全 文 ：生态科学2004年8月第23卷 第3期 ECOLOGICSC ENCEAu岛2004，23(3)：273～277
镍污染对土壤微生物的生态效应
蔡信德1，一，仇荣亮p，陈桂珠1
(1．中山大学环境科学与工程学院，广州510275；2．国家环境保护总局华南环境科学研究所，广州510655)
【摘要】 镍是高等植物和某些微生物必需的微量营养元素之一，在它们的生命活动中起着重要作用；但浓度较高时，
也是一种极毒元素。大量的研究表明，镍污染土壤中微生物的生长、代谢、群落结构和种群多样性会受到不同程度的
影响；微生物在长期受重金属威迫的环境中形成其适应性。利用微生物形成的这种适应机制，采用微生物技术治理重
金属污染的土壤是可能的。本文还对镍污染土壤的微生物评价指标体系、土壤环境容量、微生物技术开发和综合治理
技术开发等的进一步研究作了展望。
关键词：土壤；镍；污染；重金属；生态效应
中图分类号：x17l 文献标识码：A 文章编号：1008．8873(2004)03．274—05
Reviewonecol02icaleff电ctsofmicroor2anisminnickeIpoIlutedsoil，CAIXin_de1’-，QIURong-lian91，CHENGui—zhul
(1．TheschoolfEnvironmentalScience&Engineerin＆SUNYAISENU iversity，Guangzhou5l0275：2．SoumChina
InstituteforEnvjronmentajScjence，SEPA，Gu粕贮hou510655，China)
AbstractNickelisoneofthenecessarynutritionelementsf．orsomemicroorganismandhi曲erplantsandplaysanimportant
mleintheirlife．However’nickelinhighdoseisalsoaextremetoxicelementtobiolo星MAgreatdealofresearchresultsshow
thatnickelpollutioninsoilcanleadtoseriousiH]lpactsonmicroorganisms．The掣-o、Ⅳth，metabolism，soilenzymeactivity，
communitiesdiver ityofmicroorganismc锄beafrectedinthesoilpolIutedbynickel．However’using111icrobialresist龃cesand
endurancesofsomebacterialspeciestodevelopthebioremediationme船ures仃eatingpollutedso订willbepossible．Some
su22estionsincludin譬thepollutedsoilmicmbiolo西calaSsessment，thesoilenvironmentcapacitymemic bialtechnology柚d
theintegratedtrea仃nenttechnologywereproposedforthefutureworks．
Keywords：soil；nickel；pollution；111icroo唱锄ism；ecolo垂calefrect
土壤是整个生物圈的基础，是生长植物的自然体。
只有一个安全的土壤环境才能为不断增长的人口提供
充足的物质生活资料【l】。所以，保护土壤以及保护土
壤中生物在内的土壤总体质量已经成为一个全球性的
环境保护目标。
镍是某些低等生物和植物的必需微量营养元素之
一。但是，镍也是一种致癌的毒性元素12J。由于工农
业生产的不断发展，各种污染物质(包括重金属)从
多种途径进入环境，对水、土壤质量和环境生物造成
严重威胁。加拿大Sudbunr的土壤受镍和铜冶炼厂排
