以細(xì)菌和真菌作為生物吸附劑去除重金屬和多環(huán)芳烴的研究進(jìn)展

江瀾，閔燕，宋夢(mèng)雨，鄧尚月，譚瓊，楊松，李枝穎，周海波，常海軍

(重慶工商大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，重慶市特色農(nóng)產(chǎn)品加工儲(chǔ)運(yùn)工程技術(shù)研究中心，重慶 400067)

細(xì)菌和真菌都屬于微生物界的一員，不僅僅種類多種多樣，無處不在，而且具有較強(qiáng)的分解能力和較高的代謝速率。自從細(xì)菌被列文虎克發(fā)現(xiàn)后，微生物便開始走入人類的視野，并且對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，早在1980年，人們就發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌與真菌能夠高效地吸附金屬元素[1]。重金屬指的是原子量>55的金屬，除部分屬于人體所需的微量元素外，大部分重金屬都屬于人體不需要的元素，隨著礦冶、化工、機(jī)械制造等工業(yè)的發(fā)展，這些工業(yè)作為大量產(chǎn)生重金屬污染的源頭，不斷地向大自然中排放著重金屬污染[2]，在生物鏈的作用下，環(huán)境中的重金屬會(huì)隨著食物鏈底端的生物逐步富集到食物鏈頂端的生物體內(nèi)，并且這些重金屬在人體內(nèi)超過一定的量便會(huì)對(duì)人體造成傷害[3]。目前處理重金屬污染的方法分為化學(xué)沉淀法、離子吸附法以及生化處理法，其中生化處理法中的植物和微生物吸附法正在成為一種環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)。

多環(huán)芳烴污染來源于煤、石油、木材以及有機(jī)高分子等材料的不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的碳?xì)浠衔?，隨著人類活動(dòng)的加劇，多環(huán)芳烴廣泛地存在于生活的每一個(gè)角落，目前發(fā)現(xiàn)的多環(huán)芳烴達(dá)到兩百多種，并且大部分具有致癌性，對(duì)人類健康的威脅巨大[4]。多環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其基本構(gòu)筑單元為苯環(huán)，主要分為呈直線排列、角狀排列以及更為復(fù)雜排列方式的結(jié)構(gòu)。許多的細(xì)菌與真菌都具備處理多環(huán)芳烴的能力，它們以多環(huán)芳烴作為唯一的碳源或者與其進(jìn)行共代謝這種方式降解多環(huán)芳烴，并且不會(huì)造成二次污染，從而被認(rèn)為是一種可行的生物修復(fù)技術(shù)。

由于多環(huán)芳烴經(jīng)常與重金屬一起發(fā)生在化石燃料燃燒、汽車尾氣排放、垃圾焚燒等活動(dòng)中，因此造成的污染往往屬于多環(huán)芳烴與重金屬的復(fù)合污染。多環(huán)芳烴與重金屬的復(fù)合污染對(duì)環(huán)境的影響十分復(fù)雜，常規(guī)的治理方法對(duì)其作用不大，但是大量的研究表明了生物修復(fù)對(duì)于治理多環(huán)芳烴與重金屬的復(fù)合污染及其適用，因?yàn)樗邆浣?jīng)濟(jì)、環(huán)保，對(duì)有機(jī)物和無機(jī)物的復(fù)合污染物處理能力高等優(yōu)點(diǎn)[5]。一些技術(shù)如固定化和堆肥等也可以增強(qiáng)微生物的活性，從而提高修復(fù)效果。戚鑫等以生物炭為固定化載體，通過吸附和包埋兩種固定方法制作成復(fù)合鈍化劑，發(fā)現(xiàn)多種微生物及其組合都對(duì)多環(huán)芳烴與重金屬的復(fù)合污染有處理效果[6]。目前大多數(shù)研究都關(guān)注于微生物復(fù)合污染的影響，相反，微生物與多環(huán)芳烴-重金屬之間的相互作用機(jī)理還沒有得到深入的了解。本文探討影響多環(huán)芳烴和重金屬生物降解的因素以及闡述細(xì)菌和真菌對(duì)多環(huán)芳烴和重金屬的生物修復(fù)機(jī)理。

