1、重金屬污染對土壤微生物的影響摘要：土壤是人類賴以生存的、最重要的自然資源之一，對生態(tài)環(huán)境和人類健康都有著重要的意義。但隨著工業(yè)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化，土壤的污染日益嚴重，其中土壤重金屬污染是一個全球性的棘手問題。而數(shù)量龐大、種類繁多的土壤微生物作為地球物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)換的主要參與者，其自身及其參與的生化過程都會受到重金屬污染的嚴重影響。本文綜述了重金屬污染對土壤微生物種群數(shù)量及其生物活性方面的影響，指出土壤重金屬污染會破壞微生物種群，降低微生物活性，抑制微生物生長，進而影響土壤質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，提出了該類研究中存在的問題及其解決方法。關(guān)鍵詞：重金屬；污染；土壤微生物Abstract：Soil

2、isoneofimportantresourcewhichwecouldn'tlivewithoutit,anditalsohasimportantmeaningtotheecologyenvironmentandhuman'shealth.Withthedevelopmentofindustryandup-dateofagriculture,thepollutioninsoilbecomesworsedaily.Thepollutedbyheavymetalinsoilisaproblemwhichallglobalpeoplehavetoface.Agreatnumbera

3、ndvarietyofsoilmicroorganismsasthemainparticipantsofglobalchemical-cycleandenergyconversion,andtheirbio-chemicalprocessescanbedamagedbytheheavymetalpollution.Thearticlesummarizedtheeffectsofheavymetalpollutiononsoilmicrobialbiomassandthebiologicalactivity.Heavymetalpollutioncoulddestroymicrobialpopu

4、lationsandreducetheirbiologicalactivity,inhibitmicrobefromgrowth,thenaffectsoilquality.Therefore,problemsexistingandsolutionsareproposedintheresearch.Keywords:heavymetal;pollution;soilmicroorganisms土壤是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要自然資源，是植物尤其是農(nóng)作物必要的生存環(huán)境，為人類生存提供了所需的食物和原料1。隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展、工業(yè)“三廢”和城市生活垃圾的不斷排放、含重金屬農(nóng)藥和化肥的不科學(xué)合理

5、使用，導(dǎo)致土壤中重金屬污染日益嚴重。特別是“水俁病”和“痛痛病”等事件的發(fā)生，土壤中重金屬污染問題已成為國內(nèi)外專家研究的熱點2。由于重金屬在土壤中比較穩(wěn)定、難降解、毒性強、具有累積效應(yīng)等特征，它不僅影響農(nóng)作物的生長發(fā)育和農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，最終通過食物鏈危害人畜健康，而且對土壤的理化性質(zhì)，尤其是土壤微生物產(chǎn)生不良影響3。由于重金屬在土壤中難降解，降低了微生物的生物量，破壞了微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并降低了微生物的生物活性，嚴重時甚至?xí)ξ⑸锏纳L和代謝產(chǎn)生抑制作用，這也影響到土壤的理化性質(zhì)和植物的生長發(fā)育，最終影響到人畜的健康4。微生物是土壤中數(shù)量最多的生物類群，而微生物的活動是土壤基礎(chǔ)呼吸的主要

6、來源，也是土壤形成的推動者，它在一定程度上決定著土壤的基本理化性質(zhì)，對土壤中營養(yǎng)元素的遷移、轉(zhuǎn)化和土壤肥力有重要作用，并且對污染物的分解、凈化也有一定的作用5。同時土壤中微生物的變化能預(yù)測土壤養(yǎng)分及環(huán)境質(zhì)量的變化，也能反映土壤被污染的情況，微生物對土壤中重金屬的生物反應(yīng)遠比動植物敏感。因此，微生物是表示土壤質(zhì)量敏感性指標(biāo)之一。面對土壤中重金屬污染不斷加劇的狀況，迫切需要監(jiān)測和修復(fù)重金屬污染的有效措施。隨著微生物修復(fù)技術(shù)的興起，引起了人們越來越多的關(guān)注。微生物修復(fù)技術(shù)主要是利用微生物的吸附作用和生物轉(zhuǎn)換來使土壤中重金屬被吸收、氧化還原和沉淀，把重金屬離子轉(zhuǎn)化為低毒物質(zhì)，從而降低土壤中重金屬的毒性

7、6。因此，研究土壤中重金屬污染下微生物的狀況對污染修復(fù)具有重要意義。1 .重金屬污染對土壤微生物生物學(xué)的影響1.1 重金屬污染對土壤微生物多樣性的影響微生物多樣性是指土壤微生物群落種內(nèi)和種間的差異性，包括生理功能多樣性、遺傳多樣性、細胞組成多樣性及生態(tài)系統(tǒng)多樣性等7。微生物群落結(jié)構(gòu)的變化能預(yù)測土壤養(yǎng)分及土壤環(huán)境質(zhì)量的變化，土壤微生物群落與土壤重金屬之間的關(guān)系是國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點8。許多研究表明，土壤中重金屬污染會影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，即土壤微生物多樣性。Kell9等用Biolog平板計數(shù)法對鋅污染下的土壤微生物群落進行了研究，發(fā)現(xiàn)鋅污染會影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性，

