重金屬污染的微生物效應研究

張劍鋒，黃 放

（湖南金旅環保股份有限公司，湖南長沙 410000）

重金屬污染的微生物效應研究

張劍鋒，黃 放

（湖南金旅環保股份有限公司，湖南長沙 410000）

隨著工農業的發展，環境中重金屬污染日趨嚴重，引起人們廣泛關注。在自然環境中，微生物對重金屬的敏感性要遠高于動植物，通過對重金屬和微生物兩者相互作用的深入研究，可為環境中重金屬的風險評估提供依據。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制，并對該領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

隨著工農業的發展，土壤重金屬污染日趨嚴重，嚴重危害了人類生活環境和身體健康，引起了人們的廣泛關注。在土壤環境中，微生物對重金屬的敏感性要遠高于動植物，所以通常以微生物做作為生態環境的評估指標。長期以來，對微生物的毒害及解毒機理研究主要是在生理學、生物化學、遺傳學和分子生物學等方面，但這些研究相對獨立，對系統評價重金屬和微生物之間的相互關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研究進展作簡要綜述，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

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

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提供能量，呼吸作用的強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24 h后與培養前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］用瓊脂平板培養法研究了重金屬 Hg2＋對外生菌根真菌的毒性效應，發現平板上菌落直徑隨著Hg質量濃度的增加而減小，存在明顯的“劑量－效應”關系。趙修華等［2］在研究產朊假絲酵母吸附Cu2＋時，利用美蘭染色法對酵母細胞死亡率進行檢測，發現酵母死亡率隨著 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，發現低濃度的 Cd2＋處理（0～0.1 mg／L），能夠促進集胞藻的生長，當 Cd2＋濃度進一步增大時，藻體的生長受到抑制；當 Cd2＋濃度達到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。有研究發現重金屬（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 重金屬誘導微生物細胞凋亡

細胞凋亡是細胞受到內、外因子刺激后發生的由自身基因調控的生理性死亡過程，是一個主動和高度有序的生命過程。生物、物理和化學等因素都可誘導細胞凋亡產生，其中重金屬就是典型誘導因子之一。Nargund等研究發現Cd2＋可誘導酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）細胞凋亡，原因可能是Cd2＋導致細胞內多個生理生化反應所致：（1）Cd2＋誘導半胱天冬酶（capase）的表達，細胞內功能蛋白分子被催化裂解，裂解的蛋白分子誘導細胞凋亡；（2）Cd2＋誘導細胞內線粒體膜超極化；（3）Cd2＋刺激細胞內產生大量活性氧簇（ROS），而ROS可氧化細胞內膜脂、功能蛋白、DNA等生物大分子，造成細胞損傷。目前Cd2＋導致細胞內ROS產生的機制還不清楚。

1.2 重金屬對微生物的種類和群落結構的影響

微生物種群結構是表征生態環境系統群落結構和穩定性的重要參數。在土壤環境中，重金屬在影響微生物的生長同時，也改變環境中微生物的種類和群落結構。有研究發現，當土壤環境在重金屬的脅迫下，整個微生物區系會發生質的變化，不適應生長的微生物數量下降，而適應生長的微生物數量增大并累積［4］。

Rajapaksha等在重金屬Cu或Zn對土壤中微生物活性的研究中，發現在高濃度重金屬條件下細菌的活性急劇下降，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處理細菌形成的生物膜，通過對處理的生物膜中細菌16 SRNA分析發現，由于微生物對重金屬的敏感性不同，生物膜中的優勢種群會發生變化，從而導致生物膜中的生物多樣性和群落結構改變。

1.3 重金屬對微生物細胞形貌結構的影響

重金屬與微生物的相互作用是一個復雜的界面反應過程，包括表面絡合、離子交換、氧化還原、沉淀等作用。由于微生物細胞膜組成的復雜性，以及受細胞新陳代謝狀態及外界因素的影響，在重金屬脅迫下，微生物細胞的表面組成、形態結構很容易發生改變。

