微生物硫代謝與鎘耐受關系的研究進展

＊梅小樂 周燕

（1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院 內蒙古 010018 2.內蒙古自治區生態環境科學研究院 內蒙古 010010）

1.農田土壤重基屬鎘污染及危害

在全國范圍內24個省市的320個重點污染區中，有4.9×105hm2的大田農作物重金屬含量超標，其中以汞、鎘、鉛、鉻、砷、銅元素污染及多種重金屬元素的復合污染最為突出[1-4]。重金屬能夠通過改變細胞膜壓力、蛋白變性、酶類活性位點失活、誘導自由基產生等機制，對微生物和植物生長產生強烈抑制作用[5-9]。

鎘由于水溶性強，極易被植物吸收，并且在低濃度下也能嚴重改變植物體內酶的活性，包括涉及卡爾文循環、碳水化合物和磷代謝以及二氧化碳固定的酶，最終導致生長發育遲緩、葉綠體超微結構改變、光合作用抑制、氮和硫代謝改變以及抗氧化機制破壞等[10]。

鎘是人體非必需元素，具有較強毒性。鎘在人體內富集后，會影響人體生長發育和代謝平衡，嚴重時會造成腎臟疾病、高血壓、心血管疾病、肺氣腫和癌癥等。稻米是人體攝入鎘的最主要途徑，進入到人體的鎘食物來源中約40%為大米[11]。由于水稻的生產環境呈現酸性，可以有效提高土壤中有效態鎘的含量，從而增加鎘向水稻植株內的轉移強度，提高稻米中鎘的含量[11]。

2.重基屬污染土壤修復技術者簡

土壤修復技術則主要有物理修復、化學修復和生物修復這三大類。

物理修復技術主要包括工程修復法和土壤淋洗法，但物理修復法的高成本、高工作量限制了其應用場景，尤其是對污染農田的修復。

化學修復技術主要是在污染的土壤中投入改良劑，通過一些化學作用如吸附、氧化還原、絡合或沉淀作用降低重金屬的生物有效性。

生物修復技術是利用植物或微生物的生命代謝活動改變土壤中的重金屬狀態，從而達到修復土壤的目的。其中，微生物修復技術是指某些微生物可以吸附和富集重金屬元素，有效防止重金屬生物有效態在生態環境中的遷移和轉化，遏制其通過食物鏈、地下水等形式危害人體健康。

大量研究發現，在重金屬污染農田中，多種微生物展現出了對重金屬毒性的耐受和解毒機制，如微生物累積、吸附、胞外沉淀、生物轉化和外排作用等[12-13]。

3.土壤硫代謝對鎘污染控制的研究進展

(1)土壤硫代謝過程

①硫酸鹽還原菌

硫酸鹽還原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）是一類能夠把硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽等硫氧化物以及元素硫作為電子受體，并且通過異化作用還原成H2S的細菌。目前已研究的SRB有18個屬，40多種，廣泛存在于自然界中，例如水稻田、海水、自來水、地熱地區、油井和天然氣井、河底污泥、動物腸道等。

SRB的代謝過程依據其種類、生存環境和營養底物的不同，代謝過程也不盡相同，大致可分為三個過程：第一階段是分解代謝；接著是電子傳遞；最后一個階段是硫酸鹽還原為S2-[14]。

同化性硫酸鹽還原和異化性硫酸鹽還原是SRB的兩種代謝途徑[15]。同化性硫酸鹽還原和異化性硫酸鹽還原最初都是在焦磷酸酶的作用下將ATP的磷酸根轉移到SO42-生成腺苷-5'-磷酸硫酸（APS）。而在異化性硫酸鹽還原過程中形成的SO32-在亞硫酸鹽還原酶的作用下生成硫化物或H2S被排泄出去[16]。

圖1 硫酸鹽還原菌的同化代謝和異化代謝途徑[15]

②硫桿菌

硫桿菌是土壤和自然水體中最常見的化能自養硫化細菌。在硫桿菌屬中，研究主要集中在氧化硫硫桿菌（Thiobacillus thiooxidans）和氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferrooxidans）。T.ferrooxidans能夠將O2作為電子受體，通過將Fe2+氧化生成Fe3+。而T.thiooxidans只能通過RISCs的代謝過程來獲得能量。

