李 哲，陳潼樾，冷 粟，吳 迪，張秀芳，周 野，車 馳，李明堂

一株氧化木糖無色桿菌對(duì)Pb的生物礦化作用及其應(yīng)用效果研究

李 哲，陳潼樾，冷 粟，吳 迪，張秀芳，周 野，車 馳，李明堂*

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130118）

為了篩選可用于Pb污染土壤生物修復(fù)的優(yōu)良菌種，研究了一株氧化木糖無色桿菌LAX2利用含尿素培養(yǎng)基生長(zhǎng)的發(fā)酵液對(duì)Pb的生物礦化作用，及其對(duì)土壤中Pb的固定效果，結(jié)果表明當(dāng)培養(yǎng)基中Pb的濃度低于105 mg·L-1時(shí)，菌株LAX2的生長(zhǎng)不受明顯影響，掃描電子顯微鏡、X射線衍射分析、傅里葉紅外光譜分析和能譜分析結(jié)果表明，菌株LAX2在含有尿素的培養(yǎng)體系中生長(zhǎng)產(chǎn)生的發(fā)酵液可通過生物礦化作用形成一種球形的PbCO3晶體，其最大直徑可達(dá)2 μm。生物礦化、菌體細(xì)胞吸附和化學(xué)沉淀對(duì)Pb2+的去除率分別為86.3%、91.6%和67.4%，表明三者存在不同的作用機(jī)制。菌株LAX2發(fā)酵液添加到土壤中培養(yǎng)，2 d后有效態(tài)Pb的濃度開始迅速下降，第5 d開始變緩，但在30 d的培養(yǎng)周期內(nèi)有效態(tài)Pb的濃度一直呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，培養(yǎng)5、10、30 d后，土壤中有效態(tài)Pb的含量分別下降了56.1%、76.5%和86.8%。向Pb污染土壤中加入發(fā)酵液、無菌發(fā)酵液、菌體細(xì)胞后進(jìn)行小白菜盆栽試驗(yàn)，與對(duì)照相比，小白菜的株高分別增加了49.4%、21.6%和9.6%；土壤中有效態(tài)Pb含量分別降低78.1%、64.2%和52.4%，小白菜中Pb的含量分別下降了56.5%、27.4%和14.5%。以上研究結(jié)果表明菌株LAX2可通過生物礦化作用形成晶體結(jié)構(gòu)的PbCO3，進(jìn)而固定土壤中的有效態(tài)Pb，降低Pb對(duì)植物的毒害及其在植物體內(nèi)的積累，因此在Pb污染土壤的生物修復(fù)當(dāng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

氧化木糖無色桿菌LAX2；生物礦化；有效態(tài)Pb；生物修復(fù)

重金屬Pb可通過施用有機(jī)肥、灌溉含鉛廢水、大氣沉降和農(nóng)膜使用等途徑進(jìn)入到土壤中，由于其在土壤中的移動(dòng)性差，容易富集在表層土壤，且不能被微生物分解，往往會(huì)造成土壤中Pb含量的逐漸積累，不僅影響植物的生長(zhǎng)，還可通過食物鏈對(duì)人及其他生物的健康造成威脅，所以土壤的Pb污染已經(jīng)成為現(xiàn)今迫切需要解決的土壤環(huán)境問題之一[1]。土壤中Pb的修復(fù)方法一般包括物理法、化學(xué)法、生物法及聯(lián)合法。物理法和化學(xué)法具有成本高、易造成二次污染和對(duì)土壤擾動(dòng)大、降低土壤使用功能等缺點(diǎn)，在中輕度Pb污染農(nóng)田土壤修復(fù)方面的應(yīng)用受到限制[2-3]。以植物、微生物以及二者聯(lián)合作用為主的生物修復(fù)法，由于具備成本低、無二次污染、可改善農(nóng)田生態(tài)和實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)變修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，在Pb污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用越來越廣泛。其中以微生物生長(zhǎng)和代謝為核心的修復(fù)法的機(jī)理主要包括微生物細(xì)胞對(duì)Pb的吸附和吸收、代謝物對(duì)重金屬的固定、微生物對(duì)重金屬的氧化還原作用[6-7]。微生物吸附重金屬主要有微生物本身的吸附[8-9]及微生物代謝過程產(chǎn)生的胞外分泌物吸附[10-11]，但隨著微生物死亡或者環(huán)境因素的改變，被固定的重金屬會(huì)重新釋放到環(huán)境中。生物礦化是指在生物的特定部位，在有機(jī)物質(zhì)的控制或影響下，離子態(tài)重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟V物，因其產(chǎn)物性質(zhì)穩(wěn)定、不易活化，與微生物吸附作用相比，具有非常大的應(yīng)用潛力。

