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黑麦草修复重金属污染土壤与废水及富集植物的微生物降解

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敬路淮, 肖伟, 田甲, 戚鑫, 肖诗琦, 晏婷婷, 张祥辉. 黑麦草修复重金属污染土壤与废水及富集植物的微生物降解[J]. 环境工程学报, 2019, 13(6): 1449-1456. doi: 10.12030/j.cjee.201810072
引用本文: 敬路淮, 肖伟, 田甲, 戚鑫, 肖诗琦, 晏婷婷, 张祥辉. 黑麦草修复重金属污染土壤与废水及富集植物的微生物降解[J]. 环境工程学报, 2019, 13(6): 1449-1456. doi: 10.12030/j.cjee.201810072
shu
JING Luhuai, XIAO Wei, TIAN Jia, QI Xin, XIAO Shiqi, YAN Tingting, ZHANG Xianghui. Heavy metals contaminated soil and wastewater remediation by ryegrass and microbial degradation of its enriched plant[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(6): 1449-1456. doi: 10.12030/j.cjee.201810072
Citation: JING Luhuai, XIAO Wei, TIAN Jia, QI Xin, XIAO Shiqi, YAN Tingting, ZHANG Xianghui. Heavy metals contaminated soil and wastewater remediation by ryegrass and microbial degradation of its enriched plant[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(6): 1449-1456. doi: 10.12030/j.cjee.201810072
shu

黑麦草修复重金属污染土壤与废水及富集植物的微生物降解

  • 1.

    西南科技大学生命科学与工程学院，绵阳 621010

  • 基金项目:

    国家核设施退役及放射性废物治理科研重点项目16ZG6101

    国民核生化灾害防护国家重点实验室开放基金项目SKLNBC2015-04

    四川省科技厅项目18YYJC0927国家核设施退役及放射性废物治理科研重点项目(16ZG6101)

    国民核生化灾害防护国家重点实验室开放基金项目(SKLNBC2015-04)

    四川省科技厅项目(18YYJC0927)

Heavy metals contaminated soil and wastewater remediation by ryegrass and microbial degradation of its enriched plant

  • 1.

    School of Life Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China

  • Fund Project:

摘要

  • 摘要: 为了研究黑麦草(Lolium perenne)修复复合重金属污染土壤与废水的综合利用效应，探索微生物对富集重金属黑麦草的降解效果，以复合重金属污染的土壤与废水为修复对象，利用黑麦草对土壤和废水进行修复，并考察了黑麦草的重金属含量、富集量、富集系数和转移系数。采用8种微生物对富集重金属黑麦草进行降解，考察黑麦草的失重率，黑麦草纤维素、半纤维素和木质素的变化情况以及重金属的浸出效果。结果表明：黑麦草对重金属污染的土壤与水体均具有较好的修复效果；在土壤修复阶段，黑麦草对U的富集系数最大，达到7.43；而对Cd的富集系数为2.61，对Pb和Sr的修复效果不明显；在废水修复阶段，黑麦草对U的富集量达到1 213.70 mg·kg-1 DW，U、Cr、Sr、Co的富集系数和转移系数均大于1，其中U的富集系数达到11.24。另外，里氏木霉(Trichoderma ressei)和黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)对富集黑麦草的总降解率达到60%以上；里氏木霉(Trichoderma ressei)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和地衣芽孢杆菌(Bacillus lincheniformis)对重金属的平均浸出率分别达到87.19%、90.58%和90.33%。在重金属污染的土壤和水体中，通过对黑麦草的循环使用，可以提高黑麦草的综合利用效率，有效减少富集生物质的产生；同时微生物对富集生物质有较好的降解能力。研究为重金属富集生物质微生物处置以及重金属回收技术奠定基础。
    Abstract: In order to study the comprehensive utilization effect of phytoremediation of heavy metals contaminated soil and wastewater, and the microbial degradation of heavy metals enriched ryegrass, the heavy metals contaminated soil and wastewater was remediated by ryegrass, and heavy metal contents in ryegrass, as well as enrichment content, enrichment and transfer coefficients were studied. In addition, eight species of microorganisms were used to degrade heavy metal enriched ryegrass, and the weight loss rate of ryegrass before and after degradation, the content changes of cellulose, hemicellulose and lignin in ryegrass and the leaching effect of heavy metals were also investigated. The results showed that ryegrass had a good remediation effect on heavy metal contaminated soil and water. At the soil remediation stage, the enrichment coefficient of U by ryegrass was the largest, and reached 7.43, while the coefficient of Cd was only 2.61, no obvious remediation effect occurred for Pb and Sr. At the wastewater remediation stage, the enrichment content of U by ryegrass reached 1 213.70 mg·kg-1 DW, and both the enrichment and transfer coefficients of U, Cr, Sr and Co were higher than 1, while the enrichment coefficient of U reached 11.24. In addition, Trichoderma ressei and Phanerochaete chrysosporium showed a total degradation rate of more than 60% for heavy metal enriched ryegrass. The average leaching rates of Trichoderma ressei, Bacillus subtilis and Bacillus lincheniformis for heavy metals were 87.19 %, 90.58 % and 90.33%, respectively. In heavy metal contaminated soil and water, through the recycling of ryegrass, the comprehensive utilization efficiency of ryegrass can be improved, and the enrichment biomass can be effectively reduced. The microbe can degrade the heavy metals enriched plant. This study lays the foundation for microbial disposal of heavy metal enriched biomass as well as efficient heavy metal recovery.

    • 摘要

      为了研究黑麦草(Lolium perenne)修复复合重金属污染土壤与废水的综合利用效应，探索微生物对富集重金属黑麦草的降解效果，以复合重金属污染的土壤与废水为修复对象，利用黑麦草对土壤和废水进行修复，并考察了黑麦草的重金属含量、富集量、富集系数和转移系数。采用8种微生物对富集重金属黑麦草进行降解，考察黑麦草的失重率，黑麦草纤维素、半纤维素和木质素的变化情况以及重金属的浸出效果。结果表明：黑麦草对重金属污染的土壤与水体均具有较好的修复效果；在土壤修复阶段，黑麦草对U的富集系数最大，达到7.43；而对Cd的富集系数为2.61，对Pb和Sr的修复效果不明显；在废水修复阶段，黑麦草对U的富集量达到1 213.70 mg·kg-1 DW，U、Cr、Sr、Co的富集系数和转移系数均大于1，其中U的富集系数达到11.24。另外，里氏木霉(Trichoderma ressei)和黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)对富集黑麦草的总降解率达到60%以上；里氏木霉(Trichoderma ressei)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和地衣芽孢杆菌(Bacillus lincheniformis)对重金属的平均浸出率分别达到87.19%、90.58%和90.33%。在重金属污染的土壤和水体中，通过对黑麦草的循环使用，可以提高黑麦草的综合利用效率，有效减少富集生物质的产生；同时微生物对富集生物质有较好的降解能力。研究为重金属富集生物质微生物处置以及重金属回收技术奠定基础。

