酵母菌在土壤污染中的生物修復(fù)作用
2015-01-14 07:25:13
來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
作者：呂治春
 
呂治春 近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，其中，土壤污染尤為突出。污染源主要來自工業(yè)泄漏、農(nóng)業(yè)使用以及生活垃圾等，涉及農(nóng)藥、除草劑、多環(huán)芳烴以及重金屬等各種有毒物質(zhì)。 針對(duì)土壤污染問題，傳統(tǒng)的物理、化學(xué)消除方法已經(jīng)很難有所作為。首先，我國(guó)幅員遼闊，受污染土壤面巨大；其次，土壤多為多重交叉污染，采用一種物理化學(xué)方法很難徹底消除多種有毒物質(zhì)，且極易造成二次污染。 研究表明，利用酵母菌技術(shù)修復(fù)污染土壤是一種行之有效的方法。酵母菌資源豐富，代謝途徑多樣，且操作方法相對(duì)成熟，使之具有修復(fù)多重污染土壤的巨大潛力?，F(xiàn)就酵母菌技術(shù)消除污染土壤中的農(nóng)藥、除草劑、多環(huán)芳烴以及重金屬等研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。 修復(fù)農(nóng)藥污染土壤 造成土壤污染的農(nóng)藥主要有有機(jī)氯農(nóng)藥和有機(jī)磷農(nóng)藥兩大類。 有機(jī)氯農(nóng)藥主要包括六六六（HCH）、二二三（DDT）、氯丹以及七氯等，是20世紀(jì)大規(guī)模使用過的高殘毒農(nóng)藥，其毒性大，難降解，代謝周期長(zhǎng)。如HCH在土壤中被分解95%所需最長(zhǎng)時(shí)間約20年，DDT的化學(xué)性質(zhì)同樣比較穩(wěn)定，雖然已被禁止使用近30年，環(huán)境中仍有大量殘留。有機(jī)氯農(nóng)藥具有一定的揮發(fā)性和強(qiáng)脂溶性，能通過食物鏈在生物體中富集，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成危害。 酵母菌降解在消除有機(jī)氯農(nóng)藥過程中具有重要作用，目前已分離出多種降解菌株。以HCH作為唯一碳源，先后得到芽孢桿菌屬、無色桿菌屬和假單孢菌屬等3株細(xì)菌，其對(duì)HCH總量的降解率分別為59.6%、56.9%和56%，對(duì)HCH的降解率分別為55.9%、57.6%和56.9%。有專家從DDT污染的土壤中篩選出1株寡養(yǎng)單胞菌屬D1，其對(duì)DDT降解10d的降解率為69%。 有機(jī)磷農(nóng)藥是當(dāng)今農(nóng)藥中的主要類別，對(duì)土壤呼吸等生態(tài)系統(tǒng)造成重大影響。有機(jī)磷農(nóng)藥主要包括甲胺磷、樂果、毒死蜱以及敵敵畏等，商品已達(dá)150多種。關(guān)于酵母菌降解有機(jī)磷農(nóng)藥的國(guó)內(nèi)外研究和報(bào)道較多，目前已經(jīng)分離出多種降解菌株，純化了多種降解酶，克隆并表達(dá)了眾多降解酶基因。  顯微鏡下的酵母菌圖片來源：百度圖片 修復(fù)除草劑污染土壤 我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，除草劑在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，主要包括三氮苯類、咪唑啉酮類、磺酰脲類以及三唑嘧啶磺酰胺類等。其中草甘膦、乙草胺和丁草胺是我國(guó)使用最多的3種除草劑。除草劑的使用對(duì)防治草害、降低勞動(dòng)力強(qiáng)度以及農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收起著積極的作用，但同時(shí)也污染了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，對(duì)后茬作物表現(xiàn)出傷害。 酵母菌降解是消除除草劑污染的重要途徑，其主要反應(yīng)有脫鹵、脫烷基、水解、氧化、環(huán)羥基化與裂解、硝基還原以及綴合作用等。 土壤中廣泛存在能夠降解草甘膦的酵母菌。研究表明，草甘膦降解途徑主要有兩條：C-N鍵斷裂生成氨甲基膦酸和C-P鍵斷裂生成肌氨酸，然后進(jìn)一步代謝為磷酸、甘氨酸和二氧化碳等。農(nóng)業(yè)專家從土壤中篩選到6株草甘膦降解菌，包括2株細(xì)菌、4株真菌。真菌HS-04和HS-05均能以草甘膦作為唯一碳源和氮源生長(zhǎng)，6d對(duì)草甘膦的降解率分別為85%和91%。 