8、污染嚴重時會減少土壤中能利用有關(guān)碳底物的微生物數(shù)量，降低微生物對單一碳源的利用能力，減少土壤微生物的多樣性。Bruce10的研究也表明，土壤中鋅含量超標(biāo)會大大降低土壤微生物的多樣性。微生物對重金屬的敏感程度不同，對污染的耐性也不同，通常為真菌細菌放線菌，因此，土壤重金屬污染一般會導(dǎo)致土壤中真菌和細菌增多，從而引起微生物多樣性的變化11。Roane12等通過檢測鎘污染和無污染土壤中微生物的組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鎘污染的土壤中培養(yǎng)出來的微生物較少，但可以分離出抗性微生物。Suhadolic13等的研究表明，污染輕的土壤中的耐性細菌比污染重的土壤中的耐性細菌少，土壤受鋅、鉛污染后，對固氮菌、纖維分解菌、木

9、霉菌等有抑制作用，但耐性較強的根瘤菌比無污染和輕污染的土壤多。楊元根14等的研究表明，高濃度的銅對微生物有損傷作用，造成了微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，銅在土壤中保留時間越長，這種改變越明顯。因此，重金屬污染會使微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而降低群落的穩(wěn)定性。土壤微生物發(fā)生變化以前，漸下降，適應(yīng)的微生物數(shù)量逐漸增多并積累豐富微生物系統(tǒng)。在重金屬污染的情況下,力也發(fā)生改變，從而導(dǎo)致種群大小的改變一定的影響。1.2重金屬污染對土壤微生物生物量的影響土壤微生物生物量是指土壤中體積小于和藻類等，但不包括植株殘體，的微生物數(shù)量8重金屬污染會減少微生物對單一碳源的利用能力，減少群落的多樣性。有資料報道，在整個

10、微生物的區(qū)系已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化,不適應(yīng)的微生物數(shù)量逐15。理論上會有耐性強的微生物來填補，從而微生物的代謝和功能的改變，引起微生物的競爭16。因此，重金屬污染會對微生物的多樣性產(chǎn)生35X103um的生物總量，包括真菌、細菌、放線菌它代表參與調(diào)控土壤中能量和養(yǎng)分循環(huán)以及有機質(zhì)轉(zhuǎn)化對應(yīng)O土壤微生物生物量包括微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷和微生物量硫，通常用微生物量碳含量來表示，而且微生物生物量碳轉(zhuǎn)化比較快，是評價重金屬污染比較敏感的指標(biāo)17。張彥18等的研究表明，長期使用污水灌溉會造成土壤重金屬污染，土壤微生物生物量隨土壤中重金屬含量的增加而下降。研究表明：重金屬種類和濃度不同，對微生物生物量

11、的影響也不同。Chander研究了不同重金屬濃度對土壤微生物生物量的影響，結(jié)果表明，只有當(dāng)重金屬的濃度達到標(biāo)準限定的土壤重金屬環(huán)境容量的2-3倍，才可能對微生物生物量有抑制作用3。如當(dāng)土壤中Cu和Zn的濃度為標(biāo)準的2.5倍時，會使微生物生物量下降40%。當(dāng)土壤中Cd和Ni的濃度分別達到標(biāo)準2-3倍時，微生物生物量卻沒有明顯變化。楊元根14等發(fā)現(xiàn)低濃度的Cu對土壤微生物生物量有刺激作用，高濃度的Cu則起抑制作用。每種重金屬對微生物生物量的影響都有一個臨界濃度，比如只有當(dāng)Cd、Zn、Pb的濃度分別達到30ug/g、450ug/g、150ug/g時，紅壤中的微生物生物量才會明顯下降19。不同土壤類型

12、的重金屬污染對微生物生物量產(chǎn)生的影響也不同。如連續(xù)施用含重金屬的污泥，土壤微生物量比施用糞肥的土壤微生物低20。靠近礦區(qū)的土壤微生物生物量比遠離礦區(qū)的土壤微生物量低21。重金屬元素之間的比例也是影響土壤微生物生物量的重要因素，如土壤理化性質(zhì)與植物生長狀況相同時，土壤中Cu和Zn的質(zhì)量比為1:1的土壤微生物量低于Cu和Ni的質(zhì)量比為1:1的22。而土壤中重金屬污染大多數(shù)是復(fù)合污染，報道各種重金屬的比例是如何影響微生物生態(tài)功能的論文還較少，這方面的研究工作將是未來的一個研究方向。2 .重金屬污染對土壤微生物生化過程的影響2.1 重金屬污染對土壤微生物代謝活性的影響土壤微生物代謝活性是指土壤中所有微

