乳酸菌對(duì)重金屬離子吸附能力的研究進(jìn)展

白英，孫悅，王純瑋

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特010018)

0 引言

自20世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和城市現(xiàn)代化建設(shè)得到迅速推進(jìn)的同時(shí)，污染也在增加。例如當(dāng)含有重金屬的工業(yè)廢水排放到環(huán)境中時(shí)，環(huán)境就會(huì)遭到破壞。重金屬在自然環(huán)境中是非常常見(jiàn)的，但是當(dāng)人體從環(huán)境或食物鏈中攝入超出人體適應(yīng)范圍的重金屬元素時(shí)，體內(nèi)各種元素之間獨(dú)特的比例被破壞，由此危害人類健康。因此在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善人民生活水平的同時(shí)，為了避免重金屬污染的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，去除環(huán)境中的重金屬刻不容緩。

目前，主要有物理、化學(xué)和生物方法來(lái)清除重金屬污染。物理法通過(guò)清洗、浸泡等方式，有效去除谷物和牛奶等食物中的重金屬。然而重金屬離子與海鮮和肉類產(chǎn)品中的大分子結(jié)合較為牢固，因此僅靠物理的方法去除是不夠的。化學(xué)法去除食物中重金屬的方法是將其與化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行螯合，但存在化學(xué)殘留物等安全性問(wèn)題。相對(duì)上面兩種方法而言，生物吸附法具有高效、環(huán)保、無(wú)毒等特點(diǎn)，這使之成為去除重金屬的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究證明乳酸菌具有吸附重金屬的能力，但尚未形成完整的理論體系。因此，深入研究乳酸菌對(duì)重金屬的吸附具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)近年來(lái)乳酸菌對(duì)重金屬吸附研究進(jìn)行總結(jié)與歸納，期望對(duì)后續(xù)研究有借鑒意義。

1 重金屬的來(lái)源及存在形式

在109種化學(xué)元素中有83種元素為金屬元素，而重金屬指的是原子序數(shù)大于20、密度大于5 g/cm3的金屬元素，如銅、鉛、鋅、錫、鎳、鈷、銻、汞、鎘、鉍等。有些重金屬如鐵、鋅、銅是人體所必須的微量元素，但大部分重金屬如汞、鉛、鎘等并非生命活動(dòng)所必須。進(jìn)入人體的重金屬，尤其是有害的重金屬，在人體內(nèi)積累和濃縮，可造成人體急性中毒、慢性中毒等危害，這類金屬元素主要有:汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、砷(As)等。從生態(tài)學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，只要是可造成環(huán)境污染或者不易被生物降解的金屬和類金屬物質(zhì)皆屬于重金屬范疇。重金屬在自然界中濃度很低且處于安全范圍內(nèi)，因?yàn)槠湟话阋曰衔锏男问酱嬖?，所以說(shuō)重金屬污染的主要原因是人為污染。人為污染主要包括工業(yè)“三廢”，即廢水、廢氣和廢渣；交通運(yùn)輸和生活垃圾。將工業(yè)廢水、醫(yī)療廢水、生活廢水和人類生產(chǎn)活動(dòng)所產(chǎn)生的其他重金屬污染通過(guò)各種渠道排放到自然環(huán)境中的農(nóng)作物、海鮮、水果和蔬菜等生物體內(nèi)產(chǎn)生重金屬的積累。實(shí)際上，當(dāng)少量重金屬進(jìn)入環(huán)境時(shí)，首先環(huán)境要對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是如果其中重金屬的含量屬超出了環(huán)境承受能力，則可能導(dǎo)致自然環(huán)境的破壞。土壤中重金屬的主要來(lái)源是采礦、污水澆灌、農(nóng)藥和化肥。當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水、廢氣和廢渣通過(guò)生物沉降污染了水資源。通常來(lái)講，大多數(shù)重金屬污染物是無(wú)色無(wú)味的，因此很難檢測(cè)到。重金屬一般都是通過(guò)呼吸系統(tǒng)或者消化系統(tǒng)進(jìn)入人體內(nèi)，并在體內(nèi)進(jìn)行積累。起初，人們的身體只會(huì)感到有些不適。但是當(dāng)一定數(shù)量的重金屬堆積時(shí)，它就會(huì)影響免疫繁殖、基因代謝等其他生理功能，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致癌變、畸形或者突變。汞極易與各種蛋白質(zhì)(如酶）上的巰基發(fā)生反應(yīng)，且結(jié)合后不易分離。另外，汞還會(huì)與部分官能團(tuán)(如生物聚合物的氨基，磷酰基和羧基）發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，導(dǎo)致生物聚合物的失活和破壞以及影響正常的細(xì)胞代謝。砷的毒性具有遺傳性，可導(dǎo)致DNA損傷和致使甲基化不足。鎘可通過(guò)鈣的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制通過(guò)生物膜系統(tǒng)抑制酶系統(tǒng)，從而影響各種器官的正常功能。鉛是環(huán)境污染中最嚴(yán)重的重金屬污染物之一，當(dāng)鉛進(jìn)入人體后，會(huì)與體內(nèi)相關(guān)的蛋白質(zhì)和酶結(jié)合，積聚在人體的各個(gè)器官?gòu)亩鸲拘浴?/p>

