土壤微生物的 应 用微生物 对 土壤 环 境中重金 属 的影 响微生物 对 重金 属 的影 响 主要体 现 在四 个 方面：
生物吸附和富集作用
溶解和沉淀作用
氧 化 还 原作用
菌根 真 菌 与 土壤重金 属 的生物有效性的 关 系微生物 对 重金 属 离子的生物吸附和富集
微生物可通 过带电 荷的 细 胞表面吸附重金 属 离子，或通 过摄 取必要的 营养 元素主 动 吸收重金 属 离子,将 重金 属 离子富集在 细 胞表面或 内 部。
微生物 对 重金 属 的吸附能力 与 微生物和重金 属 离子的 种类 有 关如：根霉 对 几 种 重金 属 离子的最大吸附量 顺 序 为,
UO2+ >Pb2+ >Zn2+ >Cd2+ >Cu2+
而 P,Oligistatum的吸附 顺 序 为,
Zn2+ >Cu2+>Cd2+>Pb2+> UO2+
pH影 响 微生物 对 重金 属 的吸附，但不同的微生物，其 对 重金 属 的吸附受 pH的影 响 不同
微生物能 与 土壤中的其 它组 分 竞争 吸附重金 属 离子如：在含有 5mmolL-1 Cu2+,Hg2+,Ni2+,Pb2+,Zn2+,Cr2+的硝酸 盐 溶液中，各 种 黏土 矿 物和 细 菌 细 胞 组 成吸附上述重金 属 离子的能力依次 为,细 胞壁 >细 胞外膜 >蒙 脱 石 >高岭土
革 兰 氏 阳 性 细 菌 >革 兰 氏 阴 性 细 菌 >黏土 矿 物
>
微生物对重金属的吸附和富集重金属 微生物 最大吸附量 文献赫氏埃希氏菌
（ E s c he ri c h i a he r m a nni i ）
V
阴沟肠杆菌
（ E nt e roba c t e r c l oa c a e ）
F a fa e l
（ 1998 ）
UO
2+
820m m ol k g
-1
Cu
2+
根霉
（ Rhi z op u s ） 210m m ol k g
-1
T obi n
（ 1984 ）
Cu
2+
无根根霉
（ Rhi op us a rrhi z us ）
3000 m m ol k g
-1
T s e z o s & V ol e s ky
(1987)
Zn
Cd
Hg
木霉
（ T ri c hode rm a ha rz i a num ）
小刺青霉
（ P e ni c i l l i um s p i nul os um ）
深黄被包霉
（ M or t i e re l l i s a be l l i n a ）
K ra nt z -Rul c ke r
（ 1996 ）
微生物吸附富集重金 属 离子的机制
细 菌 细 胞吸附重金 属 离子的 组 分主要是 细 胞壁上的 肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖革 兰 氏 阴 性 细 菌富集重金 属 离子的位点主要是脂多糖分子中的核心低聚糖和 氮 乙 酰 葡萄糖 残 基上的磷酸基及 2-酮 -3-脱氧 辛酸 残 基上的 羧 基。
革 兰 氏 阳 性 细 菌的吸附位点是 细 胞壁 肽 聚糖、
磷壁酸上的 羧 基和糖 醛 酸上的磷酸基
一般 来说,重金 属 在革 兰 氏 阴 性 细 菌表面易于形成沉淀，而在革 兰 氏 阳 性 细 菌表面 较难 形成沉淀
真 菌 对 重金 属 的吸附机制 随 重金 属 的 种类 不同而有所不同。如,钍 （ Th）直接 连 在几丁 质 的 N-乙 酰 葡萄糖胺 上，而 铀 （ U）却沉淀于几丁 质 的微型晶格 结构 中。
真 菌 细 胞壁各 组 分 对 重金 属 的吸附能力 顺 序 为 ；
几丁 质 >磷酸 纤维 素 >羟 基 纤维 素 >纤维 素微生物 对 重金 属 的溶解
微生物 对 重金 属 的溶解主要是通 过 各 种 代 谢 活 动 直接或间 接地 进 行的。土壤微生物的代 谢 活 动 能 产 生多 种 低分子量的有机酸，如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等。 真 菌 产生的有机酸大多 为 不 挥发 性酸，如 柠檬 酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和乳酸等。 这 些低分子量有机酸可以溶解重金 属 及含重金 属 的 矿 物，溶解出 来 的重金 属 以金 属
-有机酸 络 合物的形式存在。
土壤中重金 属 的溶解速度和 数 量，受到土壤 类 型、通 气状况 及土壤 湿 度等因素的影 响 。
微生物 对 重金 属 的 氧 化 还 原
土壤中的一些重金 属 元素可以多 种 价 态 存在,它们 呈高价离子化合物存在 时 溶解度 较 小，不易 迁 移，而以低价离子形 态 存在 时 溶解度 较 大，易 迁 移。
微生物能 氧 化土壤中的多 种 金 属 元素，使 这 些重金 属 元素的活性降低。如，某些自 养细 菌如硫 -铁 杆菌 类 能 氧 化 As（ Ⅲ ） Cu（ Ⅰ ）
Mo（ Ⅳ ） Fe（ Ⅱ ）等；假 单 胞杆菌能 氧 化 As（ ） Fe（ Ⅱ ）和 Mn
（ Ⅱ ）等 。
微生物 还 能 还 原土壤中的多 种 重金 属 。如，在有 H2存在 时,解乳酸褐色小球菌能 还 原 As（ Ⅴ ）,Se（ Ⅵ ）,Cu（ Ⅱ ）,Mo（ Ⅵ ）