目前，人們主要研究了磷酸鹽礦化菌和碳酸鹽礦化菌對(duì)環(huán)境中重金屬的礦化固結(jié)作用，如檸檬酸細(xì)菌屬的一株菌可通過磷酸酶產(chǎn)生大量的磷酸氫根離子，在細(xì)菌表面與重金屬形成礦物[12-13]。碳酸鹽礦化菌礦化固結(jié)重金屬主要是通過分泌尿素酶，從而分解尿素產(chǎn)生碳酸根，使溶液中重金屬離子礦化固結(jié)為不可溶的碳酸鹽晶體物質(zhì)。王瑞興等[14]的研究發(fā)現(xiàn)碳酸鹽礦化菌可通過底物誘導(dǎo)產(chǎn)生酶化作用，釋放的碳酸根離子可以使土壤中的有效態(tài)Cd礦化固結(jié)成穩(wěn)定的礦物結(jié)構(gòu)，從而使得有效態(tài)Cd含量降低50%以上，Podda等[15]發(fā)現(xiàn)水體中存在一種光合微生物，可通過代謝作用促進(jìn)水鋅礦Zn5（CO3）2（OH）6生成。成亮等[16]發(fā)現(xiàn)碳酸鹽礦化菌可通過生物礦化作用形成CdCO3晶體沉淀，從而有效修復(fù)Cd污染土壤；錢春香等[17]研究了一株碳酸鹽礦化菌對(duì)Cu的生物礦化作用，以及伴隨陰離子Cl-和SO2-4對(duì)礦化產(chǎn)物的影響，表明該菌株可基于生物礦化作用來固定土壤中的重金屬。Bains等[18]發(fā)現(xiàn)一株巨大芽孢桿菌SS3可通過產(chǎn)生的胞外分泌物、尿酶和碳酸酐酶形成碳酸鈣礦物晶體結(jié)構(gòu)。鑒于生物礦化固結(jié)重金屬的研究較少，而可利用的菌種資源更少，尤其是有些研究沒有標(biāo)明是何菌種[19]，本文研究了從蔬菜根際土壤分離獲得的一株可產(chǎn)尿酶分解尿素，進(jìn)而釋放碳酸根離子固結(jié)重金屬的氧化木糖無色桿菌對(duì)Pb的生物礦化作用及對(duì)Pb污染土壤的修復(fù)效果，以期為Pb污染土壤的生物修復(fù)提供優(yōu)良的菌種資源、理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

供試菌株：采用本課題組從長(zhǎng)期使用有機(jī)肥的蔬菜根際土壤中分離獲得的一株氧化木糖無色桿菌菌株LAX2，菌株LAX2與Achromobacter xylosoxidans strain SR50-12的同源性為100%。在含尿素的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)可產(chǎn)生碳酸根離子，培養(yǎng)液的pH可達(dá)到9.06，尿酶的最高活性可達(dá)到140 U·mL-1。

Pb污染土壤：采自吉林省某礦區(qū)附近，Pb的總量和有效態(tài)含量分別為 205.8、80.6 mg·kg-1。

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基：牛肉膏3 g，蛋白胨5 g，氯化鈉 5 g，pH7.0～7.1，蒸餾水定容至 1000 mL，121℃高壓滅菌25 min。加入2%瓊脂粉制成固體培養(yǎng)基。

含尿素培養(yǎng)基：牛肉膏3 g，蛋白胨5 g，氯化鈉5 g，尿素 30 g，pH7.0～7.1，蒸餾水定容至 1000 mL，除尿素外成分均經(jīng)過121℃高壓滅菌25 min，將尿素溶液過0.45 μm濾膜后加入培養(yǎng)基中。