相比Fe2+直接氧化成Fe3+的氧化過程，RISCs的代謝過程則要復雜的多，硫擁有從-2到+6多個價態，在代謝的過程中會產生多種中間產物，而其中大部分都不穩定或者難以被檢測，此外，代謝過程中很多反應在非生物參與的條件下也可以發生，不能確定是否有生物學的反應發生或者酶的參與。因此，關于RISCs的代謝過程研究相對比較復雜，但還是有一些相關的研究。

Chen等[17-18]通過引入硫加氧還原酶SDO、硫代硫酸鹽醌氧化還原酶TQO和硫氰酸酶TST，將硫元素的氧化過程歸納為3種可能的形式：通過R-SH蛋白活化形成R-SSH，R-SSH再被SDO或Hdr氧化成亞硫酸，或在細胞內被SOR氧化。

圖2 硫桿菌硫氧化模型[18]

(2)微生物硫代謝過程對其鎘耐受的影響機制

鎘離子對微生物細胞具有較強的毒性，通過改變生物大分子的結構、干擾呼吸作用及代謝過程、影響細胞內外滲透壓平衡，使微生物細胞形態異常、破裂，導致微生物生長繁殖受到抑制。尤其是鎘能促進機體或細胞產生大量的活性氧簇（ROS），過量的ROS會導致機體或細胞內的脂質過氧化及DNA損傷，從而介導細胞調亡[19-20]。

含硫物質易與重金屬結合是微生物具備重金屬的耐受和解毒能力的重要原因，如含硫氨基酸的半胱氨酸、甲硫氨酸、含硫蛋白質和谷胱甘肽等，都能與鎘進行配位結合。如在釀酒酵母菌株中發現轉運蛋白YCF1（Yeast Cadmium Factor 1），介導了Mg-ATP激活的鎘-谷胱甘肽復合物，隨后鎘-谷胱甘肽復合物在液泡中被快速隔離[21]，從而完成了鎘的解毒機制。研究表明[22-23]，谷胱甘肽能夠清除重金屬誘導的ROS，調節細胞內氧化還原動態平衡，從而在鎘脅迫下生物解毒機制中發揮關鍵作用。此外，有機硫的代謝得到的如硫胺素、鉬喋呤和鐵硫蛋白等可以與鎘結合，也是重要的鎘的微生物解毒機制[24]。

有研究發現[25]，當環境出現鎘脅迫因素時，其中臺灣貪銅菌的硫代謝基因簇-鐵硫簇出現表達上調，細胞內SOx2-含量上升，而且ROS水平遠低于其他菌種，臺灣貪銅菌也表現出了更高的鎘耐受性和鎘吸收量。這說明臺灣貪銅菌的硫氧化過程有助于提高細胞的鎘耐受性。

圖3 轉錄組分析鑒定出的臺灣貪銅菌的重金屬耐受基因[25]

硫酸鹽還原菌主要通過三種方式對重金屬污染進行修復：①通過SRB還原過程形成的H2S與溶解的金屬離子反應形成不溶的硫化物沉淀使之固化；②硫酸鹽還原過程中會產生H+消耗的現象，導致整個系統pH升高，從而以氫氧化物的形式沉淀；③由硫酸鹽還原菌產生的胞外多聚物會吸附重金屬離子使重金屬濃度降低。

圖4 硫酸鹽還原菌治理重金屬污染示意圖

4.展望

微生物重金屬脅迫下的耐受機制研究在近十年來獲得了較大的進展。尤其分子生物學技術的快速發展，極大推動了微生物重金屬耐受調控基因的挖掘工作。例如通過合成生物學方法構建調控基因，再在大腸桿菌細胞中來驗證該基因表達是否能夠提高細胞的重金屬耐受能力。這樣就可以快速、準確地發掘到能夠提高重金屬耐受機制的調控基因。這也將為生物修復基因工程菌改造及合成微生物構建提供大量的基因資源，為農田重金屬污染生物修復奠定理論基礎，并提供新型、安全、有效的策略。