梁朱明　羅學(xué)剛

摘要：針對(duì)污染環(huán)境生物修復(fù)后產(chǎn)生的大量富集植物體低成本快速處理的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，選用枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）等組成的復(fù)合菌劑，用印度芥菜（Brassica juncea）等對(duì)重金屬有很強(qiáng)富集能力的植物作為材料進(jìn)行超富集植物體減容減重應(yīng)用基礎(chǔ)研究。結(jié)果表明，經(jīng)微生物復(fù)合菌劑處理的超富集植物體的體積減容率達(dá)到96%，比對(duì)照增加23個(gè)百分點(diǎn);纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解率分別達(dá)到69.06%、80.75%、28.59%，分別比對(duì)照增加27.35、14.75、5.49個(gè)百分點(diǎn)。充分證明微生物復(fù)合菌劑對(duì)重金屬超富集植物體具有顯著的減容減重能力和潛在的應(yīng)用推廣前景。

關(guān)鍵詞：微生物復(fù)合菌劑;重金屬;超富集植物;減容;減重

中圖分類號(hào)：X705 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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

針對(duì)不同的污染環(huán)境開(kāi)發(fā)低成本、經(jīng)濟(jì)高效的生物修復(fù)技術(shù)來(lái)治理和修復(fù)污染環(huán)境是一個(gè)重要的世界性研究課題[1]。與傳統(tǒng)的物理、化學(xué)及工程技術(shù)方法相比，生物修復(fù)技術(shù)雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，且應(yīng)用前景看好，但真正推廣這項(xiàng)技術(shù)仍有許多問(wèn)題需要解決[2]。其中，生物修復(fù)后產(chǎn)生的大量富集植物體的后處理是生物修復(fù)技術(shù)面臨的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，因?yàn)槠渚哂兄亟饘俚任廴疚锖扛?，體積、重量龐大等特點(diǎn)，因此使得處理的費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)大，甚至?xí)纬商幚韴?chǎng)及處理設(shè)施的重金屬等二次污染[3]。如果不突破這些瓶頸問(wèn)題，污染環(huán)境控制與生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景就會(huì)受到質(zhì)疑。重金屬等污染物富集生物體的安全處置是今后生物修復(fù)技術(shù)亟需解決的重要技術(shù)難題之一。

目前處理超富集植物體堆積的主要方法有焚燒法、灰化法[4]、壓縮填埋法[5]、化學(xué)法[6，7]等，但是這些方法的處理過(guò)程和后續(xù)處理并不完善，對(duì)于場(chǎng)地和設(shè)備的要求較高，且費(fèi)用較為昂貴[8]。目前對(duì)于超富集植物體處理處置的研究皆停留于實(shí)驗(yàn)室階段，大部分研究均以植物秸稈粉末為纖維素源在培養(yǎng)基中進(jìn)行模擬試驗(yàn)[9，10]，這些研究的可控性較強(qiáng)，但是不能模擬出大量超富集植物體減容減重的實(shí)際過(guò)程。

超富集植物體中木質(zhì)纖維素的含量約占80%，其中半纖維素約占30%，纖維素約占45%，木質(zhì)素約占20%[11]。纖維素主要構(gòu)成了植物纖維的骨架結(jié)構(gòu)，而半纖維素和木質(zhì)素一般存在于纖維素的內(nèi)部和周圍，三者在共價(jià)鍵和化學(xué)鍵的作用下連接，其中作用最為明顯的是共價(jià)鍵。半纖維素是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體[12]。木質(zhì)素是不定形的、含有氧代苯丙醇或其衍生物結(jié)構(gòu)單元的芳香性高聚物，它的存在使得超富集植物體木質(zhì)部能夠維持極高的硬度而足以承拓整株植物的重量[13]，同時(shí)作為一個(gè)致密的物理屏障存在于植物細(xì)胞壁中，能夠起到抵抗氧化壓力和阻止微生物入侵的作用[14]。所以植物體降解速率較慢的重要原因就包括纖維素構(gòu)成結(jié)晶區(qū)域和半纖維素、木質(zhì)素的包裹[15，16]。因此，對(duì)于木質(zhì)纖維素的降解是超富集植物體微生物減容減量技術(shù)的重點(diǎn)。