等； 脱 弧杆菌在 厌氧条 件下可 将 Fe（ Ⅲ ） 还 原 为 Fe（ Ⅱ ）；某些细 菌和 真 菌如大 肠 杆菌和 链孢 霉菌能 将亚硒 酸 还 原 为 元素 硒 ； 青霉菌能 还 原 Cr（ Ⅵ ） 为 Cr（ Ⅲ ）。
硫 还 原 细 菌能引起汞的甲基化作用。在 厌氧条 件下的匙形梭菌和好 气条 件下 荧 光假 单 胞菌、草分枝杆菌、大 肠 杆菌,产 起 肠 杆菌和巨大芽 孢 杆菌都能把 Hg（ Ⅱ ） 转 化成甲基汞。
微生物 对 重金 属 -有机 络 合物的生物降解重金 属 可 与 土壤有机 质 形成 稳 定的 络 合物,对重金 属 在土壤中的化 学 行 为产 生深刻的影 响 。而一些细 菌和 真 菌能 够 降解 这 些 络 合物，使重金 属 以 氢氧 化物或生物吸附的形式沉淀。如,从 英 国 的 麦 塞河和一个污 水 处 理 厂 的 污 泥中分离出能降解 EDTA-重金 属 的
14个 菌株,这 些菌株包括嗜甲基 细 菌（ Methylobacter
ium）、多嗜菌（ Variovorax）,肠 杆菌（ Enterobact
er）、金杆菌（ Aureobacterium）和芽 孢 杆菌（ Bacill
us）,它们 能利用 EDTA作 为 唯一的 碳 源，降解 EDTA
-重金 属络 合物，降解速度依次 为,
EDTA-Fe > EDTA-Cu>EDTA-Co > EDTA-Ni>EDTA-Cd
菌根 真 菌 对 重金 属 的生物有效性的影 响菌根 真 菌 与 植物根系共生可促 进 植物 对养 分的吸收和植物生 长 。菌根 真 菌也能借助有机酸的分泌活化某些重金 属 离子,还 能以其 它 形式如离子交换,分泌有机配体、激素等 间 接作用影 响 植物 对 重金 属 的吸收。
Cu concentrations in shoots (ppm)
22.018.515.913.83
17.316.315.811.41
15.614.513.28.90.2
14.310.811.85.90.05
12.08.98.24.80
389003634NM
Cu concen,i
n solution (p
pm)
Cu concentrations in roots (ppm)
389003634NM
Cu concen,i
n solution
(ppm)
270.
3230.0
302.
2261.13
106.
5108.2
132.
6110.81
37.435.632.726.00.2
24.220.718.515.90.05
19.417.814.513.40
微生物方法降低城市 污 泥的重金 属 含量城市 污 泥中重金 属 的一般化 学 特征
★ 城市 污 泥是由 颗 粒物、生物 团 （ 细 菌碎屑）,胶 体 态 和可溶 态 等组 分 构 成的多相混合物，按其 处 理方式可分 为 生 污 泥,厌氧 消化污 泥、好 氧 消化 污 泥等。
★ 消化 污 泥中重金 属 在各 组 分之 间 的分配 为,85%-95%附着于生物 团 上,5-15%在 矿 物 颗 粒和有机碎屑 颗 粒物上，其余不到 3%
存在于可溶 态 和 胶态 的有机物中。 虽 然 颗 粒物 仅 占 污 泥 总 重量的
2%，但其中的硫化物 颗 粒高度富集重金 属 。
★ 城市 污 泥中重金 属 主要以 氧 化物,氢氧 化物、硅酸 盐 和不可溶 盐等无机沉淀物和有机 络 合物形 态 存在，其次 为 硫化物，以自由离子形 态 存在的比例很少。
★ 但在 厌氧污 泥中，有机 质 和硫化物是重金 属 最重要的 载 体,80%
以上上午 铜,铅,锌,60%以上的 铬,镉 以有机 络 合物和硫化物的形 态 存在。
微生物方法去除 污 泥中重金 属 的原理
使 污 泥中的重金 属 由不可溶的硫化物 状态 向可溶的离子 状态转 化，可以通 过 提高 污 泥的 氧 化 还 原 电 位和降低其酸度的 办 法 来达 到
微生物 对污 泥中重金 属 的溶解，是通 过细 菌 对污 泥中铁 和硫的 氧 化作用，使 污 泥的 氧 化 还 原 电 位（ Eh）升高,pH降低,从 而使重金 属发 生溶解。 将 溶解的重金属 淋 滤 出 来,就可以降低 污 泥中重金 属 的含量 。
MS+O2
氧化亚铁硫杆菌
MSO4
生物浸沥去除污泥中重金属的工艺流程
污泥预酸化至 pH4.0左右；
添加能量物：如 FeSO4·7H2O，元素 S；
回流污泥添加接种物（回流率在 10%-20%V/
V），搅拌在好气条件下培养数天至数周；
污泥压缩脱水；
脱水污泥的石灰中和。滤液中的重金属通过石灰沉淀去除。
Bioleaching of Metals
Sewage Processing
微生物方法去除城市污泥重金属的效果微生物种类 操作方法 基质 金属淋出率 t/d
氧化硫硫杆菌 搅拌循环 Fe · 7H
2
O Cu52,Zn62,Mn78 0,75
氧化亚铁硫杆菌 批式 Fe · 7H
2
O Cu50-60 3- 5
氧化亚铁硫杆菌 搅拌 Fe · 7H
2
O Cu52,Zn62,Mn78 0,75
氧化亚铁硫杆菌 搅拌 Fe · 7H
