重金屬污染的微生物效應(yīng)研究

張劍鋒，黃 放

（湖南金旅環(huán)保股份有限公司，湖南長沙 410000）

重金屬污染的微生物效應(yīng)研究

張劍鋒，黃 放

（湖南金旅環(huán)保股份有限公司，湖南長沙 410000）

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，環(huán)境中重金屬污染日趨嚴(yán)重，引起人們廣泛關(guān)注。在自然環(huán)境中，微生物對重金屬的敏感性要遠(yuǎn)高于動(dòng)植物，通過對重金屬和微生物兩者相互作用的深入研究，可為環(huán)境中重金屬的風(fēng)險(xiǎn)評估提供依據(jù)。文章綜述了重金屬對微生物生理毒害影響和微生物解毒機(jī)制，并對該領(lǐng)域的研究提出問題和展望。

微生物；重金屬；生理毒害；解毒作用

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重危害了人類生活環(huán)境和身體健康，引起了人們的廣泛關(guān)注。在土壤環(huán)境中，微生物對重金屬的敏感性要遠(yuǎn)高于動(dòng)植物，所以通常以微生物做作為生態(tài)環(huán)境的評估指標(biāo)。長期以來，對微生物的毒害及解毒機(jī)理研究主要是在生理學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等方面，但這些研究相對獨(dú)立，對系統(tǒng)評價(jià)重金屬和微生物之間的相互關(guān)系和作用具有一定的局限性。本文就重金屬污染的微生物效應(yīng)研究進(jìn)展作簡要綜述，探討存在的問題，提出展望。

1 重金屬對微生物毒害作用

1.1 重金屬對微生物活性的影響

當(dāng)土壤受到外來重金屬污染物污染時(shí)，微生物為了維持生存，其代謝活性發(fā)生不同程度的變化。重金屬對微生物活性的影響主要表現(xiàn)在抑制微生物的生長、誘導(dǎo)微生物細(xì)胞凋亡等方面。

1.1.1 重金屬抑制微生物的生長

微生物主要通過呼吸作用為生命活動(dòng)提供能量，呼吸作用的強(qiáng)弱可以反映微生物的活性。在重金屬的脅迫下，微生物呼吸作用會減弱，不同的真菌在Ni2＋處理培養(yǎng)24 h后與培養(yǎng)前4 h相比，呼吸作用中氧消耗顯著性減少，微生物活性被顯著性抑制。Crane等［1］用瓊脂平板培養(yǎng)法研究了重金屬 Hg2＋對外生菌根真菌的毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)平板上菌落直徑隨著Hg質(zhì)量濃度的增加而減小，存在明顯的“劑量－效應(yīng)”關(guān)系。趙修華等［2］在研究產(chǎn)朊假絲酵母吸附Cu2＋時(shí)，利用美蘭染色法對酵母細(xì)胞死亡率進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)酵母死亡率隨著 Cu2＋濃度的升高而增高。閻春蘭等［3］以集胞藻（synechocystis）PCC6803為研究材料，研究不同濃度的 Cd2＋處理對集胞藻生長的影響，發(fā)現(xiàn)低濃度的 Cd2＋處理（0～0.1 mg／L），能夠促進(jìn)集胞藻的生長，當(dāng) Cd2＋濃度進(jìn)一步增大時(shí)，藻體的生長受到抑制；當(dāng) Cd2＋濃度達(dá)到1.0 mg／L則完全抑制藻體的生長，這說明在一定條件下，重金屬在低濃度下可以促進(jìn)微生物的生長，高濃度下抑制微生物的生長。

重金屬不僅能抑制微生物的生物量的增長，而且對微生物的生長周期也有干擾作用。有研究發(fā)現(xiàn)重金屬（Cu2＋、Ni2＋、Zn2＋、Cr3＋）可抑制脫硫弧菌（Desulfovibrio sp）的生長，降低最大生物量和生長速率，使其遲滯期延長。

1.1.2 重金屬誘導(dǎo)微生物細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是細(xì)胞受到內(nèi)、外因子刺激后發(fā)生的由自身基因調(diào)控的生理性死亡過程，是一個(gè)主動(dòng)和高度有序的生命過程。生物、物理和化學(xué)等因素都可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡產(chǎn)生，其中重金屬就是典型誘導(dǎo)因子之一。Nargund等研究發(fā)現(xiàn)Cd2＋可誘導(dǎo)酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）細(xì)胞凋亡，原因可能是Cd2＋導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)多個(gè)生理生化反應(yīng)所致：（1）Cd2＋誘導(dǎo)半胱天冬酶（capase）的表達(dá)，細(xì)胞內(nèi)功能蛋白分子被催化裂解，裂解的蛋白分子誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡；（2）Cd2＋誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)線粒體膜超極化；（3）Cd2＋刺激細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧簇（ROS），而ROS可氧化細(xì)胞內(nèi)膜脂、功能蛋白、DNA等生物大分子，造成細(xì)胞損傷。目前Cd2＋導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生的機(jī)制還不清楚。

