隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展和工業(yè)化進程的加快，農(nóng)用化學品種類和數(shù)量急劇增加，導致土壤中的重金屬污染日益嚴重。重金屬是一種難降解的有害有毒污染物，其進入土壤后不僅會造成土壤質(zhì)量退化，導致農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量降低，還可以通過直接接觸或食物鏈進入人體，對生態(tài)環(huán)境及人類的健康造成嚴重的威脅。因此，需要了解和評估土壤的重金屬污染程度和環(huán)境質(zhì)量狀況，以便及時地對其進行治理和修復。
近年來，學者們逐漸認識到重金屬對生物介導的生態(tài)過程的影響。大量的研究表明，土壤微生物對于重金屬脅迫的敏感程度大于動物和植物，故其能夠用于預測土壤生態(tài)系統(tǒng)及環(huán)境質(zhì)量的變化，及時地反映土壤污染狀況。因此，土壤微生物的生態(tài)特征被認為是最具潛力的評價土壤污染程度的指標和依據(jù)。關(guān)于重金屬污染對土壤微生物生態(tài)特征影響的研究，國內(nèi)外學者們已經(jīng)做了大量的工作，對這些研究成果進行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)重金屬能引起土壤微生物生物量和活性、微生物群落結(jié)構(gòu)/功能和多樣性、土壤酶活性、土壤呼吸強度等生態(tài)特征的變化。隨著分子生物學技術(shù)(微陣列、基因芯片技術(shù)、16S rRNA、DGGE、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組和宏蛋白組)的廣泛應用，關(guān)于重金屬污染與土壤微生物變化的關(guān)系的研究進展迅速，并不斷有新的研究成果出現(xiàn)，尤其是在微生物群落的功能基因/蛋白質(zhì)、水平基因轉(zhuǎn)移、種群間相互作用等方面。然而，目前對于該領(lǐng)域的研究缺乏詳細系統(tǒng)的綜述。
本文對重金屬污染引起的微生物特征變化(微生物生物量、微生物群落結(jié)構(gòu)/功能和多樣性、微生物的耐性功能基因/蛋白質(zhì)和代謝能力、土壤酶活性和土壤呼吸強度)的研究現(xiàn)狀進行了綜述，指出了目前研究中存在的問題，對未來的研究方向進行了總結(jié)和展望。
1 重金屬對土壤微生物的影響
1.1土壤微生物量
微生物對重金屬污染的響應有所不同，大量的研究表明高濃度的重金屬能夠?qū)ν寥牢⑸锂a(chǎn)生脅迫，降低其生物量。一方面，高濃度的重金屬能夠破壞細胞的結(jié)構(gòu)和功能，加快細胞的死亡，抑制微生物的活性或競爭能力從而降低生物量;另一方面，在重金屬脅迫下，土壤中微生物需要過度消耗能量以抵御環(huán)境脅迫而抑制了其生物量生長。Tayebi 等研究發(fā)現(xiàn)，重金屬對微生物所產(chǎn)生的毒性大小表現(xiàn)為鎘>銅>鋅>鉛，同一種重金屬的毒性大小隨著土壤中有機物質(zhì)含量的升高而降低。張雪晴等研究發(fā)現(xiàn)，銅礦區(qū)附近土壤中微生物的生物量隨著重金屬污染程度的增加而明顯下降，群落多樣性也降低。但是，也有研究指出低濃度的重金屬污染能夠促進微生物的生長，提高細胞活性和增加生物量。實際的重金屬污染環(huán)境多以復合污染為主，自然狀態(tài)的土壤體系中復合重金屬污染對微生物生態(tài)功能的影響尤其是在較大區(qū)域范圍內(nèi)的研究仍較欠缺。
由于不同類型土壤中的微生物有所差異，同一重金屬對微生物生物量也會產(chǎn)生不同的影響。因此，在分析和調(diào)查實地重金屬污染土壤性狀的基礎上研究重金屬對微生物生態(tài)功能的影響是十分必要的。
1.2土壤微生物群落
