鎳污染對土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)_蔡信德

1、鎳污染對土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)蔡信德12，仇榮亮1，陳桂珠1(1.中山大學環(huán)境科學與工程學院，廣州510275；2.國家環(huán)境保護總局華南環(huán)境科學研究所，廣州510655)【摘要】鎳是高等植物和某些微生物必需的微量營養(yǎng)元素之一，在它們的生命活動中起著重要作用；但濃度較高時，也是一種極毒元素。大量的研究表明，鎳污染土壤中微生物的生長、代謝、群落結(jié)構(gòu)和種群多樣性會受到不同程度的影響；微生物在長期受重金屬威迫的環(huán)境中形成其適應(yīng)性。利用微生物形成的

2、這種適應(yīng)機制，采用微生物技術(shù)治理重金屬污染的土壤是可能的。本文還對鎳污染土壤的微生物評價指標體系、土壤環(huán)境容量、微生物技術(shù)開發(fā)和綜合治理技術(shù)開發(fā)等的進一步研究作了展望。關(guān)鍵詞：土壤；鎳；污染；重金屬；生態(tài)效應(yīng)中圖分類號：X171文獻標識碼：A文章編號：10088873(2004)0327405ReviewonecologicaleffectsofmicroganisminnickelpollutedsoilCAIXinde12，QIUR

3、ongliang1，CHENGuizhu1(1.TheschoolofEnvironmentalSciencenickelpollutionmicroganismecologicaleffect土壤是整個生物圈的基礎(chǔ)，是生長植物的自然體。只有一個安全的土壤環(huán)境才能為不斷增長的人口提供充足的物質(zhì)生活資料[1]。所以，保護土壤以及保護土壤中生物在內(nèi)的土壤總體質(zhì)量已經(jīng)成為一個全球性的環(huán)境保護目標。鎳是某些低等生物和植物的必需微量營養(yǎng)元素之一。

4、但是，鎳也是一種致癌的毒性元素[2]。由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，各種污染物質(zhì)（包括重金屬）從多種途徑進入環(huán)境，對水、土壤質(zhì)量和環(huán)境生物造成嚴重威脅。加拿大Sudbury的土壤受鎳和銅冶煉廠排放的大氣污染物影響，土壤鎳含量（干重）達23～2149mgkg1[3]；礦冶行業(yè)排放的廢氣，導(dǎo)致芬蘭、挪威和俄羅斯北部受到不同程度的污染，苔蘚植物體內(nèi)鎳含量甚至高達396mgkg1[4]。而我國，受重金屬污染的農(nóng)田面積在不斷增加、土壤污染程度有加重的

5、趨勢。如廣東省南海市某電鍍廠廢水使得下游農(nóng)田土壤中鎳含量超過允許限值4.54倍、生菜和菜心分別超過允許限值0.75倍和1.23倍[5]。據(jù)估計[6]，全球每年釋放到環(huán)境中的有毒重金屬高達數(shù)百萬噸，其中鎳為38.1105t。這些重金屬在環(huán)境中發(fā)生物理、化學和生物作用，給周圍環(huán)境造成了不可忽視的影響。本文就近年來鎳污染對土壤微生物生態(tài)效應(yīng)方面的研究進行綜述，探討鎳污染對微生物影響的機制，對土壤鎳污染的劑量效應(yīng)研究、微生物評價和污染土壤的生物

6、修復(fù)等方面具有指導(dǎo)意義。1自然土壤中鎳的特性自然土壤中鎳含量受成土母質(zhì)、質(zhì)地、氣候和耕作等影響。如從蛇紋巖上發(fā)育的土壤總鎳可達5000mgkg1，從熔巖及火山灰上發(fā)育的土壤總鎳可達1500mgkg1[7]。我國土壤（A層）平均為26.9mgkg1；而廣東省土壤含鎳范圍為3～162mgkg1、平均為27.68mgkg1。由于粘土、有機質(zhì)對鎳強烈的吸附持留作用，因此，富鎳土壤往往為粘土、壤土及富含有機質(zhì)的土壤[8]。鎳在土壤中可分別與水、富

7、里酸、碳酸鈣、無定形氧化鐵、無定形氧化錳、蒙脫石、高嶺石、蛭石等基金項目：國家863計劃項目（2001AA64050103），國家自然科學基金項目（20177035），教育部留學回國人員啟動基金項目資助課題通訊聯(lián)系人，Email:eesqrl@zsu.作者簡介：蔡信德（1965—），男，博士研究生，從事土壤重金屬污染生物修復(fù).Email:xindecai@.cn20040520收稿，20040820接受生態(tài)科學2004年8月第23卷第3

8、期ECOLOGICSCIENCEAug200423(3):273～277明，當藻細胞暴露于鎳離子時，G6PDH和硝酸還原酶的活性隨離子濃度增加而下降，但當鎳離子濃度為1.5mgL1，酸性磷酸酶的活性卻達最大值，隨后逐漸下降。重金屬及其他有毒元素化合物對土壤中酶活性的作用，可能存在兩方面的原因：一方面可能是重金屬對土壤酶活性產(chǎn)生直接作用，使酶類活性基團、空間結(jié)構(gòu)受到破壞從而降低其活性；另一方面重金屬能抑制土壤微生物的生長繁殖，減少微生物體