13、生物，包括細菌、真菌、放線菌、原生生物和藻類等總體代謝活性23。它對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及土壤肥力有著直接影響，在維持土壤生產(chǎn)力可持續(xù)性方面起著重要作用。土壤中有機質(zhì)的周轉(zhuǎn)、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及有機廢棄物的循環(huán)等都依賴于土壤微生物的代謝作用。正因為如此，微生物活性在土壤生態(tài)系統(tǒng)的形成、功能演變過程中成為必不可少的要素之一，其活性的變化能夠反映土壤質(zhì)量的狀況。研究表明，被重金屬銅污染的土壤中高等真菌種類下降，對重金屬PbM有抗性的革蘭氏陰性細菌增多23。Macur等研究發(fā)現(xiàn)，在As礦區(qū)微生物的數(shù)量受到顯著抑制。重金屬污染會影響微生物的呼吸作用和代謝途徑，從而影響土壤中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，進而影響生態(tài)系統(tǒng)的

14、穩(wěn)定23。2.2 重金屬污染污染對土壤酶活性的影響土壤酶被廣泛地用作污染物環(huán)境影響評價的指標(biāo)，直接參與土壤中的許多重要代謝過程。土壤酶活性的變化會響土壤中養(yǎng)分的釋放，進而對需要從土壤中獲取養(yǎng)分的作物產(chǎn)生影響。土壤中微生物活性與土壤酶活性密切相關(guān)，而土壤酶活性與重金屬污染程度又有一定的相關(guān)性。重金屬對土壤酶活性可產(chǎn)生抑制或激活作用，因此測定土壤酶活性有助于判斷土壤重金屬污染的程度及其對作物生長發(fā)育影響的大小8。通常高濃度的重金屬會對酶活性產(chǎn)生抑制作用。大量研究表明，酶的種類不同，對重金屬污染的敏感性也不同。2.3 重金屬污染對土壤有機質(zhì)降解的影響重金屬污染對微生物數(shù)量、活性、生理生化功能的影響，

15、最終會影響土壤中有機質(zhì)的降解，并且土壤中重金屬的含量與有機質(zhì)緊密相關(guān)。Cu的濃度為500mg/L、Zn的濃度為1000mg/L時，土壤中有機質(zhì)（如纖維素）的降解速率比無污染土壤中的慢24。纖維素是枯枝落葉的主要成分，微生物是植物殘體中纖維素的分解者。與非礦區(qū)的土壤相比，礦區(qū)土壤中纖維素分解菌的數(shù)量下降74.91%-95.90%。分解菌數(shù)量降低會直接影響到植物殘體的轉(zhuǎn)化速度，使土壤中植物殘體的積累量增加。Yao7等對Cu、Zn冶煉廠附近含不同濃度重金屬的7個水稻田土壤中微生物進行了研究，結(jié)果表明：重金屬降低了土壤微生物對底物的利用水平，重金屬污染區(qū)樹葉凋落物的分解速度慢于對照。2.4 重金屬污染

16、對N循環(huán)的影響N循環(huán)是元素生物地球化學(xué)循環(huán)的主要過程之一。當(dāng)土壤受到重金屬污染時，土壤N循環(huán)過程，如氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用等都會受到影響。Wilke25研究了12種重金屬和非金屬污染物（As、Be、Br、Cd、Cr、F、Pb、Hg、SeSn、V和Ni）XN循環(huán)的影響，發(fā)現(xiàn)除Se和Sn外，其它污染物均抑制N的礦化作用。Wilke也發(fā)現(xiàn)，硝化作用和精氨酸氨化彳用不如N的礦化作用敏感。對反硝化作用而言，在Cd、Cu、Zn和Pb之中，Cd對反硝化作用抑制最強，Pb幾乎無影響。王淑芳26等的研究也發(fā)現(xiàn)，固氮菌的作用強度隨土壤中Cd、As、Cu、Pb含量的增加而降低。Brookes等通過

17、研究，發(fā)現(xiàn)施用過污泥的土壤中藍綠藻的固氮作用，在很低的重金屬濃度下固氮強度降低50%。3 .問題與展望土壤微生物的生態(tài)功能是重金屬污染監(jiān)測、評價和修復(fù)的理想指標(biāo)。目前，在這方面已經(jīng)開展了大量的研究，并取得了很多成果，但尚存在如下問題：(1)微生物群落結(jié)構(gòu)受重金屬影響的研究主要集中在微生物整體變化水平上，缺乏對發(fā)揮不同作用微生物群落對重金屬的響應(yīng)及其機理的研究。(2)文獻報道關(guān)于重金屬復(fù)合污染對土壤微生物及其過程的研究多集中在南方土壤上，對北方土壤的研究較少，而南方和北方的土壤類型和耕作制度等都有很大的差異。因此，兩地研究的結(jié)果不能簡單的相互套用。(3)在自然環(huán)境中，微生物的生物學(xué)性質(zhì)在受重金屬

