土壤粘土矿物与微生物交互关系及其治理重金属污染的应用浅析.doc

基金项目国家环保性行业科研专项课题201009041-03和安徽省优秀青年科技基金项目08040106907 作者简介范丽,女,1985年生,硕士研究生,环境科学专业.E-mail * 通讯作者, E-mail 土壤粘土矿物与微生物交互关系及其治理 重金属污染的应用浅析 范丽,周涛发* ,李湘凌,王成慧,刘丽,李翔宇 合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥230009 粘土矿物和微生物是土壤固相最活跃的组 分,直接影响土壤的性质与功能,同时微生物与粘土矿物会发生交互作用形成复合体,影响土壤重金属元素的迁移、转化及其在土壤环境中的生态效应。本文对土壤中微生物与粘土矿物的相互作用机制以及“粘土矿物-微生物”复合体对治理重金属污染的最新进展进行简要总结,加强对土壤中矿物、微生物相互作用及其治理污染机理的认识,为土壤中矿物和微生物相互关系研究以及土壤重金属污染治理的研究提供支持。 1土壤粘土矿物和微生物组成 土壤中粘土矿物一般包括次生层状硅酸盐矿物蒙脱石、蛭石、伊利石、高岭石等和粘粒氧化物铁、铝、锰、硅氧化物。次生层状硅酸盐矿物有两种表面结构1“2ʒ1型”粘土矿物,表面为硅氧烷型Si-O-Si ;2“1ʒ1型”粘土矿物,一面为硅氧烷型,另一面为羟基型;粘粒氧化物表面为羟基化表面一般含有-OH 和水合基-OH 2。土壤微生物主要包括细菌、放线菌、真菌等,它们的表面属于有机物表面,一般附着-COOH 、-OH 、-NH 2等官能团。不同表面结构,表面电荷和表面电化学行为也不同如表1。 表1 土壤粘土矿物与微生物的表面类型和特点 表面类型表面电荷特性表面电化学行为硅氧烷型表面永久电荷表面恒电荷表面羟基型表面可变电荷表面恒电位表面有机物型表面 可变电荷表面 恒电位表面 2 土壤粘土矿物和微生物相互作用 研究 2.1 吸附作用 微生物细胞及微生物分子在粘土矿物表面的富集已开展了广泛研究。Beveridge 等1995指出微生物细胞和生物分子可以在矿物表面吸附。不同微生物与粘土矿物的结合能力及结合方式不尽相同,David 等2004研究表明,革兰氏阳性的枯草芽孢杆菌在铁氧化物包膜的石英表 面的吸附量大于革兰氏阴性的门多萨假单胞菌;Beveridge 等1995指出微生物的吸附点位不同可能是产生吸附量差异的重要原因。Shashikala 等2002报道多粘杆菌在赤铁矿表面的吸附量和在石英表面的吸附量有差异;冯伟亮等2009发现在pH 为3 5且离子强度为0.1mol /L 时,针铁矿体系中恶臭假单胞菌含量远远高于蒙脱石和高岭石体系。Rong 等2008据红外光谱分析进一步表明氢键对恶臭假单胞菌在高岭石和蒙脱石表面吸附的影响显著。陈新材等2006通过扫描电镜分析恶臭假单胞菌在针铁矿、高岭石表面的吸附行为指出同种微生物与不同种类粘土矿物的结合方式不尽相同。 综上,土壤中微生物吸附在粘土矿物表面时,不同种类微生物在粘土矿物表面的吸附方式不同,同种微生物在不同矿物表面的结合也有差异;他们的结合作用受到微生物和粘土矿物的性质以及pH 值等环境因素的影响。2.2 相互影响 土壤中微生物吸附到粘土矿物表面后,它的 利用底物、硝化作用、呼吸作用和生长繁殖等都受到显著影响。冯伟亮等2009指出加入了针 3 81增刊矿物学报 铁矿培养液的恶臭假单胞菌的活性明显降低;E-lise等2009研究表明在大肠杆菌培养液中添加0.3g高岭石/L的培养液后,其菌量和生长速度显著增加且代谢活性明显降低;荣兴民等2008基于微量热技术的研究表明针铁矿可以促进苏云金芽孢杆菌对数生长期的活性,却抑制了孢子形成期的代谢活性。另外,有研究表明微生物自身分泌的胞外核酸、胞外酶和毒素等吸附在土壤矿物表面后,也会影响微生物的活性Huang, 2005。以上表明土壤中的粘土矿物对微生物的生长繁殖和新陈代谢作用有直接影响。 研究还表明微生物可以通过新陈代谢作用和氧化还原作用对粘土矿物性质也可产生显著影响Barker et al.,1998。Siegel等1986研究认为真菌可以通过分泌氨基酸、有机酸以及其他代谢产物溶解含重金属的矿物;Maurice et al. 2001也指出好氧假单胞菌Pseudomonas men-docina可以促进高岭石分解以获取微量的铁元素;此外,Lu等2006指出细菌吸附于矿物后,可以溶蚀矿物。矿物为微生物提供能源、微营养及代谢活动所需的电子受体等的同时,自身的表面性质、结构会发生了显著改变陈新材,2006。 以上表明土壤粘土矿物影响微生物生长繁殖和新陈代谢作用,同时微生物的新陈代谢作用又改变了粘土矿物的性质,土壤中微生物与粘土矿物具有相互作用、相互影响的关系。 3治理污染的研究现状 土壤中粘土矿物、微生物能形成“粘土矿物-微生物”复合体,这种复合体对可以改变土壤中重金属元素的吸附行为。目前国内外通过“粘土矿物-微生物”的复合体对土壤重金属污染的治理研究已取得一定进展Huang et al.,2000;Tem-pleton et al.,2003;谢朝阳等,2006。Huang等2000对红壤、黄棕壤中高岭土、针铁矿、非晶形铁等矿物与根瘤菌对铜、镉的吸附表明细菌的加入显著提高了高岭土、针铁矿对镉的吸附亲和力。谢朝阳等2006通过筛选出的耐Cu、Cd的产气肠杆菌对土壤胶体和粘土矿物体系吸附铜能力进行研究,结果表明在加入了耐受菌-产气肠杆菌条件下,土壤胶体、矿物针铁矿对Cu2的吸附量显著增加。Templeton等2003通过长期X-射线驻波技术研究表明,伯克霍尔德菌Burk-holderia cepacia可以在赤铁矿表面吸附并形成单层生物膜,使得其可吸附大量Pb2而且不会钝化矿物表面的反应位点。 以上研究表明,“粘土矿物-微生物”复合体对重金属的污染修复具有很好的效果,不同类型“粘土矿物-微生物”复合体的相互作用机制及其对重金属污染土壤治理的运用研究与运用具有重要的理论和实践意义。 4建议 1筛选重金属耐性微生物,深入研究其与土壤粘土矿物的相互作用及其作用机理。 2系统研究重金属耐性微生物与粘土矿物结合过程中对重金属的吸附作用,结合分子水平技术、同步加速辐射技术和高精度微量热技术等新技术,深入探讨微生物-粘土矿物复合体对重金属吸附的机理。 3加强对微生物-粘土矿物复合体吸附的重金属形态分析研究,认识重金属在微生物-矿物复合体上迁移转化的特点。 4展开不同作用时间下重金属在微生物-矿物复合体上迁移的动态机制研究。 481矿物学报2010年