菌懸液的制備：用接種環(huán)挑取單個(gè)菌落接種于LB培養(yǎng)基中，在25℃、160 r·min-1下活化培養(yǎng)24 h，再接種于LB培養(yǎng)基相同培養(yǎng)條件下富集培養(yǎng)24 h，將獲得的培養(yǎng)液在4℃以4000 r·min-1離心10 min，重復(fù)清洗2～3次后，將所獲得的菌體細(xì)胞重懸浮于無菌水，制備成OD600為0.4的菌懸液，每毫升大約含2×108個(gè)菌體細(xì)胞。

發(fā)酵液的制備：將菌懸液按照2%的比例接種于含尿素的培養(yǎng)基中，25 ℃、160 r·min-1培養(yǎng) 18 h，作為發(fā)酵液用于實(shí)驗(yàn)研究。

1.2 菌株LAX2對(duì)Pb的抗性

將菌株LAX2接種于 Pb2+濃度分別為 0、100、105、110、115、120 mg·L-1的含尿素培養(yǎng)基中，25 ℃、160 r·min-1培養(yǎng)24 h后測(cè)定發(fā)酵液的OD600。

1.3 Pb的生物礦化產(chǎn)物特征研究

取200 mL發(fā)酵液，加入10 mL濃度為0.1 mol·L-1的Pb（NO3）2溶液，在室溫下靜置12 h后將產(chǎn)物濾出，50℃烘干，分別進(jìn)行X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡、紅外光譜和能譜分析。

1.4 發(fā)酵液不同組分對(duì)Pb2+的去除作用

將按照1.1所述方法獲得的發(fā)酵液，一部分直接用于對(duì)Pb2+的去除，另外一部分以4000 r·min-1離心10 min取上清液作為無菌發(fā)酵液用于Pb2+的去除，菌體細(xì)胞則重懸浮于與發(fā)酵液相同體積的無菌水中，用于Pb2+的去除。具體操作如下：分別向20 mL濃度為40 mg·L-1的Pb2+溶液中加入40 mL發(fā)酵液、無菌發(fā)酵液和菌細(xì)胞，靜置1 h，過0.45 μm濾膜后測(cè)定Pb2+濃度，計(jì)算去除率。去除率=（初始濃度-去除后濃度）/初始濃度×100%。

1.5 發(fā)酵液對(duì)土壤中Pb的固定作用

在直徑9 cm的培養(yǎng)皿中加入10 g土樣，平鋪后均勻加入5 mL發(fā)酵液，同時(shí)以無菌水代替發(fā)酵液作為對(duì)照處理，共44個(gè)培養(yǎng)皿（含11個(gè)對(duì)照）。在25℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，分別在培養(yǎng)的第 1、2、3、4、5、6、10、15、20、25、30 d各取 4個(gè)培養(yǎng)皿（含 1個(gè)對(duì)照），每個(gè)培養(yǎng)皿采樣3次，分別測(cè)定土樣中有效態(tài)Pb含量。

1.6 菌株LAX2對(duì)土壤修復(fù)的效果

篩選形態(tài)一致且籽粒飽滿的種子進(jìn)行消毒處理后用于盆栽試驗(yàn)。采用直徑20 cm、高15 cm的花盆，每盆裝土800 g，按1.1所述方法制備發(fā)酵液、無菌發(fā)酵液和菌體細(xì)胞，分別將100 mL發(fā)酵液、無菌發(fā)酵液和菌體細(xì)胞噴灑到花盆中，攪拌混勻，穩(wěn)定2周后播種，待種子發(fā)芽，生長(zhǎng)10 d后進(jìn)行間苗，使得每盆剩余大小相近的5棵生長(zhǎng)狀態(tài)良好的幼苗。在室外生長(zhǎng)45 d收獲。分別收集植株的地上部、地下部以及根部土壤，用于測(cè)定植株可食部分的生物量和重金屬的含量以及土壤中有效態(tài)Pb的含量。