土壤微生物群落是反映土壤穩(wěn)定性和生態(tài)機制的重要敏感性指標，良好的微生物種群是適應外界因素和維持土壤肥力的必要因素。大多數(shù)情況下，重金屬污染會對微生物固有的群落結(jié)構(gòu)和活性造成不利影響。長期受重金屬污染的環(huán)境中的微生物群落結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，物種多樣性發(fā)生大規(guī)模的減少，大部分敏感的物種逐漸消失甚至滅絕，而關(guān)鍵代謝活動(反硝化和重金屬抗性)較強的耐性物種存活下來形成新的群落，數(shù)量增多并積累。不同種類的微生物對重金屬的敏感程度不同而產(chǎn)生不同的耐性，刁展研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物對鉛、鎘、汞、鎘和砷的耐受程度均表現(xiàn)為真菌>放線菌>細菌。鋅、鎘和鉛的長期污染沒有降低森林土壤中微生物的多樣性，只是改變了群落組成。在污染土壤中變形菌門占據(jù)明顯優(yōu)勢，綠彎菌門和芽單胞菌門的豐度增加，說明這些微生物種群能夠較好地適應重金屬脅迫而在維持土壤生態(tài)平衡過程中起重要作用。低濃度的As 促使部分耐受菌迅速積累成為優(yōu)勢菌群，從而導致土壤微生物總量有所增加，PLFA 分析顯示，革蘭氏陽性細菌/陰性細菌的比值升高。但是也有研究發(fā)現(xiàn)，土微生物群落結(jié)構(gòu)與重金屬污染沒有明顯的關(guān)系，Grandlic 等研究了湖泊沉積物中細菌對砷污染的響應，結(jié)果表明砷未對這些細菌群落的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。
土壤的理化性質(zhì)(土壤類型、有機質(zhì)含量、含水率、pH 值等)會影響重金屬的毒性和生物可利用性。因此，微生物群落的變化可能是由重金屬濃度和土壤性質(zhì)共同決定的，而土壤理化性質(zhì)與微生物群落的變化具有更強的相關(guān)性。例如，Chodak 等研究發(fā)現(xiàn)森林土壤中微生物對重金屬的敏感程度大于濕地土壤中的微生物。目前，關(guān)于重金屬對微生物影響的研究主要是在微生物群落整體變化水平上進行的，不同的微生物種群或個體在應對重金屬脅迫時所發(fā)揮的作用及其機理還不明確。鑒于微生物種群間的相互作用對生物適應重金屬污染環(huán)境的重要性，有關(guān)微生物間相互作用的研究工作有待進一步開展。此外，為了保證和實現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，在研究中不能只關(guān)注種群的結(jié)構(gòu)和多樣性等，更重要的是明確關(guān)鍵的微生物與土壤生態(tài)功能和過程之間的關(guān)系。因此，需要加強重金屬對種群的生理功能及相關(guān)基因、遺傳多樣性和種群動態(tài)變化的影響等方面的研究。
1.3土壤微生物功能基因/蛋白質(zhì)和代謝活動
土壤微生物通過細胞內(nèi)的基因、蛋白質(zhì)和酶參與一系列的代謝活動，這成為了解微生物功能多樣性與土壤功能之間關(guān)系的紐帶，為從功能蛋白質(zhì)和基因角度了解土壤環(huán)境變化和微生物生態(tài)效應之間的關(guān)系提供一個新的途徑。隨著分子生物學技術(shù)的快速發(fā)展，應用先進的基因芯片技術(shù)、微陣列技術(shù)和組學技術(shù)(宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組和宏蛋白組學)等檢測方法從分子水平上來探索土壤微生物的基因、蛋白質(zhì)和代謝功能/途徑的信息成為研究熱點。
