枯草芽孢杆菌在土壤污染修复中的应用研究

摘要 枯草芽孢杆菌广泛分布于自然环境中，因其具有种类多、生长快、繁殖容易等特点，目前已在土壤污染修复中表现出广阔的应用前景。为了明确枯草芽孢杆菌对土壤修复中应用范围、效果及作用机理，通过查阅大量国内外相关文献，详细论述了枯草芽孢杆菌在土壤污染修复中的应用现状及其机理。枯草芽孢杆菌在重金属和放射性污染土壤修复方面均有应用，且在植物-微生物联合修复方面效果显著。枯草芽孢杆菌对污染土壤的修复机理主要有直接和间接两种方式，直接方式主要是通过氨基、羧基和磷酸基等官能团与重金属离子发生反应，从而形成沉淀来达到富集的作用，间接作用方式主要是通过分泌物促进植物生长、增加土壤呼吸和酶活性、降低重金属有效态含量等方式增强植物对重金属的抗性。

关键词 枯草芽孢杆菌；土壤污染；土壤修复；作用机理

中图分类号 X 53  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）12-0022-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.12.005

Application of Bacillus subtilis in Soil Pollution Remediation

ZHOU Fu-rong1，2，XIAN Yang1，2，TANG He-xi1，2 et al

（ 1.Sichuan Experimental Testing and Research Center of Natural Resources （Sichuan Nuclear Emergency Technical Support Center）， Chengdu，Sichuan 610084；2.Evaluation and Utilization of Strategic Rare Metals and Rare Earth Resource Key Laboratory of Sichuan Province， Chengdu，Sichuan 610081）

Abstract Bacillus subtilis is widely distributed in the natural environment.Because of its variety，fast growth，easy reproduction and other characteristics，it has shown broad application prospects in soil pollution remediation.In order to clarify the application scope，effect and mechanism of Bacillus subtilis in soil remediation，the application status and mechanism of Bacillus subtilis in soil remediation were discussed in detail by referring to a large number of relevant literatures at home and abroad.The results show that Bacillus subtilis has been applied in remediation of heavy metal and radioactive contaminated soil，and the effect of plant-microorganism combined remediation is remarkable.The repair mechanism of Bacillus subtilis on contaminated soil mainly has two direct and indirect ways.The direct way is mainly through the reaction of amino，carboxyl and phosphoric acid groups with heavy metal ions，thus forming precipitation to achieve enrichment.The indirect action mode is to promote plant growth，increase soil respiration and enzyme activity，and reduce the content of available heavy metals by secretions.

Key words Bacillus subtilis；Soil pollution;Soil remediation;Action mechanism

基金项目 四川省地质调查研究院科研项目（SCIGS-CYBXM-2023017）。

作者简介 周芙蓉（1986—），女，四川德阳人，博士，从事土壤污染调查与修复研究。

收稿日期 2023-07-27

耕地是发展的基石，耕地环境质量与农产品质量息息相关。社会经济的高速发展，随之而来的是工业企业数量的增加及“三废”产生和排放所带来的环境问题。全国土壤污染调查公报表明，我国的土壤环境状况总体不容乐观，部分地区的土壤污染较严重，原因主要有三个方面：一是工矿业生产造成的影响，二是农业活动造成的影响，三是高背景值的影响。随着镉大米事件的出现，土壤与粮食安全问题已成为重点关注话题。

近年来，植物-微生物联合修复技术因其低成本和安全性已成为土壤修复技术研究领域的一个热点［1-6］。植物-微生物联合修复技术中植物为微生物提供生存环境，且其根部的分泌物可为微生物提供大量营养物质，以此来加强微生物对污染物的吸收和降解；同时，微生物也能直接或间接参与污染物的形态转化，从而减轻对植物的毒害作用，提高植物的耐受性、生物量和富集量。该技术充分融合了植物修复和微生物修复两种修复技术的优势，达到改善土壤环境，提高土壤污染修复效率的目的。

枯草芽孢杆菌是芽孢杆菌属中的一种，属于好氧型细菌，广泛分布于自然环境中，因其具有种类多、生长快、繁殖容易等特点，目前已成为安全性高、具有较高应用潜力的菌种之一［7-10］。枯草芽孢杆菌在生长过程中会分泌出枯草菌素和制霉菌素等物质，从而使其产生病菌抑制性。枯草芽孢杆菌具有较强的稳定性和抗逆性，在酸性、高盐、高温等条件下表现出耐性特点［11-12］。随着对枯草芽孢杆菌的深入研究，枯草芽孢杆菌的生防作用已经被广泛应用于农业、畜禽养殖业、土壤改良和环境防治等方面［13-14］。

1 土壤污染修复技术研究现状

目前对于污染土壤的修复可归纳为四大类：一是物理修复技术，二是化学修复技术，三是生物修复技术，四是联合修复技术［15-17］。物理修复技术主要采用物理方法，从工艺或原理上可分为客土、换土、翻土、电动力修复和热脱修复［18］。化学修复技术主要是通过外加化学药剂来降低土壤污染物的毒性、浓度或将其彻底清除。根据作用方式不同，化学修复技术主要有3种，包括固化/稳定化、化学氧化/还原、化学淋洗［19］。生物修复技术是指通过生物发挥作用，达到对污染物的降解、吸收或转化，继而完成对污染土壤的修复，根据生物种类不同，可分为植物修复、动物修复与微生物修复3种［20］。联合修复是指使用两种或以上的修复技术同时开展修复，其在实践后取得了良好效果。目前使用较多的联合修复技术主要有植物-微生物联合修复、动物-植物联合修复、化学-微生物联合修复、电动-生物联合修复技术、化学强化植物修复技术、电动-氧化联合修复技术和电动-淋洗联合修复技术等［21-22］。近年来，植物-微生物联合修复技术凭借其高效、安全、可行性强等优点，已逐渐成为土壤污染修复的研究热点［23］。

