產(chǎn)嗜鐵素砷抗性微生物在砷污染環(huán)境中的作用

夏清強(qiáng)，汪勁松，萬進(jìn)

1 湖北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002

2 食用野生植物保育與利用湖北省重點實驗室，湖北 黃石 435002

隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，越來越多地區(qū)受到砷等重金屬的污染，對環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[1-2]。2014年環(huán)境保護(hù)部和國土資源部對全國土壤污染狀況調(diào)查顯示全國土壤總超標(biāo)率為16.1%，其中砷超標(biāo)率為3%，在重金屬污染中排在前5位。砷屬于一類致癌物質(zhì)，可以影響機(jī)體的生化反應(yīng)，三價砷可以與蛋白質(zhì)巰基結(jié)合，五價砷可以取代生化反應(yīng)中的磷酸鹽，從而破壞 ATP[3]的形成。

砷在地球化學(xué)環(huán)境中的命運主要是由微生物活動決定的[4]。深入研究砷的微生物地球化學(xué)循環(huán)非常有利于開發(fā)高效的砷污染修復(fù)技術(shù)。在植物修復(fù)中，砷對植物的毒害作用較大，砷污染環(huán)境下植物的生物量一般較小，砷富集量低，嚴(yán)重影響修復(fù)效率。因此可表達(dá)金屬有機(jī)配體且促進(jìn)植物生長的耐砷微生物非常具有研究價值。嗜鐵素 (Siderophore) 就是一類金屬有機(jī)配體，對Fe3+有高親和作用的水溶性小分子化合物，可以防治某些植物病原菌和促進(jìn)植物生長。且嗜鐵素可以與多種金屬結(jié)合 (如 Cu、Ni、Mn、Co、Zn、Hg、Ag、Al、Cd、Pb、As、Fe 等)[5-6]。因此，產(chǎn)嗜鐵素砷抗性微生物可能具有在砷污染環(huán)境的修復(fù)中發(fā)揮作用的潛力。

這篇綜述的目的是簡要闡述產(chǎn)嗜鐵素抗砷微生物在砷污染環(huán)境中的作用及其在砷污染修復(fù)中的應(yīng)用潛力。希望本綜述可以為開發(fā)砷污染修復(fù)的微生物修復(fù)技術(shù)和農(nóng)業(yè)用地土壤改良劑或重金屬隔離劑提供一些思路。

1 微生物的砷生物地球化學(xué)循環(huán)

微生物是促使砷在地表環(huán)境中循環(huán)的主要因素，它們通過多種機(jī)制與砷相互作用，包括吸附-解吸、沉淀-溶解、氧化-還原和甲基化-去甲基化等活動影響著砷在環(huán)境中的命運[4]。微生物細(xì)胞和砷之間直接相互作用的潛在途徑，包括物理捕獲和生物轉(zhuǎn)化。某些微生物具有砷趨化作用，可吸附在砷礦石上，捕獲環(huán)境中的砷，將砷隔離。在微生物細(xì)胞密度很高時，由于細(xì)胞表面官能團(tuán)競爭和細(xì)胞表面吸附，可能已經(jīng)改變了砷與礦物表面的吸附親和力，使砷在環(huán)境中的流動性加強(qiáng)或減弱。生物轉(zhuǎn)化是砷生物地球化學(xué)循環(huán)的主要驅(qū)動力。環(huán)境中的砷轉(zhuǎn)化主要是生物驅(qū)動的，非生物轉(zhuǎn)化過程非常緩慢，如硫化物對五價砷的還原作用在動力學(xué)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于微生物對五價砷的還原作用，因此砷的非生物轉(zhuǎn)化被認(rèn)為不如微生物介導(dǎo)的還原作用重要。許多元素的生物轉(zhuǎn)化過程會影響砷的流動性，如Fe、S、Mn等元素的微生物轉(zhuǎn)化過程一般會提高砷在自然界中的流動性。砷的還原和甲基化會提高砷的流動性，而氧化和去甲基化則降低砷的流動性。

2 產(chǎn)嗜鐵素微生物

2.1 嗜鐵素

硅酸鹽礦物是地球表面生物活動所需的無機(jī)營養(yǎng)元素(如鈣、鉀和鐵)儲存庫。在自然環(huán)境中，F(xiàn)e2+易被氧化成Fe3+，自然pH下易沉淀，生物不可利用[7]。然而，由于鐵的氧化還原特性，可以參與電子傳遞 (呼吸鏈、光合作用和Fe-S蛋白等)，使其成為許多生物的必要元素。為提高鐵的生物可利用濃度，許多生物以表達(dá)有機(jī)配體 (嗜鐵素) 來促進(jìn)鐵的溶解[8-9]。

