作者簡(jiǎn)介：侯昌萍（1988—），女，山東諸城人，主要研究方向：微生物應(yīng)用技術(shù)。

摘 要： 高氯酸鹽作為一種新型的持久性污染物，控制與修復(fù)高氯酸鹽污染成為新的研究熱點(diǎn)。但目前對(duì)于控制和修復(fù)農(nóng)業(yè)環(huán)境中高氯酸鹽污染研究相對(duì)較少，在眾多的修復(fù)方法中，微生物修復(fù)效果顯著、成本低廉，而且在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。本文分析了微生物修復(fù)農(nóng)業(yè)環(huán)境中高氯酸鹽污染的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)了微生物還原高氯酸鹽的機(jī)制以及微生物還原高氯酸鹽的影響因素，并討論了未來該領(lǐng)域的研究方向，以期為我國(guó)開展微生物對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境中高氯酸鹽污染修復(fù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞： 微生物修復(fù);高氯酸鹽;研究進(jìn)展

【中圖分類號(hào)】X171 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.31.159

高氯酸鹽通過競(jìng)爭(zhēng)性地抑制人體甲狀腺對(duì)碘的吸收，導(dǎo)致人類新陳代謝功能紊亂，較低濃度的高氯酸鹽即可影響機(jī)體發(fā)育，特別是神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。然而人體中約占80%的高氯酸鹽是通過膳食攝入的，美國(guó)EPA官方推薦高氯酸鹽攝入的安全參考劑量為0.7μg/kg/d，近年來，研究人員在蔬菜、水果、稻米、茶葉等多種農(nóng)產(chǎn)品中檢測(cè)到了高氯酸鹽，因此，高氯酸鹽污染對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響及其修復(fù)的研究成為了關(guān)注的熱點(diǎn)。

1 微生物修復(fù)農(nóng)業(yè)環(huán)境中高氯酸鹽污染的優(yōu)勢(shì)

目前水體中高氯酸鹽污染修復(fù)研究較多，最常用的高氯酸鹽去除技術(shù)包括吸附法、離子交換法、（電）化學(xué)還原法、膜分離法、植物修復(fù)以及微生物修復(fù)。污染物的去除不徹底是傳統(tǒng)物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)的主要弊端，且價(jià)格昂貴。

在植物修復(fù)方面，目前用于修復(fù)高氯酸鹽的植物有蕁麻、睡蓮、海蓬子等水生植物和樸樹、柳樹、榆樹、楊樹等陸生植物，研究表明濕地系統(tǒng)中高氯酸鹽濃度的降低主要與微生物降解有關(guān)，而水生植物的提取修復(fù)作用較小。相應(yīng)的，高氯酸鹽在陸生植物如楊樹葉片中的降解與根際微生物降解相比速度比較緩慢。同時(shí)，微生物對(duì)水體中高氯酸鹽修復(fù)存在著外源添加電子供體易造成水體有機(jī)污染的問題。不溶于水可生物降解聚合物（BDPs）作為微生物附著生長(zhǎng)的載體，并為微生物降解高氯酸鹽提供碳源和電子供體，應(yīng)用于水污染修復(fù)中具有不產(chǎn)生二次污染的優(yōu)點(diǎn)，但大部分BDPs價(jià)格較高，污染物的修復(fù)速率較低。若在農(nóng)業(yè)環(huán)境中，例如濕地、耕地等，則微生物修復(fù)產(chǎn)生的有機(jī)污染，可以轉(zhuǎn)化為植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，且微生物還原修復(fù)成本低廉，不占用耕地，在農(nóng)業(yè)環(huán)境中利用微生物修復(fù)高氯酸鹽污染具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

環(huán)境中并不缺乏高氯酸鹽還原微生物，高氯酸鹽和氯酸鹽具有較高的氧化還原電位，是微生物代謝反應(yīng)理想的電子受體。其次環(huán)境中存在豐富高氯酸鹽還原菌（PRB）和氯酸鹽還原菌（CRB），其中PRB既可以還原高氯酸鹽，也可以還原氯酸鹽，而CRB僅能還原氯酸鹽。PRB在環(huán)境中具有普遍性和多樣性，目前已經(jīng)在污水處理廠活性污泥、公園土壤、深層包氣帶、地下儲(chǔ)氣庫(kù)、深海等受污染或未受污染的環(huán)境介質(zhì)中陸續(xù)分離出新型的PRB。自1996年以來篩選獲得的PRB純培養(yǎng)菌株已經(jīng)超過60株。并且，越來越多的研究表明，高氯酸鹽和氯酸鹽還原功能基因可以被質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子、基因組島等整合，基因的橫向轉(zhuǎn)移使得越來越多的原先不能依賴氯氧化物代謝的新型微生物中以具備氯氧化物還原功能。在適宜的條件下，環(huán)境中的高氯酸鹽還原微生物可以將高氯酸鹽還原為氯離子。因此，利用外源添加特定高氯酸鹽還原菌株和或者定向誘導(dǎo)環(huán)境中的微生物群落修復(fù)高氯酸鹽污染是治理農(nóng)業(yè)環(huán)境中高氯酸污染的兩個(gè)方向。