在不同濃度的鎘、鉛和鋅污染的土壤中，微生物群落功能多樣性的差異較小。宏轉(zhuǎn)錄組學分析結(jié)果表明，差異基因主要是與重金屬抗性機制相關(guān)的基因(如編碼金屬硫蛋白、金屬運輸酶和透性酶的基因)，實現(xiàn)其對重金屬的外排與解毒作用。另外，參與到遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程的基因在高濃度重金屬污染土壤中的表達最顯著，說明該機制在微生物適應重金屬污染的過程中也發(fā)揮了重要作用。在低濃度時，與應激和饑餓反應相關(guān)的基因表達量最高，這可能是由于在低濃度重金屬污染土壤中的微生物生物量與中、高濃度污染的土壤中相比相對較高，對生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)存在競爭。在受重金屬嚴重污染的土壤中，從微生物群落的整體水平上看，基因的多樣性較低，但是其中一些功能基因(重金屬穩(wěn)態(tài)基因和硫酸鹽還原基因等)的表達量明顯偏高。Yin 等研究發(fā)現(xiàn)與碳代謝、重金屬穩(wěn)態(tài)(R、metC 和merB 等)、有機物降解和次級代謝等相關(guān)的功能基因表達明顯上調(diào)而增強了微生物群落的某些功能，不同微生物之間的相互作用也相應增強，從而對重金屬污染環(huán)境具有更高的耐受和適應能力。
水平基因轉(zhuǎn)移作為不同菌株或單個細胞內(nèi)部細胞器之間進行遺傳物質(zhì)交流的重要方式，是促使微生物形成多重耐性的重要驅(qū)動力。另外，水平基因轉(zhuǎn)移還加快了微生物進化的速度，與重金屬耐性相關(guān)的功能基因通過水平基因轉(zhuǎn)移進入受體菌中，不僅能通過自身的基因表型作用改變微生物的生理特征，還可作用于受體菌的染色體或質(zhì)粒使微生物的多樣性發(fā)生變化，進而改變微生物的群落結(jié)構(gòu)。因此，水平基因轉(zhuǎn)移可能是土壤微生物種群應對重金屬污染并維持多樣性的主要分子機制。然而，目前關(guān)于重金屬污染土壤中功能基因水平轉(zhuǎn)移的研究嚴重欠缺，還沒有關(guān)于這些基因的水平轉(zhuǎn)移擴散方式和分子機制的研究，應該引起學者們的足夠重視。
近年來，土壤宏蛋白質(zhì)組學作為在蛋白質(zhì)水平上對土壤質(zhì)量和功能進行定性和定量評價的強有力的工具，逐漸被應用于重金屬污染土壤中微生物群落的研究。Lacrtda 等利用宏蛋白組學技術(shù)研究了微生物群落對鎘污染的響應機制，結(jié)果表明，鎘能夠抑制甲基化酶活性引起DNA 損傷，進而增強DNA 修復蛋白的表達和核糖體蛋白(蛋白質(zhì)合成)的表達。鎘污染還增強了與重金屬外排和轉(zhuǎn)運相關(guān)的蛋白質(zhì)(ATP 合成酶、ABC 轉(zhuǎn)運蛋白和分泌系統(tǒng)蛋白)的表達，這將有利于及時地將鎘排除至細胞外而降低其對微生物的毒性。另外，重金屬脅迫還能夠誘導微生物細胞的其他解毒機制，例如通過合成熱休克蛋白以維持正常的生理活動，促進氧化蛋白的再活化來阻止重金屬脅迫對其他生物大分子的損害而有利于氨基酸的合成/分解。Hodson 研究發(fā)現(xiàn)，重金屬脅迫下一些真核微生物會產(chǎn)生金屬硫蛋白，其可以與多種重金屬絡合，但是一般在鎘脅迫下才會大量表達。張曦研究了重金屬對土壤蛋白質(zhì)表達的影響，結(jié)果表明隨著重金屬濃度增加，土壤中分子量大于35 KD 的蛋白質(zhì)逐漸減少，而分子量相對較小(約15 KD)的蛋白質(zhì)的表達增加，這可能與土壤微生物在重金屬脅迫下細胞代謝水平改變有關(guān)，重金屬會刺激微生物合成低分子量的蛋白質(zhì)(如金屬硫蛋白、熱激蛋白)。由于不同重金屬脅迫可能會誘導微生物產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)，因此在今后的研究中應加強對這些小分子蛋白質(zhì)的分析，這將有助于進一步了解微生物對重金屬的耐受機制。另外，還需將土壤蛋白質(zhì)組學與穩(wěn)定同位素探針技術(shù)相結(jié)合，明確重金屬污染引起的土壤中微生物蛋白質(zhì)或者酶變化的情況，以便能更準確地獲得與具體的調(diào)控過程相關(guān)的蛋白質(zhì)并確定其來源。
