錳氧化微生物及其介導(dǎo)產(chǎn)物氧化錳的研究進(jìn)展

郭昕曄，唐艷葵

(廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004)

錳是地殼中含量第二豐富的過(guò)渡金屬元素，也是動(dòng)植物必需的微量元素，但過(guò)量的錳會(huì)導(dǎo)致中毒，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響[1]。自然環(huán)境中錳以Mn2+和Mn4+的形式穩(wěn)定存在，并可以從可溶的Mn2+低價(jià)還原態(tài)轉(zhuǎn)化為難溶的Mn3+/4+的高價(jià)氧化態(tài)，Mn3+是一種不穩(wěn)定的中間態(tài)，容易發(fā)生歧化反應(yīng)生成Mn2+和Mn4+[2]。

氧化錳可通過(guò)化學(xué)氧化(非生物過(guò)程)和生物氧化形成，化學(xué)氧化主要將Mn2+轉(zhuǎn)化為Mn3+/4+，然而這些過(guò)程中的反應(yīng)速度相對(duì)緩慢或耗時(shí)[3]。生物氧化是通過(guò)自然環(huán)境中的微生物介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的，在此過(guò)程中，一些真菌、細(xì)菌和藻類(lèi)通過(guò)特定的酶和代謝途徑將Mn2+氧化成Mn4+[4]，這種微生物介導(dǎo)的錳氧化速率比化學(xué)氧化速率高103～105倍[5]。錳氧化微生物(Manganese-oxidizing microbe,MOM)被認(rèn)為是錳的生物地球化學(xué)的主要調(diào)節(jié)者，生物氧化錳(Biogenic manganese oxide,BioMnOx)是環(huán)境中氧化錳的重要來(lái)源。BioMnOx具有的八面體空間結(jié)構(gòu)，使其具有良好的吸附性能，其較高的反應(yīng)活性還能將外源性有機(jī)污染物降解為低分子量化合物[6]，在環(huán)境污染控制中具有良好的應(yīng)用前景。

本文收集了近年發(fā)表的文獻(xiàn)，對(duì)錳氧化微生物的發(fā)現(xiàn)、BioMnOx的形成機(jī)制、BioMnOx對(duì)環(huán)境污染物吸附與降解特性方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對(duì)錳氧化微生物及其產(chǎn)物未來(lái)的研究方向和應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 錳氧化微生物的多樣性

介導(dǎo)錳氧化物形成的微生物多種多樣。目前發(fā)現(xiàn)的MOM種類(lèi)主要包括細(xì)菌、真菌和藻類(lèi)，但以細(xì)菌居多，錳氧化真菌和藻類(lèi)的報(bào)道相對(duì)較少。報(bào)道最多的錳氧化細(xì)菌為Bacillussp.[7]，Pseudomonasputida[8]和Pedomicrobiumsp.[9]，其他的錳氧化細(xì)菌還包括AeromonashydrophilaDS02[10]，Burkholderiasp.D416[11]和Providenciasp.LLDRA6等[12]。模式氧化錳真菌為Acremoniumsp.[13]和Phanerochaetechrysosporium[14],其他錳氧化真菌有Pyrenochaetasp.和Stagnosporasp.等[15]。細(xì)菌產(chǎn)生的生物氧化錳大多是無(wú)定形或弱結(jié)晶的納米顆粒，具有比表面積大、吸附性能優(yōu)異、反應(yīng)活性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[16-18]。但是，由于好氧型細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程需要穩(wěn)定的碳氮源和溶解氧，由此合成的BioMnOx成本較高。研究表明一些微藻也具有錳氧化能力，例如Desmodesmussp.WR1[19]和Chlamydomonassp.WH1-1，Chlamydomonassp.WH1-4，Chlorellasp.WH2-5等[20]?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在研究者不懈的努力下，MOM種質(zhì)資源將會(huì)持續(xù)增加。

2 BioMnOx形成機(jī)制

2.1 細(xì)菌、真菌的介導(dǎo)機(jī)制

對(duì)細(xì)菌、真菌介導(dǎo)BioMnOx形成機(jī)制的研究近年聚焦在對(duì)微生物的酶和基因的研究。微生物對(duì)錳的氧化是通過(guò)直接氧化或間接氧化實(shí)現(xiàn)的。