1.2 重金屬對微生物的種類和群落結(jié)構(gòu)的影響

微生物種群結(jié)構(gòu)是表征生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的重要參數(shù)。在土壤環(huán)境中，重金屬在影響微生物的生長同時(shí)，也改變環(huán)境中微生物的種類和群落結(jié)構(gòu)。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤環(huán)境在重金屬的脅迫下，整個(gè)微生物區(qū)系會發(fā)生質(zhì)的變化，不適應(yīng)生長的微生物數(shù)量下降，而適應(yīng)生長的微生物數(shù)量增大并累積［4］。

Rajapaksha等在重金屬Cu或Zn對土壤中微生物活性的研究中，發(fā)現(xiàn)在高濃度重金屬條件下細(xì)菌的活性急劇下降，而真菌的活性顯著性升高；此外，通過磷脂脂肪酸分析（PLFA）可知在高濃度重金屬條件下土壤中革蘭氏陰性菌減少而革蘭氏陽性菌和真菌增多，并且真菌與細(xì)菌的比例隨著重金屬濃度的升高而增大。Pierre-yves研究污水中 Zn、Cu和Pb處理細(xì)菌形成的生物膜，通過對處理的生物膜中細(xì)菌16 SRNA分析發(fā)現(xiàn)，由于微生物對重金屬的敏感性不同，生物膜中的優(yōu)勢種群會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致生物膜中的生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)改變。

1.3 重金屬對微生物細(xì)胞形貌結(jié)構(gòu)的影響

重金屬與微生物的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的界面反應(yīng)過程，包括表面絡(luò)合、離子交換、氧化還原、沉淀等作用。由于微生物細(xì)胞膜組成的復(fù)雜性，以及受細(xì)胞新陳代謝狀態(tài)及外界因素的影響，在重金屬脅迫下，微生物細(xì)胞的表面組成、形態(tài)結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生改變。

1.3.1 改變細(xì)胞表面形狀

何寶燕等［5］利用掃描電鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）觀測吸附鉻前后的酵母菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，吸附前的酵母菌細(xì)胞表面十分光滑飽滿，生長良好，有芽殖長出；吸附后鉻與細(xì)胞外大分子物質(zhì)結(jié)合，形成顆粒狀物質(zhì)，附著在細(xì)胞表面，部分細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生空殼、內(nèi)陷甚至裂解等現(xiàn)象。而當(dāng)觀察吸附了Cr3＋離子的普通脫硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans）時(shí)，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌表面有顆粒狀物質(zhì)形成，并且菌體表面出現(xiàn)凹陷，表明Cr3＋離子可能通過胞外絡(luò)合、沉淀固定在細(xì)胞表面，改變了細(xì)胞表面形狀。

“你講的也許沒錯(cuò)，可是這對我來說卻是一個(gè)錯(cuò)誤。你知道當(dāng)年和我一起值班，看見盜賊逃跑，后來被開除的那個(gè)年輕人在哪里，他現(xiàn)在過得怎樣了嗎？”

1.3.2 改變細(xì)胞膜電信號

對于水生生物藻類而言，重金屬不僅能引起藻類代謝功能紊亂、破壞葉綠素的合成、抑制其光合作用，也能導(dǎo)致細(xì)胞膜電信號的改變，導(dǎo)致細(xì)胞膜去極化，從而破壞細(xì)胞膜的完整性。在對大型輪藻（Nitella flexilis）細(xì)胞膜電信號對 Pb2＋、Cd2＋、Hg2＋脅迫的響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜電位和膜電阻對 Cd2＋、Hg2＋響應(yīng)靈敏快速，30 min內(nèi)對 1μmol／L Cd2＋、Hg2＋表現(xiàn)出超極化和膜電阻增大反應(yīng)，而5μmol／L、10μmol／L Cd2＋、Hg2＋在15 min內(nèi)引起細(xì)胞去極化、膜電阻減小，且劑量效應(yīng)顯著。細(xì)胞膜電信號對Pb2＋的響應(yīng)濃度為 100μmol／L，30 min內(nèi)導(dǎo)致細(xì)胞先去極化后超極化，膜電阻持續(xù)增大［6］。

