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【题  名】 重金属污染对土壤微生物生态特征的影响研究进展

【出  处】 生态环境学报

【日  期】 2018.07.25

【作  者】 /

【关键词】 环境治理 重金属污染 土壤微生物 土壤污染

【正  文】

 
     随着全球经济的迅速发展和工业化进程的加快,农用化学品种类和数量急剧增加,导致土壤中的重金属污染日益严重。重金属是一种难降解的有害有毒污染物,其进入土壤后不仅会造成土壤质量退化,导致农作物产量和质量降低,还可以通过直接接触或食物链进入人体,对生态环境及人类的健康造成严重的威胁。因此,需要了解和评估土壤的重金属污染程度和环境质量状况,以便及时地对其进行治理和修复。
   近年来,学者们逐渐认识到重金属对生物介导的生态过程的影响。大量的研究表明,土壤微生物对于重金属胁迫的敏感程度大于动物和植物,故其能够用于预测土壤生态系统及环境质量的变化,及时地反映土壤污染状况。因此,土壤微生物的生态特征被认为是最具潜力的评价土壤污染程度的指标和依据。关于重金属污染对土壤微生物生态特征影响的研究,国内外学者们已经做了大量的工作,对这些研究成果进行总结,发现重金属能引起土壤微生物生物量和活性、微生物群落结构/功能和多样性、土壤酶活性、土壤呼吸强度等生态特征的变化。随着分子生物学技术(微阵列、基因芯片技术、16S rRNA、DGGE、宏基因组、宏转录组和宏蛋白组)的广泛应用,关于重金属污染与土壤微生物变化的关系的研究进展迅速,并不断有新的研究成果出现,尤其是在微生物群落的功能基因/蛋白质、水平基因转移、种群间相互作用等方面。然而,目前对于该领域的研究缺乏详细系统的综述。
   本文对重金属污染引起的微生物特征变化(微生物生物量、微生物群落结构/功能和多样性、微生物的耐性功能基因/蛋白质和代谢能力、土壤酶活性和土壤呼吸强度)的研究现状进行了综述,指出了目前研究中存在的问题,对未来的研究方向进行了总结和展望。
   1 重金属对土壤微生物的影响
   1.1土壤微生物量
   微生物对重金属污染的响应有所不同,大量的研究表明高浓度的重金属能够对土壤微生物产生胁迫,降低其生物量。一方面,高浓度的重金属能够破坏细胞的结构和功能,加快细胞的死亡,抑制微生物的活性或竞争能力从而降低生物量;另一方面,在重金属胁迫下,土壤中微生物需要过度消耗能量以抵御环境胁迫而抑制了其生物量生长。Tayebi 等研究发现,重金属对微生物所产生的毒性大小表现为镉>铜>锌>铅,同一种重金属的毒性大小随着土壤中有机物质含量的升高而降低。张雪晴等研究发现,铜矿区附近土壤中微生物的生物量随着重金属污染程度的增加而明显下降,群落多样性也降低。但是,也有研究指出低浓度的重金属污染能够促进微生物的生长,提高细胞活性和增加生物量。实际的重金属污染环境多以复合污染为主,自然状态的土壤体系中复合重金属污染对微生物生态功能的影响尤其是在较大区域范围内的研究仍较欠缺。
   由于不同类型土壤中的微生物有所差异,同一重金属对微生物生物量也会产生不同的影响。因此,在分析和调查实地重金属污染土壤性状的基础上研究重金属对微生物生态功能的影响是十分必要的。
   1.2土壤微生物群落
   土壤微生物群落是反映土壤稳定性和生态机制的重要敏感性指标,良好的微生物种群是适应外界因素和维持土壤肥力的必要因素。大多数情况下,重金属污染会对微生物固有的群落结构和活性造成不利影响。长期受重金属污染的环境中的微生物群落结构会发生改变,物种多样性发生大规模的减少,大部分敏感的物种逐渐消失甚至灭绝,而关键代谢活动(反硝化和重金属抗性)较强的耐性物种存活下来形成新的群落,数量增多并积累。不同种类的微生物对重金属的敏感程度不同而产生不同的耐性,刁展研究发现,土壤微生物对铅、镉、汞、镉和砷的耐受程度均表现为真菌>放线菌>细菌。锌、镉和铅的长期污染没有降低森林土壤中微生物的多样性,只是改变了群落组成。在污染土壤中变形菌门占据明显优势,绿弯菌门和芽单胞菌门的丰度增加,说明这些微生物种群能够较好地适应重金属胁迫而在维持土壤生态平衡过程中起重要作用。低浓度的As 促使部分耐受菌迅速积累成为优势菌群,从而导致土壤微生物总量有所增加,PLFA 分析显示,革兰氏阳性细菌/阴性细菌的比值升高。但是也有研究发现,土微生物群落结构与重金属污染没有明显的关系,Grandlic 等研究了湖泊沉积物中细菌对砷污染的响应,结果表明砷未对这些细菌群落的结构产生影响。
   土壤的理化性质(土壤类型、有机质含量、含水率、pH 值等)会影响重金属的毒性和生物可利用性。因此,微生物群落的变化可能是由重金属浓度和土壤性质共同决定的,而土壤理化性质与微生物群落的变化具有更强的相关性。例如,Chodak 等研究发现森林土壤中微生物对重金属的敏感程度大于湿地土壤中的微生物。目前,关于重金属对微生物影响的研究主要是在微生物群落整体变化水平上进行的,不同的微生物种群或个体在应对重金属胁迫时所发挥的作用及其机理还不明确。鉴于微生物种群间的相互作用对生物适应重金属污染环境的重要性,有关微生物间相互作用的研究工作有待进一步开展。此外,为了保证和实现土壤生态系统的可持续发展,在研究中不能只关注种群的结构和多样性等,更重要的是明确关键的微生物与土壤生态功能和过程之间的关系。因此,需要加强重金属对种群的生理功能及相关基因、遗传多样性和种群动态变化的影响等方面的研究。

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