傳統的物理化學修復方法去除環境中的重金屬污染物花費的費用相對較高,并且容易造成二次污染等問題。與之比較的微生物修復方法在治理重金屬污染方面展現出優勢...具有較大的應用前景....引起國內外學者的廣泛關注...

微生物修復法?

微生物修復方法在治理重金屬污染方面展現出其菌種的來源豐富、低成本、無二次污染等方面的優勢,具有較大的應用前景。

目前,用來去除環境中重金屬的微生物主要有真菌、藻類、放線菌及細菌等...

微生物修復法之細菌?

細菌對重金屬的微生物吸附和解毒機制研究較為廣泛。

Huang 等研究表明細菌 B.cereus RC-1 對 Cd2+ 的吸附由細胞表面吸附和內部積累共同作用下完成的,表面吸附是被動,快速且不消耗能量 ;內部積累則是主動緩慢,需要能量且依賴于細菌的代謝調控系統。

細菌對重金屬的吸附解毒過程和機制是非常復雜的,往往是通過多種機制來共同對抗重金屬的毒害作用。

作者從細胞結構的角度,將整個吸附和解毒機制分三類 :

(1)細胞外部沉淀機制,通過分泌胞外物質改變環境條件等使重金屬發生沉淀作用 ;

(2)細胞表面吸附機制,通過各種作用將重金屬離子吸附固定在細胞表面,減少細胞內部的吸收。這個過程涉及到絡合、配位、離子交換、無機微沉淀、氧化還原及靜電吸附等多種吸附機制;

(3)細胞內部解毒機制,該過程較為復雜,涉及到重金屬的運輸和解毒機制等。

Chakraborty 等研究發現,細菌 Pseudomonas aeruginosa JP-11 對 Cd 進行細胞表面吸附的同時,細胞內部的 Cd 抗性基因 czcABC 表達水平也顯著提高。

文章從細胞結構的角度,即細菌細胞外部、細胞表面和細胞內部等三方面概述重金屬脅迫下細菌的吸附和解毒機制研究進展,主要內容包括細胞外部的沉淀機制、細胞表面的吸附機制以及細胞內部的解毒機制,并提出未來可能的發展方向,旨為重金屬污染的微生物修復技術提供理論依據和實踐參考。

細胞外部沉淀機制

細胞外部沉淀機制,本文指微生物通過分泌某些物質釋放到環境中,通過改變環境的條件等使重金屬離子發生沉淀作用,從而減少重金屬離子對微生物的毒害作用。它與細胞表面吸附機制不同之處是發生在外界環境中。

例如,環境中的某些細菌,如 Bacillus brevis 和 Pseudomonas sp., 在重金屬脅 迫下,通過釋放多糖、脂類、蛋白質等胞外分泌物來沉淀重金屬離子。如硫酸鹽還原菌 CL4 通過釋放甘油使鋅發生沉淀,Acidithiobacillus ferrooxidans 分泌硫化氫來沉淀銅。有研究指出,胞外多糖被細菌分泌到溶液中后,可以與重金屬離子發生絡合作用。如 Pseudomonas fluorescens BM07 分泌的生物高分子可以通過羥基、羧基等官能團使 Hg、Cd、Zn等重金屬離子發生沉淀。此外,一些細菌則是通過釋放胞外分泌物來提高環境的 pH,從而促進重金屬離子形成氫氧化物沉淀。如 Streptococcus sp. 通過分泌脂肪分解酵素來提高溶液 pH,使重金屬離子發生絮凝沉淀,從而大大降低重金屬離子對它的毒害。由此可見,細胞外部吸附機制是細菌去除環境中重金屬離子的常見機制之一。

細胞表面吸附機制

針對細菌對重金屬的吸附機制,大多數研究集中在細胞表面。重金屬離子通過與細菌表面某些物質發生作用,尤其是與細胞壁組分和胞外聚合物,最終被固定在細胞表面。該過程涉及到的機制主要包括離子交換、表面絡合、氧化還原、無機微沉淀和靜電作用等。