1 細(xì)菌和真菌在生物修復(fù)中的應(yīng)用

1.1 細(xì)菌和真菌

已知有許多種細(xì)菌和真菌可以處理多環(huán)芳烴和重金屬的復(fù)合污染。其中大多數(shù)是從受污染的沉積物或土壤中分離出來的。長期的廢棄物排放使微生物能夠在相當(dāng)程度上應(yīng)對(duì)多環(huán)芳烴和重金屬的聯(lián)合污染。細(xì)菌中的芽孢桿菌、大腸桿菌和分枝桿菌是多環(huán)芳烴和重金屬生物修復(fù)的常見細(xì)菌，它們能在重金屬存在的條件下分解蒽、萘、菲、芘等多環(huán)芳烴，并能減輕鎘、銅、鉻、鉛等重金屬與多環(huán)芳烴共同產(chǎn)生的抑制作用。Jiang等發(fā)現(xiàn)，添加蘇云金芽孢桿菌FQ1后，細(xì)菌-真菌體內(nèi)的鎘元素累積量從14.29%增加到了97.67%，與此同時(shí)，峰值為500 mg/kg的菲被去除了95.07%[7]。真菌中的頂孢霉菌、側(cè)耳和鐮胞菌也是多環(huán)芳烴和重金屬生物修復(fù)的常見微生物。

1.2 污染物的類型

萘、菲、芘等多環(huán)芳烴與鉛和鎘的混合污染被廣泛研究，是多環(huán)芳烴-重金屬的典型代表[8]。多環(huán)芳烴具有較強(qiáng)的疏水性和較低的生物利用度，并且分子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在環(huán)境中具有較好的穩(wěn)定性。土壤中的4環(huán)芘的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2環(huán)萘和3環(huán)菲的濃度。低分子量的多環(huán)芳烴(兩個(gè)或三個(gè)環(huán)組如菲)和高分子量的多環(huán)芳烴 (超過三個(gè)環(huán)如芘)可以通過生物吸附到檢測(cè)不到的水平，然而，芘降解所需時(shí)間是菲的4倍[9]。不同種類的重金屬對(duì)微生物具有不同的毒性作用，這是由于每種金屬離子的潛在配體的鍵合度差異和每種金屬離子的遷移率差異造成的[10]。Liu等[11]發(fā)現(xiàn)，鉛和鎘均可通過影響菲降解過程中酶的含量、組成和活性來影響芽孢桿菌的降解能力，但鎘對(duì)芽孢桿菌的毒性遠(yuǎn)大于鉛。Wiatrowska等[12]發(fā)現(xiàn)土壤脫氫酶、磷酸酶和脲酶對(duì)鎘金屬離子的敏感性大于鉛離子的敏感性。

1.3 影響生物修復(fù)效率的因素

1.3.1 環(huán)境因素 隨著pH、溫度、低分子量有機(jī)酸、腐殖酸等環(huán)境因素的改變，重金屬價(jià)態(tài)和多環(huán)芳烴的生物利用度也會(huì)相對(duì)應(yīng)的發(fā)生改變，從而導(dǎo)致多環(huán)芳烴和重金屬對(duì)微生物的毒性表現(xiàn)發(fā)生改變。人們普遍認(rèn)為pH值是影響多環(huán)芳烴和重金屬生物修復(fù)效率的主要因素。由于不同種類微生物的最佳pH值是不同的，因此pH值會(huì)影響微生物的生長。多環(huán)芳烴和重金屬通過改變pH值對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和酶活性造成影響，進(jìn)而影響多環(huán)芳烴和重金屬的生物修復(fù)性能[13]。此外，pH對(duì)重金屬的氧化還原和溶解度也有影響。

溫度對(duì)多環(huán)芳烴和重金屬的生物修復(fù)體系也有著至關(guān)重要的影響。多環(huán)芳烴與重金屬的溶解度會(huì)隨溫度升高而增大，從而提高多環(huán)芳烴與重金屬的生物利用度。此外，在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，微生物的活性會(huì)隨著溫度的升高而增加，因?yàn)樗梢源龠M(jìn)微生物的新陳代謝和酶的活性，從而加快多環(huán)芳烴和重金屬的生物修復(fù)過程。例如，在堆肥過程中，溫度是了解微生物活性的主要指標(biāo)，43 ℃時(shí)累積O2值顯著高于22，29，36 ℃時(shí)的累積O2值[14]。此外，溫度可以直接影響多環(huán)芳烴和重金屬對(duì)微生物的吸附和解吸過程，吸附容量和吸附強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而增大。由于多環(huán)芳烴在微生物上的吸附位點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定，增加對(duì)多環(huán)芳烴或重金屬的量可能會(huì)抑制微生物對(duì)多環(huán)芳烴或重金屬的吸附。細(xì)菌表面的官能團(tuán)也影響著對(duì)金屬離子的吸附效果。張艷平等研究了銅綠假單胞菌吸附劑對(duì)水中菲-銅復(fù)合污染的吸附效果，發(fā)現(xiàn)銅離子的吸附與細(xì)菌細(xì)胞的叁鍵和累積雙鍵官能團(tuán)相關(guān)，進(jìn)而影響了細(xì)菌吸附劑對(duì)復(fù)合污染的吸附[15]。