關(guān)于重金屬污染對微生物群落代謝影響的研究較少，短期的砷污染會降低土壤中微生物的代謝多樣性，進而對微生物群落產(chǎn)生一定的影響。歷史遺留砷污染場地中的微生物代謝多樣性幾乎沒有改變。但是長期的鎘污染導致土壤微生物代謝結(jié)構(gòu)由碳水化合物代謝轉(zhuǎn)向氨基酸代謝為主。郭星亮等研究發(fā)現(xiàn)陜西銅川礦區(qū)銅、鋅、鉛和鎘的污染程度與土壤微生物群落的代謝特性密切相關(guān)。輕度和中度的重金屬污染增強了土壤微生物群落對糖類和氨基酸類碳源的利用，而重度污染抑制了微生物群落對碳源的利用。
2 土壤中重金屬對微生物活動的影響
2.1土壤呼吸強度
土壤呼吸強度能夠反映微生物的代謝能力和活性，不僅與土壤環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)，而且對重金屬的敏感性高。到目前為止，重金屬污染對土壤呼吸的影響一直存在爭議。土壤呼吸強度與重金屬之間的關(guān)系隨著時間的變化而改變，與土壤中有機質(zhì)的含量、有機碳礦化速率和微生物數(shù)量呈正相關(guān)，但是與pH 和含水率沒有直接關(guān)系。鎘、銅、鉛和鋅的長期污染顯著降低了土壤的呼吸強度，尤其對粗砂土的影響比黏粒土更明顯。在砂土中添加375 mg˙kg-1 鉛時，土壤呼吸速率降低了15%，向黏粒土和泥炭土中分別加入1500 mg˙kg-1 和7500 mg˙kg-1 鉛才能對土壤呼吸產(chǎn)生同等程度的抑制。然而，Zhang 等研究發(fā)現(xiàn)重金屬污染增強了水稻土壤的呼吸強度，這可能是因為在重金屬脅迫下微生物代謝活動從生物合成轉(zhuǎn)向了能量釋放的分解代謝過程。
2.2重金屬對土壤酶活性的影響
土壤酶主要來自于土壤微生物的分泌物，它們和微生物一起參與到土壤的物質(zhì)循環(huán)和能量代謝過程中。土壤微生物也是控制土壤酶分解轉(zhuǎn)化的主體，對土壤酶的種類和活性起著決定作用。另外，土壤微生物及其生物化學過程同樣受控于土壤酶的活性，這說明土壤酶活性與土壤微生物之間有著非常密切的關(guān)系。因此土壤酶活性可以作為反映土壤中微生物活力的一個重要指標。土壤酶活性的變化會影響土壤養(yǎng)分的循環(huán)，而土壤酶幾乎參與所有的生態(tài)反應和活動。蔗糖酶能夠催化蔗糖分解生成葡萄糖和果糖并為土壤微生物提供能量。脲酶將尿素水解后釋放銨到土壤中，酸性和中性磷酸酶能將有機磷化合物水解為無機磷。脫氫酶是一類參與到氧化磷酸化過程的胞內(nèi)酶，并且與微生物的呼吸過程密切相關(guān)。過氧化氫酶與好氧微生物的代謝活性有關(guān)，是土壤肥力的重要指標。
隨著土壤重金屬污染問題的日益嚴重，土壤酶活性對重金屬污染的指示作用逐漸受到關(guān)注。國內(nèi)外已開展了大量的研究，結(jié)果表明重金屬污染會對土壤酶活性產(chǎn)生促進或者抑制作用。微生物胞外酶(脲酶、酸性磷酸酶等)對重金屬污染的耐性明顯大于胞內(nèi)酶(脫氫酶、過氧化氫酶等)，在多數(shù)情況下，脲酶對重金屬污染的敏感程度大于酸性磷酸酶，脫氫酶的敏感性大于過氧化氫酶。過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性與重金屬(鎘、鋅、鉛、銅、砷、鉻)濃度呈負相關(guān)。Tayebi 等研究指出，重金屬污染引起的酶活性降低是因為重金屬降低了酶的生物合成而抑制了微生物生長，并不是直接對酶的抑制作用引起的。趙永紅等研究發(fā)現(xiàn)重金屬污染對脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶的活性無明顯影響。但是有一些研究發(fā)現(xiàn)在重金屬污染越嚴重的土壤中，微生物的酶活性越高。然而，關(guān)于重金屬污染增強土壤酶活性的作用機制目前還不清楚，今后應加強該方面研究。