(1)離子交換機制

離子交換機制指微生物細胞表面含有的一些離子與環境中重金屬離子發生交換作用,從而吸附固定重金屬離子。

李輝等、 劉瑞霞等研究發現 Bacillus cereus、Micrococcus luteus 對 Cd(II)和 Cu(II)吸附過程中,伴隨著 K+、Ca2+、Na+ 和 Mg2+等陽離子的大量釋放,表明離子交換作用促進了這 兩種細菌對 Cd 和 Cu 的吸附固定 ;Ye 等發現細菌 Stenotrophomonas maltophilia 對 Cu(II)進行生物 積累的同時,伴隨著 K+、Mg2+ 和 Ca2+ 的釋放。嗜麥芽窄食單胞菌在吸附 Cu(II)和 Cd(II)的同時, 伴隨著 Cl-、PO43-、SO42-、Na+、NH4+、K+ 和 Ca2+ 等離子釋放。

以上這些研究表明,離子交換機制是細菌表面吸附主要機制之一(圖 1),其中有些離子, 如 K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、PO43-、SO42- 和 NH4+等在細菌吸附重金屬的過程中起到了一定的作用。

(2)表面絡合機制

重金屬離子與微生物表面蛋白質、多糖、脂類等物質上的化學基團(如羧基、羥基、磷酰基、酰 胺基、硫酸脂基、氨基和巰基等)相互作用,形成金屬絡合物,被吸附固定在細胞表面。

劉紅娟等探討蠟狀芽孢桿菌 RC 積累 Cd(II)前后細胞壁表面化學基團的變化情況發現,RC 的細胞壁上參與絡合作用的化學官能團主要有 -OH、-NH、-CO 和 -COOH。Bahari 等用蠟狀芽孢桿菌 SZ2 對 As(III)進行吸附固定的實驗,則發現只有 -OH 和 -NH參與了 As(III)的生物吸附過程。

此外,不同的細菌吸附不同的重金屬參與絡合的官能團不盡相同。 楊洲平等在粗毛栓菌吸附 Pb(II)過程中,發現起吸附作用的官能團主要是 -OH、-COOH、-SH 和 -PO4。Joo 等發現綠膿假單胞菌 ASU 6a 參與 Zn(II)的生物吸附的官能團主要是 -OH、-NH、-CO 和 -COOH。而 Bai 等則發現枯草芽孢桿菌 DBM 細胞表面的 -OH、-NH、-CO、-COOH 和 -PO4 與 Pb(II)發生絡合作用。

這些研究表明,-OH、-NH、-CO、-COOH、-SH 和 -PO4 等細胞表面官能團在細菌吸附重金屬的過程中起到了重要作用。

(3)氧化還原機制

氧化還原機制主要發生在一些多價態的重金屬離子上。重金屬脅迫下細菌對外界做出反應,如分泌一些氧化還原酶等,使重金屬離子從高毒轉化為低毒的價態并固定在細胞表面,從而保護自身,維持細胞正常的生理代謝。

如惡臭芽孢桿菌通過分泌 Cr- 還原酶到細胞表面,將細胞表面高毒性的 Cr(VI)還原為低毒性的 Cr(III)。有研究指出 錳還原細菌可以將 Mn4+ 還原成為 Mn3+ 等,并固定在細胞表面,從而降低重金屬對菌體的毒害。此外, Valenzuela 等和 Fan 等從高砷污染河流的沉積物中分離出砷氧化菌,并發現這些菌株能將細胞表面的 As(III)氧化為更加穩定的 As(V)。