2
O Cu62,Zn77 3
氧化亚铁硫杆菌 搅拌循环 Fe · 7H
2
O Cu50,Zn64 3
污泥固有微生物 搅拌 单质硫 Cu95,Cd97,Mn98,Ni92 5
污泥固有微生物 批式 无 Cu35,Zn80,Cd25,Pb15 16
氧化亚铁硫杆菌 批式 无 Cu65,Zn90,Cd40,Pb47 12
氧化亚铁硫杆菌 搅拌 Fe · 7H
2
O Cu91,Zn94,Cd67,Mn93 0,75
氧化亚铁硫杆菌 气升式反应器 Fe · 7H
2
O Cu89,Zn91,Cd82,Ni94 0,75
氧化亚铁硫杆菌
+ 氧化硫硫杆菌批式 无 Cu75,Zn97,Cd50,Pb55 12
污泥固有微生物 批式鼓风 单质硫
Cd82,Cr31,Cu75,Zn85,
Mn92,Ni70,Pb27
1,5- 5
氧化亚铁硫杆菌
+ 氧化硫硫杆菌振荡 无 Cu91,Ni74,Cd71
微生物在 农药 降解中的作用
微生物在土壤和水 环 境的 农药 降解中起着重要的作用。 农药 作 为人工合成的生物外源性物 质,通常不易被微生物降解，在自然 环境中半衰期非常 长,被 称为顽 固性化合物（ Recalcitrants）。但是 经过长 期 选择,已 经 有很多微生物可以降解 农药 。
微生物 对农药 的降解作用主要是通 过 一系列水解方式 进 行的。由于大多 数农药带 有 卤 素,氨 基、硝基及其 它 各 种 取代基,这 些取代基的 种类 和 数 量往往 会 影 响农药 的微生物可降解性。
有 许 多 农药 的微生物降解 属 于共代 谢类 型。所 谓 共代 谢 是指有些难 以降解的化合物不能被完全 矿 化利用，降解菌必 须从 其 它 底物获 得大部分 碳 源和能源,这样 的 过 程就叫共代 谢 。如,门 多 萨 假单 胞菌 DR8菌株不能利用 单 甲 脒 作 为 生 长 的唯一 碳 源，但在有葡萄糖存在的情 况 下 则 可以降解 单 甲 脒 。
农药 降解基因大部分都定位在 质 粒上。
常见农药的降解微生物农药 降解军甲胺磷 芽孢杆菌、曲霉、青霉、假单胞菌、瓶形酵母阿特拉津烟曲霉、焦曲霉、葡枝根霉、串珠镰刀霉、粉红色镰刀霉、尖孢镰刀霉、斜卧镰刀霉、
微紫青霉、褶皱青霉、平滑青霉、白腐真菌、菌根真菌、诺卡氏菌、红球菌、假单胞菌幼脲 3 号 真菌敌杀死 产碱杆菌
2,4 - D 无色杆菌、节杆菌、曲霉、棒状杆菌、黄杆菌、诺卡氏菌、假单胞菌
DDT
无色杆菌、气杆菌、芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、埃希氏菌、链孢霉菌、诺卡氏菌、变形杆菌、链球菌丙体六六六 白腐真菌、梭状芽孢杆菌、埃希氏菌对硫磷 大肠杆菌、芽孢杆菌甲拌磷 硫杆菌、假单胞菌敌百虫 曲霉、镰孢霉菌、
敌敌畏 假单胞菌七氯 芽孢杆菌、链镰孢霉菌、小单胞菌、诺卡氏菌、曲霉、根霉、链球菌
2,4,5 -T 无色杆菌、枝动杆菌狄氏剂 芽孢杆菌、假单胞菌艾氏剂 镰孢霉菌、青霉乐果 假单胞菌污 染土壤微生物修 复 技 术
微生物修 复 技 术 就是利用微生物可以 氧化,还 原、分离以及 转 移和 变换 元素周期表中的大部分元素的能力，去除和解毒土壤、底泥沉 积 物和地下水中的 污 染物,从 而使 污 染的土壤部分或完全恢 复到原始 状态 的技 术 。
微生物修 复 技 术 方法目前主要有 3种,原位修 复 技 术,异 位修 复 技 术 和原位 - 异位修 复 技 术 。
原位修 复 技 术原位修 复 技 术 是在不破坏土壤基本 结构 的情 况 下的微生物修 复 技 术,有投菌法、生物培 养 法和生物通 气 法等，主要用于被有机 污 染物 污 染的土壤修 复 。
投菌法是直接向受到 污 染的土壤中接入外源 污 染物降解菌，同 时投加微生物生 长 所需的 营养 物 质,通 过 微生物 对污 染物的降解和代 谢达 到去除 污 染物的目的。
生物培 养 法是定期向土壤中投加 过氧 化 氢 和 营养 物,过氧 化 氢则在代 谢过 程中作 为电 子受体，以 满 足土壤微生物代 谢,将污 染物彻 底 矿 化 为 二 氧 化 碳 和水。
生物通 气 法是一 种 加 压氧 化的生物降解方法,它 是在 污 染的土壤上打上几眼深井，安装鼓 风 机和抽 真 空机,将 空 气 强行排入土壤中，然后抽出，土壤中的 挥发 性有机物也 随 之去除。在通入空 气时,加入一定量的 氨气,可 为 土壤中的降解菌提供所需要的 氮 源，
提高微生物的活性，增加去除率。
异 位修 复 技 术异 位修 复污 染土壤 时,要 对污 染的土壤 进 行大范 围扰动,
主要技 术 包括 预 制床技 术,生物反 应 器技 术,厌氧处 理和堆肥法等。
预 制床技 术 是在平台上 铺 上砂子和石子,将污 染的土壤以 15-30
厘米的厚度平 铺 其上,并 加入 营养 液和水，必要 时 加入表面活性剂,定期翻 动 充 氧,以 满 足土壤微生物 对氧 的需求,处 理 过 程中流出的渗 滤 液，即 时 回灌于土 层 上，以 彻 底 清 除 污 染物。