直接氧化是通過(guò)多糖和蛋白質(zhì)直接實(shí)現(xiàn)催化氧化，將Mn2+轉(zhuǎn)化為Mn3+/4+。許多研究表明，直接氧化與多銅氧化酶(Multicopper oxidase,MCO)和動(dòng)物血紅素過(guò)氧化物酶(Animal heme peroxidase,AHP)有關(guān)[21]。多銅氧化酶利用O2作為電子受體，通過(guò)電子轉(zhuǎn)移氧化目標(biāo)金屬。在對(duì)BacillusPL-12介導(dǎo)錳氧化的研究中，Romano等[22]發(fā)現(xiàn)MCO活性是Mn2+氧化的主要原因，該酶主要由MnxG和兩個(gè)輔助蛋白MnxE和MnxF組成。同樣，Tao等[23]首次通過(guò)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)證明了海洋中Bacillussp.的錳氧化與MCO有關(guān)，MnxEFG蛋白復(fù)合物中的酶活性與MnxG有關(guān)，而MnxEF的作用仍有待確定。AHP屬于血紅素過(guò)氧化物酶，在氧化過(guò)程中通常使用H2O2作為電子受體[24]，然而有研究發(fā)現(xiàn)其Mn2+氧化能力與H2O2的添加影響并不大，可能不會(huì)直接作為底物參與AHP的Mn2+氧化過(guò)程[25]。Anderson等[26]首次發(fā)現(xiàn)在兩種α蛋白細(xì)菌AurantimonasmanganoxydansSI85-9A1和Erythrobactersp.SD-21中AHP催化Mn2+氧化活性都與Ca2+有關(guān)。

間接氧化是通過(guò)改變環(huán)境中的pH與氧化還原電位，或通過(guò)釋放超氧自由基來(lái)間接實(shí)現(xiàn)Mn2+的轉(zhuǎn)化，生物錳氧化通常發(fā)生在pH 6.5～8.0之間，當(dāng)pH>9.0時(shí)，菌體生長(zhǎng)受到抑制，此時(shí)主要是化學(xué)錳氧化。Zhao等[27]發(fā)現(xiàn)Brevibacillusbrevis MO1和BrevibacillusparabrevisMO2的錳氧化能力隨著pH增加而增加，當(dāng)pH=8時(shí)，Mn2+氧化活性最高。Learman等[28]在培養(yǎng)菌種RoseobacterAzwK-3b時(shí)加入可以去除超氧化物的酶，發(fā)現(xiàn)在光亮和黑暗條件下Mn2+氧化均受到抑制，分解細(xì)菌蛋白質(zhì)的酶也會(huì)抑制BioMnOx的產(chǎn)生，由此證實(shí)這一菌種可以通過(guò)產(chǎn)生胞外超氧化物間接氧化錳。近年還發(fā)現(xiàn)一些自養(yǎng)真菌和細(xì)菌在嚴(yán)格的厭氧條件下可實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)錳氧化[29]。

2.2 藻類(lèi)的介導(dǎo)機(jī)制

藻類(lèi)作為初級(jí)生產(chǎn)者，可以進(jìn)行光合作用，在碳固定過(guò)程中消耗二氧化碳，導(dǎo)致體系微環(huán)境pH值升高[30]，從而間接形成BioMnOx。這一推斷得到一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的證實(shí)，例如采用pH緩沖液[31]、在黑暗條件下生長(zhǎng)[32]或添加光系統(tǒng)(PSII)抑制劑二氯苯基二甲脲(Dichlorophenyl dimethylures)[33]都能抑制藻類(lèi)錳氧化。然而，有研究發(fā)現(xiàn)微藻介導(dǎo)的生物氧化錳的形成并不完全是由于光合作用及pH值增加引起的。Chaput等[34]從美國(guó)賓夕法尼亞州的錳礦床中分離出14種綠藻、3種硅藻和1種藍(lán)藻，它們都能夠生成Mn3+/4+氧化物，但其Mn2+氧化能力與pH變化并不一致，因此推測(cè)Mn2+氧化可能與其相關(guān)的錳氧化蛋白有關(guān)，這些蛋白可能類(lèi)似于在細(xì)菌、真菌中廣泛存在的多銅氧化酶，可直接氧化Mn2+。此外，藻類(lèi)介導(dǎo)的錳氧化還與其分泌的胞外多聚物(Extracellular polymers,EPS)有關(guān)，EPS可以為重金屬提供吸附與成核位點(diǎn)，并可以令藻細(xì)胞分泌的代謝物和酶發(fā)生濃縮，從而促進(jìn)Mn2+氧化[35]。Sch?ler等[36]在研究富錳介質(zhì)中生長(zhǎng)的珊瑚輪藻(CharaCorallina)時(shí)，發(fā)現(xiàn)藻株細(xì)胞壁表面會(huì)產(chǎn)生棕色的錳氧化物沉積，同步輻射光的X射線(xiàn)吸收譜(X-ray Adsorption Spectrum,XAS)分析表明沉積物屬于層狀水鈉錳礦，因而認(rèn)為生物氧化錳的形成可能是微生物進(jìn)化出的一種抗逆機(jī)制，即在酸性條件下，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和金屬離子可以通過(guò)胞間連絲與細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)運(yùn)輸?shù)皆寮?xì)胞的葉綠體與分生組織中，而多余的過(guò)渡金屬離子(Mn2+和其它離子)可能會(huì)通過(guò)ZIP基因轉(zhuǎn)運(yùn)到帶正電荷的細(xì)胞區(qū)域，從而被溶解氧氧化。