      Abstract

      In order to study the comprehensive utilization effect of phytoremediation of heavy metals contaminated soil and wastewater, and the microbial degradation of heavy metals enriched ryegrass, the heavy metals contaminated soil and wastewater was remediated by ryegrass, and heavy metal contents in ryegrass, as well as enrichment content, enrichment and transfer coefficients were studied. In addition, eight species of microorganisms were used to degrade heavy metal enriched ryegrass, and the weight loss rate of ryegrass before and after degradation, the content changes of cellulose, hemicellulose and lignin in ryegrass and the leaching effect of heavy metals were also investigated. The results showed that ryegrass had a good remediation effect on heavy metal contaminated soil and water. At the soil remediation stage, the enrichment coefficient of U by ryegrass was the largest, and reached 7.43, while the coefficient of Cd was only 2.61, no obvious remediation effect occurred for Pb and Sr. At the wastewater remediation stage, the enrichment content of U by ryegrass reached 1 213.70 mg·kg-1 DW, and both the enrichment and transfer coefficients of U, Cr, Sr and Co were higher than 1, while the enrichment coefficient of U reached 11.24. In addition, Trichoderma ressei and Phanerochaete chrysosporium showed a total degradation rate of more than 60% for heavy metal enriched ryegrass. The average leaching rates of Trichoderma ressei, Bacillus subtilis and Bacillus lincheniformis for heavy metals were 87.19 %, 90.58 % and 90.33%, respectively. In heavy metal contaminated soil and water, through the recycling of ryegrass, the comprehensive utilization efficiency of ryegrass can be improved, and the enrichment biomass can be effectively reduced. The microbe can degrade the heavy metals enriched plant. This study lays the foundation for microbial disposal of heavy metal enriched biomass as well as efficient heavy metal recovery.

      随着工农业的快速发展，土壤重金属污染问题日益严重。重金属污染土壤会危害植物的生长和发育，进而会影响农产品品质，并通过食物链危及人类健康[1]。植物修复属于环境友好型修复方法，适用于对中低浓度的大面积重金属污染土壤的修复，并具有成本低，操作简便，无二次污染并具有原位修复等优点[2]。近几年，将牧草作为重金属修复植物越来越受到人们的青睐。牧草修复重金属污染土壤的优势：生长快、生物量大、重金属吸收量多[3]，具有更好的生态恢复与水土保持功能，并易于栽培管理[4]。迄今，国内外至少有数十种牧草开始用于重金属污染土壤的植物修复或金属矿山的生态恢复，如多花黑麦草(Lolium multiflorum)[5,6]、紫花苜蓿(Medicago sativa)[7]、花叶燕麦草(Arrhenatherum elatius)[8]、香根草(Vetiveria zizanioides)[9]等。

      近年来，基于减量化、无害化和资源化原则，陆续开展了重金属富集植物生物质处置技术的研究，包括焚烧法[10]、灰化法[11]、堆肥法[12]、压缩填埋法[13]等技术，取得了一系列重要研究成果。而利用微生物对富集黑麦草进行降解具有温和、环保、安全等特性，实质上就是有机质稳定化和腐殖化的过程，是一种绿色环境友好型的处理方法。

      已发现的大部分超富集植物多为野生型稀有植物，生物个体小、生物量低，修复效率低且周期长[14]。而多次利用修复材料从而提高修复效率的研究相对较少。植物修复技术应用而产生的大量重金属富集的生物质的利用与处置难题是植物修复技术应用的瓶颈之一。本研究通过一种牧草——多年生黑麦草(Lolium perenne)对重金属污染土壤与废水进行分阶段修复得到重金属富集黑麦草；并以其为材料，通过多种微生物降解处理，研究不同微生物对重金属富集黑麦草的降解效果，并考察重金属从固体生物质中浸出到液体环境的效果。

    • 1 材料与方法

    • 1.1 研究材料

      黑麦草种子(Lolium perenne)购买于吉林省巨丰种业有限责任公司，发芽率为98.85%。

      实验菌株：黄孢原毛平革菌 (Phanerochaete chrysosporium, PC)、里氏木霉 (Trichoderma ressei, TR)购于中国微生物菌种保藏中心；强启动菌株QD-1 (Pterula sp. strain QD-1)为张祥辉等[15]筛选，现已保存于中国微生物菌种保藏中心 (CGMCC No. 12237)；枯草芽孢杆菌 (Bacillus subtilis, BS)、蜡样芽孢杆菌 (Bacillus cereus, BC)、地衣芽孢杆菌 (Bacillus lincheniformis, BL)、短小芽孢杆菌Ⅰ (Bacillus pumilus, BP-Ⅰ)、短小芽孢杆菌Ⅱ (Bacillus pumilus, BP-Ⅱ)均为本研究室保存菌株。

      供试土壤与废水：土壤与废水为宋收等[16]和戚鑫等[17]进行相关研究时产生的废弃实验材料，土壤类型为沙质土；污染土壤与废水重金属背景值(pH均为7.0左右)见表1。

      表1 供试污染土壤与废水的重金属含量

      Table 1 Content of heavy metals in contaminated soil and wastewater

      重金属土壤/(mg·kg-1)废水/(mg·L-1)
      U1.70±0.23993.07±34.11
      Pb22.01±1.79未测出
      Cd0.31±0.03未测出
      Cr36.55±2.3710.92±1.07
      Sr未测出143.61±17.79
      Co未测出89.94±4.00

      根据污染土壤与废水的重金属背景值(表1)，土壤中主要含有U、Pb、Cd、Cr等4种重金属，其中Cd浓度(0.31 mg·kg-1)超标(GB 15618-2018，6.5< pH ≤7.5，Cd ≤ 0.3 mg·kg-1)，U(1.70 mg·kg-1)、Pb(22.01 mg·kg-1)和Cr(36.55 mg·kg-1)均为有害金属；废水中包括U、Cr、Co、Sr等4种重金属，其中U浓度高达993.07 mg·L-1，Cr(10.92 mg·L-1)与Co(89.94 mg·L-1)均严重超标(GB 3838-2002，Cr ≤ 0.01 mg·L-1，Co ≤ 1.00 mg·L-1)；Sr浓度为143.61 mg·L-1，目前并没有严格的环境标准。

    • 1.2 实验方法

      黑麦草修复重金属污染土壤采用苗圃土培方式，苗圃长约4 m，宽约1.6 m，土层厚度约为0.15 m，土量约为500 kg(干重)，称取播种量216.00 g黑麦草种子，均匀播种，适当施肥浇水，生长至50 d后，连根收获黑麦草。