本研究主要利用枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）混合的微生物菌劑對(duì)超富集植物體進(jìn)行應(yīng)用基礎(chǔ)研究，選用的超富集植物體有印度芥菜（Brassica juncea）、馬尾草（Equisetum arvense）、小白菜（Brassica chinensis）、血莧（Iresine herbstii）。已有文獻(xiàn)報(bào)道本研究選用的印度芥菜[17，18]、小白菜[19，20]、馬尾草[21]等對(duì)重金屬都有著較強(qiáng)的富集能力。本研究通過(guò)在2 m×2 m×1 m減容池中進(jìn)行印度芥菜、小白菜等超富集植物體的微生物復(fù)合菌劑減容減重試驗(yàn)，觀測(cè)超富集植物體減容減重效果和表面微觀形態(tài)變化特征，表征其木質(zhì)纖維素的變化規(guī)律，可為污染環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)和大量超富集植物體的低成本、高效處理處置提供一定的理論和技術(shù)參考。

通過(guò)試驗(yàn)組與對(duì)照組的數(shù)據(jù)對(duì)比，試驗(yàn)組和對(duì)照組半纖維素降解率都超過(guò)了50%，而試驗(yàn)組和對(duì)照組木質(zhì)素降解率均偏低，試驗(yàn)組為28.59%，對(duì)照組為23.10%，差距不大。這證明在超富集植物體減容減重過(guò)程中，半纖維素和纖維素含量的變化并不是決定性的指標(biāo)。半纖維素較容易被降解，無(wú)論是否加入復(fù)合菌劑其降解率均在50%以上，此結(jié)果與韓瑋等[26]的研究結(jié)論相近。木質(zhì)素是極其難降解的，即使添加了復(fù)合菌劑，木質(zhì)素的降解率仍低于30%，說(shuō)明木質(zhì)素的降解依然是超富集植物體減容減重過(guò)程中需要克服的難題，此結(jié)果與黃得揚(yáng)等[22]的研究結(jié)果一致。

2.4 ?減容減重過(guò)程中微生物菌劑有效活菌數(shù)變化

對(duì)減容池試驗(yàn)組中試驗(yàn)初期和后期樣品中有效活菌數(shù)（芽孢桿菌）進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，有效活菌數(shù)（芽孢桿菌）在試驗(yàn)初期和后期分別為18.33、140.00億CFU/g。表明試驗(yàn)組添加的復(fù)合菌劑中的微生物有著良好的生長(zhǎng)。

2.5 ?減容減重過(guò)程中菌體重金屬含量變化

對(duì)減容池試驗(yàn)組中試驗(yàn)前后菌體中鉛、錳、鎘的含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。數(shù)據(jù)證明本研究中所使用的復(fù)合菌劑中的微生物在進(jìn)行超富集植物體減容減重的同時(shí)，也對(duì)其重金屬進(jìn)行了一定的吸附和固定，且吸附量與司慧[27]的研究結(jié)果相近但仍有一定的差距，其原因可能是試驗(yàn)原材料重金屬的初始濃度不同，微生物的富集效果也不同。

2.6 ?減容減重過(guò)程中富集植物體的形態(tài)

如圖7所示，對(duì)照組池中剩余超富集植物體與初始狀態(tài)變化并不明顯，還有大量未被降解完全的植物纖維存在;而在試驗(yàn)池中已無(wú)可見(jiàn)的植物纖維存在，池中僅有降解后的菌體、腐殖質(zhì)等泥漿狀物質(zhì)存在。通過(guò)對(duì)烘干后的樣品進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)組的烘干樣顏色更深且更易碎，而對(duì)照組的烘干樣依然保持著莖稈的形態(tài)，韌性較高。

2.7 ?減容減重中超富集植物體微觀結(jié)構(gòu)變化

由圖8可以看出，試驗(yàn)組超富集植物體的組織結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，植物干樣中的纖維結(jié)構(gòu)明顯扭曲和破壞，多處發(fā)生斷裂（圖8A、圖8B）;而對(duì)照組超富集植物體烘干樣中纖維結(jié)構(gòu)基本并未受到過(guò)多的破壞，結(jié)構(gòu)依然緊密、清晰可見(jiàn)。