3 MOM及BioMnOx對(duì)污染物的吸附與降解

3.1 BioMnOx對(duì)污染物的去除

從微生物培養(yǎng)體系中分離得到的BioMnOx具有大量的陽(yáng)離子空位和高的氧化還原電位，可以通過(guò)吸附和氧化還原反應(yīng)去除環(huán)境中的污染物。Liao等[37]研究了深海細(xì)菌Marinobactersp.MNI7-9，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出很高的錳氧化活性，生成的BioMnOx呈棒狀，粘附在細(xì)胞表面，含有兩種典型的晶體結(jié)構(gòu)γ-MnOOH和δ-MnO2，收獲的BioMnOx可以將90%的As3+氧化為As5+。而另一種菌株Microbacteriumsp.CSA40介導(dǎo)形成的BioMnOx可以同步進(jìn)行As3+氧化和As5+吸附，用量為0.5 g/L的BioMnOx就可以去除90%以上的總As，并且在此過(guò)程中沒(méi)有Mn2+析出[38]。這種能力在真菌形成的BioMnOx中也同樣存在：Tani等[39]發(fā)現(xiàn)沉積物中分離得到的真菌KR21-2介導(dǎo)形成的BioMnOx具有對(duì)As3+的氧化能力；真菌Coprinopsisurticicola介導(dǎo)生成的具有水鈉錳礦納米晶體形貌的BioMnOx有希望作為尾礦土壤中Ba2+和Ra2+的吸附劑[40]。

除了氧化劑和吸附劑，BioMnOx還可以作為高級(jí)氧化過(guò)程的催化劑。Zhang等[41]利用AeromonashydrophilaDS02介導(dǎo)生成的BioMnOx催化過(guò)一硫酸鹽(Peroxymonosulfate,PMS)氧化降解2，4二甲基苯胺，添加BioMnOx后在120 min降解率超過(guò)98%，顯著高于未添加BioMnOx的對(duì)照組。一些研究還發(fā)現(xiàn)BioMnOx優(yōu)于化學(xué)法合成的氧化錳，如Tian等[42]利用Pseudomonassp.F2合成的BioMnOx激活過(guò)硫酸鹽降解苯酚和四環(huán)素，降解率約為化學(xué)合成3D-α-Mn2O3的3倍，且BioMnOx在pH=3.0～9.0的范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和污染物降解性能。BioMnOx還可以通過(guò)改性來(lái)提高反應(yīng)活性，如Luo等[43]采用浸漬煅燒法將鈷摻雜到從真菌Pleosporalessp.Y-5培養(yǎng)物中獲得的層狀BioMnOx中制成Co-BioMnOxs，以此產(chǎn)物激活PMS來(lái)降解四環(huán)素及其殘留物，重復(fù)使用5次后，Co-BioMnOxs仍然維持很高的催化活性。