9、內(nèi)酶的合成和分泌量，最終導(dǎo)致土壤酶活性降低[10]。2.3鎳污染對土壤生化過程的影響鎳污染引起微生物體內(nèi)代謝作用變化的同時，也影響微生物的代謝功能。這種影響主要有以下幾個方面：對土壤有機殘落物降解作用的影響、對土壤呼吸代謝的影響以及對土壤氨化和硝化作用的影響。2.3.1對碳循環(huán)的影響對土壤有機殘落物降解主要是通過土壤有機質(zhì)礦化、土壤有機物的氨化、硝化與反硝化等作用完成的。據(jù)資料[20]，加拿大Sudbury一座冶煉廠（排放廢氣中主要含鎳

10、和銅）附近8km的范圍內(nèi)，3種凋落樹葉在851d內(nèi)分解率是對照地區(qū)的79～83%。凋落物的降解主要依靠土壤中的分解者來完成，由于在污染的土壤中微生物的數(shù)量、種群結(jié)構(gòu)等受到影響，微生物的生理生化功能下降，因此，微生物對凋落物的降解速率下降，受污染區(qū)凋落物的分解速度較清潔區(qū)慢。2.3.2對氮循環(huán)的影響B(tài)rookes等研究了室內(nèi)條件下不同重金屬濃度對生物固氮的影響，結(jié)果表明固氮作用與重金屬濃度有顯著負相關(guān)，低濃度的重金屬可降低藍綠藻固氮50%

11、、且低濃度重金屬污染土壤中微生物的固氮量是高濃度重金屬土壤的10倍[22]。Wilke研究了12種污染物（As、Be、Br、Cd、Cr、F、Pb、Hg、Se、Sn、V和Ni）對N素轉(zhuǎn)化的長期影響，發(fā)現(xiàn)除Se和Sn外，其它污染物均抑制氮的礦化作用[23]。2.3.3對土壤呼吸的影響土壤呼吸作用強弱意味著該土壤系統(tǒng)代謝旺盛與否。呼吸作用的強弱與微生物數(shù)量有關(guān)，也與土壤有機質(zhì)礦化、氮和磷的轉(zhuǎn)化強度、pH和中間代謝產(chǎn)物等因素有關(guān)；任何抑制性因素

12、的存在都可能影響土壤的呼吸強度，這些影響因素中重金屬污染是最重要的影響因素之一[10]。城市土壤中重金屬元素銅、鉛、鋅、鎳的顯著積累，使土壤微生物呼吸強度和代謝活動明顯高于農(nóng)村土壤中[13]。3微生物對土壤鎳污染的抗性土壤鎳污染在影響土壤微生物數(shù)量和質(zhì)量的同時，土壤微生物也對重金屬及其他元素具有一定的適應(yīng)和耐受能力。在土壤中重金屬的有機化過程中，土壤微生物起到了非常重要的作用，最主要的表現(xiàn)就是微生物對重金屬具有吸收和吸附作用。據(jù)Shwe

13、taSingh等的試驗[21]，豌豆根瘤菌（Rhizobiumleguminosarum）吸收鎳過程可分為三個階段：第1min內(nèi)為快速吸收期，在細胞內(nèi)Ni2累積量達到91nmolmg1蛋白；1～30min內(nèi)為變慢期，吸收Ni2累積量達到118nmolmg1蛋白；隨后的30～60min為吸收平穩(wěn)期。Komarova等[24]研究了巨大芽孢桿菌（Bacillusmegatherium）對鉛、鎳、鈷水溶液的吸附作用，結(jié)果表明該菌對鉛、鎳、鈷的

14、吸附能力分別達到0.0042gg1、0.0029gg1、0.0049gg1；其吸附等溫線符合Langmuir方程。通過微生物對重金屬的吸收或吸附作用，土壤中可溶性態(tài)的鎳轉(zhuǎn)化為弱專性吸附態(tài)或有機結(jié)合態(tài)鎳，減少了土壤中鎳的毒性。在重金屬威迫的環(huán)境條件下，微生物體內(nèi)形成了相應(yīng)的金屬抗性機制，以適應(yīng)脅迫環(huán)境。這些機制包括：包膜、細胞壁、生物膜的保護性機制；細胞內(nèi)隔離機制；主動外排系統(tǒng)機制；酶脫毒機制；減少金屬敏感性；抗性質(zhì)粒等[1025]。除了

15、上述所列的各種內(nèi)部機制外，微生物的分泌物質(zhì)也能直接與胞外的重金屬作用。微生物降低重金屬毒性的作用，除了金屬離子可能通過絡(luò)合、配位、離子交換、一般吸附以及元素的微沉淀外，還可通過生物甲基化、揮發(fā)作用、氧化還原作用進行生物轉(zhuǎn)化[2628]。這些抗性和耐性機制，可以是單獨作用，也可以幾種同時作用。微生物在重金屬環(huán)境中所形成的這些機制，使得利用微生物進行重金屬污染土壤的治理成為可能。根據(jù)上述微生物的特性發(fā)展形成的微生物采礦技術(shù)、重金屬廢水的處理

16、技術(shù)、燃煤脫硫技術(shù)等，已經(jīng)在生產(chǎn)實踐中得到應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。據(jù)報導(dǎo)[2930]，某些種類的植物根際促長細菌（PlantgrowthpromotingrhizobacteriaPGPR）在重金屬污染的土壤中具有雙重的作用：一是細菌體內(nèi)含有ACC（1aminocyclopropane1carboxylicacidACC）脫氨酶，通過這種酶的作用，可抑制植物體內(nèi)乙烯的合成，在植物生長初期更好地定居、植物根生長更長，從而