生物反 应 器技 术 是把 污 染的土壤移到生物反 应 器，加水混合成泥浆,调节 适宜的 pH值,同 时 加入一定量的 营养 物 质 和表面活性剂,底部鼓入空 气 充 氧,满 足微生物所需 氧气 的同 时,使微生物与污 染物充分接 触,加速 污 染物的降解，降解完成后,过滤脱 水。
堆肥法是堆肥和生物治理技 术 的 结 合，向土壤中 掺 入枯枝落叶或粪 肥，加石灰 调节 pH值,人工充 氧,依靠其自然存在的微生物使有机物向 稳 定的腐殖 质转 化，是一 种 有机物高 温 降解的固相 过程。
厌氧处 理是 将污 染土壤置于 厌氧条 件下，依靠土壤中的 厌氧 微生物降解,转 化 污 染物。 厌氧处 理技 术 适于高 浓 度的有机 污 染物的微生物 资 源的 开发与 持 续 利用微生物肥料的 开发 利用
微生物肥料是 将 某些有益微生物 经 人工大量培 养 所制成的生物肥料，又 称 菌肥。其原理是利用微生物的生命活 动来 增加土壤中 氮 素或有效磷,钾 的含量，
或 将 土壤中一些作物不能直接利用的物 质转换 成可被吸收利用的 营养 物 质,或提供作物的生 长 刺激物质,或抑制植物病原菌的活 动,从 而提高土壤肥力，
改善作物的 营养条 件，提高作物 产 量。
微生物肥料的 开发 利用菌肥根据其功用大致可分 为 以下几 类,
增加土壤 氮 素和作物 氮 素 营养 的菌肥，如，根瘤菌肥、固 氮 菌肥、固 氮蓝 藻等。
分解土壤有机 质 的菌肥，如，有机磷 细 菌肥料、
综 合性菌肥,EM、酵素等。
分解土壤 难 溶性 矿 物 质 的菌肥，如,钾细 菌肥料、无机磷 细 菌肥料。
刺激植物生 长 的菌肥，如，抗生菌肥料
增加作物根吸收 营养 能力的菌肥，如，菌根菌肥料微生物 农药 的 开发 利用
微生物 农药 是利用微生物本身或其代 谢产 物作 为 防治植物病虫害的制 剂 。
与 化 学农药 相比，微生物 农药 有以下特点：
微生物 农药 不 污 染 环 境，具有 较 强的 选择 性，只 对 植物病虫害有作用，而 对 人畜无害。
某些微生物 农药 （如 农 用抗菌素）有 内 吸作用，能在植物体内传导,因而不受雨水冲刷，具有很好的治 疗 病害的效果。
微生物 杀 虫 剂 不易使昆虫 产 生抗 药 性，而且有些微生物 还 能在自然 条 件下 进 行繁殖，成 为 控制害虫 发 生的生物因素，具有 长 期 预 防效果。
培植微生物 农药,原料 来 源广,许 多 农 副 产 品，甚至工 业废水都可作 为 生 产 原料，制造 简 便，容易推广，是迅速 发 展 农药 生 产 的一 个 有效途 径 。
微生物 农药 的 开发 利用微生物 农药 主要包括微生物 杀 虫 剂,农 用抗生素和微生物除莠 剂 三大 类 。
⊙ 微生物 杀 虫 剂 均 为 有害昆虫的致病微生物，通 过 人工生 产和施用 这 些微生物 农药,使害虫感染疾病而死亡，以 达 到消 灭 害虫的目的。微生物 杀 虫 剂 主要包括 细 菌制 剂 （如 苏云金杆菌,青 虫菌等）、放 线 菌制 剂,真 菌制 剂 （如白僵菌）、霉菌制 剂 和病毒制 剂 等。
⊙ 农 用抗生素主要是 应 用微生物的代 谢产 物，即提取其中抗生素 来 防治 农 作物病害，如,链 霉素、土霉素、灰 黄 霉素、
放 线酮,灭 瘟素等，
⊙ 微生物除莠 剂 的原理和微生物 杀 虫 剂 一 样,是利用 杂 草的病原菌接 种 在 杂 草上，使其感病死亡，以 达 到消 灭杂 草的目的。
微生物 饲 料的 开发 利用微生物 饲 料包括微生物 发 酵 饲 料、微生物活菌制 剂 和 饲 用酶制 剂 等几 类 。
发 酵 饲 料是利用人工接 种 微生物或 饲 料本身存在的微生物,将青饲 料、粗 饲 料以及少量的精 饲 料或其 它废 弃物 质,在一定 温 度、
湿 度和通 气条 件下，通 过 微生物的作用，使 饲 料中不易消化吸收的成分 转 化 为 容易消化,并 适合家畜口味的 营养 料。如利用植物秸秆,壳类,木屑、糠渣、畜禽 粪 便等 发 酵成 饲 料。
微生物活菌制 剂 是一 种 通 过 直接 饲喂来 改善畜禽 肠 道微生物菌群平衡，而 对动 物 肠 道施加有利影 响 的活微生物 饲 料添加 剂,它 具有促生 长,除疾病、除臭 气 等功效。
饲 用酶制 剂饲 料是通 过 微生物活 细 胞所分泌的具有特殊能力的生物催化 剂,将 植物 细 胞壁破坏，增强 动 物 对 植物 细 胞 内营养 物 质的吸收；消除 饲 料中抗 营养 因子； 并补 充 内 源酶的不足、促 进内源酶的分泌；促使生物化 学 反 应,使 饲 料中 难 以消化吸收的大分子 营养 物 质 分解 为 小分子，易于吸收,从 而提高 饲 料的利用效率。
微生物激素的 开发 利用许 多微生物能分泌激素物 质 （也 称环 境激素），有些激素物 质对动 植物具有刺激生 长 作用，如，赤霉素、硫磺 胺,
维 生素 B12,组氨 酸,脲嘧啶 等,它 能 调节 有机 质 的 矿 化和 营养 物 质 的 转 化 过 程，
改 变 生物体 内,外 环 境，促 进 或加速 动植物的新 陈 代 谢 作用，促 进 酶活性的提高和核算、蛋白 质 的合成,对 促 进 和 调节动 植物 组织 和器官的生 长发 育具有重要影 响 。
复习 思考 题
1,谈谈 微生物在 氮 素循 环 中的作用。
2,试 述目前有 关 有机 污 染物 污 染土壤的微生物修 复 技 术 。
