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矿区土壤重金属耐受菌的研究现状1．研究区自然概况2．土壤微生物与重金属污染的研究进展2.1重金属以及重金属对生物的毒害原理2.2重金属污染现状2.2.1重金属对人体的危害2.2.2重金属对生态坏境的污染2.2.3重金属对土壤的污染2.3重金属污染土壤的植物修复研究现状2.3.1有关重金属超积累植物2.3.1.1铬（Cr）超积累植物2.3.1.2砷（As）超积累植物2.3.1.3硒（Se）超积累植物2.3.1.4锰（Mn）超积累植物2.3.1.5铜（Cu）超积累植物2.3.1.6锌（Zn）超积累植物2.3.1.7铅（Pb）超积累植物2.4微生物修复机理及技术2.4.1微生物对重金属离子的溶解和沉淀2.4.2微生物对重金属离子的生物吸附和富集2.4.3微生物对重金属离子的氧化还原2.4.4菌根真菌与土壤重金属的生物有效性影响2.4.5有关微生物修复领域展望2.5有关地统计学在土壤重金属研究中的应用3．土壤重金属耐受菌的研究目的和意义3.1重金属耐受菌的作用机理3.2矿区重金属耐受菌分离的意义4.该领域需要解决问题引言土壤是人类赖以生存的基础，与人类的健康息息相关。近年来，国内外土壤的各种污染都有明显的上升趋势，尤其是重金属污染。[10]目前，全国遭受不同程度重金属污染的耕地面积已接近2000万hm2，约占耕地总面积的1/5。农业部的调查表明，我国污染区面积约占140万hm2，遭受重金属污染的土地面积占污染总面积的64.8%，其中轻度污染面积占46.7%、中度污染占9.7%、严重污染占8.4%，以Hg和Cd的污染面积最大。此外Cd污染耕地1.3万hm2，涉及11个省市的25个地区；Hg污染3.2万hm2，涉及15个省市的21各地区；粮食含Pb量大于1.0mg/kg的产地有11个，有6个地区生产的粮食含As量超过0.7mg/kg。[9]本研究所用土壤样品直接采自矿区，没有人为添加重金属，因此能真实反映自然状态下微生物状况。而当前许多关于这方面的试验是通过试验室培养试验或田间试验，这类实验中重金属是直接加入的，按照试验设计控制有机质、pH值和含水率，一次性或分几次地加入相应的重金属，这样可以比较清楚地揭示重金属对土壤微生物的短期污染行为，但是由于大部分矿区土壤中的重金属是长期积累的结果，使得这些人为试验结果与自然污染土壤分析结果存在一定的差异。1．研究区自然概况临泽县位于河西走廊中部，地处东径99°51′-100°30′、北纬38°57′-39°42′之间。东邻张掖市，西接高台县，南依祁连山与肃南裕固族自治县接壤，北靠合黎山与内蒙古阿拉善右旗连界，总面积2727.29平方公里。临泽县地势南北高，中间低，由东南向西北逐渐倾斜，海拔在1370-2200米之间，地貌类型有南部祁连山中山区、中部走廊平原区、北部合黎山低山区。全县国土面积中平原区占70％，山区占30％，成矿地质条件差，矿产资源相对贫乏。境内已发现的矿产主要有石膏、含碘凹凸棒石粘土、海泡石、蛭石、石英石、水泥用灰岩、煤、铁、锰、铜、金、矿泉水等，集中分布在北部合黎山区。共有矿产地28处，其中：铁矿9处，探明储量819万吨；海泡石矿2处，探明储量18万吨；凹凸棒石粘土矿1处，探明储量6400万吨；石膏矿4处，探明储量1.1亿吨；蛭石矿1处，探明储量1万吨；水泥用灰岩矿1处，探明储量300万吨；矿泉水1处，枯水期最小流量每天300.23立方米；煤矿、金矿、锰矿、铅矿、白云岩矿各1处，铜矿、石英石矿各2处，均在进一步做地质工作。具有资源优势和开发潜力的矿床主要有：东小口子锰铁矿床：位于平川镇东北，面积12.45平方公里。探矿面积12.2６平方公里，采矿面积0.185平方公里。采矿区内分为南北两条矿带，探明矿石量306万吨，矿石以菱铁矿为主，次为磁铁矿、软锰矿。矿石平均品位:铁27.35%，锰8.66%。小马鞍山锰铁矿床：位于平川镇北，面积6.63平方公里，预测资源量370万吨。