土壤和水的重金屬污染是嚴重的環(huán)境問題。工業(yè)廢水廢氣、車輛廢氣和生活垃圾未經(jīng)妥善處置可能會導致重金屬釋放到水生和陸地環(huán)境中，造成重金屬污染。這些游離的重金屬離子在自然環(huán)境中極難生物降解，并能通過食物鏈的生物累積的放大作用富集數(shù)百倍進入人體，危害人類健康。

化學沉淀、物理吸附、離子交換、膜過濾、電化學技術(shù)等方法處理重金屬污染已經(jīng)取得了一定的進展，但這些方法也存在成本高、能耗高和二次污染等問題。在此背景下，微生物礦化技術(shù)因能沉積鎘、鉛、鈾、汞、銅、鋅和鎳等重金屬，而成為一種十分具有應用前景的修復重金屬的方法。

重金屬是一種無機元素，指比重大于 4 或 5 的金屬，約有 45 種，如銅、鉛、鋅、鐵、鈷、鎳、錳、鎘、汞、鎢、鉬、金、銀等。盡管錳、銅、鋅等重金屬是生命活動所需要的微量元素，但是大部分重金屬如汞、鉛、鎘等并非生命活動所必須，當其濃度超過某一特定環(huán)境的閾值限制時，可能會對生物體產(chǎn)生毒性。

重金屬在環(huán)境中沉積的來源有農(nóng)業(yè)、工業(yè)或者家庭，農(nóng)業(yè)來源包括：無機肥料、殺蟲劑、殺菌劑和污水廢物的使用；工業(yè)來源包括：煉油廠、金屬礦石開采、煤炭開采、石油化工溢出和火力發(fā)電；家庭來源包括：家庭焚燒生物量、有機和無機生活垃圾、使用過的電池和過濾器等生活垃圾也是導致環(huán)境中重金屬沉積的來源之一。

微生物礦化修復重金屬污染是指通過形成碳酸鹽沉淀或磷酸鹽實現(xiàn)，即指一些有促進重金屬污染修復的特殊功能基因的細菌，再通過多種微生物或酶產(chǎn)生的脲酶催化尿素水解的協(xié)同作用（即微生物誘導的碳酸鹽沉淀，MICP）產(chǎn)生碳酸根，或通過酶（酶誘導的碳酸鹽沉淀，EICP），將游離重金屬離子沉淀成相對穩(wěn)定的碳酸鹽，進而誘導重金屬碳酸鹽沉淀。

基于磷酸鹽沉淀的生物修復是利用多種微生物分泌的酶或有機酸將無機磷酸鹽和有機磷溶解為磷酸根（即微生物誘導的磷酸鹽沉淀，MIPP），進而將游離重金屬離子沉淀為磷酸鹽。

同時不同種類的細菌可能對重金屬污染修復產(chǎn)生不同影響，因此細菌群落被認為與重金屬污染修復密切相關(guān)。比如產(chǎn)脲酶細菌即使對多種重金屬不耐受，但其也可以同時沉淀多種重金屬。同時，當有鈣離子存在時，鎘和鍶等離子可以與鈣離子發(fā)生共沉淀，進而提高重金屬離子的去除率和污染修復率。因此碳酸鹽礦物的這種共沉淀為去除重金屬或減緩放射性元素和污染金屬的傳輸提供了一條新的途徑。

微生物胞內(nèi)吸附是指進入細胞內(nèi)的重金屬被微生物吸收富集的過程。污染物經(jīng)由微生物吸收至其細胞內(nèi)之后，可以通過區(qū)域化作用將設(shè)施土壤重金屬離子分布于代謝活動相對不活躍的細胞器中，進行胞內(nèi)酶降解，如液泡、線粒體，然后將其封閉，或?qū)⒅亟饘匐x子和細胞內(nèi)的金屬硫蛋白、絡合素、植物螯合肽等結(jié)合成熱穩(wěn)定蛋白，如谷胱甘肽、植物凝集素、不穩(wěn)定硫化物等，從而將重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榈投净驘o毒的形式積累于細胞內(nèi)部。

微生物除了能夠胞內(nèi)吸附設(shè)施土壤中重金屬離子，還能通過自身生理反應產(chǎn)生的代謝物質(zhì)，由微生物所分泌的胞外酶進行降解作用，如蛋白質(zhì)、多糖、脂類等，與重金屬進行聚合形成胞外聚合物，達到吸附沉淀重金屬，降低重金屬的活度和移動性，達到體外解毒的目的。

