论文推荐｜重金属污染物的微生物修复策略

随着我国工业进程的不断加快，重金属污染已成为制约我国经济建设和影响居民健康的主要因素。对重金属污染场地进行科学高效地防治和治理是实现生态环境可持续发展，保障人类生命健康的重要途径。相比传统的化学法和物理法，微生物具有可培养性强、操作简单、环境友好等特点，微生物修复策略被认为是目前重金属污染场地的修复过程中最有潜力的技术。从重金属对微生物的影响和微生物对重金属胁迫的响应方式两个方面进行论述，以为微生物修复技术的规模化应用提供思路及理论基础。

重金属通常对微生物产生双向作用，如某些低浓度的重金属在微生物蛋白质的合成、酶活性构型的维系、氧化还原等过程中发挥作用。但当重金属的浓度超过微生物生长代谢所需的阈值后会对微生物产生不利影响。

从宏观角度来讲，重金属会影响微生物的群落结构和生物多样性，这主要取决于重金属和微生物的类型。另外，受低浓度的Cd、Cu、Zn、Pb复合污染的土壤中，细菌、真菌和放线菌的生物量均较污染前显著增加，表明低浓度的重金属会刺激微生物群落结构的增加。但随着重金属浓度的增加，其对微生物群落结构的影响由刺激变为毒害作用，相应微生物的群落结构相应降低。

从微观角度来讲，高浓度的重金属离子会破坏微生物细胞壁的完整性、干扰DNA和RNA的合成、诱导部分酶的构型发生变化、阻碍辅因子与生物分子的结合，甚至导致细胞死亡（图1）。另有研究表明，高浓度的Cr⁶⁺会通过静电结合的方式与大肠杆菌和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）DNA中的磷酸基团结合，阻碍转录和复制过程，导致细菌发生诱变。

图1 重金属对微生物的影响示意

2.1 细胞外屏障

通常，重金属离子必须先穿透细胞壁才可进入细胞膜，但因细胞壁独特的生理结构，尤其是革兰氏阳性菌细胞壁肽聚糖层厚而致密，且镶嵌有磷壁酸的特点，细胞壁在抵御外界刺激过程中发挥分子筛的功能，其可阻止分子量大于600Da的化合物进入细胞质。另外，一些革兰氏阳性菌如括红球菌（Rhodococcus）、分枝杆菌（Mycobacterium）、诺卡氏菌（Nocardia）、棒状杆菌（Corynebacterium）、戈登氏菌（Gordonia）等由于其细胞壁中富含霉菌酸，使得微生物细胞表面疏水性和渗透性极差，进而阻止了重金属离子的渗透。而革兰氏阴性菌由于存在于其细胞外膜的磷脂和脂多糖不断地旋转和侧移，且脂多糖的酰基链比磷脂链更硬，排列更紧密，致使其对疏水性化合物的渗透性更低，从而使得革兰氏阴性菌在细胞外对重金属有较强抗性。

细胞质膜的通透性在阻止重金属离子进入细胞质的过程中亦发挥重要作用。当微生物细胞受重金属胁迫后，细胞膜的脂肪酸组成、链长和磷脂组成会发生相应的变化以调整细胞膜的通透性，进而保证了细胞膜的活力。在研究不同浓度的Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺和Cr⁶⁺对嗜根寡养单胞菌（Stenotrophomonas rhizophila）活性和细胞膜通透性的影响时发现，0~120mg/L的金属离子对细菌的生长均无影响，在Cu²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺环境中的细菌的细胞膜通透性随着金属离子浓度的增加而增加，但当Cr⁶⁺浓度超过80mg/L后，细胞膜通透性逐渐降低。另外，细胞膜上大量脂肪酸链的存在也会阻碍重金属离子进入细胞质。细胞荚膜作为一些细菌表面的特殊结构，在微生物细胞响应重金属的刺激中同样发挥重要作用，其可作为一种扩散屏障抵抗重金属进入细胞质。