矿石以磁铁矿为主，次为褐铁矿、软锰矿。矿石平均品位：铁27.33％，锰8.62％。凹凸棒石粘土矿床：位于板桥镇正北山－杨台洼滩，总面积60多平方公里，分为南、北、中三个矿带。矿床中凹凸棒石粘土与石膏共生，呈互层状，凹凸棒石粘土在矿床中的含量为46%左右，石膏在矿床中的含量为12.9%左右。目前，南、北矿带正在做进一步的地质勘查工作。中矿带推断的凹凸棒石粘土内蕴经济资源量107.5万吨，预测资源量5168万吨；推断的石膏内蕴经济资源量16万吨。凹凸棒石粘土具有较多的微量元素和吸附性、吸水性、脱色性、造浆性等特殊的物化性能，广泛用于石油、环保、化工、建材等领域。该矿床具有资源量巨大、采矿成本低、矿区交通方便、凹凸棒石应用广泛等优势矿产资源较丰富，目前已发现的矿种主要有凹凸棒、石膏、石英石、煤、大理石、蛀石、石墨、玻璃用石英、钾长石、膨润土、铁、锰、铜、沙金等，矿产地25处。本研究是采集临泽县平川镇的铁锰矿作为研究对象。锰铁矿是锰铁氧化物矿物，它属于尖晶石族中磁铁矿系列中的一种矿物。2．土壤微生物与重金属污染的研究进展2.1重金属以及重金属对生物的毒害原理重金属指原子密度大于5g/cm3的金属元素，包括Cd、Cr、Hg、Cu、Pb、Zn、Ag、Ni等。由于As、Se在毒性和其他性质上与重金属类似，一般也列入重金属范畴。重金属元素如Cu、Zn等是动植物代谢必需的微量元素，但当它们超过一定的阈值后就会有相当的毒性。还有一些元素如Cd、Pb等，则被认为是动植物的非必需元素，由于它们能与氨基酸侧链上的S原子和N原子发生作用，具有很高的毒性。[1]重金属进入土壤中，不但会降低微生物数量和土壤酶活性，而且对土壤中有机污染物的降解、土壤的呼吸代谢、土壤的氨化和硝化作用会有抑制作用。重金属作为一种重要的常见污染物，对生物的毒害作用主要表现在两个方面。一是它们极易同一些生物大分子如酶的活性中心，以及给电子基团如蛋白质上的巯基、羧基，核酸上的碱基、磷酸酯基等结合，导致这些生物大分子失活，最终引起生物个体的病变和死亡。其次，由于重金属大多不可能被生物分解，进入生物体内后和大量的金属硫蛋白、类金属硫蛋白和小分子量的配体如甘氨酸、牛磺酸等结合，极易在生物体内积累，这种积累作用会随食物链转移，可以危害到整个食物链网所有个体特别是人类的身体健康和生命安全。微生物是土壤中生物类群最多、生物量最大、对土壤元素的地化循环和肥力具有最大影响力的类群。2.2重金属污染现状2.2.1重金属对人体的危害钒：伤人的心、肺，导致胆固醇代谢异常。金属钒毒性很低，但钒化合物对人有中度或高度毒性，其毒性作用与钒的价态，溶解度，摄取的途径等有关。接触钒的有些人可发生荨麻疹，过敏性湿疹样皮炎，剧烈瘙痒等，如果吸入过多的钒，可刺激呼吸、消化及神经系统，也可损害皮肤、心脏和肾脏，还可抑制三磷酸腺苷酶及磷酸酶的活性，使皮肤出现炎症并引起变态性疾病。砷：是砒霜的组分之一，有剧毒，会致人迅速死亡。长期接触少量，会导致慢性中毒。砷进入人体内被吸收后，破坏了细胞的氧化还原能力，影响细胞正常代谢，引起组织损害和机体障碍，可直接引起中毒死亡。如果将砷作用于人体局部，最初有刺激症状，久之出现组织坏死。砷对粘膜具有刺激作用，可直接损害毛细血管。另外还有致癌性。锑：与砷能使银手饰变成砖红色，对皮肤有放射性损伤。还能伤害骨骼、肝脏、肾脏。铊：会使人多发性神经炎。锰：超量时会使人甲状腺机能亢进。也能伤害重要器官。汞：汞是重金属污染中毒性最大的元素。食入后直接沉入肝脏，对大脑、神经、视力破坏极大。天然水每升水中含0.01毫克，就会导致人中毒。积累在体内的汞会侵入神经中枢系统，破坏脑血管，表现为四肢麻木、语言失常、视野缩小、听觉失灵等。这些就是著名的公害病“水俣病”的典型特征。镉：镉不是人体所必需的微量元素。新生婴儿体内几乎无镉，人体中镉全部是出生后通过外界环境(例如饮水、食物、香烟)进入人体的。镉中毒症状主要表现为动脉硬化、肾萎缩、肾炎等。