电子废弃物是指各类报废的家用电器与办公电子产品，如电脑、复印机、冰箱、电视机、移动电话等，是由塑料、金属和其他材料制成的复杂混合体^{[1, 2]}。一方面，它是可再生利用的重要资源，可回收如铜、铝、铅、锌、铁、金、银、铂等贵重金属，因开发成本远低于矿山一次资源，电子废弃物又被人们称为“城市矿山”；另一方面，它又是污染物，其中包含的铅、镉、汞、铬、钡、铍、多溴联苯、多溴联苯醚等均对人类和生态系统有害，如果处理不当，将会严重污染拆解区周边环境^{[3, 4, 5]}。

清远市是中国最大的电子废弃物拆解基地之一，小作坊生产模式已经进行了20多年，主要采取溶融、酸洗、焚烧等生产方式，以致大量无法回收的电子废料和处理残渣等被倾倒在田地、沟渠和山谷中，致使周边农田土壤长期受到重金属Cd、Cu、Pb污染，难降解的重金属大量累积严重危害人类健康与生态环境^{[6, 7, 8]}。如郭勇勇^[9]研究了重金属子宫内暴露对胎儿生长发育的影响，结果发现电子废弃物拆解区新生儿处于高铅、高镉负荷状态，尤其是新生儿脐带血铅、胎盘铅水平显著性升高，这与其父母是否从事电子垃圾回收工作、是否在贵屿居住及居住时间密切相关。目前，国内外对拆解区周边的土壤重金属污染现状分析、健康风险评价等相关报道^{[1, 2, 6, 7, 9]}较多，但针对细菌强化修复电子废弃物复合重金属污染农田土壤的研究并不多见。细菌虽然不能直接降解和移除重金属，但可通过改变其化学或物理性质而影响重金属在环境中的迁移、转化，主要作用包括^{[10, 11, 12, 13]}：（1）吸附、富集作用，主要表现为胞外沉淀、胞外络合及胞内积累三种方式。由于细菌对重金属具有较强的亲和吸附性，重金属离子可被吸附在细胞的不同部位并结合到胞外基质上，或被螯合在可溶或不溶性生物多聚物（糖蛋白、多糖等携带大量阴离子的基团）上。（2）转化作用，主要是细菌能够通过氧化、还原、甲基化以及脱甲基化作用转化重金属，从而形成对重金属的解毒机制。（3）溶解作用，通过细菌各种代谢活动所产生的有机酸、质子、螯合物等直接或间接进行，把土壤中稳定态重金属活化成可交换态、可溶态，提高土壤重金属的移动性和溶解性，便于植物吸收富集，强化了植物修复效率。

本研究前期通过富集、驯化、分离，从清远市电子废弃物拆解区污染土壤中得到四种耐性菌株，分别研究了该细菌的生长特性与生物吸附特性，结果显示四种细菌对复合重金属污染水体有较好的吸附效果。现以这四种细菌为研究对象，非矿山型东南景天为实验植物，在温室盆栽实验条件下，强化修复模拟的Cd、Cu、Pb污染农田土壤，旨在通过研究分析来探讨不同程度复合重金属污染农田土壤的细菌强化修复效率和机理，为当地电子废弃物污染土壤修复与该生物强化修复技术的推广应用提供参考和依据。

四种耐性细菌HS-01、JH-02、YB-03和JY-04筛选自广东省清远市电子废弃物拆解区周边污染表层土壤（0~20 cm），经菌落形态、扫描电镜分析以及16S rDNA技术鉴定可知，四种细菌分别为海水芽孢八叠球菌（Sporosarcina aquimarina）、佐吕间湖生芽孢八叠球菌（Sporosarcina saromensis）、巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）、甲基营养型芽孢杆菌（Bacillus methylotrophicus）。

液体培养基在Tamer Akar等^[14]的研究基础上加以改进：葡萄糖 2 g，KH2PO4 3 g，（NH₄）2SO4·7H₂O 0.5 g，MgSO4 2 g，CaCl₂·2H₂O 0.25 g，FeSO₄·7H₂O 0.1 g，NaCl 0.1 g，蒸馏水 1 L，调节pH至7.0。

供试土壤：采自清远市电子废弃物拆解区焚烧厂周边的农田土壤（0~20 cm），基本理化性质为：pH （6.21±0.01），CEC（8.72±1.27）cmol·kg^-1，OM（100.77±1.46）g·kg^-1，碱解氮（79.33±8.08）mg·kg^-1，速效磷（0.70±0.01）mg·kg^-1，速效钾（49.93±1.20）mg·kg^-1，Cd全量（4.50±0.10）mg·kg^-1，Cu全量（43.02±1.27）mg·kg^-1，Pb全量（86.67±3.08）mg·kg^-1。

供试植物：东南景天（Sedum alfredii）购自广州花卉市场，生长时间约3个月，挑选长势良好、大小基本一致的植株待用。实验前植物生物量（鲜重）均值为（6.69±0.49）g。植物地上部Cd、Cu、Pb含量分别为（3.15±0.22）、（12.71±0.47）、（10.32±0.28）mg·kg^-1；地下部含量分别为（3.82±0.16）、（14.12±0.61）、（15.43±0.44）mg·kg^-1。

