微生物复合菌剂对重金属超富集植物体快速减容减重应用基础研究

梁朱明　罗学刚

摘要：针对污染环境生物修复后产生的大量富集植物体低成本快速处理的关键技术问题，选用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）等组成的复合菌剂，用印度芥菜（Brassica juncea）等对重金属有很强富集能力的植物作为材料进行超富集植物体减容减重应用基础研究。结果表明，经微生物复合菌剂处理的超富集植物体的体积减容率达到96%，比对照增加23个百分点;纤维素、半纤维素、木质素降解率分别达到69.06%、80.75%、28.59%，分别比对照增加27.35、14.75、5.49個百分点。充分证明微生物复合菌剂对重金属超富集植物体具有显著的减容减重能力和潜在的应用推广前景。

关键词：微生物复合菌剂;重金属;超富集植物;减容;减重

中图分类号：X705         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）05-0072-06

Abstract： In order to solve the key technical problems of quickly process large quantities of hyperaccumulator plant bodies at low cost after environmental bioremediation，a composite agent consisting of Bacillus subtilis and Bacillus licheniformis， and plants such as Indian mustard （Brassica juncea） with strong enrichment ability for heavy metals were used in fundamental research of reducing the volume and weight of hyperaccumulator plants. The experiments result showed that the volume-reducing rate of hyperaccumulator plants treated with microbial vomposite agents reached 96% with 23 percentage point more than the control group. And the degradation rates of cellulose， hemicellulose and lignin reached 69.06%， 80.75% and 28.59%，with 27.35，14.75，5.49 percentage point more than the control group. The experimental results show that the microbial composite agents have significant volume reduction and weight reduction abilities for heavy metal hyperaccumulators plants and potential application prospects.

Key words： microbial composite agents; heavy metal; hyperaccumulator plant; volume reduction; weight reduction

针对不同的污染环境开发低成本、经济高效的生物修复技术来治理和修复污染环境是一个重要的世界性研究课题[1]。与传统的物理、化学及工程技术方法相比，生物修复技术虽然具有许多优点，且应用前景看好，但真正推广这项技术仍有许多问题需要解决[2]。其中，生物修复后产生的大量富集植物体的后处理是生物修复技术面临的一个亟待解决的问题，因为其具有重金属等污染物含量高，体积、重量庞大等特点，因此使得处理的费用高、风险大，甚至会形成处理场及处理设施的重金属等二次污染[3]。如果不突破这些瓶颈问题，污染环境控制与生物修复技术的应用和产业化前景就会受到质疑。重金属等污染物富集生物体的安全处置是今后生物修复技术亟需解决的重要技术难题之一。

目前处理超富集植物体堆积的主要方法有焚烧法、灰化法[4]、压缩填埋法[5]、化学法[6，7]等，但是这些方法的处理过程和后续处理并不完善，对于场地和设备的要求较高，且费用较为昂贵[8]。目前对于超富集植物体处理处置的研究皆停留于实验室阶段，大部分研究均以植物秸秆粉末为纤维素源在培养基中进行模拟试验[9，10]，这些研究的可控性较强，但是不能模拟出大量超富集植物体减容减重的实际过程。

超富集植物体中木质纤维素的含量约占80%，其中半纤维素约占30%，纤维素约占45%，木质素约占20%[11]。纤维素主要构成了植物纤维的骨架结构，而半纤维素和木质素一般存在于纤维素的内部和周围，三者在共价键和化学键的作用下连接，其中作用最为明显的是共价键。半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体[12]。木质素是不定形的、含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物，它的存在使得超富集植物体木质部能够维持极高的硬度而足以承拓整株植物的重量[13]，同时作为一个致密的物理屏障存在于植物细胞壁中，能够起到抵抗氧化压力和阻止微生物入侵的作用[14]。所以植物体降解速率较慢的重要原因就包括纤维素构成结晶区域和半纤维素、木质素的包裹[15，16]。因此，对于木质纤维素的降解是超富集植物体微生物减容减量技术的重点。

本研究主要利用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）混合的微生物菌剂对超富集植物体进行应用基础研究，选用的超富集植物体有印度芥菜（Brassica juncea）、马尾草（Equisetum arvense）、小白菜（Brassica chinensis）、血苋（Iresine herbstii）。已有文献报道本研究选用的印度芥菜[17，18]、小白菜[19，20]、马尾草[21]等对重金属都有着较强的富集能力。本研究通过在2 m×2 m×1 m减容池中进行印度芥菜、小白菜等超富集植物体的微生物复合菌剂减容减重试验，观测超富集植物体减容减重效果和表面微观形态变化特征，表征其木质纤维素的变化规律，可为污染环境生物修复技术和大量超富集植物体的低成本、高效处理处置提供一定的理论和技术参考。