食物中的汞主要來(lái)自于自然排放，例如火山、地?zé)岷蛶r石的風(fēng)化作用。含汞的農(nóng)藥和化肥的使用、污水的澆灌或進(jìn)行工業(yè)廢物的排放，都會(huì)使得在水、土壤和空氣中積累的汞直接或間接地通過(guò)食物鏈的累積進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品。食品中的砷主要?dú)w因于砷礦石的冶煉、工業(yè)“三廢”的污染以及使用含砷的農(nóng)藥。砷可通過(guò)吸附和滲透作用，從被污染的土壤、水和空氣移動(dòng)到農(nóng)產(chǎn)品中。另外，砷也可能會(huì)在食品加工過(guò)程中直接或間接污染食品。砷在食品中呈現(xiàn)多種存在形態(tài)，主要包括一甲基砷酸(MMA)、亞砷酸鹽(As(Ⅲ))、二甲基砷酸(dDMA)、砷酸鹽(As(Ⅴ))、砷糖(AsS)、三甲基砷(TMA)、砷膽堿(AsC)等[1]。李祎[2]等人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在干海產(chǎn)品中是有砷存在的，例如魷魚(yú)絲、蝦皮、魷魚(yú)干和脆鱈魚(yú)皮等。而砷主要是以AsB、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA和DMA等形態(tài)存在。食品中的鎘主要來(lái)自采礦廢水、電鍍和生產(chǎn)電池所用的工業(yè)廢水。鎘元素一般是通過(guò)雨水或自然沉積等方式，將工業(yè)廢氣中的鎘以及施用化肥中的鎘傳遞到土壤中。植物性食物一般都是通過(guò)其根部的吸收將土壤中的鎘存于體內(nèi)，而動(dòng)物性食物則是通過(guò)食物鏈中生物的富集不斷地進(jìn)行積累。食品加工中的鉛主要來(lái)自包裝材料、食品容器、食品添加劑等[3]。

當(dāng)重金屬存在于食物中時(shí)，一般汞的毒性最高，其次分別是鎘、鉛以及砷。由于工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，重金屬被不斷的挖掘利用，重金屬化合物的使用也在不斷增加。因此對(duì)我們所生活的環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。重金屬以三種形式存在：無(wú)機(jī)，有機(jī)和復(fù)雜狀態(tài)。無(wú)機(jī)狀態(tài)包括自由態(tài)和結(jié)合態(tài)；有機(jī)態(tài)是以一種有機(jī)金屬化合物的形式存在；復(fù)雜狀態(tài)是由高分子(例如蛋白質(zhì)，核酸和糖等)形成的高分子有機(jī)物，也是可能有機(jī)小分子的復(fù)合物。

2 食品中重金屬的去除方法

一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)用物理方法時(shí)是不會(huì)改變重金屬的化學(xué)形式的。常用的清除重金屬的物理法包括：蒸發(fā)濃縮法、溶劑萃取法、離子交換法等手段。目前食品中常用溶劑萃取法、離子交換法等方法。除此之外，蒸煮、清洗等方法是家庭中常用的去除食品中重金屬的方法，可以很大概率的除去糧食和牛奶中的重金屬。Nataliya Porova[4]等研究發(fā)現(xiàn)利用低頻超聲波(20 kHz)處理牛奶可以有效去除鉛、砷和汞，并且不會(huì)明顯的改變牛奶的品質(zhì)。超臨界流體萃取是一種較為新型的分離技術(shù)，它是通過(guò)向體系中加入適當(dāng)?shù)呐湮换?，與重金屬離子結(jié)合形成配合物。殷雋[5]采用超臨界CO2萃取技術(shù)對(duì)黃姜中的銅、鎘和鉛進(jìn)行脫除，凈化后的黃姜達(dá)到了重金屬國(guó)際限量標(biāo)準(zhǔn)，且對(duì)黃姜中的甾體皂素等有效成分影響不大。曹洪斌等指出，采用離子交換法可有效去除中草藥中所污染的重金屬[6]。但是物理法的清除能力會(huì)根據(jù)食物品種的不同而有所差異，例如像海鮮或者肉類食品與重金屬離子的結(jié)合能力就相對(duì)較弱?；瘜W(xué)法通常先將重金屬?gòu)娜芙獾臓顟B(tài)轉(zhuǎn)化為不溶的狀態(tài)，之后再通過(guò)諸如硫化物沉淀、氫氧化物沉淀和氧化還原方法的沉淀等方式除去這些不溶的重金屬化合物。而食品中重金屬一般會(huì)運(yùn)用檸檬酸鈉、草酸鈉等試劑，通過(guò)分子間的螯合作用或等離子交換等方法將其去除。Azelee[7]等研究發(fā)現(xiàn)翡翠貽貝中含有重金屬砷、鉛和鎘，并使用三種螯合劑檸檬酸鈉、草酸鈉和乙酸鈉對(duì)其進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用醋酸鈉去除重金屬時(shí)，去除能力鉛＞鎘＞砷；利用草酸鈉去除重金屬時(shí)，去除能力鉛＞鎘＞砷；利用檸檬酸鈉去除重金屬時(shí)，去除能力鎘＞鉛＞砷。但是，使用某些有毒的化學(xué)試劑會(huì)在食物中留下殘留物，從而損害人體健康。近些年，利用微生物菌體作為吸附劑對(duì)金屬離子進(jìn)行吸附，引起了廣泛關(guān)注，對(duì)真菌、酵母菌及細(xì)菌進(jìn)行篩選分離、富集培養(yǎng)，然后利用其吸附作用去除廢水中重金屬離子[8]。生物法去除重金屬時(shí)，通常是通過(guò)吸附、沉淀或轉(zhuǎn)化重金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)的。食品中的重金屬一般是通過(guò)食物中微生物的吸收或積累來(lái)去除的，例如植物及其提取物、真菌和乳酸菌等。Ibrahim[9]等研究發(fā)現(xiàn)，鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus，LR)LC-705對(duì)混合后的鎘和鉛有吸附作用，以此證明乳酸菌可以成為重金屬生物吸附劑。生物法的優(yōu)點(diǎn)是安全、無(wú)污染也無(wú)殘留，從食品學(xué)角度來(lái)看，生物法更適用于肉類、海鮮類食品的重金屬吸附；從環(huán)境處理方面來(lái)看，相對(duì)于操作費(fèi)用高、處理效率低的物理法和化學(xué)法，生物法在今后環(huán)境處理中將會(huì)發(fā)揮出更加顯著的優(yōu)勢(shì)。