低分子量有機(jī)酸和腐殖酸廣泛分布于土壤和地下水中，在多環(huán)芳烴和重金屬的生物修復(fù)中發(fā)揮著重要作用。低分子量有機(jī)酸和腐殖酸通過離子交換、表面吸附和配位絡(luò)合作用影響著重金屬的離子遷移、轉(zhuǎn)化和生物利用度，原因是腐植酸的酚基、羧基、奎寧基、氨基和巰基等官能團(tuán)可以與重金屬離子作為配體相結(jié)合。低分子量有機(jī)酸和胡敏酸還可以吸附多環(huán)芳烴，提高多環(huán)芳烴的遷移率和可用性，并提高微生物對(duì)多環(huán)芳烴的降解率[16]。Gao等[17]發(fā)現(xiàn)，添加10～100 mmol/kg低分子量有機(jī)酸，40 d后土壤中各種多環(huán)芳烴的濃度比未添加低分子量有機(jī)酸的對(duì)照組濃度高54%～75%。

1.3.2 微生物活性 微生物的種類、篩選條件和微生物的基因都能影響微生物的活性。多環(huán)芳烴和重金屬都會(huì)影響微生物群落，為了適應(yīng)危險(xiǎn)的環(huán)境，新的微生物群落被迫形成。這些從污染地區(qū)篩選出的菌株通常具有較強(qiáng)的處理多環(huán)芳烴和重金屬污染的能力。可以在其他污染條件下被強(qiáng)化并作為外源菌株使用。此外，對(duì)多環(huán)芳烴和重金屬污染修復(fù)能力強(qiáng)的菌株的DNA中，通常含有抗性基因或降解基因，這些基因可以通過基因技術(shù)分離重組，并剪切到新的細(xì)菌基因中，得到修復(fù)效率更高的新細(xì)菌[18]。該基因組技術(shù)能夠提高微生物對(duì)多環(huán)芳烴和重金屬污染的修復(fù)能力。

1.3.3 基體效應(yīng) 基體效應(yīng)主要用于研究多環(huán)芳烴和重金屬的濃度、結(jié)構(gòu)、溶解度和吸附對(duì)生物利用度的影響。表面活性劑作為一種金屬絡(luò)合劑，近年來被廣泛應(yīng)用于重金屬的修復(fù)，尤其是生物表面活性劑。表面活性劑能與金屬離子形成絡(luò)合物，在脫離土壤前與吸附的重金屬直接接觸。通過降低界面張力和流體力來降低表面性能，破壞金屬與土壤之間的附著力，將金屬從土壤中剝離出來。Luna等[19]研究發(fā)現(xiàn)，假絲酵母球菌生產(chǎn)的生物表面活性劑對(duì)鐵、鋅和鉛的去除率分別為95%，90%和79%。Li等[20]發(fā)現(xiàn)添加十二烷基苯磺酸鈉可提高脂肪酸脫氫酶的活性，增加不飽和脂肪酸含量，增加膜的流動(dòng)性，促進(jìn)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。

2 機(jī)理

多環(huán)芳烴和重金屬的生物修復(fù)可能受到單個(gè)污染物的影響，也可能受到這兩種污染物相互作用的影響。因此，對(duì)重金屬與重金屬的相互作用機(jī)理、多環(huán)芳烴與多環(huán)芳烴的相互作用機(jī)理、多環(huán)芳烴與重金屬的生物修復(fù)機(jī)理進(jìn)行研究。

