重金属污染对土壤微生物的影响
摘要：土壤是人类赖以生存的、最重要的自然资源之一，对生态环境和人类健康都有着重要的意义。但随着工业的发展和农业生产的现代化，土壤的污染日益严重，其中土壤重金属污染是一个全球性的棘手问题。而数量庞大、种类繁多的土壤微生物作为地球物质循环与能量转换的主要参与者，其自身及其参与的生化过程都会受到重金属污染的严重影响。本文综述了重金属污染对土壤微生物种群数量及其生物活性方面的影响，指出土壤重金属污染会破坏微生物种群，降低微生物活性，抑制微生物生长，进而影响土壤质量。在此基础上，提出了该类研究中存在的问题及其解决方法。
关键词：重金属；污染；土壤微生物
Abstract：Soilis one of important resource which we couldn’t live without it, and it also has important meaning to the ecology environment and human’s health. With the development of industry and up-date of agriculture, the pollution in soil becomes worse daily. The polluted by heavy metal in soil is a problem which all global people have to face. A great number and variety of soil microorganisms as the main participants of global chemical -cycle and energy conversion, and their bio-chemical processes can be damaged by the heavy metal pollution. The articlesummarized the effects of heavy metal pollution on soil microbial biomass and the biological activity. Heavy metal pollution could destroy microbial populations and reduce their biological activity,inhibit microbe from growth, then affect soil quality.Therefore, problems existing and solutions are proposed in the research.
Keywords：heavy metal；pollution；soil microorganisms
土壤是人类社会赖以生存和发展的重要自然资源，是植物尤其是农作物必要的生存环境，为人类生存提供了所需的食物和原料[1]。随着工农业的快速发展、工业“三废”和城市生活垃圾的不断排放、含重金属农药和化肥的不科学合理使用，导致土壤中重金属污染日益严重。特别是“水俣病”和“痛痛病”等事件的发生，土壤中重金属污染问题已成为国内外专家研究的热点[2]。由于重金属在土壤中比较稳定、难降解、毒性强、具有累积效应等特征，
它不仅影响农作物的生长发育和农产品的品质，最终通过食物链危害人畜健康，而且对土壤的理化性质，尤其是土壤微生物产生不良影响[3]。由于重金属在土壤中难降解，降低了微生物的生物量，破坏了微生物群落结构的稳定性，并降低了微生物的生物活性，严重时甚至会对微生物的生长和代谢产生抑制作用，这也影响到土壤的理化性质和植物的生长发育，最终影响到人畜的健康[4]。微生物是土壤中数量最多的生物类群，而微生物的活动是土壤基础呼吸的主要来源，也是土壤形成的推动者，它在一定程度上决定着土壤的基本理化性质，对土壤中营养元素的迁移、转化和土壤肥力有重要作用，并且对污染物的分解、净化也有一定的作用[5]。同时土壤中微生物的变化能预测土壤养分及环境质量的变化，也能反映土壤被污染的情况，微生物对土壤中重金属的生物反应远比动植物敏感。因此，微生物是表示土壤质量敏感性指标之一。
面对土壤中重金属污染不断加剧的状况，迫切需要监测和修复重金属污染的有效措施。随着微生物修复技术的兴起，引起了人们越来越多的关注。微生物修复技术主要是利用微生物的吸附作用和生物转换来使土壤中重金属被吸收、氧化还原和沉淀，把重金属离子转化为低毒物质，从而降低土壤中重金属的毒性[6]。因此，研究土壤中重金属污染下微生物的状况对污染修复具有重要意义。
