圖片來源：百度圖片
■黃巧雲
隨著我國農業集約化、工業化、城市化和交通現代化的快速發展，化肥、農藥等農用化學品和工業汙染物大量進入環境，導致農業面源汙染面積不斷擴大。汙染程度日趨嚴重，給我國土壤生態環境、農產品安全和人類健康等造成了嚴重威脅，並直接影響到我國社會經濟的可持續發展。
而土壤汙染具有隱蔽性、滯後性等特徵，不僅降低了土地資源的質量，使農業生產遭受損失，並且通過汙染農副產品而損害人體健康。因此，如何保證土壤的質量至關重要。
其實，土壤中棲息的數量巨大的微生物是消除土壤環境汙染、恢復土壤健康、重建生態系統過程中不可或缺又無法替代的生力軍，它們將在汙染農田修復、安全農產品生產和可持續的農田生態系統構建中發揮巨大作用。
消除土壤重金屬汙染需要微生物
我國首次土壤汙染普查結果顯示，全國土壤重金屬總超標率達16.1%，耕地土壤重金屬超標率高達19.4%。每年因重金屬汙染導致的糧食減產超過1千萬噸，每年被重金屬汙染的糧食多達1200萬噸，合計經濟損失超過200億元。
目前，土壤重金屬汙染的面積和強度呈現持續增加的趨勢。
土壤重金屬汙染主要來源於工業、農業、採礦和交通等方面。工業生產廣泛使用重金屬，而且將未經嚴格處理的廢水直接排放，使得周圍的土壤容易富集高含量的有毒重金屬。企業排放的煙塵和廢氣中也含有重金屬，並最終通過雨淋沉降和自然沉降進入土壤。農業生產過程中含重金屬的化肥、城市廢棄物和農藥的不合理施用以及汙水灌溉等，都會導致土壤重金屬汙染。
特別指出，很多重金屬汙染還源於金屬礦山的開採，廣東大寶山礦區土壤測定發現30多年的採礦已造成土壤鉛、鋅、銅、鎘 重金屬嚴重超標，附近河水灌溉稻田的重金屬含量遠超出國家土壤質量二級標準，其中銅、鎘超標倍數分別為14.01倍和4.17倍。有色金屬礦山開發使得湖南全省高達13%的土壤受到鉛、鎘、汞、砷等金屬元素的汙染，汙染面積達2.8萬公頃。
重金屬在土壤中有難降解、毒性強、易累積等特點，它們或通過滲漏進入地下水，或在土壤中直接被植物吸收進入食物鏈，最終對生態環境以及人類和動物的健康構成嚴重威脅。而城市化和工業化進程的加快，使這個問題越來越突出。
不難看出，土壤重金屬的危害及汙染治理是當今土壤、環境、生態、生物以及醫學等眾多學科領域科學工作者關注的焦點，也是社會各界關心的熱點和當今環境汙染防治的重點。
土壤重金屬汙染修復的主要技術包括化學、物理、工程以及生物治理法，微生物修復是通過微生物對土壤中的重金屬離子的吸附、吸收、絡合、沉澱及成礦等作用降低其活性，減少農作物對重金屬的吸收，達到修復汙染的效果。微生物修復具有環境風險小、成本低、效率高等優點。
在土壤中，微生物依靠其細胞壁和胞外聚合物（EPS）中大量的羥基、羧基、磷酸基吸附土壤中重金屬離子，其代謝分泌的磷酸根、腐殖酸、富裡酸等能沉澱土壤中的重金屬離子，其胞內形成的植物螯合肽和金屬硫蛋白等能富集重金屬，而且微生物還可以通過改變土壤理化性質、影響植物根系吸收等過程，使土壤中重金屬的遷移性下降，降低了重金屬的生物有效性。
消除土壤多環芳烴汙染需要微生物
多環芳烴（PAHs）是含兩個或兩個以上苯環結構的有機汙染物，廣泛分布於土壤中，並且水溶性低，難揮發，結構穩定，成為典型的持久性有機汙染物（POPs）。PAHs具有「致癌、致畸、致突變」效應，對環境生態安全和人類健康具有極大的潛在危害。
上個世紀八十年代以來，世界各國環保部門都已經將PAHs列為環境中優先監測汙染物。
土壤中的PAHs大多來自於化學、鋼鐵、火力電力工業（如焦化煤氣、有機化工、石油工業、煉鋼煉鐵和火力發電等）、交通運輸、垃圾和秸稈焚燒、汙灌和汙泥農用等方面。
我國向環境中排放的PAHs逐年上升。1999年中國16種優先控制PAHs的年排放量約為9799噸，2003年，我國年總排放量高達25300噸。由於PAHs難溶或不溶水，90%以上排放到大氣中的PAHs通過大氣乾濕沉降進入土壤，使土壤成為PAHs的儲存庫。