实验方法参考相关研究^{[15, 16]}加以改进。将供试土壤自然风干后过2 mm筛，以水溶液形式投加分析纯CdCl₂·2.5 H₂O、CuSO4·5H₂O、Pb（NO₃）₂试剂，使土壤分为轻污染（未添加）、中污染（Cd、Cu、Pb浓度分别达到50、150、150 mg·kg^-1）、重污染（Cd、Cu、Pb浓度分别达到100、300、300 mg·kg^-1）三个梯度。因清远地区部分农田土壤Cd浓度达到177 mg·kg^-1，故本实验设置了较高的Cd浓度水平。将土壤充分混匀后平衡1个月，保持田间持水量的60%。每个花盆装土2 kg，每盆2株东南景天，每个处理三次重复，种植前测定植物鲜重。种植植物10 d后，分别将HS-01、JH-02、YB-03、JY-04四种耐性细菌菌液（接种后活化培养24 h，此时菌液OD600均值分别为0.769、0.711、1.686、1.612）50 mL投加至每株植物根际土壤中，并设置添加等量液体培养基的未加菌+有植物的对照组（未加菌组），以及添加等量液体培养基的未加菌+无植物的空白对照组（空白组）。60 d后收获并测定植物鲜重，然后将植物分为地上部与地下部，测定根际土壤（0~2 cm）和东南景天中的重金属含量，以及根际土壤重金属形态^[17]、土壤酶活性（脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶）^{[18, 19, 20]}。

土壤样品自然风干，碾磨过100目筛，采用HNO₃+HClO₄+HF消解，植物样品分为地上和地下部分，用高纯水冲洗后滤去水分，105 ℃杀青30 min，然后65 ℃烘至恒重，碾磨过60目筛，加HNO₃+HClO₄消解，火焰原子吸收分光光度仪（PerkinElmer PinAAcle 900T）测定Cd、Cu、Pb全量。

数据运算采用Excel 2003，统计分析采用SPSS 20.0中ANOVA分析法（Duncan）。在图表中组间有相同字母表示两数据间无显著差异，无相同字母表示数据间有显著差异（P＜0.05）。

对实验前后生物量（鲜重）进行比较得到表 1。随着重金属污染程度上升，东南景天的生物量普遍减小，部分重污染组植物出现萎蔫、发黑、叶片脱落的状况，生物量减少范围为8.99%~29.02%。这可能是由于供试东南景天属于非矿山型，相比于矿山型东南景天的重金属耐性较差所导致，这与龙新宪等^[21]的研究结果相符。在不同污染程度下四种耐性细菌的生物量减少率普遍小于未加菌组，表明四种耐性细菌可能在一定程度上减轻了复合重金属对东南景天的毒害作用，其中添加细菌HS-01、YB-03的东南景天生长状况明显好于添加其他两种细菌（P＜0.05）。目前国内外相关研究中普遍认为细菌对植物的促进生长作用主要包括^{[22, 23, 24]}：（1）分泌植物激素（吲哚乙酸、细胞分裂素、赤霉素等次生代谢产物）；（2）产生铁载体；（3）产生1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶；（4）固氮溶磷和解钾作用；（5）提高植物病虫害抗性（产生铁载体与抗生素）。不同细菌对不同植物的促生作用不尽相同，四种耐性细菌对东南景天的促生机理仍需要进一步研究。

表 1 生物量减少率 Table 1 Reduction percentages of plant biomass

表选项

东南景天对复合重金属提取量见图 1。随着重金属浓度升高，东南景天对重金属提取量逐渐增大，添加四种细菌的植物地上部Cd、Cu、Pb最大提取量分别为171.1、154.9、137.0 mg·kg^-1，地下部最大提取量分别为223.3、422.9、356.4 mg·kg^-1，东南景天地下部提取量普遍高于地上部。相关研究^{[21, 25]}结果显示，非矿山型东南景天相比于矿山型东南景天，对重金属的提取、转运能力与耐受性较差，从而导致重金属大量积累在根部无法转移至地上部。当重金属污染程度低时，各组中东南景天对Cd、Cu、Pb的提取量普遍较低，地上部提取量均低于地下部，且各组间提取量相差不大；当污染程度上升之后，地上部提取量开始显著低于地下部（P＜0.05），而JH-02和JY-04组地上部提取量开始显著高于其他各组；当污染程度达到重度后，除了YB-03与未加菌组中地上部Cu提取量比中污染降低之外，其余各组东南景天地上部、地下部重金属积累量均达到最大值。这可能是由于重度污染下，YB-03组植物地下部Cu、Pb累积量均显著高于其他各组，重金属毒害作用阻碍Cu的转运所导致。另外，JH-02组植物地上部各重金属提取量相对最高，JY-04次之，均显著高于其他各组（P＜0.05），可能是由于这两种细菌促进了东南景天提取和向地上部转运重金属的作用。