1.7 分析測(cè)定方法

1.7.1 Pb的測(cè)定方法

采用硝酸-氫氟酸-高氯酸混合消煮法對(duì)土樣進(jìn)行前處理，過0.45 μm濾膜后用于土壤總Pb的測(cè)定；采用DTPA浸提法提取土壤中有效態(tài)Pb，過0.45 μm濾膜后用于土壤有效態(tài)Pb的測(cè)定；培養(yǎng)液過0.45 μm濾膜后直接進(jìn)行Pb2+濃度的測(cè)定。均采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定[20]。

1.7.2 礦化產(chǎn)物XRD、紅外光譜、掃描電鏡與能譜分析

將礦化產(chǎn)物樣品用瑪瑙研缽研磨，過300目篩后放入圓形凹槽內(nèi)，壓平，在2θ為3～80°范圍內(nèi)進(jìn)行衍射分析；將礦化產(chǎn)物樣品與KBr按照質(zhì)量比約為1∶200混合，在瑪瑙研缽中研磨，然后將適量的混合粉末放入壓片機(jī)中進(jìn)行壓片。將制備好的樣品，采用傅里葉紅外光譜儀在波數(shù)為4000～500 cm-1范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行分析；夾取一小片Pb的礦化產(chǎn)物粘于臺(tái)子上，進(jìn)行表面鍍金后放入儀器內(nèi)，放大8000倍尋找到清晰晶體形狀后拍攝，之后進(jìn)行能譜分析。

1.8 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)處理重復(fù)三次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel進(jìn)行處理，表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。用Jade5分析XRD圖中礦物晶形。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌株LAX2對(duì)Pb的抗性

預(yù)實(shí)驗(yàn)表明菌株LAX2在Pb2+濃度為100 mg·L-1時(shí)生長(zhǎng)迅速，幾乎不受影響，但在120 mg·L-1時(shí)菌株完全受到抑制，幾乎不會(huì)生長(zhǎng)，所以將Pb2+濃度設(shè)為0、100、105、110、115、120 mg·L-1。由圖 1 可以看出，Pb2+濃度為105 mg·L-1時(shí)沒有受到明顯抑制作用，其OD600與不加 Pb2+的對(duì)照試驗(yàn)幾乎無差別（P＞0.05），但隨著Pb濃度的增加，菌株的生長(zhǎng)開始受到影響?？偟恼f來，菌株LAX2對(duì)Pb具有較強(qiáng)的抗性，在生物礦化修復(fù)重金屬污染土壤方面具有較高的應(yīng)用潛力。

2.2 Pb的生物礦化產(chǎn)物分析

圖1 Pb2+對(duì)菌株LAX2生長(zhǎng)的影響Figure 1 Effects of Pb2+concentration on the growth of strain LAX2

由Pb礦化產(chǎn)物的掃描電鏡圖（圖2a）可以看出，礦化產(chǎn)生的物質(zhì)為有規(guī)則整齊排布的球狀晶體，但球狀晶體的直徑分布不均勻，可能與晶體處于不同生長(zhǎng)期有關(guān)，從圖中還可以看出晶體的最大直徑可達(dá)2 μm。由礦化產(chǎn)物的紅外光譜圖（圖2b）可以看出，礦化產(chǎn)物表面基團(tuán)存在C-O基團(tuán)。將XRD圖（圖2c）中出峰位置對(duì)比PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片（47-1734），確定其分子式為PbCO3。通過礦化產(chǎn)物能譜分析可以看出，礦化產(chǎn)物中含有Pb、C、O等元素（圖2d）。

2.3 發(fā)酵液不同組分對(duì)Pb2+的去除作用

圖2 Pb的生物礦化產(chǎn)物特征分析Figure 2 Analysis of Pb biomineralization product

從圖3可以看出，無菌發(fā)酵液的沉淀作用、發(fā)酵液的生物礦化作用和菌細(xì)胞的吸附作用對(duì)重金屬的去除率分別為 67.4%、86.3%和 91.6%（p＜0.05），即吸附作用對(duì)Pb2+的去除能力最強(qiáng)，其次為生物礦化作用，化學(xué)沉淀對(duì)Pb2+的去除能力最差。這說明三種去除作用可能存在機(jī)理上的差異，其中生物礦化作用很可能既有菌體細(xì)胞的吸附作用，又存在離子之間的化學(xué)反應(yīng)，而這又符合生物礦化作用的機(jī)理[21]，再次說明菌株LAX2可通過生物礦化作用固定重金屬。