對(duì)黑土環(huán)境中乙草胺的微生物降解特征進(jìn)行研究，表明酵母菌活性是影響乙草胺降解的主要因素，且細(xì)菌比真菌具有更強(qiáng)的降解能力；真菌對(duì)乙草胺有更強(qiáng)的耐受能力，施用乙草胺后的整個(gè)培養(yǎng)過程中，土壤真菌標(biāo)識(shí)物磷脂脂肪酸數(shù)量始終低于對(duì)照，表明乙草胺對(duì)真菌的抑制可能是長(zhǎng)期而不可逆的。另外，乙草胺等除草劑對(duì)根瘤菌、從枝菌根真菌等土壤酵母菌產(chǎn)生較大影響，可能抑制菌根與根瘤的形成。 丁草胺是一種內(nèi)吸傳導(dǎo)型苯乙酰胺類除草劑，其在土壤中的降解主要是酵母菌降解所致。小麥等根圍土壤和非根圍土壤中丁草胺的降解特征和降解菌變化動(dòng)態(tài)，根圍土壤中丁草胺的降解是非根圍土壤的1.63 ~2.34倍，表明根圍土壤豐富的酵母菌對(duì)丁草胺的降解具有顯著的促進(jìn)作用。 修復(fù)重金屬污染土壤 隨著重金屬在冶煉、化工、造紙以及電子等產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用，大量的重金屬物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境，例如鉛、鉻、汞、鎘等。這些離子進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)后可長(zhǎng)期存在于體內(nèi)，使機(jī)體的某些代謝途徑受阻，對(duì)機(jī)體造成嚴(yán)重的傷害。研究表明，酵母菌可以改變重金屬在土壤中的環(huán)境化學(xué)行為，達(dá)到生物修復(fù)的目的，其原理主要包括生物吸附和生物轉(zhuǎn)化。 細(xì)胞表面載有負(fù)電荷，且存在氨基、羧基、羥基、醛基、硫酸根等多種官能團(tuán)，可通過靜電吸附和絡(luò)合作用固定重金屬離子。當(dāng)環(huán)境中銅、鎘濃度較低(5mg/L)時(shí)，酵母菌修復(fù)性能良好，去除率可達(dá)25%~60%；而當(dāng)銅、鎘濃度較高時(shí)，修復(fù)性能下降，且環(huán)境pH值對(duì)不同微生物的生物吸附作用產(chǎn)生一定影響。通過研究青霉菌對(duì)土壤可溶性鉛的富集效果，結(jié)果表明，土壤鉛離子濃度隨青霉菌培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。 酵母菌對(duì)重金屬的生物轉(zhuǎn)化作用主要包括氧化與還原，甲基化與去甲基化，溶解作用以及有機(jī)絡(luò)合配位降解轉(zhuǎn)化重金屬等。汞的生物轉(zhuǎn)化具有代表意義，如無機(jī)汞的甲基化，汞離子還原成氧化汞，甲基汞和其他有機(jī)汞化合物裂解并還原成氧化汞。酵母菌可以利用自身的氧化還原特性及代謝產(chǎn)物，使銅離子還原形成銅。另外，研究發(fā)現(xiàn)酵母菌能夠把鉻從高毒的六價(jià)還原成低毒的三價(jià)。 重金屬抗性基因是酵母菌在自然條件或人工誘導(dǎo)下產(chǎn)生的抗重金屬毒性的遺傳因子。金屬硫蛋白、操縱子、金屬運(yùn)輸酶和透性酶等，通過利用這些物質(zhì)與重金屬結(jié)合、形成失活晶體或促進(jìn)重金屬排出體外等機(jī)制對(duì)重金屬進(jìn)行解毒。有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)巨大芽孢桿菌MDS07對(duì)重金屬鉻、鋅、鎳等具有較高抗性。研究發(fā)現(xiàn)，該菌株含有鉻抗性基因chrB、鋅抗性基因czcD和鎳抗性基因nccA。 關(guān)于酵母菌修復(fù)污染土壤的研究報(bào)道較多，但真正用于實(shí)踐的并不多見。且酵母菌與土壤的相互作用仍有一些基礎(chǔ)問題需要解決，包括進(jìn)一步篩選和馴化酵母修復(fù)菌株，構(gòu)建菌種庫(kù)；加強(qiáng)酵母菌代謝途徑研究，控制其轉(zhuǎn)化途徑；開展酵母降解酶研究，促進(jìn)酶的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用；強(qiáng)化降解基因的結(jié)構(gòu)與功能研究，重組構(gòu)建功能優(yōu)化的基因工程菌株；優(yōu)化組合修復(fù)技術(shù)，如動(dòng)物酵母菌、植物酵母菌、物化方法酵母菌等組合修復(fù)等。這些都是值得在未來繼續(xù)關(guān)注和研究的領(lǐng)域。 （作者單位：安徽志陽(yáng)新型農(nóng)業(yè)技術(shù)專業(yè)合作社） 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2015-01-14 第6版 科研) |
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