3 乳酸菌吸附重金屬的研究現(xiàn)狀

乳酸菌(Lactic acid bacteria，LAB)是一類能夠發(fā)酵碳水化合物形成乳酸且不產(chǎn)生芽孢的革蘭氏陽(yáng)性菌的統(tǒng)稱。大部分乳酸菌是安全且非致病的微生物，它參與體內(nèi)眾多的代謝活動(dòng)，有研究表明乳酸菌具有可以調(diào)節(jié)腸道生理功能，維護(hù)身體健康等作用。乳酸菌不僅存在于人體和哺乳動(dòng)物的口腔及胃腸道中，還廣泛分布于植物和自然界。在食品方面諸如乳制品、蔬菜水果和肉制品的中均有乳酸菌的存在，同時(shí)乳酸菌也可以在自然環(huán)境下生存，例如土壤、污水等[10]。乳酸菌的主要功能為維持腸道內(nèi)菌群的平衡、促進(jìn)消化吸收、增強(qiáng)免疫力等。在食品生產(chǎn)中，經(jīng)過(guò)乳酸菌發(fā)酵過(guò)后的食品風(fēng)味將大幅度的提升，同時(shí)食品的安全性也得到了提高[11]。

近年來(lái)，由重金屬導(dǎo)致的食品污染問(wèn)題已引起人們的關(guān)注。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有很多研究表明微生物可以吸附重金屬，但是他們大多數(shù)用于環(huán)境工程領(lǐng)域，絕大多數(shù)的微生物都為致病菌。由于此類微生物并不可直接用于食品或人體中，研究食品級(jí)微生物對(duì)于重金屬的吸附成為了熱點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。乳酸菌作為食品安全級(jí)別的微生物代表菌株，如果將乳酸菌作為重金屬吸附劑添加到食品中或者作為膳食補(bǔ)充劑攝入體內(nèi)。不僅可以對(duì)重金屬進(jìn)行體內(nèi)的清理吸附，還可以通過(guò)將糞便排出體外的方法減輕重金屬對(duì)機(jī)體的損傷。除此之外，研究發(fā)現(xiàn)乳酸菌在體外時(shí)同樣可以對(duì)重金屬進(jìn)行吸附[12]。乳酸菌可緩解腸道的氧化損傷，并保護(hù)腸道黏膜免受金屬離子的傷害，從而減輕重金屬對(duì)人體的不利影響。動(dòng)物腸道中的重金屬會(huì)破壞腸道屏蔽系統(tǒng)，并降低腸道上皮細(xì)胞的活性使得重金屬更容易被腸道吸收。研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌在恢復(fù)受損的腸屏障系統(tǒng)的同時(shí)，還可以降低胃腸的通透性并抑制重金屬的吸收[13-14]。因此乳酸菌作為重金屬吸附劑具有巨大潛力。隨著微生物對(duì)重金屬吸附的關(guān)注度越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者紛紛開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研究研究。乳酸菌雖然作為人體腸道的益生菌被廣泛關(guān)注，但目前相關(guān)資料仍然不多，研究還處于初級(jí)階段。