1.3.1 改變細胞表面形狀

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發現，吸附前的酵母菌細胞表面十分光滑飽滿，生長良好，有芽殖長出；吸附后鉻與細胞外大分子物質結合，形成顆粒狀物質，附著在細胞表面，部分細胞結構被破壞，產生空殼、內陷甚至裂解等現象。而當觀察吸附了Cr3＋離子的普通脫硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans）時，發現細菌表面有顆粒狀物質形成，并且菌體表面出現凹陷，表明Cr3＋離子可能通過胞外絡合、沉淀固定在細胞表面，改變了細胞表面形狀。

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

1.3.2 改變細胞膜電信號

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，也能導致細胞膜電信號的改變，導致細胞膜去極化，從而破壞細胞膜的完整性。在對大型輪藻（Nitella flexilis）細胞膜電信號對 Pb2＋、Cd2＋、Hg2＋脅迫的響應研究發現，細胞膜電位和膜電阻對 Cd2＋、Hg2＋響應靈敏快速，30 min內對 1μmol／L Cd2＋、Hg2＋表現出超極化和膜電阻增大反應，而5μmol／L、10μmol／L Cd2＋、Hg2＋在15 min內引起細胞去極化、膜電阻減小，且劑量效應顯著。細胞膜電信號對Pb2＋的響應濃度為 100μmol／L，30 min內導致細胞先去極化后超極化，膜電阻持續增大［6］。

2 微生物對重金屬抗性和解毒作用

微生物在應對重金屬脅迫時，自身對重金屬有抗性及解毒的作用，得以維持體內重金屬的動態平衡。微生物對重金屬的解毒機制主要有生物吸附和生物轉化。在重金屬脅迫下，微生物會將重金屬離子轉化為低毒產物，主要是通過吸收、沉淀、固定、共價轉化等途徑，來降低環境中重金屬的毒性。此外，微生物通過附著在土壤顆粒表面形成生物膜結構，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制不同，原核微生物主要是通過細胞內重金屬的外排、酶還原作用來控制細胞內金屬離子的濃度；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合游離態的重金屬離子，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：細胞表面吸附、胞內吸附和胞外吸附［8］。細胞表面吸附則主要是在細胞表面進行，是指將金屬硫蛋白、植物鰲合素及金屬結合多肽等多種物質與重金屬進行結合并進行展示，通過這一系列反應，使得微生物對重金屬的吸附能力進一步得到提升。比如在酵母細胞表面，酵母金屬硫蛋白串聯體可進行表達，并可以提升對重金屬的吸附能力。胞內吸附是指重金屬離子通過與胞內相關物質進行結合，如絡合素、金屬硫蛋白以及多肽物質，之后再進行沉淀與固定。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生絡合或沉淀的作用，主要來自于微生物的細胞外分泌物這類高分子聚合物。胞外聚合物可對Mg2＋、Pb2＋和 Cu2＋進行快速固定，并且對 Pb2＋的親和力更強。在與重金屬離子進行結合時，對于結合位點，在與不同類型細菌發生反應時，也存在差異，比如革蘭氏陽性菌將肽聚糖作為其結合位點，磷酸基是革蘭氏陰性菌的結合位點，而幾丁質則會成為真菌的結合位點。

2.2 微生物對重金屬的生物轉化作用

對于重金屬價態的改變，微生物可采取通過直接的氧化作用或還原作用的手段，進而對金屬的溶解性、移動性以及生態毒性產生影響［9］。有研究發現，硫還原細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，在這個過程中發生還原發應，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生的同化反應，比如胱氨酸和蛋氨酸，在體外分泌產生S2－，則是通過脫硫作用。同時，其過程中還會產生沉淀，一般是通過S2－和Cd2＋相結合，這對重金屬污染方面的治理，具有重要的指導意義［10］。