      将收获的黑麦草进行水培实验，容器容量约为2 L，取重金属废水原液200 mL，稀释至1 600 mL，共30盆，每盆培养黑麦草50株，放置于25 ℃植物光照培养室，定期加水，并对叶面喷施尿素，施加量为18.00 g·m-2，30 d后，收获黑麦草，清水冲洗，均匀截取其地上部与地下部，105 ℃条件下干燥30 min，75 ℃烘干至恒重。

      将干燥的重金属富集黑麦草地上部和地下部截断约1.5 cm后混匀备用，黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、里氏木霉 (Trichoderma ressei)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)等9种降解菌株种子液分别按照10%的接种量接入培养基(细菌采用TGY培养基，真菌采用PDA培养基)中，于120 r·min-1、30 ℃条件下振荡培养72 h后，按照菌液接种量为10%加入10 g无菌黑麦草，30 ℃条件下恒温培养30 d，每个处理组重复3次。以空白培养基为对照组。

    • 1.3 分析方法

      植株各部分重金属含量的测定参照唐永金等[18]的方法，富集量(bioconcentration quantity，BCQ)、富集系数(bioconcentration factor，BCF)、转移系数(transport coefficients，TF)等的计算参照贾永霞等[19]的研究。各参数具体计算方法如下。

      1) 失重率。重金属富集黑麦草降解30 d后，取出降解残渣，用去离子水洗至流水清澈，收集废液、残渣和清洗液，残渣75 ℃烘干至恒重，称重，得到残渣重量，根据式(1)计算得到铀富集黑麦草降解失重率。

      Dr=m0-m1m0×100%
      (1)

      式中：Dr为失重率，%；m0为初始质量，kg；m1为残渣质量，kg。

      2) 重金属浸出率。采用微波消解仪(Anton Paar，Multiwave PRO)对土壤和水培阶段黑麦草的地上部和地下部以及黑麦草降解后残渣、残液分别进行消解。具体操作流程参考郝希超等[20]的研究；通过电感耦合等离子体-质谱仪(ICP-MS Agilent 7700X，美国安捷伦公司)对消解样品进行重金属含量的测定，每个处理样品重复测定3次。根据式(2)计算得出不同微生物对重金属富集黑麦草降解后重金属的浸出率。

      Lr=C1VC1V+C2m×100%
      (2)

      式中：Lr为重金属浸出率，%；C1为残液重金属浓度，mol·L-1；C2为残渣重金属浓度，mol·kg-1；V为残液体积，L；m为残渣重量，kg。

      3) 纤维素、半纤维素、木质素降解率。重金属富集黑麦草降解后样品中纤维素含量采用蒽酮比色法[21]测定，半纤维素含量采用DNS比色法[21]测定，木质素含量采用乙酰溴比色法[22]测定。纤维素、半纤维素、木质素降解率计算见式(3)。

      X=CImS-CPmCCImS×100%
      (3)

      式中：X为降解率，%；CI为样品初始纤维素含量，μg；CP为处理样品纤维素含量，μg；mS为样品质量，g；mC为处理后样品质量，g。

      将上述公式的纤维素含量分别换成半纤维素含量或木质素含量，其他不变，计算出半纤维素和木质素的降解率。

      最终的数据处理和分析运用DPS数据处理系统进行，使用Origin 9.0软件进行绘图工作，数据均为3次重复的平均值标准差。

    • 2 结果与讨论

    • 2.1 黑麦草对重金属污染土壤与废水的修复效果

      重金属污染土壤和废水的黑麦草修复状况如图1所示。图1 (a)和图1 (b)分别为黑麦草土壤修复阶段苗圃生长情况和最终黑麦草的收获情况，生长至50 d后，株高约55 cm(包括根部)；图1 (c)为黑麦草处理废水第10 天的情况，黑麦草的生长状况良好。

      图1 黑麦草在不同修复阶段的生长情况

      图1 黑麦草在不同修复阶段的生长情况

      Fig. 1 Growth of ryegrass at different stages of remdediation

      黑麦草分别经过重金属污染土壤与废水的2个阶段持续修复后，通过计算植株重金属含量、富集量、富集系数和转移系数等参数考察黑麦草对重金属的富集能力，如表2所示。在土壤修复阶段，将背景浓度相近的U和Cd，Pb和Cr之间进行比较。可以看出U的富集系数BCF大于Cd，但其转移系数TF却小于Cd。这是由于U的相对原子质量太大，难以被黑麦草植物体转移到地上部。而Pb和Cr的BCF均仅有0.99，Pb的TF为1.44，Cr的TF为1.37。在废水修复阶段：U的背景值远大于Cr、Sr和Co，所以U的相关指标均远大于其他重金属，但U的转移系数TF仍然较低为1.32，进一步表明U确实难以被黑麦草植物体转移到地上部。对于Cr、Sr和Co这3种重金属的TF则较为接近，均为1.40左右。

      表2 黑麦草对重金属的富集参数(干重)

      Table 2 Enrichment parameters of heavy metals by ryegrass (dry weight)

      修复介质重金属GHMC/(mg·kg-1)UHMC/(mg·kg-1)BCQBCFTF
      土壤U2.23±0.842.70±1.300.50±0.227.43±4.190.88±0.16
      Pb12.68±0.838.94±1.062.21±0.090.99±0.121.44±0.25
      Cr20.80±0.6215.22±1.323.68±0.170.99±0.081.37±0.12
      Cd0.52±0.020.31±0.020.08±0.042.61±0.401.69±0.06
      废水U796.97±24.33601.97±8.5930.39±0.7411.24±0.321.32±0.02
      Cr23.03±1.1416.17±1.090.07±0.022.32±0.381.43±0.09
      Sr54.32±0.8238.41±3.492.02±0.095.23±0.781.42±0.12
      Co26.44±0.8418.97±1.320.99±0.014.05±0.231.40±0.14

      注：GHMC为黑麦草地上部重金属含量；UHMC为黑麦草地下部重金属含量；BCQ为富集量，土壤富集量单位为mg·m-2，水体富集量单位为mg·盆-1；BCF为富集系数；TF为转移系数。

      重金属污染植物修复的效果与植物本身的生长特性息息相关，黑麦草因其生命力顽强，生长速率快，在对污染环境进行植物修复时具有一定的优势，相对于向日葵(Helianthus annuus L.)、榨菜(Brassica junceavar Tumida Tsenet)、苋菜(Amaranthus tricolor L.)等可食用性重金属富集植物，不会造成人类误食[23]。利用黑麦草对环境中复合重金属良好的富集能力，能达到修复重金属的目的，同时减少相关富集生物质的产生，减小后续处理的压力。