以上研究表明,在面對 Cr、Mn 和 As 等多價態重金屬的脅迫下,細菌往往會通過氧化還原機制來緩解重金屬的毒害作用。

(4)無機微沉淀機制

無機微沉淀機制主要指微生物使重金屬離子形成無機晶體沉淀,并積累在其細胞表面上,從而吸附固定重金屬。

劉瑞霞等研究 Micrococcus luteus 吸附 Cu(II)過程發現,當溶液 pH 值較高時, Cu2+ 會形成氫氧化物微沉淀沉積在細胞表面。Li 等發現 Bacillus cereus 細胞壁上的生物聚合物和銀離子發生復雜的化學作用,使重金屬以晶體微沉淀的方式存在于細胞表面。進一步來講,Bai 等通過 X 射線衍射分析確定了 Bacillus subtilis DBM 對 Pb(II) 的生物吸附過程中細胞表面形成了 Pb5(PO4)3OH、 Pb5(PO4)3Cl 和 Pb10(PO4)6(OH)2 等晶體微沉淀。 由此可見,無機微沉淀機制在細菌細胞表面吸附固 定重金屬的過程中扮演著重要角色。

值得注意的是,靜電作用也是細胞表面吸附機制之一。李輝等研究蠟狀芽孢桿菌 SY 對 Cd 的 吸附過程中發現,靜電吸附對 Cd 的固定起到了一定 的作用。同樣,Shan 等發現 Bacillus subtilis 通過靜電作用吸附 Cu、La 等重金屬。

細胞內部解毒機制

細菌表面在吸附固定重金屬的同時,有一部分重金屬通過離子轉運通道進入到細胞內,為了使自身不受重金屬離子的毒害,細菌需要能量和新陳代謝系統的調控。

該過程主要分為兩部分,第一部分是重金屬離子的轉運,即排至細胞外 ;第二部分是內部固定轉化作用。

目前認為的內部解毒機制主要有 :促進重金屬離子外流即外排作用 ;阻止重金屬離子內流 ;重金屬的轉化作用 ;細胞內部的隔離作用(區域化作用)等。

這些機制的主要作用方式有外排泵、還原成低毒價態、結合金屬整合肽、 金屬硫蛋白等沉積在內部特定位置等。

另外,較之細胞外部和表面吸附機制,胞內機制尤為復雜,研究還不夠深入,需要進一步探討。

(1)細菌對重金屬的轉運

細菌需要通過減少運輸、阻滲作用或外排機制來抵抗重金屬的毒害,最有效的方法之一就是將重金屬離子外排至細胞外。細菌中存在許多與金屬離子運輸有關的蛋白家族,它們大多位于細胞膜上, 起著離子泵的作用。

如銅綠假單胞菌(Pseudo-monas aerugionsa)就是通過外排泵系統 RND 超家族 (MexAB-OprM、MexCD-OprJ 和 MexEF-OprN 等 ) 將Ni、Mn 等重金屬離子轉運至細胞表面。

另外, 某些細菌的鋅抗性基因編碼蛋白 -ABC(ATP binding cassette)蛋白家族通過依賴能量的方式來實現對鋅的外排。同樣,Antje 等研究發現有 Zn(II) 存在時,菌體其中一個編碼外排泵的基因 CzcCBA 的表達水平顯著升高,并主動做出生理代謝反應, 促使 Zn 的外排。而且,有的外排系統是 ATP 酶, 如 Mycobacterium 的 Cu 抗性基因 Ctp A 編碼的 P 型 ATP 酶起到 Cu2+ 通道的作用,將過高濃度的 Cu2+ 排 出細胞外。

此外,還有 Proteus mirabilis strain V7 編碼谷胱甘肽轉移酶的基因 gstPm-4 在 Cd2+、Cu2+、 Hg2+ 和 Pb2+ 存在的情況下表達水平上升,惡臭假單胞菌 Zn(II)抗性基因 CD2 P 型 ATP 酶基因 CadA1 在高濃度 Zn2+ 下表達水平也上升,均參與重金屬離子的轉運。