通过试验组与对照组的数据对比，试验组和对照组半纤维素降解率都超过了50%，而试验组和对照组木质素降解率均偏低，试验组为28.59%，对照组为23.10%，差距不大。这证明在超富集植物体减容减重过程中，半纤维素和纤维素含量的变化并不是决定性的指标。半纤维素较容易被降解，无论是否加入复合菌剂其降解率均在50%以上，此结果与韩玮等[26]的研究结论相近。木质素是极其难降解的，即使添加了复合菌剂，木质素的降解率仍低于30%，说明木质素的降解依然是超富集植物体减容减重过程中需要克服的难题，此结果与黄得扬等[22]的研究结果一致。

2.4  减容减重过程中微生物菌剂有效活菌数变化

对减容池试验组中试验初期和后期样品中有效活菌数（芽孢杆菌）进行检测，结果显示，有效活菌数（芽孢杆菌）在试验初期和后期分别为18.33、140.00亿CFU/g。表明试验组添加的复合菌剂中的微生物有着良好的生长。

2.5  减容减重过程中菌体重金属含量变化

对减容池试验组中试验前后菌体中铅、锰、镉的含量进行检测，结果如表3所示。数据证明本研究中所使用的复合菌剂中的微生物在进行超富集植物体减容减重的同时，也对其重金属进行了一定的吸附和固定，且吸附量与司慧[27]的研究结果相近但仍有一定的差距，其原因可能是试验原材料重金属的初始浓度不同，微生物的富集效果也不同。

2.6  减容减重过程中富集植物体的形态

如图7所示，对照组池中剩余超富集植物体与初始状态变化并不明显，还有大量未被降解完全的植物纤维存在;而在试验池中已無可见的植物纤维存在，池中仅有降解后的菌体、腐殖质等泥浆状物质存在。通过对烘干后的样品进行观察发现，试验组的烘干样颜色更深且更易碎，而对照组的烘干样依然保持着茎秆的形态，韧性较高。

2.7  减容减重中超富集植物体微观结构变化

由图8可以看出，试验组超富集植物体的组织结构破坏较为严重，植物干样中的纤维结构明显扭曲和破坏，多处发生断裂（图8A、图8B）;而对照组超富集植物体烘干样中纤维结构基本并未受到过多的破坏，结构依然紧密、清晰可见。

3  讨论

在超富集植物体微生物减容减重研究中，最主要的过程是微生物对超富集植物体木质纤维素的降解。纤维素的降解主要原理是依靠微生物分泌的CX酶（内切型葡聚糖酶）、C1酶（外切型葡聚糖酶） 和Ch酶（β-葡萄糖苷酶）等酶进行协同作用[28]，断裂纤维素的长链，最终水解为葡萄糖[29]。

结合减容池中剩余物质的温度变化和半纤维素、纤维素、木质素含量的变化以及超富集植物体体积变化来进行分析可以看出，试验开始前7 d，微生物的生长处于迟缓期，半纤维素、纤维素、木质素的含量下降缓慢。微生物在降解超富集植物体半纤维素、纤维素、木质素的过程中会放出大量的热量，从而导致剩余物质的温度开始上升。这些热量既促进了微生物的生长与繁殖，同时蒸发了超富集植物体中剩余的水分，使得减容池中超富集植物体的体积大幅下降[22]。在试验14 d时，减容池中剩余物质的温度达到59.7 ℃，体积减容率达到66%，纤维素的含量下降到9.43%，半纤维素的含量下降到7.32%。在7～21 d，微生物的生长处于对数期和稳定期，微生物的大量繁殖使得超富集植物体的半纤维素、纤维素、木质素的降解速率达到最大，剩余物质的温度保持稳定的高温。随后在大量微生物代谢物积累和过高温度的影响下，微生物的活性开始下降，生长进入衰亡期，超富集植物体半纤维素、纤维素、木质素的降解速率开始减缓，剩余物质温度开始下降，并最终趋于稳定。最终超富集植物体的减容率为96%，半纤维素、纤维素、木质素的降解率为69.06%、80.75%、28.59%。

4  结论

本研究利用微生物复合菌剂对印度芥菜等超富集植物体进行减容减重研究，使得超富集植物体的减容率达96%，比对照组增加23个百分点;半纤维素、纤维素、木质素的降解率分别达69.06%、80.75%、28.59%，分别比对照增加14.75、27.35、5.49个百分点;超富集植物体的纤维结构基本被分解、破坏。本研究数据证实了该处理方法能有效减少超富集植物体的体积，并可大幅降低超富集植物体中的半纤维素、纤维素和木质素含量。本研究结果为污染环境生物修复技术和大量超富集植物体的低成本、高效处理处置提供一定的理论和技术参考。

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