18、影響的同時，也受其它因素的影響。微生物的生物學(xué)性質(zhì)與重金屬的濃度有關(guān)，同時也與土壤的有機質(zhì)、pH等有關(guān)。由于土壤中各種因素之間的相互作用對微生物的生物學(xué)性質(zhì)影響較大。因此，很難判斷引起微生物性質(zhì)改變的主導(dǎo)因素。為了更全面地、系統(tǒng)地認識重金屬污染對微生物及其生態(tài)過程的影響，還需要進一步從以下三方面開展研究工作：(1)建立綜合可行的重金屬污染土壤微生物評價體系。由于重金屬污染的土壤微生物評價指標(biāo)比較分散，沒有形成可行的統(tǒng)一體系，因此需要進一步加強土壤中重金屬污染對微生物的毒理學(xué)研究。可以以研究土壤重金屬污染的毒理效應(yīng)、生態(tài)風(fēng)險評估及其診斷指標(biāo)的建立為切入點，建立土壤環(huán)境質(zhì)量評價體系，充分發(fā)揮土壤微

19、生物的功能，使微生物修復(fù)在重金屬污染土壤上發(fā)揮更大的作用。(2)重點研究微生物群落的生理生態(tài)功能對重金屬的響應(yīng)及其機制，揭示生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動的真諦，真正將微生物的變化與生態(tài)學(xué)聯(lián)系起來。(3)對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的研究多集中在物種和生態(tài)特征方面，需要應(yīng)用先進的分子技術(shù)手段對土壤微生物不同種群之間的關(guān)系，以及土壤微生物影響生態(tài)環(huán)境、維持和穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的機理進行研究。參考文獻：1梁娜.鎘染土壤的超積累植物研究D.西安:陜西師范大學(xué),2007.2劉元生，何騰兵，羅海波，等.貴陽市烏當(dāng)區(qū)耕地土壤重金屬污染現(xiàn)狀及其評價J.重慶環(huán)境科學(xué),2003,25(10):42-45.3徐云，魯旭陽，申旭紅

20、.重金屬污染對土壤微生物影響的研究進展J.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,47(12):1506-1508.4王嘉，王仁卿，郭衛(wèi)華.重金屬對土壤微生物影響的研究進展J.山東農(nóng)業(yè)科學(xué),2006(1):101-104.5李瑞美，何炎森.重金屬污染與微生物研究概況J.福建熱作科技，2003,28(4):25-28.6鄭小東，榮湘民，羅尊長，等.土壤重金屬污染及修復(fù)方法研究進展J.農(nóng)藥學(xué)報,2011(8):37-43.7張妍，崔驍勇，羅維.重金屬污染對土壤微生物生態(tài)功能的影響J.生態(tài)毒理報,2010,5(3):305-313.8高煥梅，孫燕，和林濤.重金屬污染對土壤微生物種群數(shù)量及活性的影響J.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報,

21、2007,19(8):83-85.9KellLJ,TateRL.EffectofheavymetalcontaminationandremediationonsoilmicrobialcommunitiesJ.JournalofEnvironmentalQuality,1998,27(3):609-617.10BruceFM.ZinccontaminationdecreasesthebacterialdiversityofagriculturalsoilJ.MicrobiologyEcology,2003,43:13-19.11陳承利.重金屬Cd、Pb、Hg污染對土壤微生物及其活性影響的研究D

22、.杭州：浙江大學(xué),2006.12RoaneTM,PepperIL.MicrobialresponsestoenvironmentallytoxicJ.MicrobialEcology,1999,38(4):358-364.13王彬.重金屬Cd、Zn、Cu、Pb、污染下突然生物效應(yīng)及機理D.重慶：西南大學(xué),2008.14楊元根.重金屬銅的土壤微生物毒性研究J.土壤通報,2002,33(2):55-60.15滕應(yīng)，龍健.重金屬污染土壤的微生物生態(tài)效應(yīng)及修復(fù)研究進展J.土壤與環(huán)境,2002,11(l):85-89.16段學(xué)軍，盛清濤.土壤重金屬污染的微生物生態(tài)效應(yīng)J.中原工學(xué)院學(xué)報,2005,16(l):1-4.17蔣先軍，駱?biāo)?重金屬污染土壤的微生物學(xué)評價J.土壤,2000,32(3):30-134.18張彥,張惠文，蘇振成，等.長期重金屬脅迫對農(nóng)田土壤微生物生物量、活性和種群的影響J.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2007,18(7):1491-1497.19KhanK,XieZ,Hua