3,试 述磷脂脂肪酸（ phospholipid fatty aci
ds,PLFA）分析技 术测 定土壤微生物群落 结构 多 样 性的原理和方法。
生物吸附和富集作用
溶解和沉淀作用
氧 化 还 原作用
菌根 真 菌 与 土壤重金 属 的生物有效性的 关 系微生物 对 重金 属 离子的生物吸附和富集
微生物可通 过带电 荷的 细 胞表面吸附重金 属 离子，或通 过摄 取必要的 营养 元素主 动 吸收重金 属 离子,将 重金 属 离子富集在 细 胞表面或 内 部。
微生物 对 重金 属 的吸附能力 与 微生物和重金 属 离子的 种类 有 关如：根霉 对 几 种 重金 属 离子的最大吸附量 顺 序 为,
UO2+ >Pb2+ >Zn2+ >Cd2+ >Cu2+
而 P,Oligistatum的吸附 顺 序 为,
Zn2+ >Cu2+>Cd2+>Pb2+> UO2+
pH影 响 微生物 对 重金 属 的吸附，但不同的微生物，其 对 重金 属 的吸附受 pH的影 响 不同
微生物能 与 土壤中的其 它组 分 竞争 吸附重金 属 离子如：在含有 5mmolL-1 Cu2+,Hg2+,Ni2+,Pb2+,Zn2+,Cr2+的硝酸 盐 溶液中，各 种 黏土 矿 物和 细 菌 细 胞 组 成吸附上述重金 属 离子的能力依次 为,细 胞壁 >细 胞外膜 >蒙 脱 石 >高岭土
革 兰 氏 阳 性 细 菌 >革 兰 氏 阴 性 细 菌 >黏土 矿 物
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微生物对重金属的吸附和富集重金属 微生物 最大吸附量 文献赫氏埃希氏菌
（ E s c he ri c h i a he r m a nni i ）
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阴沟肠杆菌
（ E nt e roba c t e r c l oa c a e ）
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（ P e ni c i l l i um s p i nul os um ）
深黄被包霉
（ M or t i e re l l i s a be l l i n a ）
K ra nt z -Rul c ke r
（ 1996 ）
微生物吸附富集重金 属 离子的机制
细 菌 细 胞吸附重金 属 离子的 组 分主要是 细 胞壁上的 肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖革 兰 氏 阴 性 细 菌富集重金 属 离子的位点主要是脂多糖分子中的核心低聚糖和 氮 乙 酰 葡萄糖 残 基上的磷酸基及 2-酮 -3-脱氧 辛酸 残 基上的 羧 基。
革 兰 氏 阳 性 细 菌的吸附位点是 细 胞壁 肽 聚糖、
磷壁酸上的 羧 基和糖 醛 酸上的磷酸基
一般 来说,重金 属 在革 兰 氏 阴 性 细 菌表面易于形成沉淀，而在革 兰 氏 阳 性 细 菌表面 较难 形成沉淀
真 菌 对 重金 属 的吸附机制 随 重金 属 的 种类 不同而有所不同。如,钍 （ Th）直接 连 在几丁 质 的 N-乙 酰 葡萄糖胺 上，而 铀 （ U）却沉淀于几丁 质 的微型晶格 结构 中。
真 菌 细 胞壁各 组 分 对 重金 属 的吸附能力 顺 序 为 ；
几丁 质 >磷酸 纤维 素 >羟 基 纤维 素 >纤维 素微生物 对 重金 属 的溶解
微生物 对 重金 属 的溶解主要是通 过 各 种 代 谢 活 动 直接或间 接地 进 行的。土壤微生物的代 谢 活 动 能 产 生多 种 低分子量的有机酸，如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等。 真 菌 产生的有机酸大多 为 不 挥发 性酸，如 柠檬 酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和乳酸等。 这 些低分子量有机酸可以溶解重金 属 及含重金 属 的 矿 物，溶解出 来 的重金 属 以金 属
-有机酸 络 合物的形式存在。
土壤中重金 属 的溶解速度和 数 量，受到土壤 类 型、通 气状况 及土壤 湿 度等因素的影 响 。
微生物 对 重金 属 的 氧 化 还 原
土壤中的一些重金 属 元素可以多 种 价 态 存在,它们 呈高价离子化合物存在 时 溶解度 较 小，不易 迁 移，而以低价离子形 态 存在 时 溶解度 较 大，易 迁 移。
微生物能 氧 化土壤中的多 种 金 属 元素，使 这 些重金 属 元素的活性降低。如，某些自 养细 菌如硫 -铁 杆菌 类 能 氧 化 As（ Ⅲ ） Cu（ Ⅰ ）
Mo（ Ⅳ ） Fe（ Ⅱ ）等；假 单 胞杆菌能 氧 化 As（ ） Fe（ Ⅱ ）和 Mn
（ Ⅱ ）等 。
微生物 还 能 还 原土壤中的多 种 重金 属 。如，在有 H2存在 时,解乳酸褐色小球菌能 还 原 As（ Ⅴ ）,Se（ Ⅵ ）,Cu（ Ⅱ ）,Mo（ Ⅵ ）