镉可取代骨骼中部分钙，引起骨骼疏松软化而痉挛，严重者引起自然骨折，另外镉还被发现有致癌和致畸作用。镉还能导致高血压，引起心脑血管疾病；破坏骨骼和肝肾，并能引起肾功能衰竭。铅：是重金属污染中毒性较大的一种，一旦进入人体将很难排除。被人体吸收后有慢性中毒作用。对儿童的血铅负荷，神经行为功能进行相应研究后得出，长时期暴露于含铅环境的儿童有着反应缓慢，视觉迟钝之现像。能直接伤害人的脑细胞，特别是胎儿的神经系统，可造成先天智力低下；对老年人会造成痴呆等。另外还有致癌、致突变作用。铬：在非污染的低层大气和天然水中均含有微量的铬，如雨水中含铬2-4微克每升，土壤中含铬约在100-500毫克每升之间。其中六价铬的毒性纟三价铬大，六价铬是一种常见的致癌物质，对人体和农作物均有毒害作用。它能降低生化过程的需氧量，从而发生内窒息，铬盐对肠胃均有剌激作用。铬的化合物在工业上应用较多，如电镀、化工、印染等行业都含有三价铬或六价铬的废水排出，使局部地区受到铬的污染。钴：能对皮肤有放射性损伤。使用钴盐(氯化钴)时，可能由于摄入量过量引起钴中毒，常表现为皮肤潮红、胸骨后疼痛、恶心、呕吐、耳鸣及神经性耳聋，还可出现红细胞增多症，重者导致缺氧紫绀、昏迷甚至死亡，如治疗不及时，可直接或间接影响小儿智力发育。因此要严格掌握钴盐的使用剂量，出现胃肠道反应时立即停用。平时不要食用被钴污染的食物和饮水。发现钴中毒应及时洗胃，口服豆浆、蛋清，服用半胱氨酸，维持体内水盐平衡，食物中增加蛋白质和维生素C的含量。2.2.2重金属对生态坏境的污染由于矿山开采、金属冶炼、工业污水、和污泥的农业应用，大量有毒有害重金属元素进入土壤系统，对生态环境造成严重的影响。人类的生存和发展要依靠水源和可耕地的土壤，但目前水和土壤的污染已成为影响社会发展的主要问题之一。特别是重金属的污染对动物和人类的健康都构成严重的影响。由于大量的工业活动造成了许多微量元素如镉、铜、铅、锌和汞等非常有毒的重金属都频繁出现在人类的环境中，并且不断增加。水体重金属污染及危害中国土壤重金属污染重金属污染被重金属污染的湘江土地重金属污染严重2.2.3重金属对土壤的污染重金属污染土壤的主要方式有：①土壤中的重金属通过雨水淋溶作用向下渗透，导致地下水污染；②受污染的土壤直接暴露在环境中，通过土壤颗粒物等形式直接或间接地被人或动物所吸收；③外界环境条件的变化如酸雨、某些土壤添加剂等因素提高了土壤中重金属的生物可利用性，使得重金属较容易地为植物吸收利用而进入食物链，对食物链上的生物产生毒害。[5]重金属污染的特点是不能被降解而从环境中彻底消除，只能从一种形态转化为另一种形态，从高浓度变为低浓度，能在生物体内积累富集。所以重金属的生物修复有两种途径：通过在污染农田种植木本植物、经济作物，利用其对重金属的吸收、积累和耐性除去重金属，或者利用生物化学、生物有效性和生物活性原则，把重金属转化为较低毒性产物(络合态、脱烷基、改变价态)；利用重金属与微生物的亲合性进行吸附及生物学活性最佳的机会，降低重金属的毒性和迁移能力。[11]面对严峻的现实，许多有识之士在重金属土壤的修复方面做了许多卓有成效的工作，取得了显著的成果。其中研究最多的就是污染土壤的生物修复技术，包括植物修复、微生物修复和动物修复。生物修复技术是土壤污染修复的主要处理技术，而微生物修复是土壤生物修复技术的重要组成部分，是最具发展和应用前景的生物学环保新技术。[5]2.3重金属污染土壤的植物修复研究现状土壤重金属超积累植物的研究可追溯到19世纪。如Baumann早在1885年就报道了遏蓝菜属植物茎叶灰分中的ZnO含量达17%。[1]2.3.1有关重金属超积累植物目前，超积累植物的定义采用较多的是Baker和Brooks1983年提出的参考值，即把植物叶片或地上部分（干重）中含Cd达到100mg/kg，含Co、Cu、Ni、Pb达到1000mg/kg，Mn、Zn达到10000mg/kg以上的植物称为超级累植物。一般情况下，重金属超积累植物的认定要考虑三个条件：○1植物地上部富集重金属的量要达到一定临界标准，在较