3.1 乳酸菌吸附汞

Jadán-Piedra[15]等研究顯示，在模仿胃腸道消化的前提下，干酪乳桿菌(Lactobacillus casei)BL 23對(duì)食物和水中的汞(Ⅱ)都擁有極好的吸附能力，所達(dá)到的兩種物質(zhì)的吸附率72%～98%和74%～97%。Kinoshita[9]等從日本泡菜和韓國(guó)泡菜、牛和豬腸、清酒和奶酪中分離和篩選了11株擁有良好吸附性的乳酸菌，并分析了對(duì)汞的吸附效果。其中清酒乳桿菌(Lactobacillus sakei)MYU 10的對(duì)汞的吸附能力達(dá)到99.1%，可有效清除MRS培養(yǎng)基中0.852 g/mL的汞(Ⅱ)，平均每個(gè)細(xì)胞吸附0.198 pg汞。Kinoshita[16]等后續(xù)對(duì)MRS培養(yǎng)基中銅、汞等重金屬進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用的是上述分離出的菌株W.ViridescensMYU 205。結(jié)果表明應(yīng)用W.viridescensMYU 205進(jìn)行吸附時(shí)，對(duì)汞吸附率可以達(dá)到將近80%，因此該菌株對(duì)汞的吸附效果達(dá)到最好。

3.2 乳酸菌吸附鎘

Halttunen[17]等人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus)GG通過(guò)細(xì)胞表面的靜電吸附去除了磷酸鹽緩沖液(pH=7.0)中22.1%～49.1%的鎘。Kinoshita[16]等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)從牛腸道環(huán)境中分離獲得菌株W.ViridescensMYU 205對(duì)檸檬酸緩沖液(pH=6.0)中鎘(II)的吸附量可達(dá)到10.46μg，平均每個(gè)細(xì)胞吸附5.25 g鎘(Ⅱ)。Halttunen[18]等研究發(fā)現(xiàn)菌株長(zhǎng)雙歧桿菌(Bifidobacterium Longum)46可以吸附鎘的量為54.7 mg/g干菌體。Bhakta[19]等從受重金屬污染的魚(yú)腸道中分離出具有良好益生特性和腸道黏附特性的羅伊氏乳桿菌(Lactobacillus reuteri)Cd 70-13，發(fā)現(xiàn)其對(duì)MRS培養(yǎng)基中的鎘吸附率為25%。Topcu[20]等研究表明從水中分離得到2株菌屎鏈球菌(E.faecium)EF031和E.FaeciumM74能有效吸附水中鎘，E.faeciumEF031的吸附率可達(dá)到77.3%～98.1%；E.FaeciumM74的吸附率可達(dá)到53.5%～91.0%。并且吸附速度很快，反應(yīng)1 h即可吸附60.0%的鎘。Zhai[21]等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌(L.plantarum)CCFM 8610可以有效地清除9種水果和蔬菜汁(如新鮮蘋(píng)果，番茄和黃瓜)中的67%～82%鎘。應(yīng)用L.plantarumCCFM8610對(duì)果蔬汁進(jìn)行發(fā)酵(36 h)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果、酉紅柿和黃瓜汁中鎘的清除率分別為82.28%、74.59%和82.87%。FuYaping[22]等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將L.plantarum和戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus)按2∶1混合后，然后以3%接種量，在40.8℃條件下發(fā)酵23.4 h可以有效的從水稻中去除85.73%的鎘。翟齊嘯[23]研究發(fā)現(xiàn)，濕菌體L.plantarumCCFM8610對(duì)鎘有一定的吸附能力，最大吸附率可達(dá)到31.34%±0.14%。邵鑫[24]研究表明，鼠李糖乳桿菌LAB-5(Lactobacillus rhamnosusATCC 53103)對(duì)鎘耐受性較高，并有很強(qiáng)的吸附能力。

3.3 乳酸菌吸附砷

Chang[25]等對(duì)來(lái)自日本生物資源中心的標(biāo)準(zhǔn)菌株保加利亞乳桿菌(Lactobacillus bulgaricus)和嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus)進(jìn)行復(fù)合后發(fā)現(xiàn)，混合菌對(duì)鳳梨中砷的清除量高達(dá)97.8%。Bhakta[26]等從印度和日本被污染的運(yùn)河以及污泥中分離出了103株乳酸菌，研究發(fā)現(xiàn)乳酸片球菌(Pediococcus acidilactici)As102-4、P.acidilacticiAs105-7和P.acidilacticiAs112-9 3種菌對(duì)水中砷的清除效果可達(dá)到0.006、0.13、0.76μg/(h·mg)。Halttunen[18]研究發(fā)現(xiàn)Lb.caseiDSM 20011在pH7.0、22℃條件下5 min可清除38.1%的1.0 mg/L As(Ⅴ)。