    • 2.2 微生物对重金属富集黑麦草的降解效果

      黑麦草经过重金属污染土壤与废水2个阶段持续修复后，其纤维素占比为(43.36±1.06)%，半纤维素占比为(22.21±0.85)%，木质素占比为(26.03±1.54)%；重金属含量见表3。

      表3 修复废水后黑麦草的重金属含量(干重)

      Table 3 Heavy metal content in used ryegrass for wastewater treatment (dry weight) mg·kg-1

      UCrCdSrPbCo
      1 213.70±37.0735.07±1.730.66±0.0282.93±1.2518.31±1.4140.27±1.29

      研究不同微生物对重金属富集黑麦草的降解效果，以便后期筛选高效降解微生物，采用黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、里氏木霉 (Trichoderma ressei)等8种微生物对富集黑麦草进行30 d的降解。通过对比富集黑麦草降解后的生物质失重率，能够宏观表现出微生物的降解效果；并且，通过测定富集黑麦草降解前后纤维素、半纤维素和木质素的含量变化以及降解残渣基团变化，可分析出不同微生物对重金属富集黑麦草降解的主要物质，从另一方面考察富集黑麦草的降解效果；另外，富集黑麦草降解后重金属的浸出率可有效地表现出重金属从生物质固体到降解残液的迁移效果。

    • 2.2.1 微生物降解重金属富集黑麦草的失重率

      由图2中可以看出，不同微生物对富集黑麦草降解效果有所差异，其中降解效果较好的是2株真菌，为黄孢原毛平革菌与里氏木霉，其失重率均达到60%左右；黄孢原毛平革菌与里氏木霉为传统的生物质降解菌株，在工程应用上有着较为广泛的影响；另外一株真菌QD-I[15]，为本研究室土壤筛选菌株，是一种丝状真菌，其对黑麦草降解率为52.55%；而细菌之间的降解差异不大，总体失重率均在40%~45%之间。

      图2 微生物降解富集黑麦草的失重率

      图2 微生物降解富集黑麦草的失重率

      Fig. 2 Weightlessness rate of heavy metal enriched ryegrass by microbial degradation

      注：BS为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)；BL为地衣芽孢杆菌(Bacillus lincheniformis)；BP-Ⅰ为短小芽孢杆菌Ⅰ(Bacillus pumilus)；BC为蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)；BP-Ⅱ为短小芽孢杆菌Ⅱ(Bacillus pumilus)；QD-1为强启动菌株 (Pterula sp. strain QD-1)；TR为里氏木霉(Trichoderma ressei)；PC为黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)。

    • 2.2.2 微生物对富集黑麦草的纤维素、半纤维素和木质素的降解效果

      从图3看出，经过30 d的富集黑麦草降解过程，黄孢原毛平革菌的半纤维素降解率最高为69.65%，与苏瑞等[25]在研究培养液成分对黄孢原毛平革菌降解稻草的影响时，其半纤维素的降解率为70%相差不大；枯草芽孢杆菌的半纤维素降解率达到50%以上；蜡样芽孢杆菌与地衣芽孢杆菌的半纤维素的降解水平相对较低，分别为33.00%与35.97%。从纤维素的降解结果看，里氏木霉的降解率最高，达到69.13%；6株细菌的纤维素降解率差距不大，王毅等[25]研究枯草芽孢杆菌对稻草为期30 d的降解过程后，其纤维素降解率为38.80%，与本研究中细菌对纤维素降解率35.67%相近。总体来看，不同菌种对木质素的降解效果相比纤维素和半纤维素的降解效果均较差，这是因为木质素是一种复杂的无定形高聚物，很难被酸与酶降解[26]。研究中木质素的最高降解率为QD-1菌株所达到的44.15%，而蜡样芽孢杆菌的木质素降解率仅有8.56%。相对5株细菌对木质素的降解而言，真菌对木质素的降解率普遍较高，均高于35%。

      图3 不同微生物对富集重金属黑麦草中半纤维素、纤维素和木质素的降解能力比较

      图3 不同微生物对富集重金属黑麦草中半纤维素、纤维素和木质素的降解能力比较

      Fig. 3 Comparison of degradation ability of different microorganisms on hemicellulose, cellulose and lignin in heavy metal enriched ryegrass

    • 2.2.3 微生物降解富集黑麦草后的重金属浸出效果

      为了考察富集黑麦草的微生物降解对重金属由生物质释放到液态环境的情况，方便后期进行重金属回收，针对富集黑麦草的降解残渣与残液分别进行了重金属含量分析，得到8种微生物对不同重金属的浸出率。由表4可以看出，不同微生物对同一重金属的浸出率存在显著差异；同一微生物对不同重金属的浸出率同样存在显著差异。以富集黑麦草中浓度最高的U为例，QD-I对U的浸出率达到77.33%，而BP-II对U浸出率仅为38.81%；同样以总降解率达到60%的PC为例，其Cd的浸出率为93.00%，而U的浸出率仅为58.12%。王莉等[27]研究的最佳条件下氧化亚铁硫杆菌 (Thiobacillus ferrooxidans)对复合重金属富集生物质中Cd的浸出率为85%。总体来看，针对不同重金属，U与Pb的浸出率水平最低，Cd与Cr的浸出率水平较高；而针对不同微生物，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌的平均浸出率均达到90%以上，真菌中里氏木霉的浸出率最高，达到87.19%。微生物对黑麦草中重金属的浸出有较好的效果，这将有利于黑麦草中重金属的进一步回收和其固体废弃物的资源化利用。

      表4 微生物对富集黑麦草降解后重金属的浸出率

      Table 4 Leaching rate of heavy metals from the degraded ryegrass by microbes

      微生物种类重金属浸出率/%
      UPbCrCdCoSr
      CK6.94±0.67g10.70±0.26h7.74±0.51e8.39±2.70f4.97±1.62f7.60±1.37f
      BS70.31±1.48c91.13±1.29a96.28±0.21a96.74±0.71ab95.36±0.94a93.67±0.40ab
      BL75.74±1.39ab87.04±1.31ab93.75±1.30b97.65±0.18a92.47±1.01b95.35±0.12a
      BP-I74.13±2.10b82.43±2.38b90.18±0.98c98.05±0.14a83.13±0.14a92.55±0.56b c
      BC46.73±1.00e58.20±1.73g77.50±0.33d75.70±1.77e76.20±2.81e81.57±1.70e
      BP-II38.81±1.34f68.27±3.43de90.41±0.29c74.43±2.03e78.56±2.11e91.60±0.29c
      QD-I77.33±1.55a73.60±7.96cd95.49±0.56a94.67±0.69bc95.56±0.21a91.28±0.51cd
      TR68.50±1.69c74.82±3.26c95.25±0.47a96.59±0.58ab93.92±0.37ab94.04±1.18ab
      PC58.12±3.89d61.46±2.28fg90.49±0.14c93.00±0.58c89.87±0.52c89.58±1.70d