根據(jù)嗜鐵素螯合基團(tuán)結(jié)構(gòu)的差異可將其分為4類：異羥肟酸型，有1個N-羥基鳥氨酸基團(tuán)，氧原子作為Fe3+的配體；兒茶酚型，有1個兒茶酚基團(tuán)，其苯環(huán)上相鄰的2個羥基作為Fe3+的配體；α-羥基羧酸型，是以羧基和羥基作為 Fe3+的螯合基團(tuán)；混合型，是含有兩類或兩類以上上述基團(tuán)。如多數(shù)假單胞菌能產(chǎn)生的一種復(fù)合縮氨酸并具有黃綠色熒光特性的嗜鐵素 (Pyoverdine)，其同時具有異羥肟酸型、兒茶酚型及羧酸型嗜鐵素的特征，對鐵有極高的親和力[10]。雖然嗜鐵素的主要作用是螯合三價鐵，但它們也可以與多種金屬結(jié)合形成穩(wěn)定復(fù)合物，在重金屬污染樣品的解毒中發(fā)揮重要作用[5,11]。

2.2 嗜鐵素對砷化學(xué)循環(huán)的影響

嗜鐵素的表達(dá)一般受鐵的調(diào)控。對鐵敏感的Fur調(diào)節(jié)因子與 Fe2+結(jié)合后會調(diào)控參與嗜鐵素胞內(nèi)合成、膜間成熟、跨膜轉(zhuǎn)運的蛋白基因的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)嗜鐵素的表達(dá)和運輸及載鐵嗜鐵素的轉(zhuǎn)運[12]。除鐵離子會調(diào)控嗜鐵素表達(dá)之外，某些重金屬也會影響嗜鐵素的表達(dá)。在 Cd污染環(huán)境中嗜鐵素的相對表達(dá)量會增加[13]。這可能是因為其他重金屬和鐵離子競爭與嗜鐵素作用，減少了載鐵嗜鐵素的形成，鐵離子進(jìn)入細(xì)胞的量很少，微生物仍然處于缺鐵狀態(tài)，故進(jìn)一步刺激嗜鐵素表達(dá)。

砷污染環(huán)境中，許多砷耐受菌會表達(dá)嗜鐵素，如氣單孢菌Aeromonassp.[14]、綠膿桿菌Pseudomonas aeruginosa[15]、熒光假單胞菌Pseudomonas fluorescens[11,16]、 假 單 胞 菌Pseudomonassp.[17]。在產(chǎn)嗜鐵素微生物的作用下，土壤中的礦物會被溶解，如嗜鐵素與水鐵礦、雄黃礦等的鐵螯合，將鐵礦石溶解，同時吸附在礦石上的砷酸鹽被釋放出來[14,18]。其次，砷氧化酶的激活需要 Fe3+，因此嗜鐵素可以促進(jìn)環(huán)境中的亞砷酸鹽氧化成砷酸鹽，而砷酸鹽又易被環(huán)境中的礦物吸附固定[16]。另外，嗜鐵素也會通過其他元素間接影響微生物的砷還原[14]。所以，嗜鐵素在砷生物地球化學(xué)循環(huán)中有重要作用，參與維持環(huán)境中砷酸鹽的動態(tài)平衡。

3 砷污染的微生物修復(fù)

環(huán)境砷污染修復(fù)主要目的就是恢復(fù)環(huán)境原有功能和作用，使其重新具備原有利用價值。微生物修復(fù)包含生物富集和生物轉(zhuǎn)化兩大類。生物富集主要表現(xiàn)在胞外絡(luò)合、沉淀以及胞內(nèi)累積。微生物對重金屬的生物轉(zhuǎn)化主要指微生物對重金屬進(jìn)行溶解、生物氧化與還原、礦化、甲基化與去甲基化以及改變重金屬價態(tài)以達(dá)到改變重金屬形態(tài)、降低重金屬毒性的目的。利用微生物在砷生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用，根據(jù)微生物對砷的物理隔離和生物轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)有許多可用于砷污染修復(fù)的微生物。如，Yang等使用伯克霍爾德氏菌Burkholderiasp. Z-90發(fā)酵液對重金屬污染土壤進(jìn)行生物淋濾，砷的去除率為31.6%。這是因為Z-90可以分泌生物表面活性劑，能與重金屬污染礦物形成穩(wěn)定的金屬絡(luò)合物，將固定的固相砷轉(zhuǎn)化為可流動的液態(tài)砷[19]。Nair等的研究表明，使用微生物產(chǎn)的嗜鐵素對砷污染土壤進(jìn)行5次洗滌，可除去土壤中92.8%的砷[15]。