3 ?討論

在超富集植物體微生物減容減重研究中，最主要的過(guò)程是微生物對(duì)超富集植物體木質(zhì)纖維素的降解。纖維素的降解主要原理是依靠微生物分泌的CX酶（內(nèi)切型葡聚糖酶）、C1酶（外切型葡聚糖酶） 和Ch酶（β-葡萄糖苷酶）等酶進(jìn)行協(xié)同作用[28]，斷裂纖維素的長(zhǎng)鏈，最終水解為葡萄糖[29]。

結(jié)合減容池中剩余物質(zhì)的溫度變化和半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量的變化以及超富集植物體體積變化來(lái)進(jìn)行分析可以看出，試驗(yàn)開(kāi)始前7 d，微生物的生長(zhǎng)處于遲緩期，半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的含量下降緩慢。微生物在降解超富集植物體半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的過(guò)程中會(huì)放出大量的熱量，從而導(dǎo)致剩余物質(zhì)的溫度開(kāi)始上升。這些熱量既促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)與繁殖，同時(shí)蒸發(fā)了超富集植物體中剩余的水分，使得減容池中超富集植物體的體積大幅下降[22]。在試驗(yàn)14 d時(shí)，減容池中剩余物質(zhì)的溫度達(dá)到59.7 ℃，體積減容率達(dá)到66%，纖維素的含量下降到9.43%，半纖維素的含量下降到7.32%。在7～21 d，微生物的生長(zhǎng)處于對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定期，微生物的大量繁殖使得超富集植物體的半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的降解速率達(dá)到最大，剩余物質(zhì)的溫度保持穩(wěn)定的高溫。隨后在大量微生物代謝物積累和過(guò)高溫度的影響下，微生物的活性開(kāi)始下降，生長(zhǎng)進(jìn)入衰亡期，超富集植物體半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的降解速率開(kāi)始減緩，剩余物質(zhì)溫度開(kāi)始下降，并最終趨于穩(wěn)定。最終超富集植物體的減容率為96%，半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的降解率為69.06%、80.75%、28.59%。

4 ?結(jié)論

本研究利用微生物復(fù)合菌劑對(duì)印度芥菜等超富集植物體進(jìn)行減容減重研究，使得超富集植物體的減容率達(dá)96%，比對(duì)照組增加23個(gè)百分點(diǎn);半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的降解率分別達(dá)69.06%、80.75%、28.59%，分別比對(duì)照增加14.75、27.35、5.49個(gè)百分點(diǎn);超富集植物體的纖維結(jié)構(gòu)基本被分解、破壞。本研究數(shù)據(jù)證實(shí)了該處理方法能有效減少超富集植物體的體積，并可大幅降低超富集植物體中的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量。本研究結(jié)果為污染環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)和大量超富集植物體的低成本、高效處理處置提供一定的理論和技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王 ?浩，王艷琴.鈾污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)[J].環(huán)境與發(fā)展，2019，31（3）：36-38，40.

[2] LIU W，ZHOU Q，ZHANG Z，et al. Evaluation of cadmium phytoremediation potential in Chinese cabbage cultivars[J].Journal of agricultural and food chemistry，2011，59（15）：8324-8330.

[3] 曹少飛，李建國(guó)，韓寶華，等.大面積低水平放射性污染土壤的植物修復(fù)研究現(xiàn)狀[J].輻射防護(hù)通訊，2016，36（1）：18-22.

[4] 張 ?毅.灰化溫度對(duì)秸稈灰溶解特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[D].山東淄博：山東理工大學(xué)，2017.

[5] 薩如拉，楊恒山，范 ?富，等.秸稈還田量和腐熟劑對(duì)秸稈降解率和土壤理化性質(zhì)的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，47（9）：56-61.

[6] 王 ?芳，李 ?偉，韓永勝，等.復(fù)合化學(xué)方法對(duì)玉米秸稈的處理效果研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（36）：74-77.