2 微生物對重金屬抗性和解毒作用

微生物在應(yīng)對重金屬脅迫時(shí)，自身對重金屬有抗性及解毒的作用，得以維持體內(nèi)重金屬的動(dòng)態(tài)平衡。微生物對重金屬的解毒機(jī)制主要有生物吸附和生物轉(zhuǎn)化。在重金屬脅迫下，微生物會將重金屬離子轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物，主要是通過吸收、沉淀、固定、共價(jià)轉(zhuǎn)化等途徑，來降低環(huán)境中重金屬的毒性。此外，微生物通過附著在土壤顆粒表面形成生物膜結(jié)構(gòu)，減少重金屬與微生物的接觸、形成致密生物膜后可防止重金屬對內(nèi)部微生物的毒害作用，從而提高微生物對重金屬的抗性。

不同類型的微生物的解毒機(jī)制不同，原核微生物主要是通過細(xì)胞內(nèi)重金屬的外排、酶還原作用來控制細(xì)胞內(nèi)金屬離子的濃度；而真核微生物主要是通過酶促合成植物螯合肽和基因編碼合成的金屬硫蛋白結(jié)合游離態(tài)的重金屬離子，降低重金屬的毒性［7］。

2.1 微生物對重金屬的生物吸附作用

微生物的吸附作用主要有以下幾類：細(xì)胞表面吸附、胞內(nèi)吸附和胞外吸附［8］。細(xì)胞表面吸附則主要是在細(xì)胞表面進(jìn)行，是指將金屬硫蛋白、植物鰲合素及金屬結(jié)合多肽等多種物質(zhì)與重金屬進(jìn)行結(jié)合并進(jìn)行展示，通過這一系列反應(yīng)，使得微生物對重金屬的吸附能力進(jìn)一步得到提升。比如在酵母細(xì)胞表面，酵母金屬硫蛋白串聯(lián)體可進(jìn)行表達(dá)，并可以提升對重金屬的吸附能力。胞內(nèi)吸附是指重金屬離子通過與胞內(nèi)相關(guān)物質(zhì)進(jìn)行結(jié)合，如絡(luò)合素、金屬硫蛋白以及多肽物質(zhì)，之后再進(jìn)行沉淀與固定。而胞外吸附一般則依靠胞外聚合物ESP，其具備對重金屬離子產(chǎn)生絡(luò)合或沉淀的作用，主要來自于微生物的細(xì)胞外分泌物這類高分子聚合物。胞外聚合物可對Mg2＋、Pb2＋和 Cu2＋進(jìn)行快速固定，并且對 Pb2＋的親和力更強(qiáng)。在與重金屬離子進(jìn)行結(jié)合時(shí)，對于結(jié)合位點(diǎn)，在與不同類型細(xì)菌發(fā)生反應(yīng)時(shí)，也存在差異，比如革蘭氏陽性菌將肽聚糖作為其結(jié)合位點(diǎn)，磷酸基是革蘭氏陰性菌的結(jié)合位點(diǎn)，而幾丁質(zhì)則會成為真菌的結(jié)合位點(diǎn)。

2.2 微生物對重金屬的生物轉(zhuǎn)化作用

對于重金屬價(jià)態(tài)的改變，微生物可采取通過直接的氧化作用或還原作用的手段，進(jìn)而對金屬的溶解性、移動(dòng)性以及生態(tài)毒性產(chǎn)生影響［9］。有研究發(fā)現(xiàn)，硫還原細(xì)菌可在一定條件下將硫酸鹽還原為硫化物：第一種途徑則可通過呼吸作用，在這個(gè)過程中發(fā)生還原發(fā)應(yīng)，一般將將硫酸鹽作為電子受體；另一途徑則是利用硫酸鹽合成氨基酸發(fā)生的同化反應(yīng)，比如胱氨酸和蛋氨酸，在體外分泌產(chǎn)生S2－，則是通過脫硫作用。同時(shí)，其過程中還會產(chǎn)生沉淀，一般是通過S2－和Cd2＋相結(jié)合，這對重金屬污染方面的治理，具有重要的指導(dǎo)意義［10］。

