土壤和水的重金屬污染是嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)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(huì)導(dǎo)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(guò)食物鏈的生物累積的放大作用富集數(shù)百倍進(jìn)入人體，危害人類健康。

化學(xué)沉淀、物理吸附、離子交換、膜過(guò)濾、電化學(xué)技術(shù)等方法處理重金屬污染已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但這些方法也存在成本高、能耗高和二次污染等問(wèn)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(yīng)用前景的修復(fù)重金屬的方法。

重金屬是一種無(wú)機(jī)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(dòng)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(dòng)所必須，當(dāng)其濃度超過(guò)某一特定環(huán)境的閾值限制時(shí)，可能會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生毒性。

重金屬在環(huán)境中沉積的來(lái)源有農(nóng)業(yè)、工業(yè)或者家庭，農(nóng)業(yè)來(lái)源包括：無(wú)機(jī)肥料、殺蟲(chóng)劑、殺菌劑和污水廢物的使用；工業(yè)來(lái)源包括：煉油廠、金屬礦石開(kāi)采、煤炭開(kāi)采、石油化工溢出和火力發(fā)電；家庭來(lái)源包括：家庭焚燒生物量、有機(jī)和無(wú)機(jī)生活垃圾、使用過(guò)的電池和過(guò)濾器等生活垃圾也是導(dǎo)致環(huán)境中重金屬沉積的來(lái)源之一。

微生物礦化修復(fù)重金屬污染是指通過(guò)形成碳酸鹽沉淀或磷酸鹽實(shí)現(xiàn)，即指一些有促進(jìn)重金屬污染修復(fù)的特殊功能基因的細(xì)菌，再通過(guò)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(dǎo)的碳酸鹽沉淀，MICP）產(chǎn)生碳酸根，或通過(guò)酶（酶誘導(dǎo)的碳酸鹽沉淀，EICP），將游離重金屬離子沉淀成相對(duì)穩(wěn)定的碳酸鹽，進(jìn)而誘導(dǎo)重金屬碳酸鹽沉淀。

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

同時(shí)不同種類的細(xì)菌可能對(duì)重金屬污染修復(fù)產(chǎn)生不同影響，因此細(xì)菌群落被認(rèn)為與重金屬污染修復(fù)密切相關(guān)。比如產(chǎn)脲酶細(xì)菌即使對(duì)多種重金屬不耐受，但其也可以同時(shí)沉淀多種重金屬。同時(shí)，當(dāng)有鈣離子存在時(shí)，鎘和鍶等離子可以與鈣離子發(fā)生共沉淀，進(jìn)而提高重金屬離子的去除率和污染修復(fù)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(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的重金屬被微生物吸收富集的過(guò)程。污染物經(jīng)由微生物吸收至其細(xì)胞內(nèi)之后，可以通過(guò)區(qū)域化作用將設(shè)施土壤重金屬離子分布于代謝活動(dòng)相對(duì)不活躍的細(xì)胞器中，進(jìn)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(xì)胞內(nèi)的金屬硫蛋白、絡(luò)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(wú)毒的形式積累于細(xì)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(guò)自身生理反應(yīng)產(chǎn)生的代謝物質(zhì)，由微生物所分泌的胞外酶進(jìn)行降解作用，如蛋白質(zhì)、多糖、脂類等，與重金屬進(jìn)行聚合形成胞外聚合物，達(dá)到吸附沉淀重金屬，降低重金屬的活度和移動(dòng)性，達(dá)到體外解毒的目的。

微生物表面吸附主要由細(xì)胞壁、莢膜、粘液層等細(xì)胞結(jié)構(gòu)通過(guò)絡(luò)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(xì)胞表面。微生物細(xì)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(tuán)，這些官能團(tuán)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(guò)一系列的活動(dòng)，如氧化還原作用、甲基化作用等，通過(guò)酶促反應(yīng)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(duì)于變價(jià)型重金屬，微生物可以通過(guò)生物氧化還原反應(yīng)，改變其金屬價(jià)態(tài)，從而降低重金屬活性，改變其移動(dòng)性、生物有效性以及毒性。

微生物修復(fù)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(luò)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(jī)絡(luò)合配位降解)等，即通過(guò)微生物作用對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行固定、移動(dòng)或轉(zhuǎn)化降解，促進(jìn)有毒、有害物質(zhì)解毒或降低毒性，從而達(dá)到生物修復(fù)的目的。