2.4 發(fā)酵液對(duì)土壤中Pb的固定作用

圖4表明發(fā)酵液對(duì)土壤中有效態(tài)Pb的去除呈現(xiàn)適應(yīng)-快速-慢速的趨勢(shì)，即發(fā)酵液加入到土壤中后并沒有立即發(fā)生生物礦化作用，而是有一個(gè)適應(yīng)過程。從第2 d起發(fā)酵液開始快速礦化固結(jié)土壤中的有效態(tài)Pb，從而使其含量迅速下降，但從第5 d起土壤中有效態(tài)Pb含量緩慢下降。從整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期看，加入發(fā)酵液的處理組與對(duì)照組相比，土壤中有效態(tài)Pb含量呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，在培養(yǎng)5、10、30 d時(shí)土壤有效態(tài)Pb含量分別降低56.1%、76.5%和86.8%。

2.5 菌株LAX2發(fā)酵液對(duì)Pb污染土壤的修復(fù)

利用加入發(fā)酵液、無菌發(fā)酵液和菌體細(xì)胞修復(fù)過的Pb污染土壤進(jìn)行小白菜盆栽實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。與對(duì)照相比，發(fā)酵液、無菌發(fā)酵液和菌體細(xì)胞處理過的土壤中小白菜的株高分別增加了49.4%、21.6%和9.6%（p＜0.05）。土壤中有效態(tài)Pb含量分別下降了78.1%、64.2%和 52.4%（p＜0.05），小白菜可食部分 Pb含量分別下降了56.5%、27.4%和14.5%（p＜0.05）。這表明與其他兩種固定作用相比，生物礦化作用對(duì)土壤中有效態(tài)Pb的固定效果最好，能夠明顯減少Pb對(duì)植物的毒害作用，從而促進(jìn)小白菜的生長(zhǎng)和降低可食部分Pb的含量。

圖3 菌株LAX2發(fā)酵液不同組分對(duì)Pb2+的去除作用Figure 3 Removal of Pb2+by components of strain LAX2 fermentation broth

圖4 菌株LAX2發(fā)酵液對(duì)土壤有效態(tài)Pb的固定作用Figure 4 Immobilization of available Pb in soil by strain LAX2 fermentation broth

3 討論

圖5 發(fā)酵液不同組分對(duì)小白菜生長(zhǎng)、可食部分Pb含量及土壤中有效態(tài)Pb含量的影響Figure 5 Effects of components of strain LAX2 fermentation broth on growth of Chinese cabbage，Pb content in edible part of Chinese cabbage，and available Pb content in soil

微生物可通過生物礦化作用將土壤中活性態(tài)的重金屬離子礦化固結(jié)為穩(wěn)定的礦物態(tài)，使其不容易釋放出來，從而達(dá)到重金屬污染土壤修復(fù)的目的。這種修復(fù)技術(shù)具有成本低、無二次污染、生態(tài)友好和可實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，在土壤污染修復(fù)方面逐漸引起人們的重視[22]。研究表明自然環(huán)境中存在一類能夠通過酶化作用釋放碳酸根離子，進(jìn)而通過生物礦化作用將重金屬離子固定為穩(wěn)定的碳酸鹽晶體礦物的微生物，這類微生物被稱作為碳酸鹽礦化菌。許燕波等[23]利用碳酸鹽礦化菌的生物礦化作用將土壤中可交換態(tài)的Pb固結(jié)為性質(zhì)穩(wěn)定的PbCO3，從而降低土壤中可交換態(tài)Pb的含量，但在Pb2+濃度為10.35 mg·L-1時(shí)該菌的生長(zhǎng)及礦化作用受到了明顯抑制。由于微生物菌體細(xì)胞在生物礦化過程中發(fā)揮重要作用，礦化菌對(duì)重金屬的抗性直接影響了重金屬生物礦化產(chǎn)物的形成和穩(wěn)定性。本文所用的菌株LAX2則對(duì)Pb2+表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗性，當(dāng)溶液中Pb2+的濃度達(dá)到105 mg·L-1時(shí)，菌株LAX2的生長(zhǎng)仍未受到明顯的影響。