2.1 重金屬-重金屬

部分重金屬是微生物生命過程的基礎(chǔ)，如銅和鋅，而另一些重金屬則沒有帶來任何生物效益，反而會(huì)使生物體變性，并削弱微生物對(duì)重金屬的生物修復(fù)能力，如鉻和鎘。重金屬會(huì)改變微生物的生理生化特性，另外，共存的重金屬會(huì)相互影響。例如，Manzano等[21]發(fā)現(xiàn)，黃鐵礦經(jīng)過二價(jià)鐵離子處理后，微生物會(huì)增加對(duì)礦中的銅、錳、鋅等元素的吸附量，但是對(duì)砷的吸附量有所降低，并且處理后的微生物活性也會(huì)降低。

重金屬可以通過幾個(gè)關(guān)鍵機(jī)制對(duì)微生物產(chǎn)生有害影響，即在活性氧的生產(chǎn)過程中作為氧化還原劑，破壞離子調(diào)節(jié)，從而直接影響DNA和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的形成。例如重金屬 Cu(Ⅰ)、Cu(Ⅱ)等可通過芬頓反應(yīng)參與活性氧的生成或作為可溶性電子載體參與電子的得失，從而對(duì)細(xì)胞質(zhì)分子、DNA、脂類等造成嚴(yán)重?fù)p傷[21]。此外，重金屬可以通過與底物的競(jìng)爭(zhēng)性或非競(jìng)爭(zhēng)性相互作用破壞重要的酶功能，導(dǎo)致酶的構(gòu)型改變，從而改變酶基因的表達(dá)，導(dǎo)致酶氧化[22]。重金屬還可以通過粘附在細(xì)胞表面，通過離子通道或自分泌進(jìn)入細(xì)胞，從而引起離子失衡[23]。此外，重金屬還可以直接導(dǎo)致DNA損傷或影響酶的形成等。

2.2 多環(huán)芳烴-多環(huán)芳烴

多環(huán)芳烴或多環(huán)芳香族衍生物可影響微生物對(duì)多環(huán)芳烴的降解。例如，某些多環(huán)芳烴不能夠被微生物降解，但加入另一種多環(huán)芳烴時(shí)，在協(xié)同代謝的作用下，這些多環(huán)芳香族化合物都能夠被降解。Zhang等[24]發(fā)現(xiàn)微球菌不能降解蒽、氟蒽和萘，但當(dāng)菲作為唯一的碳和能源被加入時(shí)，萘和菲都可以被降解90%以上。多環(huán)芳烴的中間體對(duì)多環(huán)芳烴的降解也有影響。Wen等[25]研究表明，鄰苯二甲酸、水楊酸等中間代謝物的積累會(huì)抑制芘的降解，降解效率比沒有中間物的降解效率低了6.69%。中間體可能是因?yàn)闈舛冗^高，不利于微生物生長，并對(duì)微生物產(chǎn)生毒性作用，從而抑制多環(huán)芳烴的降解，當(dāng)中間產(chǎn)物的濃度適當(dāng)時(shí)，多環(huán)芳烴的降解效率可能會(huì)增強(qiáng)。

2.3 多環(huán)芳烴-重金屬

多環(huán)芳烴和重金屬對(duì)環(huán)境中細(xì)菌或真菌的混合影響比單獨(dú)影響要復(fù)雜得多。在重金屬存在的情況下，多環(huán)芳烴的修復(fù)具有一定的難度，因?yàn)橹亟饘倏梢酝ㄟ^影響ATP的產(chǎn)生、群落的轉(zhuǎn)移和酶的活性從而對(duì)微生物產(chǎn)生不利影響。此外，多環(huán)芳烴和重金屬的長期污染會(huì)產(chǎn)生一些新的微生物，從而改變本土微生物群落，但也會(huì)保持其他微生物群落的完整[26]。