此外，我國汙灌區長期灌溉含有高濃度PAHs的城市工業汙水及石油汙水，也造成了土壤中PAHs的大範圍累積。土壤中的PAHs可以由植物根系吸收而進入植物體，植物體也可經葉片吸收由土壤揮發到大氣中的PAHs，並在植物體內發生轉運、部分代謝和積累，通過食物鏈的富集與傳遞，危及人體健康。
環境中去除PAHs的方式主要有揮發、光降解、生物積累、化學氧化、土壤吸附和微生物降解等，而微生物降解是環境中PAHs最主要的去除方式，具有成本低、汙染小、安全性高等優點，是修復工程中應用較廣泛且相對成熟的一種技術。
目前，我們課題組已從全國五大油田的石油汙染土壤中篩選數百株具有高效廣譜的PAHs降解能力的純培養細菌，降解譜包括萘、菲、芘、苯並芘和戊二醛等，並已經申請多項專利。
目前已完成了部分細菌細胞磷脂組成模式以及碳源代謝多樣性的鑑定，確定了菌株的系統發生地位，正在運用雷射共聚焦顯微鏡和氣質聯用開展菌株在菲、芘和苯並芘等不同PAHs為唯一碳源條件下的代謝組學特徵研究，進行菌株的全基因組測序，結合全基因組測序和BAC文庫篩選，全面闡明菌株對菲、芘和苯並芘等多環芳烴降解的分子機制。同時，測試菌株在不同類型土壤中的定殖能力和對多種多環芳烴及苯系汙染物的降解速率，構建多功能的微生物菌群，促進汙染物的快速降解及徹底礦化。
消除土傳性病原微生物汙染需要微生物
土壤是自然界中微生物生活的大本營，大部分土壤微生物是生態系統中不可缺少和有益的組成部分，但也有相當一部分土壤微生物能引起牲畜、人類感病甚至致命。土壤中的病原微生物主要來源於含有大量病原菌和寄生蟲的生活垃圾、生活汙水、未經處理的畜禽糞便、醫院汙水、工業廢棄物以及被病原菌汙染的河水等。
灌溉特別是汙灌常可引起土壤汙染。生活汙水和工業廢水中，含有氮、磷、鉀等許多植物所需要的養分，所以合理地使用汙水灌溉農田，一般有增產效果。但大量的汙水未加處理而直接傾注於環境，使一些灌區土壤中有毒有害物質、病原微生物和寄生蟲有明顯的積累。
據不完全調查，目前全國受汙染的耕地約有1.5億畝，其中汙水灌溉汙染耕地3250萬畝。
工業固體棄廢物或生活垃圾、人畜糞便以及因傳染病死亡的畜禽屍體等在土壤上堆放和填埋，或作農田基肥，由於淋濾滲透，其中的有害物質和病原體也會進入土壤，侵染農作物，並通過土壤介質在垂直和水平方向遷移擴散，汙染含水層和地下水，進而感染人體。因此，畜禽排洩物中殘留的病原菌極有可能會危及人類安全。
為了控制土壤中畜禽傳染病的病原菌，傳統的方法是使用化學消毒劑和抗生素進行消毒和控制，這給土壤帶來了嚴重汙染，影響土壤的植被和微生物群落，使得大量的微生物產生耐藥性，增加了進一步防控的難度，導致畜禽傳染病爆發頻率越來越高。相比化學消毒劑和抗生素，微生物製劑具有無毒副作用、無殘留汙染、不產生耐藥性的優勢，具有廣闊的發展和應用前景。
微生物製劑防治土壤傳染性病原微生物的優勢表現在：能調節土壤微生物群落結構，扶植正常群落；阻止土壤中病原菌定殖、傳播，殺死或抑制病原菌的生長；提高畜禽養殖區的環境質量，保證動物的健康養殖；減少動物屍體對環境的汙染；減少病原菌對農作物的汙染、促進農作物的生長；減少病原菌對水資源的汙染。
微生物製劑的菌種主要有乳酸菌、芽胞桿菌、酵母菌等。
解澱粉芽胞桿菌、枯草芽胞桿菌、地衣芽胞桿菌和短小芽胞桿菌等，耐酸、耐鹼、耐高溫，易於保存，穩定性好。它們能產生有機酸，利於乳酸菌等優勢菌群的生長繁殖，維持微生態平衡，還能產生抗菌物質，抑制病原菌的生長，因此是微生物製劑採用的主要菌種之一。
目前對於微生物製劑治理養殖場土壤環境汙染和防治環境中病原菌的相關研究較少，但因為畜禽病原微生物的汙染對動物和人的健康構成了極大的威脅，所以通過篩選能改善畜禽養殖土壤環境、對畜禽類無害的生防菌，製成無汙染、不產生耐藥性、能抑制土壤病原菌的複合微生物製劑，取代常用的化學消毒劑和抗生素，對於保護土壤健康具有重要意義和實際應用價值。
（作者系華中農業大學資源與環境學院教授、農業微生物學國家重點實驗室副主任）
《中國科學報》 (2014-12-10 第6版 科研)