      注：同一列中不同字母表示对同一重金属浸出效果的不同处理组之间差异显著(P<0.05)。

    • 3 结论

      1) 将污染土壤修复与污染水体处理相结合，黑麦草对环境中复合重金属均具有良好的富集能力，能大大地提高黑麦草对重金属修复的利用效率，减少污染废弃物的产生。

      2) 枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢杆菌(Bacillus lincheniformis)、强启动菌株QD-1(Pterula sp. strain QD-1)、里氏木霉(Trichoderma ressei)、黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)等微生物对重金属富集黑麦草均具有较好的降解能力，对黑麦草中重金属的浸出也有较好的效果，微生物能有效地应用在富集重金属生物质的降解及重金属的浸出。

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    16. 王静，刘如. 植物修复重金属污染土壤的研究进展. 安徽农学通报. 2019(16): 110-112 . 百度学术

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出版历程
  • 刊出日期:  2019-06-18
敬路淮, 肖伟, 田甲, 戚鑫, 肖诗琦, 晏婷婷, 张祥辉. 黑麦草修复重金属污染土壤与废水及富集植物的微生物降解[J]. 环境工程学报, 2019, 13(6): 1449-1456. doi: 10.12030/j.cjee.201810072
引用本文: 敬路淮, 肖伟, 田甲, 戚鑫, 肖诗琦, 晏婷婷, 张祥辉. 黑麦草修复重金属污染土壤与废水及富集植物的微生物降解[J]. 环境工程学报, 2019, 13(6): 1449-1456. doi: 10.12030/j.cjee.201810072
shu
JING Luhuai, XIAO Wei, TIAN Jia, QI Xin, XIAO Shiqi, YAN Tingting, ZHANG Xianghui. Heavy metals contaminated soil and wastewater remediation by ryegrass and microbial degradation of its enriched plant[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(6): 1449-1456. doi: 10.12030/j.cjee.201810072
Citation: JING Luhuai, XIAO Wei, TIAN Jia, QI Xin, XIAO Shiqi, YAN Tingting, ZHANG Xianghui. Heavy metals contaminated soil and wastewater remediation by ryegrass and microbial degradation of its enriched plant[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(6): 1449-1456. doi: 10.12030/j.cjee.201810072
shu

黑麦草修复重金属污染土壤与废水及富集植物的微生物降解

  • 1. 西南科技大学生命科学与工程学院，绵阳 621010
基金项目:

国家核设施退役及放射性废物治理科研重点项目16ZG6101

国民核生化灾害防护国家重点实验室开放基金项目SKLNBC2015-04

四川省科技厅项目18YYJC0927国家核设施退役及放射性废物治理科研重点项目(16ZG6101)

国民核生化灾害防护国家重点实验室开放基金项目(SKLNBC2015-04)

四川省科技厅项目(18YYJC0927)

摘要: 为了研究黑麦草(Lolium perenne)修复复合重金属污染土壤与废水的综合利用效应，探索微生物对富集重金属黑麦草的降解效果，以复合重金属污染的土壤与废水为修复对象，利用黑麦草对土壤和废水进行修复，并考察了黑麦草的重金属含量、富集量、富集系数和转移系数。采用8种微生物对富集重金属黑麦草进行降解，考察黑麦草的失重率，黑麦草纤维素、半纤维素和木质素的变化情况以及重金属的浸出效果。结果表明：黑麦草对重金属污染的土壤与水体均具有较好的修复效果；在土壤修复阶段，黑麦草对U的富集系数最大，达到7.43；而对Cd的富集系数为2.61，对Pb和Sr的修复效果不明显；在废水修复阶段，黑麦草对U的富集量达到1 213.70 mg·kg-1 DW，U、Cr、Sr、Co的富集系数和转移系数均大于1，其中U的富集系数达到11.24。另外，里氏木霉(Trichoderma ressei)和黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)对富集黑麦草的总降解率达到60%以上；里氏木霉(Trichoderma ressei)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和地衣芽孢杆菌(Bacillus lincheniformis)对重金属的平均浸出率分别达到87.19%、90.58%和90.33%。在重金属污染的土壤和水体中，通过对黑麦草的循环使用，可以提高黑麦草的综合利用效率，有效减少富集生物质的产生；同时微生物对富集生物质有较好的降解能力。研究为重金属富集生物质微生物处置以及重金属回收技术奠定基础。

English Abstract

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      摘要

      为了研究黑麦草(Lolium perenne)修复复合重金属污染土壤与废水的综合利用效应，探索微生物对富集重金属黑麦草的降解效果，以复合重金属污染的土壤与废水为修复对象，利用黑麦草对土壤和废水进行修复，并考察了黑麦草的重金属含量、富集量、富集系数和转移系数。采用8种微生物对富集重金属黑麦草进行降解，考察黑麦草的失重率，黑麦草纤维素、半纤维素和木质素的变化情况以及重金属的浸出效果。结果表明：黑麦草对重金属污染的土壤与水体均具有较好的修复效果；在土壤修复阶段，黑麦草对U的富集系数最大，达到7.43；而对Cd的富集系数为2.61，对Pb和Sr的修复效果不明显；在废水修复阶段，黑麦草对U的富集量达到1 213.70 mg·kg-1 DW，U、Cr、Sr、Co的富集系数和转移系数均大于1，其中U的富集系数达到11.24。另外，里氏木霉(Trichoderma ressei)和黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)对富集黑麦草的总降解率达到60%以上；里氏木霉(Trichoderma ressei)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和地衣芽孢杆菌(Bacillus lincheniformis)对重金属的平均浸出率分别达到87.19%、90.58%和90.33%。在重金属污染的土壤和水体中，通过对黑麦草的循环使用，可以提高黑麦草的综合利用效率，有效减少富集生物质的产生；同时微生物对富集生物质有较好的降解能力。研究为重金属富集生物质微生物处置以及重金属回收技术奠定基础。