等； 脱 弧杆菌在 厌氧条 件下可 将 Fe（ Ⅲ ） 还 原 为 Fe（ Ⅱ ）；某些细 菌和 真 菌如大 肠 杆菌和 链孢 霉菌能 将亚硒 酸 还 原 为 元素 硒 ； 青霉菌能 还 原 Cr（ Ⅵ ） 为 Cr（ Ⅲ ）。
硫 还 原 细 菌能引起汞的甲基化作用。在 厌氧条 件下的匙形梭菌和好 气条 件下 荧 光假 单 胞菌、草分枝杆菌、大 肠 杆菌,产 起 肠 杆菌和巨大芽 孢 杆菌都能把 Hg（ Ⅱ ） 转 化成甲基汞。
微生物 对 重金 属 -有机 络 合物的生物降解重金 属 可 与 土壤有机 质 形成 稳 定的 络 合物,对重金 属 在土壤中的化 学 行 为产 生深刻的影 响 。而一些细 菌和 真 菌能 够 降解 这 些 络 合物，使重金 属 以 氢氧 化物或生物吸附的形式沉淀。如,从 英 国 的 麦 塞河和一个污 水 处 理 厂 的 污 泥中分离出能降解 EDTA-重金 属 的
14个 菌株,这 些菌株包括嗜甲基 细 菌（ Methylobacter
ium）、多嗜菌（ Variovorax）,肠 杆菌（ Enterobact
er）、金杆菌（ Aureobacterium）和芽 孢 杆菌（ Bacill
us）,它们 能利用 EDTA作 为 唯一的 碳 源，降解 EDTA
-重金 属络 合物，降解速度依次 为,
EDTA-Fe > EDTA-Cu>EDTA-Co > EDTA-Ni>EDTA-Cd
菌根 真 菌 对 重金 属 的生物有效性的影 响菌根 真 菌 与 植物根系共生可促 进 植物 对养 分的吸收和植物生 长 。菌根 真 菌也能借助有机酸的分泌活化某些重金 属 离子,还 能以其 它 形式如离子交换,分泌有机配体、激素等 间 接作用影 响 植物 对 重金 属 的吸收。
Cu concentrations in shoots (ppm)
22.018.515.913.83
17.316.315.811.41
15.614.513.28.90.2
14.310.811.85.90.05
12.08.98.24.80
389003634NM
Cu concen,i
n solution (p
pm)
Cu concentrations in roots (ppm)
389003634NM
Cu concen,i
n solution
(ppm)
270.
3230.0
302.
2261.13
106.
5108.2
132.
6110.81
37.435.632.726.00.2
24.220.718.515.90.05
19.417.814.513.40
微生物方法降低城市 污 泥的重金 属 含量城市 污 泥中重金 属 的一般化 学 特征
★ 城市 污 泥是由 颗 粒物、生物 团 （ 细 菌碎屑）,胶 体 态 和可溶 态 等组 分 构 成的多相混合物，按其 处 理方式可分 为 生 污 泥,厌氧 消化污 泥、好 氧 消化 污 泥等。
★ 消化 污 泥中重金 属 在各 组 分之 间 的分配 为,85%-95%附着于生物 团 上,5-15%在 矿 物 颗 粒和有机碎屑 颗 粒物上，其余不到 3%
存在于可溶 态 和 胶态 的有机物中。 虽 然 颗 粒物 仅 占 污 泥 总 重量的
2%，但其中的硫化物 颗 粒高度富集重金 属 。
★ 城市 污 泥中重金 属 主要以 氧 化物,氢氧 化物、硅酸 盐 和不可溶 盐等无机沉淀物和有机 络 合物形 态 存在，其次 为 硫化物，以自由离子形 态 存在的比例很少。
★ 但在 厌氧污 泥中，有机 质 和硫化物是重金 属 最重要的 载 体,80%
以上上午 铜,铅,锌,60%以上的 铬,镉 以有机 络 合物和硫化物的形 态 存在。
微生物方法去除 污 泥中重金 属 的原理
使 污 泥中的重金 属 由不可溶的硫化物 状态 向可溶的离子 状态转 化，可以通 过 提高 污 泥的 氧 化 还 原 电 位和降低其酸度的 办 法 来达 到
微生物 对污 泥中重金 属 的溶解，是通 过细 菌 对污 泥中铁 和硫的 氧 化作用，使 污 泥的 氧 化 还 原 电 位（ Eh）升高,pH降低,从 而使重金 属发 生溶解。 将 溶解的重金属 淋 滤 出 来,就可以降低 污 泥中重金 属 的含量 。
MS+O2
氧化亚铁硫杆菌
MSO4
生物浸沥去除污泥中重金属的工艺流程
污泥预酸化至 pH4.0左右；
添加能量物：如 FeSO4·7H2O，元素 S；
回流污泥添加接种物（回流率在 10%-20%V/
V），搅拌在好气条件下培养数天至数周；
污泥压缩脱水；
脱水污泥的石灰中和。滤液中的重金属通过石灰沉淀去除。
Bioleaching of Metals
Sewage Processing
微生物方法去除城市污泥重金属的效果微生物种类 操作方法 基质 金属淋出率 t/d
氧化硫硫杆菌 搅拌循环 Fe · 7H
2
O Cu52,Zn62,Mn78 0,75
氧化亚铁硫杆菌 批式 Fe · 7H
2
O Cu50-60 3- 5
氧化亚铁硫杆菌 搅拌 Fe · 7H
2
O Cu52,Zn62,Mn78 0,75
氧化亚铁硫杆菌 搅拌 Fe · 7H
2
O Cu62,Zn77 3
氧化亚铁硫杆菌 搅拌循环 Fe · 7H
2
O Cu50,Zn64 3
污泥固有微生物 搅拌 单质硫 Cu95,Cd97,Mn98,Ni92 5