图 1 东南景天重金属提取量 Figure 1 Amounts of heavy metals extracted by Sedum alfredii

图选项

Cd、Cu、Pb转运系数（地上部/地下部平均含量）范围为0.31~1.03、0.06~0.86、0.16~0.59（表 2）。总体来看，随着重金属污染程度上升，Cd、Cu的转运系数普遍呈下降趋势，而Pb的转运系数却呈先上升然后下降趋势。其原因可能是Cd和Cu生物毒性较强，随着污染程度上升，Cd与Cu大量累积于东南景天根部，致使植物出现生物量下降、萎焉等毒害症状，从而使得转运系数下降。由于Pb的毒害作用相对较低，在特定情况下东南景天可能对其转运能力相对较好，当污染程度达到中度时，东南景天对Pb的转运系数出现上升情况，当污染程度达到重度后，Pb以及复合重金属毒害作用加强，转运系数也随即降低；另外，四个细菌组的重金属转运系数普遍高于未加菌组，说明四种细菌可能对东南景天向地上部转运重金属起到一定作用。综合来看，细菌JH-02与JY-04促进重金属向地上部转运的能力强于细菌HS-01与YB-03。

表 2 重金属转运系数 Table 2 Transfer coefficients of heavy metals

表选项

重金属形态分析结果表明（图 2），随着重金属浓度的上升，Cd的铁锰氧化物态与残渣态逐渐减少，可交换态与碳酸盐态逐渐增多，Cu的残渣态逐渐减少，碳酸盐态与铁锰氧化物态逐渐增多，Pb的残渣态逐渐减少，可交换态和碳酸盐态逐渐增多。总体来看，细菌JH-02对重金属的活化作用相对最好，JY-04次之，可交换态含量普遍高于其他两种细菌组以及未加菌组（P＜0.05）。相比于未加菌组，两种细菌对Cd、Cu、Pb的最大活化效果分别达到了4.39%、3.69%，2.05%、1.56%及10.91%、8.45%，对重金属的活化作用由大到小依次为Pb＞Cd＞Cu。结合东南景天对重金属提取量分析结果，得出这两种细菌可能通过代谢活动产生的分泌物溶解土壤中重金属，从而起到活化作用，最终促进了东南景天的提取。如杨卓^[11]研究发现，胶质芽胞杆菌、巨大芽胞杆菌发酵液中含有草酸、柠檬酸等有机酸，对重金属有一定的溶解作用，提高了印度芥菜提取Cd、Pb、Zn的效率。另外，除了重金属Cd以外，未加菌组的Cu、Pb可交换态含量都普遍高于空白组，部分达到了显著性差异水平（P＜0.05），最高活化效果分别达到了2.11%和1.5%，表明东南景天可能对土壤中Cu、Pb具有一定的活化作用，其大小相比为Cu＞Pb。相关研究也认为，部分植物能够通过产生根系分泌物来改变根际土壤环境，从而提高重金属溶解性，起到活化的作用^{[26, 27]}。

图 2 重金属形态分布 Figure 2 Distribution of heavy metal fractions in soil

图选项

相关研究表明^{[28, 29]}，脲酶能参与含N有机化合物的转化，其活性大小可用来表示Ｎ素供应强度；磷酸酶能加快土壤有机磷的脱磷速度，增加土壤中磷素和易溶性营养物质（根据土壤pH值界定得出，轻污染与中污染主要为中性磷酸酶，重污染为酸性磷酸酶）；过氧化氢酶则与有机质含量相关，以此来判断土壤有机质转化情况。土壤酶活性研究结果显示（表 3），随着重金属浓度的增加，根际土壤酶活性呈下降趋势，这与其他研究^{[29, 30]}结果相似。但是HS-01、JH-02组中脲酶与过氧化氢酶及HS-01、JH-02与YB-03组中磷酸酶的活性均普遍高于未加菌组，未加菌组酶活性也普遍高于空白组，然而上述结果都未能达到显著性差异水平。结合重金属形态分析得出，四种耐性细菌与东南景天对重金属的活化作用可能并不是通过活化土壤酶活性达到的，相关细菌强化修复机理仍需要进一步研究阐明。

表 3 根际土壤酶活性 Table 3 Enzyme activities in rhizospheric soil

表选项

（1）随着土壤重金属浓度升高，东南景天对重金属提取量逐渐增大，JH-02组植物地上部各重金属提取量相对最高，JY-04次之，均显著高于其他各组（P＜0.05）。

（2）细菌JH-02对重金属的活化作用相对最好，JY-04次之，对Cd、Cu、Pb的最大活化效果分别达到了4.39%、3.69%，2.05%、1.56%及10.91%、8.45%，对重金属的活化作用由大到小依次为Pb＞Cd＞Cu。

（3）综合来看，细菌JH-02与JY-04对土壤重金属的活化作用相对最好，促进了东南景天的提取以及根部重金属向茎叶中转移，可达到强化修复的效果，具有一定的应用前景。另外，该细菌与不同超积累植物相互联合的修复效率以及相关强化修复机理，仍需要进一步深入研究阐明。