例如：應(yīng)用于鎘污染水稻盆栽實(shí)驗(yàn)中，將腸桿菌和叢毛單胞菌共同培養(yǎng)時(shí)，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(duì)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(dòng)能有效降低環(huán)境中重金屬元素的濃度或使其完全無(wú)害。比起常規(guī)的物理和化學(xué)修復(fù)方法，其最大優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、高效，且不會(huì)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(xì)菌、真菌、放線菌和藻類等。它們通過(guò)代謝能力、菌株選擇和適宜環(huán)境條件的提供等方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同農(nóng)藥的降解。

微生物對(duì)于農(nóng)藥殘留的降解作用，簡(jiǎn)單來(lái)講，就是指以酶作為催化劑進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)一系列酶的作用，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，將農(nóng)藥分解為無(wú)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(duì)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(jī)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(guò)酶系統(tǒng)，刺激蔬果體內(nèi)特定酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)酶的降解作用，將農(nóng)藥降解為無(wú)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(guò)一系列酶的作用，刺激氧化酶的活性，促進(jìn)農(nóng)藥在蔬果體內(nèi)的氧化降解，達(dá)到降解多種農(nóng)藥，包括有機(jī)磷農(nóng)藥、擬除蟲(chóng)菊酯類農(nóng)藥等。

抗生素（antibiotics）是由微生物（包括細(xì)菌、真菌、放線菌屬）或高等動(dòng)植物在生活過(guò)程中所產(chǎn)生的具有抗病原體或其它活性的一類次級(jí)代謝產(chǎn)物，能干擾其他生活細(xì)胞發(fā)育功能的化學(xué)物質(zhì)。數(shù)十年來(lái)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(yīng)用，大量抗生素通過(guò)排泄物進(jìn)入環(huán)境，導(dǎo)致我國(guó)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(duì)抗生素的降解過(guò)程比較復(fù)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?lái)說(shuō)，微生物對(duì)抗生素降解途徑的主要反應(yīng)包括：羥基化、乙?；?、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(fù)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(mén)、擬桿菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、放線菌門(mén)、疣微菌門(mén)、浮霉菌門(mén)的細(xì)菌組成。其中，以β-變形菌門(mén)最為豐富，主要負(fù)責(zé)有機(jī)物和養(yǎng)分的去除；亞優(yōu)勢(shì)菌門(mén)是擬桿菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和綠彎菌門(mén)。而真菌中子囊菌門(mén)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(gè)方面：

1、通過(guò)在日糧中添加微生態(tài)制劑建立并恢復(fù)腸道內(nèi)優(yōu)勢(shì)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(jī)酸、過(guò)氧化氫和細(xì)菌素等抑菌物質(zhì)，從而抑制了腸道內(nèi)腐敗菌的生長(zhǎng)，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(shí)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(guò)直接在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中噴灑微生物制劑的方式來(lái)降低畜禽圈舍的廢氣污染。

例如：光合細(xì)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(jī)物，降低水中的化學(xué)需氧量和生物需氧量，提升水中的溶解氧的含量，從而達(dá)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(jī)物降解途徑。相較于傳統(tǒng)修復(fù)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(fù)法。

1、微生物或者酶特性：當(dāng)微生物使用量較少時(shí)，對(duì)重金屬離子的去除率達(dá)不到理想效果，而當(dāng)微生物使用量較多時(shí)，過(guò)量的細(xì)菌培養(yǎng)液可能會(huì)導(dǎo)致重金屬沉淀的再次溶解。一般來(lái)說(shuō)，本土細(xì)菌對(duì)重金屬具有更高的耐受性，同時(shí)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(duì)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸產(chǎn)生更大的毒性，導(dǎo)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(duì)保護(hù)海洋環(huán)境至關(guān)重要。

4、其他因素：由于微生物修復(fù)重金屬是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它會(huì)受到許多因素的影響，這些因素也會(huì)對(duì)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(chǎng)地的深度和金屬的形式，例如低 pH 會(huì)抑制微生物活性，較高的堿性環(huán)境對(duì)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(wèn)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(fù)能力，生物降解是天然存在于生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)物降解途徑?；谏锝到饪股?、微生物修復(fù)重金屬污染作為一種新興的、應(yīng)用前景廣闊的技術(shù)備受關(guān)注，相關(guān)學(xué)者已開(kāi)展了大量研究，促進(jìn)這一新興生物技術(shù)的工程應(yīng)用。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。一直以來(lái)，化肥和農(nóng)藥都是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)順利進(jìn)行、實(shí)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(zhǎng)期使用，農(nóng)業(yè)殘留問(wèn)題受到了越來(lái)越多的關(guān)注，對(duì)于消費(fèi)者的生命安全和身體健康形成了較大威脅。對(duì)此，相關(guān)研究結(jié)果表明，利用微生物實(shí)現(xiàn)修復(fù)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(fèi)者的人身安全。

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