• 《食品安全導刊》刊號:CN11-5478/R 國際:ISSN1674-0270

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    酵母菌在土壤污染中的生物修復作用

    2015-01-14 14:51:29 來源: 中國科學報

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      近年來,隨著我國經濟的不斷發展,環境污染問題日益嚴重,其中,土壤污染尤為突出。污染源主要來自工業泄漏、農業使用以及生活垃圾等,涉及農藥、除草劑、多環芳烴以及重金屬等各種有毒物質。

      針對土壤污染問題,傳統的物理、化學消除方法已經很難有所作為。首先,我國幅員遼闊,受污染土壤面巨大;其次,土壤多為多重交叉污染,采用一種物理化學方法很難徹底消除多種有毒物質,且極易造成二次污染。

      研究表明,利用酵母菌技術修復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,且操作方法相對成熟,使之具有修復多重污染土壤的巨大潛力?,F就酵母菌技術消除污染土壤中的農藥、除草劑、多環芳烴以及重金屬等研究進展進行簡要概述。

      修復農藥污染土壤

      造成土壤污染的農藥主要有有機氯農藥和有機磷農藥兩大類。

      有機氯農藥主要包括六六六(HCH)、二二三(DDT)、氯丹以及七氯等,是20世紀大規模使用過的高殘毒農藥,其毒性大,難降解,代謝周期長。如HCH在土壤中被分解95%所需最長時間約20年,DDT的化學性質同樣比較穩定,雖然已被禁止使用近30年,環境中仍有大量殘留。有機氯農藥具有一定的揮發性和強脂溶性,能通過食物鏈在生物體中富集,對生態系統和人類健康造成危害。

      酵母菌降解在消除有機氯農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株細菌,其對HCH總量的降解率分別為59.6%、56.9%和56%,對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株寡養單胞菌屬D1,其對DDT降解10d的降解率為69%。

      有機磷農藥是當今農藥中的主要類別,對土壤呼吸等生態系統造成重大影響。有機磷農藥主要包括甲胺磷、樂果、毒死蜱以及敵敵畏等,商品已達150多種。關于酵母菌降解有機磷農藥的國內外研究和報道較多,目前已經分離出多種降解菌株,純化了多種降解酶,克隆并表達了眾多降解酶基因。

      修復除草劑污染土壤

      我國是農業大國,除草劑在我國得到廣泛應用,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使用最多的3種除草劑。除草劑的使用對防治草害、降低勞動力強度以及農業增產增收起著積極的作用,但同時也污染了農業生態環境,對后茬作物表現出傷害。

      酵母菌降解是消除除草劑污染的重要途徑,其主要反應有脫鹵、脫烷基、水解、氧化、環羥基化與裂解、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,然后進一步代謝為磷酸、甘氨酸和二氧化碳等。農業專家從土壤中篩選到6株草甘膦降解菌,包括2株細菌、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,6d對草甘膦的降解率分別為85%和91%。

      對黑土環境中乙草胺的微生物降解特征進行研究,表明酵母菌活性是影響乙草胺降解的主要因素,且細菌比真菌具有更強的降解能力;真菌對乙草胺有更強的耐受能力,施用乙草胺后的整個培養過程中,土壤真菌標識物磷脂脂肪酸數量始終低于對照,表明乙草胺對真菌的抑制可能是長期而不可逆的。另外,乙草胺等除草劑對根瘤菌、從枝菌根真菌等土壤酵母菌產生較大影響,可能抑制菌根與根瘤的形成。

      丁草胺是一種內吸傳導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態,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丁草胺的降解具有顯著的促進作用。

      修復重金屬污染土壤

      隨著重金屬在冶煉、化工、造紙以及電子等產業的廣泛應用,大量的重金屬物質進入環境,例如鉛、鉻、汞、鎘等。這些離子進入人體血液循環系統后可長期存在于體內,使機體的某些代謝途徑受阻,對機體造成嚴重的傷害。研究表明,酵母菌可以改變重金屬在土壤中的環境化學行為,達到生物修復的目的,其原理主要包括生物吸附和生物轉化。

      細胞表面載有負電荷,且存在氨基、羧基、羥基、醛基、硫酸根等多種官能團,可通過靜電吸附和絡合作用固定重金屬離子。當環境中銅、鎘濃度較低(5mg/L)時,酵母菌修復性能良好,去除率可達25%~60%;而當銅、鎘濃度較高時,修復性能下降,且環境pH值對不同微生物的生物吸附作用產生一定影響。通過研究青霉菌對土壤可溶性鉛的富集效果,結果表明,土壤鉛離子濃度隨青霉菌培養時間的延長而降低。

      酵母菌對重金屬的生物轉化作用主要包括氧化與還原,甲基化與去甲基化,溶解作用以及有機絡合配位降解轉化重金屬等。汞的生物轉化具有代表意義,如無機汞的甲基化,汞離子還原成氧化汞,甲基汞和其他有機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物,使銅離子還原形成銅。另外,研究發現酵母菌能夠把鉻從高毒的六價還原成低毒的三價。

      重金屬抗性基因是酵母菌在自然條件或人工誘導下產生的抗重金屬毒性的遺傳因子。金屬硫蛋白、操縱子、金屬運輸酶和透性酶等,通過利用這些物質與重金屬結合、形成失活晶體或促進重金屬排出體外等機制對重金屬進行解毒。有科學家發現巨大芽孢桿菌MDS07對重金屬鉻、鋅、鎳等具有較高抗性。研究發現,該菌株含有鉻抗性基因chrB、鋅抗性基因czcD和鎳抗性基因nccA。

      關于酵母菌修復污染土壤的研究報道較多,但真正用于實踐的并不多見。且酵母菌與土壤的相互作用仍有一些基礎問題需要解決,包括進一步篩選和馴化酵母修復菌株,構建菌種庫;加強酵母菌代謝途徑研究,控制其轉化途徑;開展酵母降解酶研究,促進酶的工業化生產及應用;強化降解基因的結構與功能研究,重組構建功能優化的基因工程菌株;優化組合修復技術,如動物酵母菌、植物酵母菌、物化方法酵母菌等組合修復等。這些都是值得在未來繼續關注和研究的領域。

      (作者單位:安徽志陽新型農業技術專業合作社)

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