微生物介導(dǎo)的生物礦化作用往往使微生物首先吸附重金屬，然后與溶液中的陰離子反應(yīng)，產(chǎn)生不溶性共沉淀，然后以微生物為晶核，不斷生長(zhǎng)，晶體的大小和性質(zhì)往往受到微生物本身性質(zhì)和其所分泌的水溶性有機(jī)物的影響[24]，因此不同微生物形成的同一種礦物晶體，其性質(zhì)往往存在差異，如菌株LAX2的發(fā)酵液礦化固結(jié)Pb離子時(shí)可形成單一的球形PbCO3，其粒徑可達(dá)到2 μm；而成艷等[25]利用碳酸鹽礦化菌株Bacillus cereus Pb21的生物礦化作用將Pb固結(jié)為以顆粒狀團(tuán)聚的PbCO3，多為不規(guī)則塊狀；許燕波等[23]選用的碳酸鹽礦化菌對(duì)Pb的礦化產(chǎn)物呈斜方和立方混合，因此菌株LAX2對(duì)Pb的礦化過程可能有別于其他菌株，具體的礦化過程調(diào)控機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。菌株LAX2發(fā)酵液各組分對(duì)Pb2+的去除能力的大小順序?yàn)榫w細(xì)胞的吸附作用＞生物礦化作用＞無菌發(fā)酵液的化學(xué)沉淀作用，再次說明菌株LAX2可通過生物礦化作用固定Pb2+，而這種作用有別于單一的菌體細(xì)胞吸附和化學(xué)沉淀作用。目前對(duì)重金屬碳酸鹽礦化作用的研究主要是理論研究，實(shí)際應(yīng)用研究較少，許燕波等[26]用碳酸鹽礦化菌對(duì)土壤進(jìn)行兩周的修復(fù)后，土壤有效態(tài)Pb含量減少了58.8%，本菌與其相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。成亮等[16]研究發(fā)現(xiàn)碳酸鹽礦化菌能夠通過生物礦化作用在25 d內(nèi)使得土壤中有效態(tài)Cd的含量下降91%左右，但并沒有研究菌株對(duì)土壤中Pb的生物礦化過程。本文所用的菌株LAX2對(duì)土壤中有效態(tài)Pb的固定化呈現(xiàn)出適應(yīng)-快速-緩慢的過程，前2 d屬于適應(yīng)階段，菌株需要一定的時(shí)間來調(diào)節(jié)自身的生理機(jī)能去適應(yīng)新的環(huán)境，因此土壤中有效態(tài)Pb含量下降很慢，從第2 d開始快速下降，培養(yǎng)5 d后土壤中有效態(tài)Pb含量下降56.1%；之后由于重金屬有效態(tài)含量很低，發(fā)酵液對(duì)重金屬的固定作用進(jìn)入緩慢階段，培養(yǎng)10 d后土壤有效態(tài)Pb的含量下降了76.5%；隨后土壤中有效態(tài)Pb的含量下降速度明顯減慢，但與對(duì)照相比仍在降低，培養(yǎng)30 d的土壤中有效態(tài)Pb的含量降低了86.8%。小白菜盆栽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)菌株LAX2發(fā)酵液對(duì)小白菜的生長(zhǎng)、吸收Pb的量和土壤有效態(tài)Pb含量都有明顯的影響。與菌體細(xì)胞吸附和化學(xué)沉淀相比，生物礦化作用更能有效降低土壤中有效態(tài)Pb含量，進(jìn)而降低Pb的毒性，促進(jìn)小白菜的生長(zhǎng)和減少小白菜對(duì)Pb的吸收。以上結(jié)果表明，菌株LAX2在礦化固結(jié)土壤中有效態(tài)Pb，降低其毒性方面具有較大的應(yīng)用潛力。