放的大气污染物影响，土壤镍含量(干重)达23～2149
mg·kg。1【3】；矿冶行业排放的废气，导致芬兰、挪威
和俄罗斯北部受到不同程度的污染，苔藓植物体内镍
含量甚至高达396mg·k百1[4】o而我国，受重金属污染
的农田面积在不断增加、土壤污染程度有加重的趋势。
如广东省南海市某电镀厂废水使得下游农田土壤中镍
含量超过允许限值4．54倍、生菜和菜心分别超过允许
限值0．75倍和1．23倍【5】o据估计【6】，全球每年释放到
环境中的有毒重金属高达数百万吨，其中镍为38．1×
105t。这些重金属在环境中发生物理、化学和生物作
用，给周围环境造成了不可忽视的影响。本文就近年
来镍污染对土壤微生物生态效应方面的研究进行综
述，探讨镍污染对微生物影响的机制，对土壤镍污染
的剂量效应研究、微生物评价和污染土壤的生物修复
等方面具有指导意义。
1自然土壤中镍的特性
自然土壤中镍含量受成土母质、质地、气候和耕作等
影响。如从蛇纹岩上发育的土壤总镍可达5000
mg．k百1，从熔岩及火山灰上发育的土壤总镍可达
1 500mgk91【71。我国土壤(A层)平均为26．9mgkg一；
而广东省土壤含镍范围为3～162mg·k百1、平均为
27．68Ing·k百1。由于粘土、有机质对镍强烈的吸附持
留作用，因此，富镍土壤往往为粘土、壤土及富含有
机质的土壤蝉J。
镍在土壤中可分别与水、富里酸、碳酸钙、无定
形氧化铁、无定形氧化锰、蒙脱石、高岭石、蛭石等
基金项目：国家863计划项目(2001．从．64050l-03)，国家自然科
学基金项目(20177035)，教育部留学回国人员启动基金项日资助课题
+通讯联系人，E-mail：丝§gd@型!鲥H妞
作者简介：蔡信德(1965一)，男，博士研究生，从事土壤重金属污
染生物修复．E．mail：§in盘￡§i@§￡逾：gQm：蛆
2004-05．20收稿，2004_08-20接受
万方数据
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3期 蔡信德，等：镍污染对土壤微生物的生态效应 275
明，当藻细胞暴露于镍离子时，G6PDH和硝酸还原酶
的活性随离子浓度增加而下降，但当镍离子浓度为1．5
m2·L～，酸性磷酸酶的活性却达最大值，随后逐渐下
降。重金属及其他有毒元素化合物对土壤中酶活性的
作用，可能存在两方面的原因：一方面可能是重金属
对土壤酶活性产生直接作用，使酶类活性基团、空间
结构受到破坏从而降低其活性：另一方面重金属能抑
制土壤微生物的生长繁殖，减少微生物体内酶的合成
和分泌量，最终导致土壤酶活性降低【lo|。
2．3镍污染对土壤生化过程的影响
镍污染引起微生物体内代谢作用变化的同时，也
影响微生物的代谢功能。这种影响主要有以下几个方
面：对土壤有机残落物降解作用的影响、对土壤呼吸
代谢的影响以及对土壤氨化和硝化作用的影响。
2．3．1对碳循环的影响
对土壤有机残落物降解主要是通过土壤有机质矿
化、土壤有机物的氨化、硝化与反硝化等作用完成的。
据资料【20】，加拿大Sudbu巧一座冶炼厂(排放废气中
主要含镍和铜)附近8km的范围内，3种凋落树叶在
851d内分解率是对照地区的79～83％。凋落物的降
解主要依靠土壤中的分解者来完成，由于在污染的土
壤中微生物的数量、种群结构等受到影响，微生物的
生理生化功能下降，因此，微生物对凋落物的降解速
率下降，受污染区凋落物的分解速度较清洁区慢。
2．3．2对氮循环的影响 Brookes等研究了室内条件
下不同重金属浓度对生物固氮的影响，结果表明固氮
作用与重金属浓度有显著负相关，低浓度的重金属可
降低蓝绿藻固氮50％、且低浓度重金属污染土壤中微
生物的固氮量是高浓度重金属土壤的10倍【22|。、矾lke
研究了12种污染物(As、Be、Br、cd、Cr、F、Pb、
Hg、Se、Sn、V和Ni)对N素转化的长期影响，发
现除Se和Sn外，其它污染物均抑制氮的矿化作用【23】。