1.重金属污染对土壤微生物生物学的影响
1.1 重金属污染对土壤微生物多样性的影响
微生物多样性是指土壤微生物群落种内和种间的差异性，包括生理功能多样性、遗传多样性、细胞组成多样性及生态系统多样性等[7]。微生物群落结构的变化能预测土壤养分及土壤环境质量的变化，土壤微生物群落与土壤重金属之间的关系是国内外环境科学领域的一个研究热点[8]。许多研究表明，土壤中重金属污染会影响土壤微生物的群落结构，即土壤微生物多样性。Kell[9]等用Biolog平板计数法对锌污染下的土壤微生物群落进行了研究，发现锌污染会影响土壤微生物的群落结构和功能多样性，污染严重时会减少土壤中能利用有关碳底物的微生物数量，降低微生物对单一碳源的利用能力，减少土壤微生物的多样性。Bruce[10]的研究也表明，土壤中锌含量超标会大大降低土壤微生物的多样性。微生物对重金属的敏感程度不同，对污染的耐性也不同，通常为真菌>细菌>放线菌，因此，土壤重金属污染一般会导致土壤中真菌和细菌增多，从而引起微生物多样性的变化[11]。Roane[12]等通过检测镉污染和无污染土壤中微生物的组成，结果发现，镉污染的土壤中培养出来的微生物较少，但可以分离出抗性微生物。Suhadolic[13]等的研究表明，污染轻的土壤中的耐性细菌比污染重的土壤中
的耐性细菌少，土壤受锌、铅污染后，对固氮菌、纤维分解菌、木霉菌等有抑制作用，但耐性较强的根瘤菌比无污染和轻污染的土壤多。杨元根[14]等的研究表明，高浓度的铜对微生物有损伤作用，造成了微生物的群落结构发生改变，铜在土壤中保留时间越长，这种改变越明显。因此，重金属污染会使微生物的群落结构发生改变，从而降低群落的稳定性。
重金属污染会减少微生物对单一碳源的利用能力，减少群落的多样性。有资料报道，在土壤微生物发生变化以前，整个微生物的区系已经发生了质的变化，不适应的微生物数量逐渐下降，适应的微生物数量逐渐增多并积累[15]。理论上会有耐性强的微生物来填补，从而丰富微生物系统。在重金属污染的情况下，微生物的代谢和功能的改变，引起微生物的竞争力也发生改变，从而导致种群大小的改变[16]。因此，重金属污染会对微生物的多样性产生一定的影响。
1.2 重金属污染对土壤微生物生物量的影响
土壤微生物生物量是指土壤中体积小于5×103 um的生物总量，包括真菌、细菌、放线菌和藻类等，但不包括植株残体，它代表参与调控土壤中能量和养分循环以及有机质转化对应的微生物数量[8]。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来表示，而且微生物生物量碳转化比较快，是评价重金属污染比较敏感的指标[17]。张彦[18]等的研究表明，长期使用污水灌溉会造成土壤重金属污染，土壤微生物生物量随土壤中重金属含量的增加而下降。研究表明：重金属种类和浓度不同，对微生物生物量的影响也不同。Chander研究了不同重金属浓度对土壤微生物生物量的影响，结果表明，只有当重金属的浓度达到标准限定的土壤重金属环境容量的2-3倍，才可能对微生物生物量有抑制作用[3]。如当土壤中Cu和Zn的浓度为标准的2.5倍时，会使微生物生物量下降40%。当土壤中Cd和Ni的浓度分别达到标准2-3倍时，微生物生物量却没有明显变化。杨元根[14]等发现低浓度的Cu对土壤微生物生物量有刺激作用，高浓度的Cu则起抑制作用。每种重金属对微生物生物量的影响都有一个临界浓度，比如只有当Cd、Zn、Pb的浓度分别达到30 ug/g、450 ug/g、150 ug/g时，红壤中的微生物生物量才会明显下降[19]。不同土壤类型的重金属污染对微生物生物量产生的影响也不同。如连续施用含重金属的污泥，土壤微生物量比施用粪肥的土壤微生物低[20]。靠近矿区的土壤微生物生物量比远离矿区的土壤微生物量低[21]。重金属元素之间的比例也是影响土壤微生物生物量的重要因素，如土壤理化性质与植物生长状况相同时，土壤中Cu和Zn的质量比为1:1的土壤微生物量低于Cu和Ni的质量比为1:1的[22]。而土壤中重金属污染大多数是复合污染，报道各种重金属的比例是如何影响微生物生态功能
的论文还较少，这方面的研究工作将是未来的一个研究方向。
2.重金属污染对土壤微生物生化过程的影响
2.1 重金属污染对土壤微生物代谢活性的影响