[7] 張涵飛，潘云霞.不同化學(xué)處理方法對(duì)水稻秸稈結(jié)構(gòu)的影響[J].廣東化工，2018，45（18）：83-84，86.

[8] 劉 ?娜，王 ?炳，刁其玉，等.玉米秸稈飼料菌酶復(fù)合發(fā)酵技術(shù)[J].飼料工業(yè)，2018，39（17）：45-49.

[9] 唐淦海.不同秸稈污泥堆肥施用土壤-植物效應(yīng)研究[D].重慶：西南大學(xué)，2011.

[10] 于慧娟，郭夏麗.秸稈降解菌的篩選及其纖維素降解性能的研究[J].生物技術(shù)通報(bào)，2019，35（2）：58-63.

[11] 王金成.Fe-Mn-Mg離子對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響[D].重慶：重慶大學(xué)，2015.

[12] 唐國(guó)濤，邢沙沙，黃榕彬，等.脂麻稈中纖維素與半纖維素的含量測(cè)定[J].作物研究，2012，26（1）：53-55.

[13] 王金主，王元秀，李 ?峰，等.玉米秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的測(cè)定[J].山東食品發(fā)酵，2010（3）：44-47.

[14] 劉保平.作物秸稈的微生物降解研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[15] 盧 ?松.微生物處理玉米秸稈腐解特征研究[D].重慶：西南大學(xué)，2010.

[16] YAN H L，LI Z K，WANG Z C，et al. Characterization of soluble portions from cellulose，hemicellulose，and lignin methanolysis[J].Fuel，2019，246：394-401.

[17] 榮麗杉，楊金輝，凌 ?輝，等.印度芥菜對(duì)鈾的生理響應(yīng)與積累特征[J].金屬礦山，2015（7）：155-158.

[18] 楊 ?卓，韓德才，李博文.不同栽培條件下印度芥菜對(duì)重金屬的吸收比較[J].環(huán)境科學(xué)研究，2014，27（3）：295-300.

[19] 白利勇，季慧慧，孫文軒，等.粉煤灰中重金屬Pb/Cr/Cu在土壤—小白菜中的遷移與形態(tài)轉(zhuǎn)化[J].土壤學(xué)報(bào)，2019，56（3）：682-692.

[20] 代允超，呂亞敏，呂家瓏.土壤性質(zhì)對(duì)小白菜吸收鉻（Cr）的影響及預(yù)測(cè)模型研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49（1）：244-250.

[21] 嚴(yán) ?密.農(nóng)田雜草對(duì)鉛的富集和耐性機(jī)制研究[D].安徽蕪湖：安徽師范大學(xué)，2007.

[22] 黃得揚(yáng)，陸文靜，王洪濤，等.高效纖維素分解菌在蔬菜-花卉秸稈聯(lián)合好氧堆肥中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)，2004，25（2）：145-149.

[23] 吳文韜，鞠美庭，劉金鵬，等.一株纖維素降解菌的分離、鑒定及對(duì)玉米秸稈的降解特性[J].微生物學(xué)通報(bào)，2013，40（4）：712-719.

[24] 楊 ?娟，王 ?艷，蔡云花，等.解淀粉芽胞桿菌對(duì)玉米秸稈的降解特性[J].農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，27（3）：526-533.

[25] 孫冬梅，文安宇，李 ?響，等.混菌發(fā)酵對(duì)產(chǎn)纖維素酶的影響及菌劑在大豆秸稈降解中的應(yīng)用[J].大豆科學(xué)，2019，38（1）：49-55.

[26] 韓 ?瑋，何 ?明，楊再?gòu)?qiáng).添加外源纖維素酶對(duì)水稻秸稈模擬堆肥過(guò)程的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2014，8（11）：4955-4962.

[27] 司 ?慧.芽孢桿菌對(duì)鈾、錳、砷富集植物體的減容機(jī)理研究[D].四川綿陽(yáng)：西南科技大學(xué)，2017.

[28] 劉 ?俊.纖維素酶用于纖維改性及其相關(guān)機(jī)理的研究[D].天津：天津科技大學(xué)，2012.

[29] 崔海丹.耐高溫纖維素酶的分子克隆及性質(zhì)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.