      Abstract

      In order to study the comprehensive utilization effect of phytoremediation of heavy metals contaminated soil and wastewater, and the microbial degradation of heavy metals enriched ryegrass, the heavy metals contaminated soil and wastewater was remediated by ryegrass, and heavy metal contents in ryegrass, as well as enrichment content, enrichment and transfer coefficients were studied. In addition, eight species of microorganisms were used to degrade heavy metal enriched ryegrass, and the weight loss rate of ryegrass before and after degradation, the content changes of cellulose, hemicellulose and lignin in ryegrass and the leaching effect of heavy metals were also investigated. The results showed that ryegrass had a good remediation effect on heavy metal contaminated soil and water. At the soil remediation stage, the enrichment coefficient of U by ryegrass was the largest, and reached 7.43, while the coefficient of Cd was only 2.61, no obvious remediation effect occurred for Pb and Sr. At the wastewater remediation stage, the enrichment content of U by ryegrass reached 1 213.70 mg·kg-1 DW, and both the enrichment and transfer coefficients of U, Cr, Sr and Co were higher than 1, while the enrichment coefficient of U reached 11.24. In addition, Trichoderma ressei and Phanerochaete chrysosporium showed a total degradation rate of more than 60% for heavy metal enriched ryegrass. The average leaching rates of Trichoderma ressei, Bacillus subtilis and Bacillus lincheniformis for heavy metals were 87.19 %, 90.58 % and 90.33%, respectively. In heavy metal contaminated soil and water, through the recycling of ryegrass, the comprehensive utilization efficiency of ryegrass can be improved, and the enrichment biomass can be effectively reduced. The microbe can degrade the heavy metals enriched plant. This study lays the foundation for microbial disposal of heavy metal enriched biomass as well as efficient heavy metal recovery.

      随着工农业的快速发展，土壤重金属污染问题日益严重。重金属污染土壤会危害植物的生长和发育，进而会影响农产品品质，并通过食物链危及人类健康[1]。植物修复属于环境友好型修复方法，适用于对中低浓度的大面积重金属污染土壤的修复，并具有成本低，操作简便，无二次污染并具有原位修复等优点[2]。近几年，将牧草作为重金属修复植物越来越受到人们的青睐。牧草修复重金属污染土壤的优势：生长快、生物量大、重金属吸收量多[3]，具有更好的生态恢复与水土保持功能，并易于栽培管理[4]。迄今，国内外至少有数十种牧草开始用于重金属污染土壤的植物修复或金属矿山的生态恢复，如多花黑麦草(Lolium multiflorum)[5,6]、紫花苜蓿(Medicago sativa)[7]、花叶燕麦草(Arrhenatherum elatius)[8]、香根草(Vetiveria zizanioides)[9]等。

      近年来，基于减量化、无害化和资源化原则，陆续开展了重金属富集植物生物质处置技术的研究，包括焚烧法[10]、灰化法[11]、堆肥法[12]、压缩填埋法[13]等技术，取得了一系列重要研究成果。而利用微生物对富集黑麦草进行降解具有温和、环保、安全等特性，实质上就是有机质稳定化和腐殖化的过程，是一种绿色环境友好型的处理方法。

      已发现的大部分超富集植物多为野生型稀有植物，生物个体小、生物量低，修复效率低且周期长[14]。而多次利用修复材料从而提高修复效率的研究相对较少。植物修复技术应用而产生的大量重金属富集的生物质的利用与处置难题是植物修复技术应用的瓶颈之一。本研究通过一种牧草——多年生黑麦草(Lolium perenne)对重金属污染土壤与废水进行分阶段修复得到重金属富集黑麦草；并以其为材料，通过多种微生物降解处理，研究不同微生物对重金属富集黑麦草的降解效果，并考察重金属从固体生物质中浸出到液体环境的效果。

    • 1 材料与方法

    • 1.1 研究材料

      黑麦草种子(Lolium perenne)购买于吉林省巨丰种业有限责任公司，发芽率为98.85%。

      实验菌株：黄孢原毛平革菌 (Phanerochaete chrysosporium, PC)、里氏木霉 (Trichoderma ressei, TR)购于中国微生物菌种保藏中心；强启动菌株QD-1 (Pterula sp. strain QD-1)为张祥辉等[15]筛选，现已保存于中国微生物菌种保藏中心 (CGMCC No. 12237)；枯草芽孢杆菌 (Bacillus subtilis, BS)、蜡样芽孢杆菌 (Bacillus cereus, BC)、地衣芽孢杆菌 (Bacillus lincheniformis, BL)、短小芽孢杆菌Ⅰ (Bacillus pumilus, BP-Ⅰ)、短小芽孢杆菌Ⅱ (Bacillus pumilus, BP-Ⅱ)均为本研究室保存菌株。

      供试土壤与废水：土壤与废水为宋收等[16]和戚鑫等[17]进行相关研究时产生的废弃实验材料，土壤类型为沙质土；污染土壤与废水重金属背景值(pH均为7.0左右)见表1。

      表1 供试污染土壤与废水的重金属含量

      Table 1 Content of heavy metals in contaminated soil and wastewater

      重金属土壤/(mg·kg-1)废水/(mg·L-1)
      U1.70±0.23993.07±34.11
      Pb22.01±1.79未测出
      Cd0.31±0.03未测出
      Cr36.55±2.3710.92±1.07
      Sr未测出143.61±17.79
      Co未测出89.94±4.00

      根据污染土壤与废水的重金属背景值(表1)，土壤中主要含有U、Pb、Cd、Cr等4种重金属，其中Cd浓度(0.31 mg·kg-1)超标(GB 15618-2018，6.5< pH ≤7.5，Cd ≤ 0.3 mg·kg-1)，U(1.70 mg·kg-1)、Pb(22.01 mg·kg-1)和Cr(36.55 mg·kg-1)均为有害金属；废水中包括U、Cr、Co、Sr等4种重金属，其中U浓度高达993.07 mg·L-1，Cr(10.92 mg·L-1)与Co(89.94 mg·L-1)均严重超标(GB 3838-2002，Cr ≤ 0.01 mg·L-1，Co ≤ 1.00 mg·L-1)；Sr浓度为143.61 mg·L-1，目前并没有严格的环境标准。

    • 1.2 实验方法

      黑麦草修复重金属污染土壤采用苗圃土培方式，苗圃长约4 m，宽约1.6 m，土层厚度约为0.15 m，土量约为500 kg(干重)，称取播种量216.00 g黑麦草种子，均匀播种，适当施肥浇水，生长至50 d后，连根收获黑麦草。

      将收获的黑麦草进行水培实验，容器容量约为2 L，取重金属废水原液200 mL，稀释至1 600 mL，共30盆，每盆培养黑麦草50株，放置于25 ℃植物光照培养室，定期加水，并对叶面喷施尿素，施加量为18.00 g·m-2，30 d后，收获黑麦草，清水冲洗，均匀截取其地上部与地下部，105 ℃条件下干燥30 min，75 ℃烘干至恒重。

      将干燥的重金属富集黑麦草地上部和地下部截断约1.5 cm后混匀备用，黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、里氏木霉 (Trichoderma ressei)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)等9种降解菌株种子液分别按照10%的接种量接入培养基(细菌采用TGY培养基，真菌采用PDA培养基)中，于120 r·min-1、30 ℃条件下振荡培养72 h后，按照菌液接种量为10%加入10 g无菌黑麦草，30 ℃条件下恒温培养30 d，每个处理组重复3次。以空白培养基为对照组。