2 微生物還原高氯酸鹽的作用機(jī)制

微生物可以將ClO-4、ClO-3作為終端電子受體并將其徹底地還原成氯離子。在強(qiáng)蒸發(fā)的干旱氣候環(huán)境中，微生物活動(dòng)受到限制，同時(shí)缺乏水對(duì)高氯酸鹽的溶解遷移，自然形成的ClO-4易富集在土壤（礦物）中，如取自南極干谷、火星表面的樣品中均有高濃度ClO-4的檢測(cè)出。而在適宜溫度條件、飽和水分下的厭氧環(huán)境、酸堿度適中和有機(jī)質(zhì)豐富的土壤條件下，有助于促進(jìn)厭氧活性污泥中高氯酸鹽還原微生物的生長(zhǎng)和對(duì)高氯酸鹽污染的修復(fù)。

PRB和CRB由于還原酶不同，酶反應(yīng)過程稍有不同。PRB還原高氯酸鹽涉及一個(gè)雙酶反應(yīng)過程，第一個(gè)酶為高氯酸鹽還原酶（pcr），該酶首先催化ClO-4還原為ClO-3，它是整個(gè)還原過程中的關(guān)鍵限速步驟，然后再將ClO-3還原為ClO-2，即ClO-4→ClO-3→ClO-2;第二個(gè)酶為亞氯酸鹽歧化酶（cld），催化ClO-2分解為O2和Cl-，即ClO-2→O2+Cl-。與PRB不同，CRB僅能還原氯酸鹽，CRB菌株先利用氯酸鹽還原酶（clr）將ClO-3還原為ClO-2，再利用亞氯酸鹽歧化酶，將ClO-2分解為O2和Cl-，即ClO-3→ClO-2→O2+Cl-。最終，由PRB和CRB產(chǎn)生的O2經(jīng)末端氧化酶（tox）轉(zhuǎn)化成水。此外，部分古菌雖缺乏高氯酸鹽還原酶和亞氯酸鹽歧化酶，仍能還原高氯酸鹽，推測(cè)可能與其周質(zhì)上的硝酸還原酶以及非生物還原有關(guān)。

3 微生物還原高氯酸鹽的影響因素

微生物修復(fù)高氯酸鹽的效率主要與電子供體的供應(yīng)量是否充足以及共存電子受體的競(jìng)爭(zhēng)等因素有關(guān)。充足的電子供體能夠促進(jìn)微生物對(duì)高氯酸鹽的還原，研究表明加入1：1化學(xué)計(jì)量數(shù)的電子供體要比2：1和4：1條件下高氯酸鹽的還原速率緩慢。電子供體主要分為有機(jī)電子供體和無機(jī)電子供體。研究中最常用的有機(jī)電子供體主要包括：乙酸鹽、乳酸鹽、葡萄糖、蔗糖、乙醇、甲醇等。有機(jī)電子供體能夠同時(shí)提供電子和碳源，同時(shí)還可以作為植物營(yíng)養(yǎng)元素，適宜于在農(nóng)業(yè)環(huán)境修復(fù)高氯酸鹽污染。無機(jī)電子供體主要包括Fe0、S0、H2、S2O3、H2S等，自養(yǎng)型微生物能夠利用這些無機(jī)電子供體，以CO2和HCO-3為無機(jī)碳源，實(shí)現(xiàn)ClO-4的降解。研究表明無機(jī)物質(zhì)作為電子供體時(shí)，其機(jī)理大都是利用反應(yīng)產(chǎn)生的H2作為直接的電子供體傳遞給高氯酸鹽將其還原為氯離子，還原徹底且無二次污染，但應(yīng)用成本較高，且運(yùn)輸使用不便，因此在農(nóng)業(yè)環(huán)境中利用異養(yǎng)微生物修復(fù)高氯酸鹽污染具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