3.2 MOM與BioMnOx協(xié)同降解污染物

上述分離得到的BioMnOx在經(jīng)過(guò)干燥或熱處理后，其中的微生物活性會(huì)受到破壞或抑制，通常變?yōu)椤八荔w”。當(dāng)MOM活體與BioMnOx共存時(shí)，生物氧化將環(huán)境中的Mn2+氧化為Mn3+或Mn4+，Mn3+或Mn4+具有的氧化能力可以將有機(jī)物氧化，自身被還原為Mn2+，在MOM作用下又開(kāi)始下一輪錳價(jià)態(tài)循環(huán)，使含碳有機(jī)物在原位被持續(xù)且有效地降解[21]。MOM菌/藻體與BioMnOx協(xié)同降解去除廢水中的污染物已有越來(lái)越多的報(bào)道。模式錳氧化細(xì)菌Pseudomonassp.F2介導(dǎo)生成的BioMnOx可以提高Pseudomonassp.F2對(duì)高氧氟沙星(Ofloxacin,OFL)的降解率，初始OFL濃度為5 μg/L時(shí)，添加BioMnOx可使該有機(jī)污染物完全去除[44]。Tran等[45]使用改性顆?；钚蕴孔鳛檩d體，利用PseudomonasputidaMnB1培養(yǎng)BioMnOx-MnB生物膜后，將其用于去除廢水二級(jí)處理出水中的17α-炔雌二醇，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的生物活性炭吸附法相比，BioMnOx-MnB生物過(guò)濾器不僅顯著提高17α-炔雌二醇的去除率，并且NH3-N也獲得有效去除。利用原位生物氧化錳改性好氧顆粒污泥也可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)廢水中四環(huán)素的去除，與傳統(tǒng)方法相比，去除率提高了10.7%～15.4%[46]。Wang等[47]發(fā)現(xiàn)移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(Moving bed biofilm reactor,MBBR)中錳氧化細(xì)菌和其產(chǎn)物BioMnOx可以加速吸附含酚廢水中的苯酚和4-氯酚，從而提高這兩種污染物的去除率，但是分離純化后的BioMnOx卻沒(méi)有表現(xiàn)出苯酚去除能力，證明了微生物與BioMnOx協(xié)同作用的優(yōu)勢(shì)。

不同MOM原位去除污染物效果存在差異[48]。EPS中含有無(wú)機(jī)碳和一些離子雜質(zhì)，可阻礙晶體生長(zhǎng)和調(diào)節(jié)pH值，也會(huì)對(duì)BioMnOx的性能產(chǎn)生影響[49]。Liu等[50]在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用化學(xué)氧化錳去除呋喃丹時(shí)，pH值一直維持不變(與初始值相同)；而當(dāng)在相同條件下使用由Marinobactersp.MnI7-9產(chǎn)生的BioMnOx時(shí)，不論初始pH值為4.8還是7，反應(yīng)結(jié)束后的pH值總是處于9左右，表明MOM和BioMnOx可以調(diào)節(jié)pH值，有利于促進(jìn)呋喃丹的水解，這一現(xiàn)象或可歸因于MOM分泌的EPS中存在的K+、Na+、Mg2+和各種有機(jī)基團(tuán)發(fā)揮了作用。

4 展望

自然界中存在的微生物，以其獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物特性促進(jìn)了錳在地殼中的生物化學(xué)循環(huán)。隨著越來(lái)越多的錳氧化微生物被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的BioMnOx生成機(jī)制已無(wú)法解釋一些特殊的現(xiàn)象，雖然大多數(shù)生物氧化錳被證實(shí)是通過(guò)酶促反應(yīng)生成的，但其具體的生物氧化過(guò)程和機(jī)理仍需進(jìn)一步明確。如何在特定環(huán)境與條件中培養(yǎng)錳氧化微生物，如何提高生物氧化錳的產(chǎn)量，以及能否通過(guò)多種錳氧化微生物的協(xié)同作用生成生物氧化錳，都值得深入探索。

目前，大多數(shù)研究仍集中在細(xì)菌介導(dǎo)形成的BioMnOx， 而真菌和微藻介導(dǎo)的BioMnOx相關(guān)報(bào)道很少。因此，今后的研究可以重點(diǎn)關(guān)注：(1)真菌或微藻介導(dǎo)的BioMnOx形成機(jī)理及其潛在應(yīng)用；(2)建構(gòu)多菌/藻株、穩(wěn)定、高效、受控的微生物聯(lián)合體(Microbial consortium)用于生產(chǎn)功能導(dǎo)向的BioMnOx，以滿(mǎn)足各種應(yīng)用需要；(3)利用MOM與BioMnOx在基質(zhì)表面能夠形成生物膜的特性探討微生物與有機(jī)/無(wú)機(jī)材料或宿主植物協(xié)同實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。