土壤微生物的应用
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 溶容解和沉淀作用 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++ >Cu2t 而P.0 digitatum的吸附顺序为 Zn2+ >Cu2+>Cd2+>Pb2+> UO 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p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5 mmolL- 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迒重金属离 子的能力依次为:细胞壁>细胞外膜>蒙脱石>高峪土 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 赫氏埃希氏菌 Escherich ia hermannii) Rafael 阴沟肠杆菌 (1998) Enterobacter cloacae) 根霉 820mmolk g Tob (Rhizopus 210mmolk (1984) 无根根霉 3000 mmolkg' Tsezos& volesky (Rhiopus arrhizus 木霉 Cd (Trichoderma harz ranum 小刺青霉 Krantz-Rulcker Penicil lium spinulosum) (1996) 深黄被包霉 ( Mortierell isabellina)
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 （Escherichia hermannii） V 阴沟肠杆菌 （Enterobacter cloacae） Fafael （1998） U O2 + 820mmolkg-1 Cu2 + 根霉 （Rhizopus） 210mmolkg-1 Tobin （1984） Cu2 + 无根根霉 （Rhiopus arrhizus） 3000 mmolkg-1 Tsezos&Volesky (1987) Z n C d Hg 木霉 （Trichoderma harzianum） 小刺青霉 （Penicillium spinulosum） 深黄被包霉 （Mortierell isabellina） Krantz-Rulcker （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氦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 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()直接连在几丁质的N-乙酰葡萄糖 胺上,而铀(∪)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、涌气一 状况及士壤湿度等因素的影响
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 土中的一些重金属元素可以多种价态存在们呈高价离子化 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。 微生物能氧化士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-铁杆菌类能氧仳As(I)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(V) 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(VD)为Cr ■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 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) 嗜菌( Variovorax)、肠杆菌( Enterobact er)、金杆菌( Aureobacteriun)和芽孢杆菌(Baci川 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-NiEDTA-Cd
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啊 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
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) Cu concen. i 9003 n solution(p NM 34 38 pm) 6 0 4.88.28.912.0 0.055911.810.814.3 0.28.913214.515.6 111.415816.317.3 3 13.815.918.522.0
Cu concentrations in shoots (ppm) 3 13.8 15.9 18.5 22.0 1 11.4 15.8 16.3 17.3 0.2 8.9 13.2 14.5 15.6 0.05 5.9 11.8 10.8 14.3 0 4.8 8.2 8.9 12.0 38 9003 6 NM 34 Cu concen. i n solution (p pm)