土壤微生物代谢活性是指土壤中所有微生物，包括细菌、真菌、放线菌、原生生物和藻类等总体代谢活性[23]。它对生态系统稳定性以及土壤肥力有着直接影响，在维持土壤生产力可持续性方面起着重要作用。土壤中有机质的周转、养分的转化及有机废弃物的循环等都依赖于土壤微生物的代谢作用。正因为如此，微生物活性在土壤生态系统的形成、功能演变过程中成为必不可少的要素之一，其活性的变化能够反映土壤质量的状况。研究表明，被重金属铜污染的土壤中高等真菌种类下降，对重金属Pb具有抗性的革兰氏阴性细菌增多[23]。Macur 等研究发现，在As矿区微生物的数量受到显著抑制。重金属污染会影响微生物的呼吸作用和代谢途径，从而影响土壤中的物质循环和能量流动，进而影响生态系统的稳定[23]。
2.2 重金属污染污染对土壤酶活性的影响
土壤酶被广泛地用作污染物环境影响评价的指标，直接参与土壤中的许多重要代谢过程。土壤酶活性的变化会响土壤中养分的释放，进而对需要从土壤中获取养分的作物产生影响。土壤中微生物活性与土壤酶活性密切相关，而土壤酶活性与重金属污染程度又有一定的相关性。重金属对土壤酶活性可产生抑制或激活作用，因此测定土壤酶活性有助于判断土壤重金属污染的程度及其对作物生长发育影响的大小[8]。通常高浓度的重金属会对酶活性产生抑制作用。大量研究表明，酶的种类不同，对重金属污染的敏感性也不同。
2.3 重金属污染对土壤有机质降解的影响
重金属污染对微生物数量、活性、生理生化功能的影响，最终会影响土壤中有机质的降解，并且土壤中重金属的含量与有机质紧密相关。Cu的浓度为500mg/L、Zn的浓度为1000mg/L 时，土壤中有机质（如纤维素）的降解速率比无污染土壤中的慢[24]。纤维素是枯枝落叶的主要成分，微生物是植物残体中纤维素的分解者。与非矿区的土壤相比，矿区土壤中纤维素分解菌的数量下降74.91%-95.90%。分解菌数量降低会直接影响到植物残体的转化速度，使土壤中植物残体的积累量增加。Yao[7]等对Cu、Zn冶炼厂附近含不同浓度重金属的7个水稻田土壤中微生物进行了研究，结果表明：重金属降低了土壤微生物对底物的利用水平，重金属污染区树叶凋落物的分解速度慢于对照。
2.4 重金属污染对N循环的影响
N循环是元素生物地球化学循环的主要过程之一。当土壤受到重金属污染时，土壤N循
环过程，如氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用等都会受到影响。Wilke[25]研究了12种重金属和非金属污染物(As、Be、Br、Cd、Cr、F、Pb、Hg、Se、Sn、V和Ni)对N循环的影响，发现除Se和Sn外，其它污染物均抑制N的矿化作用。Wilke也发现，硝化作用和精氨酸氨化作用不如N的矿化作用敏感。对反硝化作用而言，在Cd、Cu、Zn和Pb之中，Cd对反硝化作用抑制最强，Pb几乎无影响。王淑芳[26]等的研究也发现，固氮菌的作用强度随土壤中Cd、As、Cu、Pb含量的增加而降低。Brookes等通过研究，发现施用过污泥的土壤中蓝绿藻的固氮作用，在很低的重金属浓度下固氮强度降低50%。
3. 问题与展望
土壤微生物的生态功能是重金属污染监测、评价和修复的理想指标。目前，在这方面已经开展了大量的研究，并取得了很多成果，但尚存在如下问题：
(1)微生物群落结构受重金属影响的研究主要集中在微生物整体变化水平上，缺乏对发挥不同作用微生物群落对重金属的响应及其机理的研究。
(2)文献报道关于重金属复合污染对土壤微生物及其过程的研究多集中在南方土壤上，对北方土壤的研究较少，而南方和北方的土壤类型和耕作制度等都有很大的差异。因此，两地研究的结果不能简单的相互套用。
(3)在自然环境中，微生物的生物学性质在受重金属影响的同时，也受其它因素的影响。微生物的生物学性质与重金属的浓度有关，同时也与土壤的有机质、pH等有关。由于土壤中各种因素之间的相互作用对微生物的生物学性质影响较大。因此，很难判断引起微生物性质改变的主导因素。
为了更全面地、系统地认识重金属污染对微生物及其生态过程的影响，还需要进一步从以下三方面开展研究工作：
(1)建立综合可行的重金属污染土壤微生物评价体系。由于重金属污染的土壤微生物评价指标比较分散，没有形成可行的统一体系，因此需要进一步加强土壤中重金属污染对微生物的毒理学研究。可以以研究土壤重金属污染的毒理效应、生态风险评估及其诊断指标的建立为切入点，建立土壤环境质量评价体系，充分发挥土壤微生物的功能，使微生物修复在重金属污染土壤上发挥更大的作用。
(2)重点研究微生物群落的生理生态功能对重金属的响应及其机制，揭示生态系统中物质循环和能量流动的真谛，真正将微生物的变化与生态学联系起来。
(3)对土壤微生物群落结构的研究多集中在物种和生态特征方面，需要应用先进的分子
技术手段对土壤微生物不同种群之间的关系，以及土壤微生物影响生态环境、维持和稳定生态系统的机理进行研究。
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