    • 1.3 分析方法

      植株各部分重金属含量的测定参照唐永金等[18]的方法，富集量(bioconcentration quantity，BCQ)、富集系数(bioconcentration factor，BCF)、转移系数(transport coefficients，TF)等的计算参照贾永霞等[19]的研究。各参数具体计算方法如下。

      1) 失重率。重金属富集黑麦草降解30 d后，取出降解残渣，用去离子水洗至流水清澈，收集废液、残渣和清洗液，残渣75 ℃烘干至恒重，称重，得到残渣重量，根据式(1)计算得到铀富集黑麦草降解失重率。

      Dr=m0-m1m0×100%
      (1)

      式中：Dr为失重率，%；m0为初始质量，kg；m1为残渣质量，kg。

      2) 重金属浸出率。采用微波消解仪(Anton Paar，Multiwave PRO)对土壤和水培阶段黑麦草的地上部和地下部以及黑麦草降解后残渣、残液分别进行消解。具体操作流程参考郝希超等[20]的研究；通过电感耦合等离子体-质谱仪(ICP-MS Agilent 7700X，美国安捷伦公司)对消解样品进行重金属含量的测定，每个处理样品重复测定3次。根据式(2)计算得出不同微生物对重金属富集黑麦草降解后重金属的浸出率。

      Lr=C1VC1V+C2m×100%
      (2)

      式中：Lr为重金属浸出率，%；C1为残液重金属浓度，mol·L-1；C2为残渣重金属浓度，mol·kg-1；V为残液体积，L；m为残渣重量，kg。

      3) 纤维素、半纤维素、木质素降解率。重金属富集黑麦草降解后样品中纤维素含量采用蒽酮比色法[21]测定，半纤维素含量采用DNS比色法[21]测定，木质素含量采用乙酰溴比色法[22]测定。纤维素、半纤维素、木质素降解率计算见式(3)。

      X=CImS-CPmCCImS×100%
      (3)

      式中：X为降解率，%；CI为样品初始纤维素含量，μg；CP为处理样品纤维素含量，μg；mS为样品质量，g；mC为处理后样品质量，g。

      将上述公式的纤维素含量分别换成半纤维素含量或木质素含量，其他不变，计算出半纤维素和木质素的降解率。

      最终的数据处理和分析运用DPS数据处理系统进行，使用Origin 9.0软件进行绘图工作，数据均为3次重复的平均值标准差。

    • 2 结果与讨论

    • 2.1 黑麦草对重金属污染土壤与废水的修复效果

      重金属污染土壤和废水的黑麦草修复状况如图1所示。图1 (a)和图1 (b)分别为黑麦草土壤修复阶段苗圃生长情况和最终黑麦草的收获情况，生长至50 d后，株高约55 cm(包括根部)；图1 (c)为黑麦草处理废水第10 天的情况，黑麦草的生长状况良好。

      图1 黑麦草在不同修复阶段的生长情况

      图1 黑麦草在不同修复阶段的生长情况

      Fig. 1 Growth of ryegrass at different stages of remdediation

      黑麦草分别经过重金属污染土壤与废水的2个阶段持续修复后，通过计算植株重金属含量、富集量、富集系数和转移系数等参数考察黑麦草对重金属的富集能力，如表2所示。在土壤修复阶段，将背景浓度相近的U和Cd，Pb和Cr之间进行比较。可以看出U的富集系数BCF大于Cd，但其转移系数TF却小于Cd。这是由于U的相对原子质量太大，难以被黑麦草植物体转移到地上部。而Pb和Cr的BCF均仅有0.99，Pb的TF为1.44，Cr的TF为1.37。在废水修复阶段：U的背景值远大于Cr、Sr和Co，所以U的相关指标均远大于其他重金属，但U的转移系数TF仍然较低为1.32，进一步表明U确实难以被黑麦草植物体转移到地上部。对于Cr、Sr和Co这3种重金属的TF则较为接近，均为1.40左右。

      表2 黑麦草对重金属的富集参数(干重)

      Table 2 Enrichment parameters of heavy metals by ryegrass (dry weight)

      修复介质重金属GHMC/(mg·kg-1)UHMC/(mg·kg-1)BCQBCFTF
      土壤U2.23±0.842.70±1.300.50±0.227.43±4.190.88±0.16
      Pb12.68±0.838.94±1.062.21±0.090.99±0.121.44±0.25
      Cr20.80±0.6215.22±1.323.68±0.170.99±0.081.37±0.12
      Cd0.52±0.020.31±0.020.08±0.042.61±0.401.69±0.06
      废水U796.97±24.33601.97±8.5930.39±0.7411.24±0.321.32±0.02
      Cr23.03±1.1416.17±1.090.07±0.022.32±0.381.43±0.09
      Sr54.32±0.8238.41±3.492.02±0.095.23±0.781.42±0.12
      Co26.44±0.8418.97±1.320.99±0.014.05±0.231.40±0.14

      注：GHMC为黑麦草地上部重金属含量；UHMC为黑麦草地下部重金属含量；BCQ为富集量，土壤富集量单位为mg·m-2，水体富集量单位为mg·盆-1；BCF为富集系数；TF为转移系数。

      重金属污染植物修复的效果与植物本身的生长特性息息相关，黑麦草因其生命力顽强，生长速率快，在对污染环境进行植物修复时具有一定的优势，相对于向日葵(Helianthus annuus L.)、榨菜(Brassica junceavar Tumida Tsenet)、苋菜(Amaranthus tricolor L.)等可食用性重金属富集植物，不会造成人类误食[23]。利用黑麦草对环境中复合重金属良好的富集能力，能达到修复重金属的目的，同时减少相关富集生物质的产生，减小后续处理的压力。

    • 2.2 微生物对重金属富集黑麦草的降解效果

      黑麦草经过重金属污染土壤与废水2个阶段持续修复后，其纤维素占比为(43.36±1.06)%，半纤维素占比为(22.21±0.85)%，木质素占比为(26.03±1.54)%；重金属含量见表3。

      表3 修复废水后黑麦草的重金属含量(干重)

      Table 3 Heavy metal content in used ryegrass for wastewater treatment (dry weight) mg·kg-1

      UCrCdSrPbCo
      1 213.70±37.0735.07±1.730.66±0.0282.93±1.2518.31±1.4140.27±1.29