微生物表面吸附主要由細胞壁、莢膜、粘液層等細胞結(jié)構(gòu)通過絡合、配位、沉淀等將設(shè)施土壤中重金屬離子吸附結(jié)合在細胞表面。微生物細胞壁含有多糖、蛋白質(zhì)、葡聚糖、幾丁質(zhì)、甘露聚糖等，富含羧基、磷酸根離子、硫酸根離子、氫氧根離子、氨基等官能團，這些官能團能與金屬離子結(jié)合或配位，可以有效改善設(shè)施土壤中重金屬污染情況。

微生物可通過一系列的活動，如氧化還原作用、甲基化作用等，通過酶促反應使烷基和重金屬元素結(jié)合或分離，從而改變重金屬在設(shè)施土壤中的存在形態(tài)，對于變價型重金屬，微生物可以通過生物氧化還原反應，改變其金屬價態(tài)，從而降低重金屬活性，改變其移動性、生物有效性以及毒性。

微生物修復重金屬污染土壤的主要方式：生物富集（如生物積累、生物吸著，如胞外絡合、沉淀以及胞內(nèi)積累等三種形式）和生物轉(zhuǎn)化（如生物氧化還原、重金屬的有機絡合配位降解)等，即通過微生物作用對土壤中重金屬進行固定、移動或轉(zhuǎn)化降解，促進有毒、有害物質(zhì)解毒或降低毒性，從而達到生物修復的目的。

例如：應用于鎘污染水稻盆栽實驗中，將腸桿菌和叢毛單胞菌共同培養(yǎng)時，可以將溶液中的鎘離子沉淀并完全去除，可以有效鈍化土壤中的鎘，減少水稻對鎘離子的吸收，使稻米中鎘含量顯著下降。

微生物的生命代謝活動能有效降低環(huán)境中重金屬元素的濃度或使其完全無害。比起常規(guī)的物理和化學修復方法，其最大優(yōu)點是經(jīng)濟、高效，且不會形成二次污染，可謂“天然排毒”。

微生物降解農(nóng)藥殘留的種類繁多，包括細菌、真菌、放線菌和藻類等。它們通過代謝能力、菌株選擇和適宜環(huán)境條件的提供等方式，來實現(xiàn)對不同農(nóng)藥的降解。

微生物對于農(nóng)藥殘留的降解作用，簡單來講，就是指以酶作為催化劑進行的化學反應。通過一系列酶的作用，經(jīng)過相應的化學反應，將農(nóng)藥分解為無害的物質(zhì)，或者轉(zhuǎn)化為更小的分子，借以削弱乃至消除其對于人體的危害。

例如：真菌類微生物利用其特殊的生理代謝途徑和酶系統(tǒng)，其降解機制主要是在富集培養(yǎng)物中篩選使用一定濃度的粗酶液，通過酶系統(tǒng)，刺激蔬果體內(nèi)特定酶的活性，進而促進酶的降解作用，將農(nóng)藥降解為無毒化合物。如短桿菌屬、木霉屬、青霉屬、根霉屬、土壤桿菌屬、假單胞菌屬以及黃桿菌屬等通過一系列酶的作用，刺激氧化酶的活性，促進農(nóng)藥在蔬果體內(nèi)的氧化降解，達到降解多種農(nóng)藥，包括有機磷農(nóng)藥、擬除蟲菊酯類農(nóng)藥等。

抗生素（antibiotics）是由微生物（包括細菌、真菌、放線菌屬）或高等動植物在生活過程中所產(chǎn)生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產(chǎn)物，能干擾其他生活細胞發(fā)育功能的化學物質(zhì)。數(shù)十年來抗生素在畜牧業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及醫(yī)療行業(yè)的廣泛應用，大量抗生素通過排泄物進入環(huán)境，導致我國大面積水體及土壤環(huán)境中抗生素殘留量急劇增高。研究顯示，一些微生物能夠以抗生素為碳源生存，可用于降解環(huán)境中殘留抗生素。