3.4 乳酸菌吸附鉛

Bhakta[26]等從受到重金屬影響的魚(yú)腸道中篩選出羅伊氏乳桿菌(Lactobacillus reuteri)Pb71-1，研究發(fā)現(xiàn)該菌種對(duì)MRS培養(yǎng)基中的鉛有很好的的吸附能力，吸附率可達(dá)到59%。Halttunen[18]等實(shí)驗(yàn)得出B.longum46可有效清除重金屬鉛，清除量最高可達(dá)到175.7 mg/g。賈原博[27]等分離得到62株對(duì)鉛有一定抗性的乳酸菌，分別來(lái)自白云鄂博稀土礦區(qū)和包頭尾礦庫(kù)等17個(gè)樣品。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同的菌種對(duì)鉛的抗性有所差異，其中篩選得到的菌株對(duì)鉛最大抗性濃度為8 400 mg/L。Bhakta[28]等從臨近海邊的水產(chǎn)養(yǎng)殖地的沉淀物中找到具有較強(qiáng)抗鉛水平的菌株E.faeciumPb12，它對(duì)鉛的最大耐受質(zhì)量濃度為8 000 mg/L。除此之外，這株菌可以吸附清除魚(yú)腸道內(nèi)0.046 mg/(h·g)鉛。夏爽[29]等發(fā)現(xiàn)L.reuteri21008可從新鮮的豬排泄物中分離，且該菌具有高的鉛吸附能力，可達(dá)到84.23%的吸附率。Halttunen[18]等實(shí)驗(yàn)證明B.longum46和發(fā)酵乳桿菌(Lactobacillus fermentum)ME3可通過(guò)靜電作用在細(xì)胞的表面吸附清除一定量的鉛，吸附效果分別為0.33 mmol/g和0.45 mmol/g。Topcu[20]等研究發(fā)現(xiàn)對(duì)水中的鉛進(jìn)行吸附時(shí)，應(yīng)用菌株E.FaeciumM74和E.faeciumEF031吸附效果較好，E.FaeciumM74吸附率可以達(dá)到42.9%～93.1%。E.faeciumEF031的吸附率可達(dá)到66.9%～98.9%。Feng[30]等分離出了來(lái)自中國(guó)傳統(tǒng)泡菜的菌株Lb.plantarum70810 EPS，通過(guò)電子顯微鏡觀察到在魚(yú)腸道環(huán)境中，當(dāng)pH為5.0且溫度為30℃時(shí)，該菌株6 h內(nèi)的對(duì)鉛的吸附能力可達(dá)160.62 mg/g。并通過(guò)傅立葉變換紅外光譜表明，參與吸附的是-OH、-NH、和COO-等官能團(tuán)。滿兆紅[31]等從雞的腸內(nèi)容物和排泄物中分離出8種具有高吸附鉛能力的乳酸菌，其中E.faeciumJT1對(duì)鉛吸附率最高可達(dá)到66.95%。

3.5 乳酸菌對(duì)重金屬吸附的影響因素

3.5.1 種類不同

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，不同種類的乳酸菌對(duì)于重金屬的吸附程度略有差異，導(dǎo)致清除率的大小也不盡相同。例如，根據(jù)上述乳酸菌對(duì)于汞吸附能力的研究發(fā)現(xiàn)，來(lái)自牛胃腸道中的Weissella viridescensMYU 205和來(lái)自日本泡菜中Lactobacillus sakeiMYU 10對(duì)汞吸附率分別為80%和99.1%[12,16]。同理，根據(jù)上述乳酸菌對(duì)于鉛吸附能力的研究發(fā)現(xiàn)，菌株E.FaeciumM74和E.faeciumEF031對(duì)鉛的吸附能力強(qiáng)，在水中的吸附率分別為42.9%～93.1%和66.9%～98.9%[20]。由此可以看出，乳酸菌對(duì)重金屬的清除能力可能取決于乳酸菌的自身的某些特性，例如細(xì)胞構(gòu)造、官能團(tuán)、表面積等。

3.5.2 pH值

溶液的pH值不僅會(huì)對(duì)金屬離子的溶解性產(chǎn)生影響，還有可能會(huì)與細(xì)胞表面基團(tuán)的游離狀態(tài)有關(guān)，所以pH值可以當(dāng)做影響乳酸菌對(duì)重金屬吸附的重要因素。在pH值較小的情況下，溶液中氫離子的濃度上升，這時(shí)氫離子就會(huì)影響金屬離子與溶液的結(jié)合。與此同時(shí)，細(xì)胞表面的官能團(tuán)發(fā)生改變，正電荷數(shù)量增加，迫使重金屬離子結(jié)合數(shù)量降低。當(dāng)pH值升高時(shí)，細(xì)胞表面則會(huì)出現(xiàn)許多負(fù)電基團(tuán)(氨基、羧基等)，這些負(fù)電基團(tuán)會(huì)與帶正電荷的金屬離子相結(jié)合，從而減少游離的金屬離子。當(dāng)溶液pH值上升到一定數(shù)值，金屬離子會(huì)和與之相結(jié)合的負(fù)電基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)形成沉淀，進(jìn)而抑制吸附反應(yīng)的發(fā)生。Sina等人的研究表明，在pH 3.0時(shí)，L.hilgardiiDSM20176菌體細(xì)胞吸附銅的能力與L.plantarumDSM 20176在pH 4.0和5.0條件下的相同，隨著pH值的升高銅結(jié)合能力逐漸增強(qiáng)，pH 5.0時(shí)達(dá)到最大，繼續(xù)升高pH值，則吸附能力開(kāi)始下降[32]。

