要的意义[72];此外，原生动物梨形四膜虫（Tetrahymena pyriformis）也具有甲基化作用，其中转移酶TpyArsM起主要作用，能将无机甲基化合成了单、二甲基亚砷酸盐，并能生成三甲基亚砷酸盐[TMA（Ⅲ）]和二甲基亚砷酸盐（Me2AsH）气体[73]。
　　目前的研究表明，具有砷挥发能力的微生物种类较多，但微生物挥发As的能力较弱，挥发率也较低，普遍在10% 以内。此外，土壤中As的挥发受环境条件的影响较大，如氧化还原条件、pH、含水率、温度和其他重金属离子等[74-75]。
　　3 微生物修复存在的问题及展望
　　3.1 存在的问题
　　虽然生物修复作为环境友好型的治理技术广受关注，但其本身也存在一定的局限性：
　　①许多微生物被分离并证实具有生物累积、氧化与挥发砷的能力，但这些微生物需要一定的生长条件，目前研究报道还主要集中在室内研究阶段，应用到修复场地中的微生物可能难以适应野外自然环境，可能导致实际作用与试验结果有较大出入，利用微生物来修复砷污染仍然面临较大的挑战;
　　②单独采用砷污染微生物修复的效率往往不高，还需结合物理化学、植物等修复技术;
　　③目前发现和筛选出来的砷修复微生物多属于专一型，但现实中的污染多为复合型污染，生物修复的效率和利用价值会受到限制;
　　④微生物修复技术受环境因子影响很大，如土壤pH、Eh、温度、湿度、养分状况等，这些环境因素在实际修复中难以控制或控制成本较高。
　　3.2 展望
　　微生物修复是生物修复技术的核心技术，今后的研究方向可着重于以下几点： 　　①在微生物修复技术实验室研究的基础上，应注重与现场修复相结合，研究田间复杂、不稳定的条件下微生物对砷的生物累积、氧化与挥发，并进行砷污染的微生物修复试验与示范。
　　②分离高效生物累积与挥发砷微生物;进一步研究分子水平上微生物固定、氧化、甲基化砷和脱甲基化砷的机理，探索制约微生物积累、脱甲基等过程的关键因素;此外，应深入探讨物理化学与植物、微生物联合修复机制和途径，以提高砷污染土壤的修复效率。
　　③寻找、筛选、培育筛选对多种污染物具有较高耐性的微生物，能适用于复合型污染，以提高微生物修复的实用价值。
　　④应用分子生物技术，将筛选、培育出的多功能“超级菌”的微生物基因导入易生长繁殖、适应性强的微生物中，使其适应各种环境因素，此外，在更大的时间和空间尺度上研究各种环境因素与微生物砷修复之间的关系，降低环境因素对微生物修复效果的影响。
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