2.3 外界環(huán)境對微生物解毒作用的影響

除微生物本身對重金屬解毒外，外界環(huán)境也可影響其對重金屬的解毒作用。在粘土礦物存在條件下Cd2＋對微生物的毒害研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，蒙脫石和高嶺石對微生物有保護(hù)作用，可以減緩重金屬對微生物生長的抑制作用，在相同條件下，蒙脫石保護(hù)作用比高嶺石大。該研究認(rèn)為粘土礦物蒙脫石和高嶺石對微生物生長的保護(hù)作用與其陽離子交換量（CEC）相關(guān)，CEC越大，吸附的Cd2＋越多，從而更大程度降低培養(yǎng)基中游離態(tài)Cd2＋的濃度，減輕對微生物的毒害作用。有研究發(fā)現(xiàn)隨著pH升高（從5.5到8.5），Ni對曲霉菌（Aspergillus conoides）等真菌的毒害作用減弱或消除。這是因?yàn)樵诓煌琾H條件下，金屬離子形成不同的形態(tài)，如Ni2＋在不同pH下形成NiOH＋、Ni（OH）2、Ni（OH）－3、Ni（OH）2－4，比例不同，降低了有毒形態(tài)的含量。此外，外界陽離子的干擾，也可降低重金屬對微生物的毒害作用。

3 微生物修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤上的應(yīng)用

近年來，微生物修復(fù)技術(shù)研究力度加大，加快了土壤微生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展。微生物修復(fù)技術(shù)因具有成本低、無二次污染等特點(diǎn)，成為生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域研究新熱點(diǎn)。

在低鎘濃度條件下，假單胞菌、大腸桿菌、芽孢桿菌和枯草桿菌等一些細(xì)菌可以修復(fù)鎘污染土壤。Kawasaki從食物中發(fā)現(xiàn)的幾株鎘吸附菌，當(dāng)pH在5.0～7.0，溫度為35℃下且鹽濃度為0%～20% 的培養(yǎng)基中培養(yǎng)去除鎘，鎘的去除率大于80%。鄧秋穗［12］等通過試驗(yàn)培養(yǎng)獲得的雷氏菌屬（Serratiamarcuscens）菌株FQ2重金屬耐受試驗(yàn)檢測發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Q2具有較強(qiáng)的重金屬耐受力，其抗鎳濃度為500 mg／L，抗鉛濃度為900 mg／L，在鎳和鉛同時(shí)存在的情況下最高耐受100 mg／L鎳和100 mg／L鉛。

4 問題與展望

微生物是土壤中重要膠體組分的組成物質(zhì)，其特點(diǎn)是數(shù)量繁多和表面活性強(qiáng)，因此，在對研究重金屬化學(xué)行為和生物有效性方面意義重大。同時(shí)，在促進(jìn)重金屬活化和氧化－還原方面，微生物在代謝活動(dòng)過程中起到了決定性的作用。因此，對于某些特性，微生物能夠?qū)⒅亟饘僭诃h(huán)境中存在的狀態(tài)有效地表現(xiàn)出來。當(dāng)前主要圍繞基因、細(xì)胞、個(gè)體和群體水平上，去探討微生物與重金屬之間的相互作用規(guī)律和機(jī)理。但是由于自身差異性，再加上不同的重金屬元素毒性效應(yīng)，使得微生物對重金屬污染的適應(yīng)過程以及在對機(jī)理的進(jìn)行研究時(shí)，整體上變得比較復(fù)雜。已有研究主要集中在重金屬對單一微生物種類的毒性影響，在微生物抗性基因的篩選、基因產(chǎn)物及其功能的鑒定方面已有大量的研究成果，而對生物學(xué)的基因調(diào)控機(jī)制還有待于深入研究。

通過重金屬對微生物的毒理學(xué)深入研究，可發(fā)現(xiàn)微生物受重金屬脅迫后新陳代謝的變化規(guī)律，為重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估及探索和開發(fā)微生物對重金屬的修復(fù)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

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Advances in M icrobial Effects of Heavy M etal Pollution

ZHANG Jian-feng，HUANG Fang
（Hunan Kinglv Environmental Protection Co.，Ltd.，Changsha 410000，China）

With the development of industry and agriculture，heavy metal pollution is increasingly serious in the environment and causing widespread concerns.In the environment，microorganisms are far more sensitive to heavy metals than animals or plants.The studies of the interaction between the heavy metals and microorganisms may provide a basis for risk assessmentof heavymetals in the environment.This article reviews the impactof heavymetals on microbial physiological toxicity and the mechanism ofmicrobial detoxification，and concludes with problems and prospects for future study in this field.

microorganisms；heavymetals；physiological toxicity；detoxification mechanism

X172

A

1003－5540（2017）06－0056－04

張劍鋒（1979－），男，工程師，主要從事環(huán)境修復(fù)等方面的研究工作。

2017－10－20