2．3．3对土壤呼吸的影响 土壤呼吸作用强弱意味
着该土壤系统代谢旺盛与否。呼吸作用的强弱与微生
物数量有关，也与土壤有机质矿化、氮和磷的转化强
度、pH和中问代谢产物等因素有关；任何抑制性因素
的存在都可能影响土壤的呼吸强度，这些影响因素中
重金属污染是最重要的影响因素之一【l01。城市土壤中
重金属元素铜、．铅、锌、镍的显著积累，使土壤微生
物呼吸强度和代谢活动明显高于农村土壤中【l31。
应和耐受能力。在土壤中重金属的有机化过程中，土
壤微生物起到了非常重要的作用，最主要的表现就是
微生物对重金属具有吸收和吸附作用。据Shweta
Singh等的试验【2l】，豌豆根瘤菌(尺五拓D6f“m
蛔张m觑D5口删m)吸收镍过程可分为三个阶段：第1IIlin
内为快速吸收期，在细胞内Ni2+累积量达到91
nm01．mg。1蛋白；l～30IIlin内为变慢期，吸收Ni2+
累积量达到118啪01．mg．1蛋白；随后的30～60lTlin
为吸收平稳期。Kbmamva掣24】研究了巨大芽孢杆菌
(召口cf舰s川馏口历e，．f“聊)对铅、镍、钴水溶液的吸附
作用，结果表明该菌对铅、镍、钴的吸附能力分别达
到0．0042g·g～、0．0029g·茁1、O．0049g。g～；其
吸附等温线符合Lan鲷1uir方程。通过微生物对重金属
的吸收或吸附作用，土壤中可溶性态的镍转化为弱专
性吸附态或有机结合态镍，减少了土壤中镍的毒性。
在重金属威迫的环境条件下，微生物体内形成了
相应的金属抗性机制，以适应胁迫环境。这些机制包
括：包膜、细胞壁、生物膜的保护性机制；细胞内隔
离机制；主动外排系统机制；酶脱毒机制；减少金属
敏感性；抗性质粒等【lo，251。除了上述所列的各种内部
机制外，微生物的分泌物质也能直接与胞外的重金属
作用。微生物降低重金属毒性的作用，除了金属离子
可能通过络合、配位、离子交换、一般吸附以及元素
的微沉淀外，还可通过生物甲基化、挥发作用、氧化
还原作用进行生物转化[2睨81。这些抗性和耐性机制，
可以是单独作用，也可以几种同时作用。微生物在重
金属环境中所形成的这些机制，使得利用微生物进行
重金属污染土壤的治理成为可能。根据上述微生物的
特性发展形成的微生物采矿技术、重金属废水的处理
技术 燃煤脱硫技术等，已经在生产实践中得到应用，
并取得了良好的经济、社会和环境效益。
据报导[29，30】，某些种类的植物根际促长细菌
(Plantgrowth．promotingrhizobacteria，PGPR)在重金
属污染的土壤中具有双重的作用：一是细菌体内含有
ACC(1一锄iIlocyclopropane一1_carboxyliccid，ACC)
脱氨酶，通过这种酶的作用，可抑制植物体内乙烯的
合成，在植物生长初期更好地定居、植物根生长更长，
从而提高了植物的生物量；二是细菌及其分泌物协助
植物获得足够的铁离子保证植物最佳生长。因此，将
适合某种污染物的PGPR接种在重金属耐性植物或超
累积植物根际，就有可能促进植物的修复作用。
3 微生物对土壤镍污染的抗性
土壤镍污染在影响土壤微生物数量和质量的同 4展望
时，土壤微生物也对重金属及其他元素具有一定的适 综上所述，土壤镍污染对微生物的生态效应的研
万方数据
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镍污染对土壤微生物的生态效应
作者： 蔡信德， 仇荣亮， 陈桂珠
作者单位： 蔡信德(中山大学环境科学与工程学院,广州,510275;国家环境保护总局华南环境科学研究所
,广州,510655)， 仇荣亮,陈桂珠(中山大学环境科学与工程学院,广州,510275)
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGIC SCIENCE
年，卷(期)： 2004,23(3)
被引用次数： 11次

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