(2)細菌對重金屬的轉化作用

在細胞內部,細菌可以通過氧化還原、甲基化等作用使某些多價態重金屬離子從高毒性轉化為低毒產物,從而達到解毒效果。

有研究表明,Staphylococcus 和 Bacillus cereus Pj1 有 Hg 抗性基因 merA,該基因編碼的汞抗性蛋白 merA 能將有毒性的 Hg2+ 還原為 Hg,再利用 Hg 本身的揮發性從細胞內部釋放到體外。Enterobacter sp. DU17 有 Cr(VI)還原酶基因,在 Cr(VI)的脅迫下能編碼產 生 Cr 抗性蛋白,一種 Cr(VI)還原酶,將高毒性的 Cr(VI)還原為低毒性的 Cr(III)。此外,某些 自養細菌,如硫鐵桿菌類,則通過氧化作用使 Fe2+、 As5+ 和 Mo4+ 等重金屬離子活性降低。有研究發現,Azospirillum sp. 的砷抗性基因 aioA 能編碼砷氧化酶, 將高毒性的 As(III)氧化成低毒性的 As(V); 銻氧化菌 Comamonas sp. S44 可以將細胞內高毒 Sb(III)氧化成低毒 Sb(V)。

另外,也有研究發現假單胞菌屬能使許多重金屬離子發生甲基化反應, 從而將金屬離子毒性大大降低,如硒的甲基化產物毒性大大減弱。以上研究表明,細菌能對一些重金屬離子,如 Hg、As、Sb 和 Mo 等,進行內部轉化作用,從而達到自身解毒作用。

(3)細菌對重金屬的區域化作用

除了通過對重金屬的轉運及轉化作用,細菌還能通過代謝某些蛋白,如金屬硫蛋白和金屬整合肽等,直接與重金屬離子作用,并封存在細胞內部, 即區域化作用,從而達到解毒作用。

有研究發現, 細菌的金屬硫蛋白(metallothionein)富含半膚氨酸, 能夠絡合銅、鋅等重金屬,并通過區域化作用將這 些重金屬螯合物封存在細胞內的不同部位,從而使自身免受重金屬的毒害。

還有研究表明腸道菌S. enferica 通過金屬整合肽(CopA、CueO 和 CueP) 將胞質內過量的 Cu2+ 封存起來。E.coli 受高濃度 Cu2+ 脅迫時,細胞基質中過量的 Cu2+ 主要是與大分子蛋白形成復合物 CusCBA,被固定在細胞內。 可見,區域化作用是細菌內部重要的解毒機制之一。

展 望

細菌作為一種生命體,因其細胞結構的復雜性,使得在研究它的重金屬生物吸附和解毒機制時需要從不同層次和角度來探討。

雖然本文將細菌的吸附機制分為三類來概述,即細胞外部、細胞表面、細胞內部(圖 2)。

但是必須指出的是,這三類機制并非獨立的,而是相互聯系且共同作用于細胞生命體的。

因此,開展相關研究時,需全面考慮,才能系統地揭示其機制。

人們對細胞外部沉淀和表面吸附機制研究較為廣泛,而對重金屬脅迫下細菌胞內生理生化反應及新陳代謝調控機制的研究尚不多見,了解還不夠深入。

另一方面,細菌種類繁多,不同菌種的內部解毒機制也不盡相同,還未形成一套完整的抗性機制體系。

因此,需要進一步從分子的角度探討重金屬脅迫下細菌的生存策略,弄清楚細菌解毒過程中關鍵性的基因和蛋白質,以及它們的功能作用。

此外,微生物吸附和解毒機制的研究基本上都是基于單一重金屬離子存在下的情況,現實中往往是多種重金屬共存的環境,意味著需要進一步探討在多種重金屬離子共存的情況下,細菌對重金屬的吸附和解毒機制,以便更有效地指導實際環境中重金屬污染的修復應用。