      研究不同微生物对重金属富集黑麦草的降解效果，以便后期筛选高效降解微生物，采用黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、里氏木霉 (Trichoderma ressei)等8种微生物对富集黑麦草进行30 d的降解。通过对比富集黑麦草降解后的生物质失重率，能够宏观表现出微生物的降解效果；并且，通过测定富集黑麦草降解前后纤维素、半纤维素和木质素的含量变化以及降解残渣基团变化，可分析出不同微生物对重金属富集黑麦草降解的主要物质，从另一方面考察富集黑麦草的降解效果；另外，富集黑麦草降解后重金属的浸出率可有效地表现出重金属从生物质固体到降解残液的迁移效果。

    • 2.2.1 微生物降解重金属富集黑麦草的失重率

      由图2中可以看出，不同微生物对富集黑麦草降解效果有所差异，其中降解效果较好的是2株真菌，为黄孢原毛平革菌与里氏木霉，其失重率均达到60%左右；黄孢原毛平革菌与里氏木霉为传统的生物质降解菌株，在工程应用上有着较为广泛的影响；另外一株真菌QD-I[15]，为本研究室土壤筛选菌株，是一种丝状真菌，其对黑麦草降解率为52.55%；而细菌之间的降解差异不大，总体失重率均在40%~45%之间。

      图2 微生物降解富集黑麦草的失重率

      图2 微生物降解富集黑麦草的失重率

      Fig. 2 Weightlessness rate of heavy metal enriched ryegrass by microbial degradation

      注：BS为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)；BL为地衣芽孢杆菌(Bacillus lincheniformis)；BP-Ⅰ为短小芽孢杆菌Ⅰ(Bacillus pumilus)；BC为蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)；BP-Ⅱ为短小芽孢杆菌Ⅱ(Bacillus pumilus)；QD-1为强启动菌株 (Pterula sp. strain QD-1)；TR为里氏木霉(Trichoderma ressei)；PC为黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)。

    • 2.2.2 微生物对富集黑麦草的纤维素、半纤维素和木质素的降解效果

      从图3看出，经过30 d的富集黑麦草降解过程，黄孢原毛平革菌的半纤维素降解率最高为69.65%，与苏瑞等[25]在研究培养液成分对黄孢原毛平革菌降解稻草的影响时，其半纤维素的降解率为70%相差不大；枯草芽孢杆菌的半纤维素降解率达到50%以上；蜡样芽孢杆菌与地衣芽孢杆菌的半纤维素的降解水平相对较低，分别为33.00%与35.97%。从纤维素的降解结果看，里氏木霉的降解率最高，达到69.13%；6株细菌的纤维素降解率差距不大，王毅等[25]研究枯草芽孢杆菌对稻草为期30 d的降解过程后，其纤维素降解率为38.80%，与本研究中细菌对纤维素降解率35.67%相近。总体来看，不同菌种对木质素的降解效果相比纤维素和半纤维素的降解效果均较差，这是因为木质素是一种复杂的无定形高聚物，很难被酸与酶降解[26]。研究中木质素的最高降解率为QD-1菌株所达到的44.15%，而蜡样芽孢杆菌的木质素降解率仅有8.56%。相对5株细菌对木质素的降解而言，真菌对木质素的降解率普遍较高，均高于35%。

      图3 不同微生物对富集重金属黑麦草中半纤维素、纤维素和木质素的降解能力比较

      图3 不同微生物对富集重金属黑麦草中半纤维素、纤维素和木质素的降解能力比较

      Fig. 3 Comparison of degradation ability of different microorganisms on hemicellulose, cellulose and lignin in heavy metal enriched ryegrass

    • 2.2.3 微生物降解富集黑麦草后的重金属浸出效果

      为了考察富集黑麦草的微生物降解对重金属由生物质释放到液态环境的情况，方便后期进行重金属回收，针对富集黑麦草的降解残渣与残液分别进行了重金属含量分析，得到8种微生物对不同重金属的浸出率。由表4可以看出，不同微生物对同一重金属的浸出率存在显著差异；同一微生物对不同重金属的浸出率同样存在显著差异。以富集黑麦草中浓度最高的U为例，QD-I对U的浸出率达到77.33%，而BP-II对U浸出率仅为38.81%；同样以总降解率达到60%的PC为例，其Cd的浸出率为93.00%，而U的浸出率仅为58.12%。王莉等[27]研究的最佳条件下氧化亚铁硫杆菌 (Thiobacillus ferrooxidans)对复合重金属富集生物质中Cd的浸出率为85%。总体来看，针对不同重金属，U与Pb的浸出率水平最低，Cd与Cr的浸出率水平较高；而针对不同微生物，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌的平均浸出率均达到90%以上，真菌中里氏木霉的浸出率最高，达到87.19%。微生物对黑麦草中重金属的浸出有较好的效果，这将有利于黑麦草中重金属的进一步回收和其固体废弃物的资源化利用。

      表4 微生物对富集黑麦草降解后重金属的浸出率

      Table 4 Leaching rate of heavy metals from the degraded ryegrass by microbes

      微生物种类重金属浸出率/%
      UPbCrCdCoSr
      CK6.94±0.67g10.70±0.26h7.74±0.51e8.39±2.70f4.97±1.62f7.60±1.37f
      BS70.31±1.48c91.13±1.29a96.28±0.21a96.74±0.71ab95.36±0.94a93.67±0.40ab
      BL75.74±1.39ab87.04±1.31ab93.75±1.30b97.65±0.18a92.47±1.01b95.35±0.12a
      BP-I74.13±2.10b82.43±2.38b90.18±0.98c98.05±0.14a83.13±0.14a92.55±0.56b c
      BC46.73±1.00e58.20±1.73g77.50±0.33d75.70±1.77e76.20±2.81e81.57±1.70e
      BP-II38.81±1.34f68.27±3.43de90.41±0.29c74.43±2.03e78.56±2.11e91.60±0.29c
      QD-I77.33±1.55a73.60±7.96cd95.49±0.56a94.67±0.69bc95.56±0.21a91.28±0.51cd
      TR68.50±1.69c74.82±3.26c95.25±0.47a96.59±0.58ab93.92±0.37ab94.04±1.18ab
      PC58.12±3.89d61.46±2.28fg90.49±0.14c93.00±0.58c89.87±0.52c89.58±1.70d

      注：同一列中不同字母表示对同一重金属浸出效果的不同处理组之间差异显著(P<0.05)。

    • 3 结论

      1) 将污染土壤修复与污染水体处理相结合，黑麦草对环境中复合重金属均具有良好的富集能力，能大大地提高黑麦草对重金属修复的利用效率，减少污染废弃物的产生。

      2) 枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢杆菌(Bacillus lincheniformis)、强启动菌株QD-1(Pterula sp. strain QD-1)、里氏木霉(Trichoderma ressei)、黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)等微生物对重金属富集黑麦草均具有较好的降解能力，对黑麦草中重金属的浸出也有较好的效果，微生物能有效地应用在富集重金属生物质的降解及重金属的浸出。

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参考文献 (27)

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