微生物對抗生素的降解過程比較復雜，不同種類的抗生素由于結(jié)構(gòu)不同，降解途徑存在顯著的差異?？偟膩碚f，微生物對抗生素降解途徑的主要反應包括：羥基化、乙酰化、硝基化、氧化作用、取代作用等。即將抗生素降解菌株、菌群與非生物修復技術(shù)聯(lián)用，并優(yōu)化組合工藝，將重金屬濃縮成更易于畜禽利用的形式，從而減少重金屬的排放與污染，提高抗生素的降解效率。抗生素降解菌群主要由變形菌門、擬桿菌門、酸桿菌門、放線菌門、疣微菌門、浮霉菌門的細菌組成。其中，以β-變形菌門最為豐富，主要負責有機物和養(yǎng)分的去除；亞優(yōu)勢菌門是擬桿菌門、酸桿菌門和綠彎菌門。而真菌中子囊菌門最多，占 6%以上。

目前，微生物制劑用于養(yǎng)殖環(huán)境氣體污染物的控制主要包括 2 個方面：

1、通過在日糧中添加微生態(tài)制劑建立并恢復腸道內(nèi)優(yōu)勢菌群的數(shù)量，從而建立微生態(tài)平衡。由于這些有益菌群可在腸道內(nèi)產(chǎn)生有機酸、過氧化氫和細菌素等抑菌物質(zhì)，從而抑制了腸道內(nèi)腐敗菌的生長，降低了脲酶活性，減少了蛋白質(zhì)向胺及氨的轉(zhuǎn)化，使腸內(nèi)和血液中氨及胺的含量下降，最終實現(xiàn)減少隨糞便排出體外的氨等有害氣體的含量，改善舍內(nèi)空氣質(zhì)量。

2、通過直接在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中噴灑微生物制劑的方式來降低畜禽圈舍的廢氣污染。

例如：光合細菌和 EM 菌劑是最為廣泛的用于水處理的菌劑。其主要作用是分解水中的有機物，降低水中的化學需氧量和生物需氧量，提升水中的溶解氧的含量，從而達到改善水質(zhì)的目的。

在自然環(huán)境中，生物降解是天然存在于生態(tài)系統(tǒng)中的有機物降解途徑。相較于傳統(tǒng)修復方法，其成本低、效能高、適用范圍廣，是一種具有前景的消除環(huán)境抗生素殘留的生物修復法。

1、微生物或者酶特性：當微生物使用量較少時，對重金屬離子的去除率達不到理想效果，而當微生物使用量較多時，過量的細菌培養(yǎng)液可能會導致重金屬沉淀的再次溶解。一般來說，本土細菌對重金屬具有更高的耐受性，同時這種耐受性取決于重金屬的類型。

2、重金屬參數(shù)：從受污染的土壤或水中去除重金屬的速率在很大程度上取決于重金屬的類型和濃度。高濃度的重金屬對細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸產(chǎn)生更大的毒性，導致脲酶產(chǎn)量減少，不利于重金屬離子的去除。

3、環(huán)境因素：自然環(huán)境中，如海洋中的高鹽環(huán)境，去除泄漏的重金屬特別是放射性金屬，對保護海洋環(huán)境至關(guān)重要。

4、其他因素：由于微生物修復重金屬是一個復雜的過程，它會受到許多因素的影響，這些因素也會對重金屬的去除產(chǎn)生影響。重金屬去除的效率取決于 pH值、溫度、場地的深度和金屬的形式，例如低 pH 會抑制微生物活性，較高的堿性環(huán)境對提高重金屬鈍化和維持碳酸鈣晶格中重金屬的穩(wěn)定性十分重要。

抗生素作為一類新型污染物，給水體、土壤造成的污染成為全球面臨的重大環(huán)境問題。在自然環(huán)境中，不同種類的微生物具有不同的重金屬修復能力，生物降解是天然存在于生態(tài)系統(tǒng)中的有機物降解途徑。基于生物降解抗生素、微生物修復重金屬污染作為一種新興的、應用前景廣闊的技術(shù)備受關(guān)注，相關(guān)學者已開展了大量研究，促進這一新興生物技術(shù)的工程應用。

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著相當重要的作用。一直以來，化肥和農(nóng)藥都是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)順利進行、實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵，但是，伴隨著農(nóng)藥、抗生素的長期使用，農(nóng)業(yè)殘留問題受到了越來越多的關(guān)注，對于消費者的生命安全和身體健康形成了較大威脅。對此，相關(guān)研究結(jié)果表明，利用微生物實現(xiàn)修復重金屬污染和降解抗生素及農(nóng)藥殘留的降解，能夠起到良好的效果，從而保證消費者的人身安全。

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