微生物菌体对铝的吸附行为及其改良酸性土壤的应用潜力

Aluminum (Al) toxicity is the major limiting factor for crop production on acidic soils. Reduction in the bioavailability of active Al in soil solution is an effective way to ameliorate acidic soil. Biosorption with its unique advantages has been considered as an efficient bioremediation strategy for treatment of wastewater containing metal ions, and shows broad application prospects. Although microbial adsorbents have been used to reduce significantly Al concentration in the wastewater, the efficient adsorption mechanism is not clear. In addition, knowledge on the potential of biosorption for the amelioration of acidic soils is still limited. Our primary results showed that microbial biomass significantly reduced the concentration of active Al in acidic soil. In this project, five microbial strains that exhibit great variations in cell wall will be used as experimental materials. We first try to identify a microbial strain with the highest adsorption capacity and its optimum adsorption conditions. Then, using a variety of technical and analytical tools, the mechanisms of efficient Al adsorption by the microbial strain will be studied. Finally, the actual effects of microbial biomass and its industrial microbiology waste on amelioration of acidic soil will be evaluated. All of these results will be taken together to explain the potential of biosorption in ameliorating acidic soil. This study will provide an effective and feasible strategy for bioremediation of acidic soils and further help to increase crop productivity on acidic soil.

铝毒是酸性土壤生产力提高的主要限制因子，改良酸性土壤的有效途径是降低土壤溶液中活性铝的生物有效性。生物吸附法以其独特的优势，为废水处理提供了一种良好的生物修复技术，具有广阔的应用前景。虽然研究者已经利用微生物吸附剂显著降低了废水溶液中铝的浓度，但是其高效吸附机理并不清楚，而且铝的生物吸附在改良酸性土壤方面的应用潜力尚未了解。我们的前期研究结果表明，微生物菌体可显著降低酸性土壤溶液中活性铝的浓度。本项目选取细胞壁差别较大的五种微生物菌株作为实验材料，首先比较它们在铝吸附方面的差异，试图寻找具有高吸附能力的微生物种类并确定其最佳吸附条件；其次结合多种技术和分析手段，从多个角度探讨微生物高效吸附铝的作用机理；最后考察铝高效吸附菌体及相应的工业微生物废弃物对酸性土壤的实际改良效果。以此探索生物吸附法在改良酸性土壤方面的价值和应用潜力，为酸性土壤生产力的提高提供一种有效可行的生物修复方法。

全球酸性土壤占据了40%-50%的潜在可耕地面积，而且土壤的酸化面积和程度不断增加。由于酸性强和肥力水平低等特点，酸性土壤严重制约了自身生产能力的发挥，最终威胁到粮食安全和农业的可持续发展。铝毒普遍被认为是酸性土壤生物生长和土壤生态平衡的主要限制因子，因此提高酸性土壤生产潜力的一个重要途径是降低土壤溶液中活性铝的生物有效性。由于环境友好、成本低、效果好和易操作等优点，生物吸附法已被认为是一种有潜力的生物修复技术。系统并深入地研究微生物吸附剂在降低酸性土壤铝毒害中的作用，这将为提高酸性土壤生产力和改善酸性土壤生态系统提供一种潜在可行的生物修复途径。.本项目采特性差异较大的五类微生物菌株：大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、黑曲霉、普通红酵母和高耐铝红酵母，比较它们在Al吸附能力方面的差异，并研究其吸附机理。研究发现，不同菌株对铝的吸附能力存在较大差异，并且不同程度的提高酸性土壤中小麦生物量，提高能力为：枯草芽孢杆菌>大肠杆菌>RS1>Rm >黑曲霉，表明微生物菌株具有提高酸性土壤生产力的潜力。采用高耐铝红酵母RS1深入研究了微生物的吸附条件和机理。发现，溶液pH、吸附时间、温度、Al浓度和菌体添加量对RS1吸附Al的影响。红外光谱和拉曼光谱研究结果表明，RS1细胞表面与铝吸附相关的物质主要是细胞壁多糖和蛋白质，主要涉及到的官能团包括羧基、羰基和酰胺基。此外，研究了不同的处理方式对酵母菌菌对铝的吸附行为的影响，发现灭菌后冷冻干燥菌体获得材料更好，吸附机制主要涉及离子交换，以及更低的表面Zeta电位。本项目基于微生物菌体吸附Al的研究，筛选具有高效Al吸附能力的菌体类型，阐明微生物高效吸附Al的作用机理，拓展生物吸附法在土壤修复方面的应用前景，为酸性土壤改良和生产力的提高提供一个潜在可行的生物修复技术。