土壤酶活性對重金屬濃度變化的響應程度與土壤pH、有機質(zhì)和黏土含量等性質(zhì)密切相關(guān)。芳香基硫酸酯酶對鉛(500 mg˙kg-1)、砷(50 mg˙kg-1)和鎘(1 mg˙kg-1)污染最為敏感，其活性與重金屬濃度呈負相關(guān)并隨著土壤中有機質(zhì)含量的降低而降低。另外，重金屬復合污染與單一重金屬對土壤酶的作用也不同，Khan 等指出，鎘和鉛共存時對土壤酶活性的抑制作用大于單一重金屬;而Wyszkowsk 等研究表明，單一重金屬銅對土壤酶的毒性作用大于銅與鋅、鎳、鉛、鎘和鉻的復合污染。其他環(huán)境因素也會對酶活性產(chǎn)生影響。
綜上所述，重金屬污染對土壤酶活性的影響是十分復雜的，利用酶活性作為重金屬污染的生態(tài)學評價指標還存在一定的限制，需要結(jié)合污染環(huán)境的實際情況。
3 結(jié) 論
重金屬污染脅迫能夠影響土壤微生物的生態(tài)特性，例如，土壤微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)和多樣性、微生物活動等，但是所得的結(jié)果不盡相同，有促進作用、抑制作用或無明顯影響。這不僅與重金屬種類和濃度有關(guān)，還與土壤的理化性質(zhì)(pH、含水率和質(zhì)地)有關(guān)，但是這些因素與重金屬污染引起的微生物生態(tài)特征變化的定性/定量關(guān)系目前尚未得到統(tǒng)一的定論。目前，大部分的研究是在實驗室可控條件下進行的，結(jié)果揭示的是短期重金屬污染對土壤中微生物的影響，可以較清晰地明確單個因素所產(chǎn)生的影響。自然環(huán)境土壤中的重金屬污染存在長期積累效應，土壤體系復雜多變，并易受到外界環(huán)境因素的干擾，雖然實驗周期較長但能充分反映實際情況。因此，需結(jié)合室內(nèi)及自然環(huán)境下的實驗結(jié)果以更準確地表征重金屬污染與土壤微生物特征之間的關(guān)系。針對不同的土壤類型和重金屬種類篩選出相應的微生物指標，為土壤的重金屬污染狀況評估提供理論基礎和科學依據(jù)。
4 展 望
鑒于土壤-重金屬-微生物生態(tài)系統(tǒng)具有復雜性、多樣性及不確定性的特點，為了更全面、系統(tǒng)地認識重金屬污染對土壤微生物及其生態(tài)過程的影響，未來還需從以下幾個方面開展進一步的研究：
(1)土壤pH 值、黏粒結(jié)構(gòu)和含水率等性質(zhì)的變化都會改變重金屬對土壤微生物所參與的生態(tài)活動的影響，在研究重金屬污染與土壤微生物生態(tài)特征的關(guān)系的基礎上，對這些因素進行綜合并定量化分析將是明確重金屬對土壤微生物生態(tài)特性的影響及相關(guān)機理的關(guān)鍵。
(2)加強分子生物學新技術(shù)的綜合運用，更準確地反映重金屬污染土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)、功能及多樣性的變化，明確微生物間的相互作用機制。重點關(guān)注重金屬耐性微生物的篩選。運用生物信息學和熒光定量PCR 等方法分析相關(guān)抗性基因的表達和變化，并加強對這些基因的水平轉(zhuǎn)移擴散方式和分子機制的研究，為控制和優(yōu)化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，強化其代謝功能以及提高微生物多樣性提供理論指導。
(3)重點開展重金屬劑量及暴露時間對土壤微生物生態(tài)特征的影響研究，并在此基礎上確定重金屬對土壤微生物的毒害濃度臨界值，并針對不同的土壤類型和重金屬種類建立相應的微生物評價指標體系，為調(diào)整土壤生態(tài)功能和重金屬污染土壤的修復和治理提供理論依據(jù)。
來源:生態(tài)環(huán)境學報 作者:劉沙沙 付建平 蔡信德 周建民 黨志 朱潤良
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