2.3 外界環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發現，蒙脫石和高嶺石對微生物有保護作用，可以減緩重金屬對微生物生長的抑制作用，在相同條件下，蒙脫石保護作用比高嶺石大。該研究認為粘土礦物蒙脫石和高嶺石對微生物生長的保護作用與其陽離子交換量（CEC）相關，CEC越大，吸附的Cd2＋越多，從而更大程度降低培養基中游離態Cd2＋的濃度，減輕對微生物的毒害作用。有研究發現隨著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。這是因為在不同pH條件下，金屬離子形成不同的形態，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 微生物修復技術在重金屬污染土壤上的應用

近年來，微生物修復技術研究力度加大，加快了土壤微生物修復技術的發展。微生物修復技術因具有成本低、無二次污染等特點，成為生態修復領域研究新熱點。

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菌可以修復鎘污染土壤。Kawasaki從食物中發現的幾株鎘吸附菌，當pH在5.0～7.0，溫度為35℃下且鹽濃度為0%～20% 的培養基中培養去除鎘，鎘的去除率大于80%。鄧秋穗［12］等通過試驗培養獲得的雷氏菌屬（Serratiamarcuscens）菌株FQ2重金屬耐受試驗檢測發現，FQ2具有較強的重金屬耐受力，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，其特點是數量繁多和表面活性強，因此，在對研究重金屬化學行為和生物有效性方面意義重大。同時，在促進重金屬活化和氧化－還原方面，微生物在代謝活動過程中起到了決定性的作用。因此，對于某些特性，微生物能夠將重金屬在環境中存在的狀態有效地表現出來。當前主要圍繞基因、細胞、個體和群體水平上，去探討微生物與重金屬之間的相互作用規律和機理。但是由于自身差異性，再加上不同的重金屬元素毒性效應，使得微生物對重金屬污染的適應過程以及在對機理的進行研究時，整體上變得比較復雜。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、基因產物及其功能的鑒定方面已有大量的研究成果，而對生物學的基因調控機制還有待于深入研究。

通過重金屬對微生物的毒理學深入研究，可發現微生物受重金屬脅迫后新陳代謝的變化規律，為重金屬的生態風險評估及探索和開發微生物對重金屬的修復技術提供科學依據。

［1］ Crane S.，Dighton J.，Barkay T.Growth responses to and accumulation ofmercury by ectomycorrhizal fungi［J］.Fungal Biology，2010，114（10）：873－880.

［2］ 趙修華，王文杰，胡茂盛，等.產朊假絲酵母生物吸附Cu2＋影響因素及吸附機理的研究［J］.環境科學學報，2006，26（5）：808－814.

［3］ 閻春蘭，丁華堆.鎘對集胞藻PCC6803生長的影響［J］.中南民族大學學報（自然科學版），2008，27（4）：34－36.

［4］ 騰應，黃昌勇.重金屬污染土壤的微生物生態效應及其修復研究進展［J］.土壤與環境，2002，11（1）：85－89.

［5］ 何寶燕，尹華，彭輝，等.酵母菌吸附重金屬鉻的生理代謝機理及細胞形貌分析［J］.環境科學，2007，28（1）：194－198.

［6］ 王丙蓮，孟慶軍，楊俊慧，等.藻細胞膜電位信號對重金屬的快速反應研究［J］.生態毒理學報，2007，2（2）：172－177.

［7］ 林稚蘭，田哲賢.微生物對重金屬的抗性及解毒機理［J］.微生物學通報，1998，25（1）：36－39.

［8］ Pavel K，Martina M，Tomas M.Microbial Biosorption of Metals［M］.Springer Science：Business Media B.V，2011.320.

［9］ 滕應，黃昌勇.重金屬污染土壤的微生物生態效應及其修復研究進展［J］.土壤與環境，2002，11（1）：85－89.

［10］陳亞剛，陳雪梅，張玉剛，等.微生物抗重金屬的生理機制［J］.生物技術通報，2009，（10）：60－65.

［11］滕應，駱永明，李振高.污染土壤的微生物修復原理與技術進展［J］.土壤，2007，39（4）：497－502.

［12］鄧秋穗，唐霞，蔡潤，等.微生物修復重金屬污染土壤探究［J］.實驗技術與原理，2017，（10）：13.

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，主要從事環境修復等方面的研究工作。

2017－10－20