4 產(chǎn)嗜鐵素抗砷菌在植物修復(fù)中的作用

植物修復(fù)技術(shù)主要包含6種類型：根際過濾、植物萃取、根際修復(fù)、植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)、植物轉(zhuǎn)化等技術(shù)。如陳同斌等發(fā)現(xiàn)蜈蚣草對砷有超富集的現(xiàn)象，在砷污染環(huán)境的修復(fù)方面有良好的應(yīng)用前景[20-21]。植物修復(fù)能在原位修復(fù)生態(tài)環(huán)境，可以在不改變土壤生物活性和土壤結(jié)構(gòu)的情況下，通過植物的根系直接將大量的重金屬元素吸收，通過植物地上部分的收獲來修復(fù)被污染土壤。但是植物富集土壤中重金屬的效率低，常見的重金屬超富集植物生物量較小、植株矮小、生長周期長，這就造成了植物修復(fù)的實際應(yīng)用價值低，是制約植物修復(fù)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。重金屬抗性根際微生物可以促進(jìn)植物生長，加大重金屬富集量，提高植物修復(fù)效率[22]。因此重金屬抗性根際微生物常被用來與植物聯(lián)合修復(fù)重金屬污染。

嗜鐵素作為一種植物促生因子，可以提高植物吸收營養(yǎng)的效率，促進(jìn)植物生長。Jeong等通過盆栽試驗，研究了嗜鐵素作為微生物鐵螯合劑對蕨類植物吸收砷的影響[6]。大葉井邊草分別在嗜鐵素和EDTA處理的土壤中生長10周后，嗜鐵素處理的大葉井邊草的砷含量 (5.62 mg/g (As/plant)) 是EDTA處理的 (1.51 mg/g (As/plant)) 3.7倍。因此，產(chǎn)嗜鐵素微生物可以促進(jìn)砷從環(huán)境中向某些植物細(xì)胞內(nèi)流動，故產(chǎn)嗜鐵素微生物可以作為聯(lián)合修復(fù)中一種潛在菌株。

另外，產(chǎn)嗜鐵素重金屬抗性微生物也可作為土壤調(diào)理劑或重金屬隔離劑，阻斷重金屬在經(jīng)濟(jì)作物或農(nóng)產(chǎn)品上富集。目前還沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)于產(chǎn)嗜鐵素砷抗性微生物在這一方面上的應(yīng)用。但是有產(chǎn)嗜鐵素鎘耐受菌在這方面的研究報道，如Tripathi等使用產(chǎn)嗜鐵素鎘抗性的惡臭假單胞菌Pseudomonas putidaKNP9可以使綠豆在鎘污染土壤下的鎘富集量減少[23]，Ganesan使用產(chǎn)嗜鐵素鎘抗性的Pseudomonas aeruginosaMKRh3可以使黑豆科植物生長勢增強(qiáng)，生根粗大，且鎘富集量減少[24]。這可能是因為嗜鐵素可與鎘相互作用，使鎘性質(zhì)發(fā)生改變，阻斷鎘進(jìn)入植物的通道，或者鎘改變嗜鐵素的微結(jié)構(gòu)，使之沒有相應(yīng)的受體，最終降低植物的鎘富集量。產(chǎn)嗜鐵素微生物對植物重金屬的吸收是促進(jìn)還是減弱取決于植物、微生物和重金屬之間的相互作用[25]。

5 總結(jié)與展望

產(chǎn)嗜鐵素微生物在砷的地球環(huán)境命運中起著重要作用。一方面，微生物本身是砷生物轉(zhuǎn)化的主要動力，其中微生物表達(dá)的嗜鐵素也可以參與砷的地球化學(xué)循環(huán)。另一方面，微生物可以促進(jìn)植物生長，提高砷富集量，為提高微生物-植物修復(fù)效率提供了可能。

雖然微生物轉(zhuǎn)化可能有助于將固相的砷釋放到流動相中變成氣態(tài)或液態(tài)，但對后續(xù)可流動砷的去除或處理沒有很好的方法。相比之下將微生物直接作為土壤調(diào)理劑，改變土壤理化性質(zhì)，使砷礦化或?qū)⑸槲焦潭ǎ僮鞲唵?，處理成本更低。另外，嗜鐵素可以降低鎘在某些植物中的含量，那么是否存在在產(chǎn)嗜鐵素微生物作用下砷富集量減少的植物呢？若存在的話，產(chǎn)嗜鐵素微生物就可作為砷進(jìn)入植物果實的隔離劑，使砷污染土壤重新變得有經(jīng)濟(jì)價值。因此，對植物、細(xì)菌和重金屬的相互作用開展更廣泛和深入的研究，有利于開發(fā)更多可以用于土壤改良劑或重金屬隔離劑的微生物-植物組合，可能有助于開發(fā)高效的重金屬污染處理辦法，提高砷污染修復(fù)效率，使其可與非生物方法相媲美。