3.5.3 重金屬濃度

一般來(lái)說(shuō)，生物吸附能力的大小會(huì)隨著濃度的升高而增加，生物吸附率在低濃度下會(huì)更高，而在高濃度時(shí)吸附率則會(huì)明顯降低。原因在于若初始濃度為高濃度的話，細(xì)胞將很大可能下與底物相反應(yīng)，從而導(dǎo)致吸附率變低。除此之外，在重金屬的結(jié)合位點(diǎn)是恒定的情況下，濃度越高結(jié)合位點(diǎn)越少，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)有毒有害物質(zhì)進(jìn)行吸附，則吸附速率越低。翟齊嘯[20]研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌在濃度為5 mg/L的鎘溶液中，對(duì)鎘的吸附程度可達(dá)60%，而隨鎘濃度升高至100 mg/L，鎘的吸附率低于25%。沈薇[29]等篩選出到3株可耐受500 mg/L鉛離子濃度的干酪乳桿菌，菌種來(lái)自30份健康的足月新生兒糞便。在對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，低濃度的鉛離子吸附率(1 mg/L)高達(dá)90.40%，高濃度的鉛離子吸附率(50 mg/L)可達(dá)到86.27%。

3.5.4 溫度

目前研究證實(shí)，溫度在一定區(qū)間內(nèi)(20～35℃)時(shí)對(duì)吸附重金屬能力的影響較小。雖然提高溫度可以改變細(xì)胞的表面活性，同時(shí)提高溶質(zhì)的流動(dòng)性?？扇羰菧囟忍邥?huì)使微生物失去應(yīng)有特性，導(dǎo)致對(duì)重金屬的清除能力減弱。除此之外，溫度的高低還與微生物同金屬形成的復(fù)合物的穩(wěn)定性密切相關(guān)。

3.5.5 接觸時(shí)間

通常來(lái)說(shuō)，微生物吸附重金屬是一個(gè)快速的過(guò)程。一般我們將微生物對(duì)重金屬的吸附分成兩個(gè)階段：第一階段，由于在反應(yīng)開(kāi)始時(shí)細(xì)胞的表面上有許多結(jié)合位點(diǎn)，因此金屬離子在這個(gè)階段可被快速吸附。第二階段，重金屬的吸附速率會(huì)根據(jù)反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而導(dǎo)致速率逐漸減慢，最終達(dá)到平衡。Ibrahim[6]等研究發(fā)現(xiàn)L.rhamnosusLC-705在吸附重金屬鎘時(shí)會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段，第一階段，5 min時(shí)吸附量開(kāi)始緩慢上升，1 h時(shí)達(dá)到平衡。第二階段，吸附量在1～4 h內(nèi)無(wú)明顯變化。

3.5.6 微生物用量

研究表明，在一定程度內(nèi)，當(dāng)微生物的用量增加重金屬的吸附量也隨之提高。但到達(dá)一定臨界值后，增加微生物的用量則會(huì)使吸附量降低。當(dāng)微生物的用量增多時(shí)，可用于吸附重金屬的活性位點(diǎn)也同時(shí)增多[30]。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意微生物的用量，當(dāng)微生物用量過(guò)多時(shí)，有些菌體細(xì)胞會(huì)發(fā)生絮凝反應(yīng)，這時(shí)可吸附重金屬的位點(diǎn)及表面積將會(huì)因?yàn)槲⑸锵嗷ノ匠蓤F(tuán)而減少[31]。

3.5.7 共存離子

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)體系中含有其他金屬陽(yáng)離子時(shí)，會(huì)對(duì)要被吸附的目標(biāo)金屬離子在一定程度上產(chǎn)生抑制作用。例如：Fe2+的存在不會(huì)影響發(fā)酵乳桿菌(L.fermentum)對(duì)于Pb2+吸收，但是當(dāng)長(zhǎng)雙歧桿菌(B.longum)對(duì)Pb2+進(jìn)行吸附時(shí)，若有Fe2+的存在則會(huì)對(duì)吸附效果產(chǎn)生明顯的抑制作用[32]。當(dāng)溶液中存在陰離子時(shí)同樣會(huì)導(dǎo)致吸附量降低，原因是因?yàn)楫?dāng)陰離子存在時(shí)，陰離子與金屬陽(yáng)離子之間會(huì)產(chǎn)生結(jié)合，導(dǎo)致可被微生物吸附的重金屬數(shù)量變少[33]。

3.5.8菌體預(yù)處理

當(dāng)乳酸菌對(duì)重金屬進(jìn)行吸附時(shí)，乳酸菌主要作用于細(xì)胞表面。進(jìn)行預(yù)處理之后的細(xì)胞再與金屬離子相結(jié)合，其吸附能力將會(huì)出現(xiàn)不同程度的改變。一般常見(jiàn)的預(yù)處理是通過(guò)加熱、冷凍、干燥、煮沸等物理方法或使用有機(jī)、無(wú)機(jī)試劑進(jìn)行酸堿處理和酶處理等化學(xué)方法對(duì)乳酸菌吸附劑進(jìn)行改良。通常是對(duì)細(xì)胞壁進(jìn)行損壞，再進(jìn)一步的改變細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)，從而增加乳酸菌表面對(duì)金屬離子的吸附位點(diǎn)，達(dá)到增大吸附量的目的[34]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，胺化的干酪乳桿菌(L.casei)DSM 20011可以在水中快速吸附As5+，原因在于該菌種可以使負(fù)電的羧基轉(zhuǎn)變?yōu)閹д姷陌被５窍嗤木N在未處理的和未甲基化時(shí)并不具有吸附As5+的能力[15]。