污泥固有微生物 批式 无 Cu35,Zn80,Cd25,Pb15 16
氧化亚铁硫杆菌 批式 无 Cu65,Zn90,Cd40,Pb47 12
氧化亚铁硫杆菌 搅拌 Fe · 7H
2
O Cu91,Zn94,Cd67,Mn93 0,75
氧化亚铁硫杆菌 气升式反应器 Fe · 7H
2
O Cu89,Zn91,Cd82,Ni94 0,75
氧化亚铁硫杆菌
+ 氧化硫硫杆菌批式 无 Cu75,Zn97,Cd50,Pb55 12
污泥固有微生物 批式鼓风 单质硫
Cd82,Cr31,Cu75,Zn85,
Mn92,Ni70,Pb27
1,5- 5
氧化亚铁硫杆菌
+ 氧化硫硫杆菌振荡 无 Cu91,Ni74,Cd71
微生物在 农药 降解中的作用
微生物在土壤和水 环 境的 农药 降解中起着重要的作用。 农药 作 为人工合成的生物外源性物 质,通常不易被微生物降解，在自然 环境中半衰期非常 长,被 称为顽 固性化合物（ Recalcitrants）。但是 经过长 期 选择,已 经 有很多微生物可以降解 农药 。
微生物 对农药 的降解作用主要是通 过 一系列水解方式 进 行的。由于大多 数农药带 有 卤 素,氨 基、硝基及其 它 各 种 取代基,这 些取代基的 种类 和 数 量往往 会 影 响农药 的微生物可降解性。
有 许 多 农药 的微生物降解 属 于共代 谢类 型。所 谓 共代 谢 是指有些难 以降解的化合物不能被完全 矿 化利用，降解菌必 须从 其 它 底物获 得大部分 碳 源和能源,这样 的 过 程就叫共代 谢 。如,门 多 萨 假单 胞菌 DR8菌株不能利用 单 甲 脒 作 为 生 长 的唯一 碳 源，但在有葡萄糖存在的情 况 下 则 可以降解 单 甲 脒 。
农药 降解基因大部分都定位在 质 粒上。
常见农药的降解微生物农药 降解军甲胺磷 芽孢杆菌、曲霉、青霉、假单胞菌、瓶形酵母阿特拉津烟曲霉、焦曲霉、葡枝根霉、串珠镰刀霉、粉红色镰刀霉、尖孢镰刀霉、斜卧镰刀霉、
微紫青霉、褶皱青霉、平滑青霉、白腐真菌、菌根真菌、诺卡氏菌、红球菌、假单胞菌幼脲 3 号 真菌敌杀死 产碱杆菌
2,4 - D 无色杆菌、节杆菌、曲霉、棒状杆菌、黄杆菌、诺卡氏菌、假单胞菌
DDT
无色杆菌、气杆菌、芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、埃希氏菌、链孢霉菌、诺卡氏菌、变形杆菌、链球菌丙体六六六 白腐真菌、梭状芽孢杆菌、埃希氏菌对硫磷 大肠杆菌、芽孢杆菌甲拌磷 硫杆菌、假单胞菌敌百虫 曲霉、镰孢霉菌、
敌敌畏 假单胞菌七氯 芽孢杆菌、链镰孢霉菌、小单胞菌、诺卡氏菌、曲霉、根霉、链球菌
2,4,5 -T 无色杆菌、枝动杆菌狄氏剂 芽孢杆菌、假单胞菌艾氏剂 镰孢霉菌、青霉乐果 假单胞菌污 染土壤微生物修 复 技 术
微生物修 复 技 术 就是利用微生物可以 氧化,还 原、分离以及 转 移和 变换 元素周期表中的大部分元素的能力，去除和解毒土壤、底泥沉 积 物和地下水中的 污 染物,从 而使 污 染的土壤部分或完全恢 复到原始 状态 的技 术 。
微生物修 复 技 术 方法目前主要有 3种,原位修 复 技 术,异 位修 复 技 术 和原位 - 异位修 复 技 术 。
原位修 复 技 术原位修 复 技 术 是在不破坏土壤基本 结构 的情 况 下的微生物修 复 技 术,有投菌法、生物培 养 法和生物通 气 法等，主要用于被有机 污 染物 污 染的土壤修 复 。
投菌法是直接向受到 污 染的土壤中接入外源 污 染物降解菌，同 时投加微生物生 长 所需的 营养 物 质,通 过 微生物 对污 染物的降解和代 谢达 到去除 污 染物的目的。
生物培 养 法是定期向土壤中投加 过氧 化 氢 和 营养 物,过氧 化 氢则在代 谢过 程中作 为电 子受体，以 满 足土壤微生物代 谢,将污 染物彻 底 矿 化 为 二 氧 化 碳 和水。
生物通 气 法是一 种 加 压氧 化的生物降解方法,它 是在 污 染的土壤上打上几眼深井，安装鼓 风 机和抽 真 空机,将 空 气 强行排入土壤中，然后抽出，土壤中的 挥发 性有机物也 随 之去除。在通入空 气时,加入一定量的 氨气,可 为 土壤中的降解菌提供所需要的 氮 源，
提高微生物的活性，增加去除率。
异 位修 复 技 术异 位修 复污 染土壤 时,要 对污 染的土壤 进 行大范 围扰动,
主要技 术 包括 预 制床技 术,生物反 应 器技 术,厌氧处 理和堆肥法等。
预 制床技 术 是在平台上 铺 上砂子和石子,将污 染的土壤以 15-30
厘米的厚度平 铺 其上,并 加入 营养 液和水，必要 时 加入表面活性剂,定期翻 动 充 氧,以 满 足土壤微生物 对氧 的需求,处 理 过 程中流出的渗 滤 液，即 时 回灌于土 层 上，以 彻 底 清 除 污 染物。
生物反 应 器技 术 是把 污 染的土壤移到生物反 应 器，加水混合成泥浆,调节 适宜的 pH值,同 时 加入一定量的 营养 物 质 和表面活性剂,底部鼓入空 气 充 氧,满 足微生物所需 氧气 的同 时,使微生物与污 染物充分接 触,加速 污 染物的降解，降解完成后,过滤脱 水。