4 結(jié)論

（1）一株對(duì)Pb具有較強(qiáng)抗性的氧化木糖無色桿菌LAX2可通過生物礦化作用形成直徑高達(dá)2 μm的PbCO3晶體。生物礦化作用對(duì)溶液中Pb2+的去除率大于化學(xué)沉淀作用，但小于菌體細(xì)胞的吸附作用。

（2）菌株LAX2發(fā)酵液對(duì)污染土壤中有效態(tài)Pb的固定作用呈現(xiàn)適應(yīng)-快速-緩慢三個(gè)階段，培養(yǎng)30 d后土壤中有效態(tài)Pb的含量可下降86.8%。

（3）與化學(xué)沉淀和菌體細(xì)胞吸附作用相比，菌株LAX2發(fā)酵液可通過生物礦化作用去除土壤中更多的有效態(tài)Pb，從而減少Pb對(duì)小白菜的毒性作用及其在小白菜可食部位的積累量。因此，菌株LAX2是礦化固結(jié)土壤中有效態(tài)Pb的優(yōu)良菌種資源，可應(yīng)用于Pb污染土壤的生物修復(fù)。

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Biomineralization of Pb by a strain of Achromobacter xylosoxidans and its practical application in bioremediation

LI Zhe,CHEN Tong-yue,LENG Su,WU Di,ZHANG Xiu-fang,ZHOU Ye,CHE Chi,LI Ming-tang*
（College of Resource and Environmental Science,Key Laboratory of Soil Resource Sustainable Utilization for Jilin Province Commodity Grain Bases,Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China）

The biomineralization of Pb by a fermentation broth of bacterial strain Achromobacter xylosoxidans LAX2 growing in a urea-containing medium,and the effect of Pb immobilization effect in soil,were studied.The results showed that the growth of LAX2 was not significantly affected when the concentration of Pb in the medium was less than 105 mg·L-1.Scanning electron microscopy,X-ray diffraction analysis,Fourier transform infrared spectroscopy,and energy spectrum analysis showed that the fermentation broth produced by the LAX2 growing in a urea-containing culture system formed a spherical PbCO3crystal,with a maximum diameter of 2 μm,by biomineralization.The Pb2+removal rates via biomineralization,bacterial cell adsorption,and chemical precipitation were 86.3%,91.6%,and 67.4%respectively,indicating that there were different mechanisms in the three processes.Two days after incubation with the LAX2 fermentation broth,the amount of available Pb in the soil decreased rapidly;but after 5 d,the tendency slowed down.Overall,the amount of available Pb in the soil showeda declining trend during 30 d of incubation.The content of available Pb in the soil decreased 56.1%,76.5%,and 86.8%after 5,10,and 30 d of incubation,respectively.Compared with the control groups,the addition of fermentation broth,sterile fermentation broth,and bacterial cells to Pb-contaminated soil increased the heights of Chinese cabbage plants by 49.4%,21.6%,and 9.6%,respectively;the content of available Pb in the soil decreased by 78.1%,64.2%,and 52.4%,respectively;and the content of Pb in the Chinese cabbage decreased by 56.5%,27.4%,and 14.5%,respectively.These results indicate that the strain LAX2 has important value in bioremediation of Pb-contaminated soil,due to its ability to form crystalline PbCO3with via biomineralization,leading to Pb immobilization and a reduction of Pb toxicity to,and accumulation in plants.

Achromobacter xylosoxidans strain LAX2;biomineralization;available lead;bioremediation

S154

A

1672-2043（2017）10-2014-07

10.11654/jaes.2017-0432

李 哲，陳潼樾，冷 粟，等.一株氧化木糖無色桿菌對(duì)Pb的生物礦化作用及其應(yīng)用效果研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（10）：2014-2020.

LI Zhe,CHEN Tong-yue,LENG Su,et al.Biomineralization of Pb by a strain of Achromobacter xylosoxidans and its practical application in bioremediation[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（10）：2014-2020.

2017-03-24 錄用日期：2017-05-09

李 哲（1993—），女，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，主要從事環(huán)境污染控制與修復(fù)方面的研究。E-mail：1310340152@qq.com

*通信作者：李明堂 E-mail：limtdoc2008@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金（51109089）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20160204025SF）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（51109089）；Program of Science and Technology Development Plan of Jilin Province（20160204025SF）