4 乳酸菌對(duì)重金屬吸附機(jī)理

重金屬被微生物所吸附是一個(gè)繁復(fù)的過(guò)程。通常來(lái)講，重金屬被微生物吸附主要分為兩個(gè)階段。第一階段發(fā)生在細(xì)胞表面，主要通過(guò)細(xì)胞表面的-COOH、-OH、-SH等官能團(tuán)以及胞外多糖(EPS)結(jié)合金屬離子。這一過(guò)程擁有用時(shí)短、速度快、不耗能和可逆等特點(diǎn)，又被稱為被動(dòng)吸附。第二階段稱為生物積累，運(yùn)用細(xì)胞表面的部分轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，將吸附在細(xì)胞表面的重金屬轉(zhuǎn)至細(xì)胞內(nèi)并在其體內(nèi)進(jìn)行積累。這個(gè)過(guò)程的特點(diǎn)為時(shí)間長(zhǎng)、速度慢、消耗能量且不可逆，同時(shí)也被稱為主動(dòng)吸收[35]。Mrvǔciǔc[36]等研究發(fā)現(xiàn)兩種菌在對(duì)重金屬Cu2+吸附時(shí)會(huì)分為兩個(gè)階段，這兩株菌分別是腸膜明串珠菌(L.mesenteroides)ID 9261和短乳桿菌(L.brevis)ID 9262。第一階段在3 h內(nèi)，重金屬主要結(jié)合于細(xì)胞壁，吸附速度快；第二階段重金屬被轉(zhuǎn)運(yùn)至胞內(nèi)，用時(shí)長(zhǎng)且吸附速率慢。趙曉峰研究表明，表面靜電作用、絡(luò)合反應(yīng)、離子交換和胞內(nèi)積累等是E.hiraeQaa和P.pentosaceusFe3吸附Pb2+的主要作用機(jī)制,同時(shí)一些大分子物質(zhì),如核酸、磷酸酯、多糖及S層蛋白和脂肪酸也參與了吸附過(guò)程[37]。Sina Schut等人的研究表明，乳酸菌對(duì)銅的結(jié)合能力隨硫酸銅的添加量（1.0μg～100μg mL-1）而不同。L.buchneriDSM 20057,L.viniDSM20605,L.plantarumDSM 20174和L.hilgardiiDSM 20176對(duì)銅的最大吸附能力分別為46.2,21.9,17.4和11.9μg(Cu2+)mg-1(cells)[32]。

4.1 吸附的主要部位

乳酸菌作為典型的革蘭氏陽(yáng)性菌，細(xì)胞壁主要由肽聚糖、磷壁酸和蛋白質(zhì)等成分組成，由這些物質(zhì)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)重金屬黏著和吸附起著主要的支撐作用[38]。除此之外，細(xì)胞壁上存在著大量的負(fù)電荷基團(tuán)，例如羧基，羰基和磷酸二酯鍵，它們存在于大分子物質(zhì)當(dāng)中。這些來(lái)自蛋白質(zhì)、多糖等物質(zhì)的負(fù)電荷基團(tuán)可以與重金屬陽(yáng)離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而進(jìn)一步結(jié)合提高吸附能力[39-43]。由于細(xì)胞壁是細(xì)胞與外部環(huán)境直接接觸的首要場(chǎng)所，所以細(xì)胞壁也是參與重金屬吸附的重要場(chǎng)所。這些帶負(fù)電荷的基團(tuán)是重金屬吸附的主要結(jié)合位點(diǎn)。Avall-J?skel?inen[44]等研究發(fā)現(xiàn)Lactobacillus brevis細(xì)胞表面的S-Layer蛋白具有結(jié)合Cd2+的能力。翟齊嘯[23]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在吸附鎘離子時(shí)具有負(fù)電荷COOH和NH2的基團(tuán)結(jié)合效果較好。將細(xì)胞表面羧基進(jìn)行甲基化后，L.plantarumCCFM 8610吸收鎘離子附著力降低了約18%；同樣的，將氨基進(jìn)行甲基化后，L.plantarumCCFM 8610吸附鎘離子的能力降低大約42%。

4.2 胞外多糖(Expolysaccharides，EPS)的吸附能力

EPS是在生長(zhǎng)和代謝過(guò)程中由細(xì)胞壁外某些特殊微生物分泌的水溶性多糖，它們很容易與細(xì)菌分離并分泌到環(huán)境中，屬于微生物的一種代謝產(chǎn)物。EPS是天然生物分子的混合物，可以參與胃腸功能和免疫力的調(diào)節(jié)。乳酸菌產(chǎn)生的EPS種類很多，化學(xué)結(jié)構(gòu)也有明顯差異，重金屬的吸附能力因菌株而異。EPS主要通過(guò)金屬離子與其酸性官能團(tuán)的負(fù)電荷之間的靜電相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的吸附。但是EPS對(duì)金屬離子進(jìn)行吸附時(shí)若發(fā)生熱處理等反應(yīng)，則會(huì)影響對(duì)重金屬的吸附能力。當(dāng)溫度從15℃升高到30℃時(shí)，泡菜對(duì)來(lái)自L.plantarum70810的EPS中Pb2+的吸附從10.11 mg/g增加到21.15 mg/g，但是當(dāng)溫度升高到45℃時(shí)，其吸附能力僅為12.36 mg/g[30]。Yang[45]等研究了克雷伯氏菌胞外聚合物EPS對(duì)Cu2+和Zn2+的吸附作用，平衡吸附量分別為1.77 mg/g和1.36 mg/g。在對(duì)于兩者的混合體系的研究中發(fā)現(xiàn)，EPS對(duì)Cu2+的吸附能力強(qiáng)于Zn2+。

