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酵母菌在土壤污染中的生物修复作用

发布时间:2019-10-09 15:39:29

近年来,随着我国经济的不断发展,环境污染问题日益严重,其中,土壤污染尤为突出。污染源主要来自工业泄漏、农业使用以及生活垃圾等,涉及农药、除草剂、多环芳烃以及重金属等各种有毒物质。

针对土壤污染问题,传统的物理、化学消除方法已经很难有所作为。首先,我国幅员辽阔,受污染土壤面巨大;其次,土壤多为多重交叉污染,采用一种物理化学方法很难彻底消除多种有毒物质,且极易造成二次污染。

研究表明,利用酵母菌技术修复污染土壤是一种行之有效的方法。酵母菌资源丰富,代谢途径多样,且操作方法相对成熟,使之具有修复多重污染土壤的巨大潜力。现就酵母菌技术消除污染土壤中的农药、除草剂、多环芳烃以及重金属等研究进展进行简要概述。

修复农药污染土壤

造成土壤污染的农药主要有有机氯农药和有机磷农药两大类。

有机氯农药主要包括六六六(HCH)、二二三(DDT)、氯丹以及七氯等,是20世纪大规模使用过的高残毒农药,其毒性大,难降解,代谢周期长。如HCH在土壤中被分解95%所需最长时间约20年,DDT的化学性质同样比较稳定,虽然已被禁止使用近30年,环境中仍有大量残留。有机氯农药具有一定的挥发性和强脂溶性,能通过食物链在生物体中富集,对生态系统和人类健康造成危害。

酵母菌降解在消除有机氯农药过程中具有重要作用,目前已分离出多种降解菌株。以HCH作为唯一碳源,先后得到芽孢杆菌属、无色杆菌属和假单孢菌属等3株细菌,其对HCH总量的降解率分别为59.6%、56.9%和56%,对HCH的降解率分别为55.9%、57.6%和56.9%。有专家从DDT污染的土壤中筛选出1株寡养单胞菌属D1,其对DDT降解10d的降解率为69%。

有机磷农药是当今农药中的主要类别,对土壤呼吸等生态系统造成重大影响。有机磷农药主要包括甲胺磷、乐果、毒死蜱以及敌敌畏等,商品已达150多种。关于酵母菌降解有机磷农药的国内外研究和报道较多,目前已经分离出多种降解菌株,纯化了多种降解酶,克隆并表达了众多降解酶基因。

修复除草剂污染土壤

我国是农业大国,除草剂在我国得到广泛应用,主要包括三氮苯类、咪唑啉酮类、磺酰脲类以及三唑嘧啶磺酰胺类等。其中草甘膦、乙草胺和丁草胺是我国使用最多的3种除草剂。除草剂的使用对防治草害、降低劳动力强度以及农业增产增收起着积极的作用,但同时也污染了农业生态环境,对后茬作物表现出伤害。

酵母菌降解是消除除草剂污染的重要途径,其主要反应有脱卤、脱烷基、水解、氧化、环羟基化与裂解、硝基还原以及缀合作用等。

土壤中广泛存在能够降解草甘膦的酵母菌。研究表明,草甘膦降解途径主要有两条:C-N键断裂生成氨甲基膦酸和C-P键断裂生成肌氨酸,然后进一步代谢为磷酸、甘氨酸和二氧化碳等。农业专家从土壤中筛选到6株草甘膦降解菌,包括2株细菌、4株真菌。真菌HS-04和HS-05均能以草甘膦作为唯一碳源和氮源生长,6d对草甘膦的降解率分别为85%和91%。

对黑土环境中乙草胺的微生物降解特征进行研究,表明酵母菌活性是影响乙草胺降解的主要因素,且细菌比真菌具有更强的降解能力;真菌对乙草胺有更强的耐受能力,施用乙草胺后的整个培养过程中,土壤真菌标识物磷脂脂肪酸数量始终低于对照,表明乙草胺对真菌的抑制可能是长期而不可逆的。另外,乙草胺等除草剂对根瘤菌、从枝菌根真菌等土壤酵母菌产生较大影响,可能抑制菌根与根瘤的形成。

丁草胺是一种内吸传导型苯乙酰胺类除草剂,其在土壤中的降解主要是酵母菌降解所致。小麦等根围土壤和非根围土壤中丁草胺的降解特征和降解菌变化动态,根围土壤中丁草胺的降解是非根围土壤的1.63~2.34倍,表明根围土壤丰富的酵母菌对丁草胺的降解具有显著的促进作用。

修复重金属污染土壤

随着重金属在冶炼、化工、造纸以及电子等产业的广泛应用,大量的重金属物质进入环境,例如铅、铬、汞、镉等。这些离子进入人体血液循环系统后可长期存在于体内,使机体的某些代谢途径受阻,对机体造成严重的伤害。研究表明,酵母菌可以改变重金属在土壤中的环境化学行为,达到生物修复的目的,其原理主要包括生物吸附和生物转化。

细胞表面载有负电荷,且存在氨基、羧基、羟基、醛基、硫酸根等多种官能团,可通过静电吸附和络合作用固定重金属离子。当环境中铜、镉浓度较低(5mg/L)时,酵母菌修复性能良好,去除率可达25%~60%;而当铜、镉浓度较高时,修复性能下降,且环境pH值对不同微生物的生物吸附作用产生一定影响。通过研究青霉菌对土壤可溶性铅的富集效果,结果表明,土壤铅离子浓度随青霉菌培养时间的延长而降低。

酵母菌对重金属的生物转化作用主要包括氧化与还原,甲基化与去甲基化,溶解作用以及有机络合配位降解转化重金属等。汞的生物转化具有代表意义,如无机汞的甲基化,汞离子还原成氧化汞,甲基汞和其他有机汞化合物裂解并还原成氧化汞。酵母菌可以利用自身的氧化还原特性及代谢产物,使铜离子还原形成铜。另外,研究发现酵母菌能够把铬从高毒的六价还原成低毒的三价。

重金属抗性基因是酵母菌在自然条件或人工诱导下产生的抗重金属毒性的遗传因子。金属硫蛋白、操纵子、金属运输酶和透性酶等,通过利用这些物质与重金属结合、形成失活晶体或促进重金属排出体外等机制对重金属进行解毒。有科学家发现巨大芽孢杆菌MDS07对重金属铬、锌、镍等具有较高抗性。研究发现,该菌株含有铬抗性基因chrB、锌抗性基因czcD和镍抗性基因nccA。

关于酵母菌修复污染土壤的研究报道较多,但真正用于实践的并不多见。且酵母菌与土壤的相互作用仍有一些基础问题需要解决,包括进一步筛选和驯化酵母修复菌株,构建菌种库;加强酵母菌代谢途径研究,控制其转化途径;开展酵母降解酶研究,促进酶的工业化生产及应用;强化降解基因的结构与功能研究,重组构建功能优化的基因工程菌株;优化组合修复技术,如动物酵母菌、植物酵母菌、物化方法酵母菌等组合修复等。这些都是值得在未来继续关注和研究的领域。

(作者单位:安徽志阳新型农业技术专业合作社)

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