2 枯草芽孢杆菌应用现状

2.1 枯草芽孢杆菌在重金属污染土壤修复中的应用

芽孢杆菌广泛存在于土壤环境中，对外界胁迫具有较强的抵抗力。近年来许多学者探索芽孢杆菌在土壤污染治理方面的效果和机理，其作用也越来越得到认可［24］。柳晓光［25］总结分析了芽孢杆菌在植物微生物联合修复中的应用，其中巨大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌为代表，对重金属有活化作用，能促进植物吸收重金属，达到土壤减量化修复的目的；而枯草芽孢杆菌作用机理则刚好相反，其主要是降低土壤中重金属的有效态含量，减少重金属向植物转移。刘晋秀［26］向铅胁迫小麦种子培养皿中添加枯草芽孢杆菌菌液，结果表明枯草芽孢杆菌菌液对小麦种子的发芽势、发芽指数等指标均有显著的促进作用，小麦叶片的叶绿素含量和抗氧化酶活性显著增强。宋璐等［27］向镉胁迫下连翘植物添加枯草芽孢杆菌菌液，探索枯草芽孢杆菌对连翘生长生理指标的影响，结果表明枯草芽孢杆菌菌液能显著缓解镉对连翘生长的胁迫，添加15 mg/kg菌液处理下连翘幼苗的株高、茎叶鲜重、根鲜重、叶片中叶绿素a含量和叶绿素总含量分别较对照提高了112.59%、96.50%、95.68%、210.53%和162.30%。李琪等［28］研究了枯草芽孢杆菌对早熟禾和紫花苜蓿修复镉污染土壤的强化作用，结果表明接种枯草芽孢杆菌对早熟禾和紫花苜蓿修复镉污染土壤均表现出显著的强化作用。李晓晴［29］研究了枯草芽孢杆菌对Cd胁迫下花生生长及镉富集效果，结果表明添加枯草芽孢杆菌后花生的生长指标提高，土壤中有效镉含量降低，有效态镉向其他形态转变。黄浩杰［30］选取了3种微生物菌种研究其对镉的吸附作用，结果表明枯草芽孢杆菌在高镉浓度下吸附效果最好。刘东英［31］通过玉米盆栽试验，研究了枯草芽孢杆菌对土壤铅锑及涉铅污染元素化学形态、迁移转化特征及土壤中微生物多样性变化的影响，结果表明添加枯草芽孢杆菌后，玉米幼苗中重金属镉、镍含量升高，锑、锌含量降低；根际土壤中镉活性形态增多，根际土壤中铅和镍的残渣态升高，锑和锌残渣态增多可交态减少。刘悦畅［32］采用盆栽试验研究了沼泽红假单胞菌和枯草芽孢杆菌两种菌对土壤中镉形态转变的影响，结果表明两种菌单独或联合使用均能使农田土壤中的有效态镉含量明显降低。纪宏伟等［33］研究了不同时间恒温培养条件下枯草芽孢杆菌对土壤在镉形态的影响，结果表明添加枯草芽孢杆菌后土壤中有效态镉含量明显降低，且培养时间越长钝化效果越明显。

2.2 枯草芽孢杆菌在放射性污染土壤修复中的应用

大量研究表明，一些微生物对铀具有较好的耐性和富集能力，其中细菌和真菌对铀的耐受程度相对较高。目前，已发现了十多种对铀具有一定富集效果的微生物类型，如黑曲霉、根霉、产黄青霉、啤酒酵母菌、放线菌、链霉菌、柠檬酸杆菌、枯草芽孢杆菌、节杆菌、粘细菌、铜绿假单胞菌、生枝动胶菌、腐败希瓦氏菌等。研究结果表明，微生物的进化水平与其对铀的耐受程度成反比关系［34］。Raff等［35］研究表明，枯草芽孢杆菌对铀的吸附量可达到655 mg/g。司慧等［36］研究了在培养条件下枯草芽孢杆菌对铀的富集效果，结果表明其对铀的吸附率最高可达到81.21%，表明枯草芽孢杆菌在一定浓度范围内可有效富集铀。邓闻杨［37］研究了在水培试验形式下枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌或黑曲霉3种菌对凤眼莲的铀富集能力，结果表明，在铀浓度为25 mg/L 时，枯草芽孢杆菌使凤眼莲干重增长34.7%，富集浓度提高14.1%。郝希超［38］研究土培条件下添加枯草芽孢杆菌等5种菌种对黑麦草等在铀胁迫下的影响，结果表明单年生黑麦草与胶质芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌联合对高浓度铀污染土壤具有较好的修复效果。

3 修复作用机理研究

大量研究表明，枯草芽孢杆菌能促进植物的生长，提高植物对重金属等污染物的抗性。总结已有的研究可知，枯草芽孢杆菌提高植物对土壤重金属等污染物的抗性机制主要分为直接作用和间接作用［39］。

3.1 直接作用

余雪梅等［40］从攀枝花矿区淤泥样品中提取出了一种枯草芽孢杆菌PFYN01，其对镉的吸附能力较强，主要通过—NH、—OH、—COOH 等官能团与镉离子发生反应，从而形成镉沉淀来达到富集的作用。宋佳柠［41］研究了枯草芽孢杆菌对铀污染的控制，结果表明其对铀的固定过程主要分为吸附和成矿2个阶段，菌体通过表面的氨基、羧基和磷酸基官能团将铀吸附在表面，然后再以无定形颗粒转移至菌体内部，形成磷铵铀矿。