4.3 吸附過(guò)程

吸附過(guò)程中主要發(fā)生的反應(yīng)有離子交換、表面絡(luò)合物形成、金屬轉(zhuǎn)化及微沉淀。離子交換是微生物細(xì)胞壁上的陽(yáng)離子與結(jié)合能力更強(qiáng)的金屬離子進(jìn)行交換，當(dāng)自身的陽(yáng)離子被釋放，金屬離子則會(huì)與該位點(diǎn)的陰離子發(fā)生吸附反應(yīng)，從而降低溶液金屬離子的濃度。研究發(fā)現(xiàn)，pH值的大小會(huì)影響離子交換的程度，當(dāng)pH值為3-6時(shí)會(huì)達(dá)到最佳反應(yīng)。Halttunen[46]等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，L.fermentumME3、B.longum46和B.lactisBb12對(duì)重金屬的吸附能力會(huì)隨著pH值而改變，當(dāng)pH值為6的時(shí)候?qū)︽k和鉛具有最大的吸附能力。但是，與被吸附的陽(yáng)離子相比，被置換的陽(yáng)離子總量很小，這表明離子交換不是微生物重金屬吸附的主要機(jī)理[47]。生物的吸附能力與細(xì)胞壁的化學(xué)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。絡(luò)合反應(yīng)發(fā)生的原因在于細(xì)胞壁中含有O、N、S的官能團(tuán)，例如羥基、羧基、酰胺基、磷?；?、氨基、巰基等均可以與重金屬離子配位形成絡(luò)合物[35]。除此之外，微生物還可以產(chǎn)生乳酸、檸檬酸等有機(jī)酸，這些有機(jī)酸可以與金屬離子螯合形成金屬有機(jī)配合物并結(jié)合自由金屬離子。一般來(lái)講，微沉淀分為兩種形式，第一種與細(xì)胞新陳代謝有關(guān)，因?yàn)榻饘匐x子被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中并激活了自動(dòng)防御系統(tǒng)，從而開(kāi)始進(jìn)行胞內(nèi)沉積。第二種是與細(xì)胞新陳代謝無(wú)關(guān)，該過(guò)程是重金屬離子通過(guò)物理或者化學(xué)反應(yīng)作用在微生物的細(xì)胞外側(cè)，從而在細(xì)胞壁上形成無(wú)機(jī)沉淀物。乳酸菌中的某些成分具有氧化還原能力，可以通過(guò)改變與之發(fā)生反應(yīng)的金屬離子的價(jià)態(tài)來(lái)降低金屬的毒性。由于乳酸菌具有這樣的機(jī)制，使得其可以獲得一定的抗性并可以在高濃度的金屬情況下存活。

5 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日漸得到人們的重視。由于重金屬具有不易從環(huán)境中將其移除的特性，而且重金屬對(duì)土壤、水和空氣都造成了不同程度的污染，所以到目前為止重金屬污染仍然是我國(guó)難以解決的環(huán)境污染問(wèn)題之一。環(huán)境中重金屬離子不僅可以通過(guò)食物鏈進(jìn)行遷移，而且還會(huì)在生物體內(nèi)進(jìn)行累積，因此重金屬污染已經(jīng)對(duì)人類的健康及安全造成了很大的影響。除此之外，當(dāng)有毒的重金屬通過(guò)食物鏈進(jìn)入到糧食、果蔬等農(nóng)產(chǎn)品中時(shí)則會(huì)發(fā)生食品安全問(wèn)題，給消費(fèi)者帶來(lái)食品安全風(fēng)險(xiǎn)。重金屬中毒在世界各地都有發(fā)生，例如眾所周知的水俁病和痛痛病都是由于重金屬中毒所導(dǎo)致的，這已經(jīng)讓許多人生活在痛苦之中。因此，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者都在積極的研究治理重金屬污染的方式。乳酸菌是人體腸道中的有益微生物，它可以改善體內(nèi)腸道菌群的平衡，并且還可以增強(qiáng)機(jī)體的免疫力，此外乳酸菌還在人體的生理代謝中起重要作用。此外，乳酸菌的來(lái)源廣泛、生存能力強(qiáng)在環(huán)境治理和食品發(fā)酵中都有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。使用微生物技術(shù)去除重金屬殘留物的特點(diǎn)是成本低、無(wú)殘留物、安全有效。作為食品安全水平的益生菌，有許多研究表明乳酸菌的表面富含負(fù)電子基團(tuán)等各種成分對(duì)重金屬具有良好的吸附和去除效果。因此，研究乳酸菌對(duì)重金屬吸附的發(fā)展有利于利用乳酸菌有效去除環(huán)境和食物中的重金屬，對(duì)于環(huán)境治理和保證食品安全有重要意義。