堆肥法是堆肥和生物治理技 术 的 结 合，向土壤中 掺 入枯枝落叶或粪 肥，加石灰 调节 pH值,人工充 氧,依靠其自然存在的微生物使有机物向 稳 定的腐殖 质转 化，是一 种 有机物高 温 降解的固相 过程。
厌氧处 理是 将污 染土壤置于 厌氧条 件下，依靠土壤中的 厌氧 微生物降解,转 化 污 染物。 厌氧处 理技 术 适于高 浓 度的有机 污 染物的微生物 资 源的 开发与 持 续 利用微生物肥料的 开发 利用
微生物肥料是 将 某些有益微生物 经 人工大量培 养 所制成的生物肥料，又 称 菌肥。其原理是利用微生物的生命活 动来 增加土壤中 氮 素或有效磷,钾 的含量，
或 将 土壤中一些作物不能直接利用的物 质转换 成可被吸收利用的 营养 物 质,或提供作物的生 长 刺激物质,或抑制植物病原菌的活 动,从 而提高土壤肥力，
改善作物的 营养条 件，提高作物 产 量。
微生物肥料的 开发 利用菌肥根据其功用大致可分 为 以下几 类,
增加土壤 氮 素和作物 氮 素 营养 的菌肥，如，根瘤菌肥、固 氮 菌肥、固 氮蓝 藻等。
分解土壤有机 质 的菌肥，如，有机磷 细 菌肥料、
综 合性菌肥,EM、酵素等。
分解土壤 难 溶性 矿 物 质 的菌肥，如,钾细 菌肥料、无机磷 细 菌肥料。
刺激植物生 长 的菌肥，如，抗生菌肥料
增加作物根吸收 营养 能力的菌肥，如，菌根菌肥料微生物 农药 的 开发 利用
微生物 农药 是利用微生物本身或其代 谢产 物作 为 防治植物病虫害的制 剂 。
与 化 学农药 相比，微生物 农药 有以下特点：
微生物 农药 不 污 染 环 境，具有 较 强的 选择 性，只 对 植物病虫害有作用，而 对 人畜无害。
某些微生物 农药 （如 农 用抗菌素）有 内 吸作用，能在植物体内传导,因而不受雨水冲刷，具有很好的治 疗 病害的效果。
微生物 杀 虫 剂 不易使昆虫 产 生抗 药 性，而且有些微生物 还 能在自然 条 件下 进 行繁殖，成 为 控制害虫 发 生的生物因素，具有 长 期 预 防效果。
培植微生物 农药,原料 来 源广,许 多 农 副 产 品，甚至工 业废水都可作 为 生 产 原料，制造 简 便，容易推广，是迅速 发 展 农药 生 产 的一 个 有效途 径 。
微生物 农药 的 开发 利用微生物 农药 主要包括微生物 杀 虫 剂,农 用抗生素和微生物除莠 剂 三大 类 。
⊙ 微生物 杀 虫 剂 均 为 有害昆虫的致病微生物，通 过 人工生 产和施用 这 些微生物 农药,使害虫感染疾病而死亡，以 达 到消 灭 害虫的目的。微生物 杀 虫 剂 主要包括 细 菌制 剂 （如 苏云金杆菌,青 虫菌等）、放 线 菌制 剂,真 菌制 剂 （如白僵菌）、霉菌制 剂 和病毒制 剂 等。
⊙ 农 用抗生素主要是 应 用微生物的代 谢产 物，即提取其中抗生素 来 防治 农 作物病害，如,链 霉素、土霉素、灰 黄 霉素、
放 线酮,灭 瘟素等，
⊙ 微生物除莠 剂 的原理和微生物 杀 虫 剂 一 样,是利用 杂 草的病原菌接 种 在 杂 草上，使其感病死亡，以 达 到消 灭杂 草的目的。
微生物 饲 料的 开发 利用微生物 饲 料包括微生物 发 酵 饲 料、微生物活菌制 剂 和 饲 用酶制 剂 等几 类 。
发 酵 饲 料是利用人工接 种 微生物或 饲 料本身存在的微生物,将青饲 料、粗 饲 料以及少量的精 饲 料或其 它废 弃物 质,在一定 温 度、
湿 度和通 气条 件下，通 过 微生物的作用，使 饲 料中不易消化吸收的成分 转 化 为 容易消化,并 适合家畜口味的 营养 料。如利用植物秸秆,壳类,木屑、糠渣、畜禽 粪 便等 发 酵成 饲 料。
微生物活菌制 剂 是一 种 通 过 直接 饲喂来 改善畜禽 肠 道微生物菌群平衡，而 对动 物 肠 道施加有利影 响 的活微生物 饲 料添加 剂,它 具有促生 长,除疾病、除臭 气 等功效。
饲 用酶制 剂饲 料是通 过 微生物活 细 胞所分泌的具有特殊能力的生物催化 剂,将 植物 细 胞壁破坏，增强 动 物 对 植物 细 胞 内营养 物 质的吸收；消除 饲 料中抗 营养 因子； 并补 充 内 源酶的不足、促 进内源酶的分泌；促使生物化 学 反 应,使 饲 料中 难 以消化吸收的大分子 营养 物 质 分解 为 小分子，易于吸收,从 而提高 饲 料的利用效率。
微生物激素的 开发 利用许 多微生物能分泌激素物 质 （也 称环 境激素），有些激素物 质对动 植物具有刺激生 长 作用，如，赤霉素、硫磺 胺,
维 生素 B12,组氨 酸,脲嘧啶 等,它 能 调节 有机 质 的 矿 化和 营养 物 质 的 转 化 过 程，
改 变 生物体 内,外 环 境，促 进 或加速 动植物的新 陈 代 谢 作用，促 进 酶活性的提高和核算、蛋白 质 的合成,对 促 进 和 调节动 植物 组织 和器官的生 长发 育具有重要影 响 。
复习 思考 题
1,谈谈 微生物在 氮 素循 环 中的作用。
2,试 述目前有 关 有机 污 染物 污 染土壤的微生物修 复 技 术 。
3,试 述磷脂脂肪酸（ phospholipid fatty aci
ds,PLFA）分析技 术测 定土壤微生物群落 结构 多 样 性的原理和方法。