目前報(bào)道的微生物還原高氯酸鹽的降解體系絕大多數(shù)是要求嚴(yán)格厭氧的，研究表明多數(shù)還原菌對(duì)O2、NO-3、ClO-4的利用能力大小順序?yàn)镺2>NO-3>ClO-4，可見，O2是影響ClO-4降解的最主要抑制劑。由于高氯酸鹽還原酶對(duì)氧化還原電位較為敏感，氧氣的存在會(huì)增加體系內(nèi)的氧化還原電位，因此，體系內(nèi)的溶解氧會(huì)抑制高濃度ClO-4的降解;另外，氧氣會(huì)抑制亞氯酸鹽歧化酶的活性，因而，體系中氧氣的存在會(huì)影響高氯酸鹽的降解效果。然而，也有報(bào)道指出，少數(shù)高氯酸鹽降解菌株其酶活性的表達(dá)并不受O2影響，如CRB Pseudomonas sp.strain PDA是最先報(bào)道的氯酸鹽還原過程不受有氧培養(yǎng)的菌株，該菌株的氯酸鹽還原酶和亞氯酸鹽歧化酶在有氧和無氧條件下均能持續(xù)表達(dá)。CRB Ideonella dechloratans被報(bào)道其氯酸鹽還原酶和亞氯酸鹽歧化酶在有氧條件下可以表達(dá)，但在厭氧條件下酶活力顯著提高。

4 總結(jié)與展望

高氯酸鹽作為一種新型的持久性污染物，其污染問題已引起國(guó)際關(guān)注，微生物還原修復(fù)技術(shù)成本低廉，在農(nóng)業(yè)環(huán)境中具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但農(nóng)業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，涉及到土壤-微生物-水-植物之間的相互關(guān)系，雖然高氯酸鹽還原微生物在環(huán)境中廣泛存在，但仍需恰當(dāng)調(diào)控和深入研究才能應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。目前，我國(guó)利用微生物對(duì)環(huán)境中高氯酸鹽污染的修復(fù)應(yīng)用仍處于起步階段。建議從以下幾個(gè)方面展開研究：

（1）由于自然生成、人類活動(dòng)引起的人為污染、高氯酸鹽本身的穩(wěn)定存在造成了高氯酸鹽在環(huán)境中的污染問題。近年來在農(nóng)產(chǎn)品中屢屢檢測(cè)出了高氯酸鹽的存在，但高氯酸鹽到底通過何種途徑進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品中，尚需系統(tǒng)深入的研究，例如開展土壤、根施肥料、灌溉水、葉面肥料中高氯酸鹽含量的調(diào)查，研究大氣沉降對(duì)植物吸收高氯酸鹽的影響，以及研究農(nóng)產(chǎn)品在是否可能在后續(xù)加工環(huán)節(jié)中引入高氯酸鹽污染等。

（2）在控制高氯酸鹽淋溶污染地下水的前提下，可嘗試將環(huán)境中的高氯酸鹽污染引入農(nóng)業(yè)環(huán)境中采用微生物修復(fù)，先從水田和濕地等厭氧的農(nóng)業(yè)環(huán)境開始嘗試，一方面外源添加的腐熟的有機(jī)物質(zhì)作為電子供體強(qiáng)化功能菌株對(duì)高氯酸鹽的降解，另一方面這些腐熟的有機(jī)物質(zhì)也是植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

（3）（高）氯酸鹽還原微生物在環(huán)境中具有多樣性和普遍性，目前的高氯酸鹽污染修復(fù)應(yīng)用主要集中在對(duì)土著微生物進(jìn)行誘導(dǎo)馴化，今后可通過從修復(fù)體系中篩選優(yōu)勢(shì)菌株，再經(jīng)富集擴(kuò)培后復(fù)合腐熟的有機(jī)物質(zhì)開發(fā)含有高氯酸鹽還原微生物的生物有機(jī)肥，在環(huán)境污染治理的同時(shí)又能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但與高氯酸鹽污染修復(fù)相適應(yīng)的作物還需要進(jìn)一步的研究，建議從喜氯或者耐氯較強(qiáng)的作物中篩選，如椰子、水稻、谷子、高粱、小麥、茄子、豌豆、菊花等。同時(shí)，還需考慮確保絕大部分的高氯酸鹽污染物能在根際降解，保障所種植作物的食品安全性，避免二次污染。

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