2.3.1 重金屬對(duì)多環(huán)芳烴生物降解的影響 重金屬可以通過改變微生物的表面特性和干擾微生物的酶來影響多環(huán)芳烴的降解。重金屬也可以通過改變微生物的表面性質(zhì)來影響微生物對(duì)多環(huán)芳烴的吸附，隨著重金屬離子的加入，帶負(fù)電荷的微生物往往會(huì)吸引金屬陽離子而不會(huì)吸引多環(huán)芳烴。這可能是由于微生物表面與重金屬離子之間的靜電引力遠(yuǎn)大于微生物表面與多環(huán)芳烴之間的范德華力[27]。因此，重金屬會(huì)首先占據(jù)微生物表面的吸附區(qū)域，隨著表面金屬陽離子濃度的增加，微生物表面的金屬離子逐漸到達(dá)飽和，然后表面變得不那么親水，最終促進(jìn)多環(huán)芳烴的吸附。多環(huán)芳烴更容易被聚集態(tài)的重金屬所吸引，這是由于陽離子與磷的相互作用，這也有利于微生物對(duì)多環(huán)芳烴的吸附[28]。此外，重金屬對(duì)微生物細(xì)胞具有抑制作用，金屬離子可以阻礙細(xì)胞骨架的運(yùn)動(dòng)功能，這種阻礙可能會(huì)延緩細(xì)胞分裂。王等發(fā)現(xiàn)重金屬可以通過穿透細(xì)胞壁，氧化細(xì)胞膜上的表面蛋白，最終干擾細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[29]。由于多環(huán)芳烴與親脂化合物具有某種相互作用，能夠影響微生物的滲透性和構(gòu)型，使重金屬更容易滲透到微生物細(xì)胞中，影響其功能[30]。一些低濃度的重金屬可能會(huì)由于酶-金屬-底物復(fù)合物的形成而促進(jìn)多環(huán)芳烴的降解。這些重金屬可以作為蛋白質(zhì)的輔助因子，提高蛋白質(zhì)的生物活性。然而，過量的重金屬會(huì)與大量營養(yǎng)素(如Mg2+、Ca2+)競(jìng)爭(zhēng)，這些營養(yǎng)素廣泛存在于環(huán)境中，通常用于酶-金屬-底物復(fù)合物的形成[31]。另外，重金屬可以偽裝成催化活性基團(tuán)或變性蛋白結(jié)構(gòu)，或者與蛋白質(zhì)的巰基結(jié)合，對(duì)蛋白質(zhì)或酶產(chǎn)生有害影響[32]。

2.3.2 多環(huán)芳烴對(duì)重金屬生物修復(fù)的影響 生物吸附是微生物處理重金屬最有效、最常見的方式。當(dāng)多環(huán)芳烴對(duì)微生物膜產(chǎn)生有害影響時(shí)，它可以改變生物膜上重金屬的運(yùn)轉(zhuǎn)。多環(huán)芳烴可與生物膜上的親脂組分相互作用，從而改變生物膜的通透性，使重金屬更容易滲透到微生物細(xì)胞中，因此，多環(huán)芳烴對(duì)微生物的毒性作用被放大，微生物對(duì)重金屬的修復(fù)作用被減弱。此外，多環(huán)芳烴可以改變膜的流動(dòng)性或改變電位，從而抑制微生物對(duì)重金屬的吸附[33]。受多環(huán)芳烴影響的酶還會(huì)引起離子調(diào)節(jié)紊亂，降低金屬-ATP酶的活性，從而影響重金屬的運(yùn)轉(zhuǎn)[34]。

3 展望

目前多環(huán)芳烴和重金屬的生物修復(fù)方法仍有很大的研究價(jià)值，若能夠篩選出對(duì)多環(huán)芳烴和重金屬生物修復(fù)效率高的細(xì)菌和真菌，就能有效控制多環(huán)芳烴與重金屬的污染。因此，在現(xiàn)實(shí)中尋找合適的方法來提高篩選菌株的競(jìng)爭(zhēng)力和增強(qiáng)微生物活性是非常有必要的。此外，采用適當(dāng)?shù)姆椒〝U(kuò)大微生物利用度，可增強(qiáng)微生物對(duì)芳香族聚合物和重金屬污染的生物修復(fù)效果。芳香族聚合物和重金屬污染嚴(yán)重破壞著細(xì)菌和真菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而影響修復(fù)效率，因此，對(duì)細(xì)菌的解毒機(jī)理以及對(duì)污染物生物毒性的延緩方法也有待于更進(jìn)一步的研究。對(duì)于多環(huán)芳烴和重金屬的修復(fù)，還有一些其他有效的方法，比如將生物修復(fù)與其他手段或材料相結(jié)合，就有可能提高生物修復(fù)的效率。由于酶在多環(huán)芳烴和重金屬的修復(fù)中起著至關(guān)重要的作用，因此微生物分泌的酶的功能也需要進(jìn)一步的研究。