2.2 细胞外螯合

利用微生物在生长代谢过程中分泌的螯合蛋白将重金属在细胞外进行螯合是降低重金属毒性，维持细胞正常生长的方式之一。目前，已证明可胞外螯合重金属的蛋白有铁载体、草酸盐、磷酸盐和硫化物等，而细菌只产生细胞外铁载体，是一种含有异羟肟酸盐、儿茶酚酸盐、羧酸盐的多肽。研究发现，铜绿假单胞菌（P.aeruginosa）分泌2种铁载体，其中绿脓杆菌螯铁蛋白pyochelin可以螯合Cd²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺、Ga³⁺、Hg²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Sn²⁺、Tb³⁺等金属离子，另一种铁载体荧光嗜铁素pyoverdines可螯合U⁶⁺、Np⁵⁺等金属离子。另外，铁载体还可以促进部分植物对重金属离子的吸收，唐德链霉菌（Streptomyces tendae）F4分泌的铁载体去铁胺desferrioxamineB、coelichelin和desferrioxamine E可使向日葵对Cd²⁺的吸收能力显著增加，来源于铜绿假单胞菌（P.aeruginosa）的荧光嗜铁素pyoverdine和绿脓杆菌螯铁蛋白pyochelin能显著促进玉米对Cr⁶⁺和Pb²⁺的吸收。

另外，通过一些硫酸盐还原菌在胞外与重金属形成硫化物沉淀是实现细胞外螯合的另一种途径。硫还原泥土杆菌（Geobacter metallireducens）可将Mn⁴⁺还原为Mn²⁺，将U⁶⁺还原为U⁴⁺，进而使两种金属离子的毒性减弱。金属还原地杆菌（Geobacter sulfreducens）可将强毒性的Cr⁶⁺还原为弱毒性的Cr³⁺。

2.3 细胞内络合

微生物细胞经外界刺激后，可在胞内分泌大量的金属硫蛋白（MTs）、金属伴侣蛋白和谷胱甘肽（GSH）等活性大分子物质，这类物质因其结构特点对重金属有极强的结合能力（图2）。其中MTs是一类富含Cys的金属结合蛋白，其高级结构由含4个金属离子结合位点的羧基端和含3个金属离子结合位点的氨基端组成，能高效结合不同类型的金属离子。研究发现，Cd和Zn可诱导聚球藻（Synechococcus）smtA和smtB基因编码的MT的合成，其中smtA基因编码的MT中的半胱氨酸残基几乎可以结合所有类型的金属离子，而smtB基因编码的MT含有4个Zn²⁺结合位点，负责对Zn²⁺的特异性结合。

图2 微生物对重金属的胞内络合机理示意

谷胱甘肽（GSH）是由Glu、Cys和Gly组成的含有γ-酰胺键和巯基的三肽，在微生物抵抗外界刺激中同样发挥重要作用。其中Cly上的羧基和Cys上的巯基是谷胱甘肽能稳定的结合金属离子的主要原因。研究发现，在水溶液中，GSH通过其Gly两端的羧基与Dy³⁺、Ho³⁺、Yb³⁺等稀土离子可形成稳定的遥爪配位结构，进而减弱金属离子的毒性。

2.4 细胞内外排

许多微生物可通过主动运输或外排系统将存在于细胞质中的金属离子排出至细胞外，以避免重金属对微生物造成毒害。目前，对于重金属的外排公认的是CDF、RND和ATPase三大外排系统，其家族成员可特异性或非特异性地将重金属离子通过跨膜转运运输至细胞外（图3）。其中CDF家族成员广泛存在于细菌、古生菌和真核生物，蛋白结构主要由300~550个氨基酸组成，包括6个跨膜结构域、1个C-端结构域和1个富含组氨酸的结构域。

图3 三大外排系统的作用示意

除上述3种外排系统外，CHR蛋白、NreB和CnrT系统在解毒Cr⁶⁺、Ni²⁺和Co²⁺方面也发挥重要作用。CHR介导铬酸盐流出并由化学渗透梯度驱动，而CnrT和NreB样蛋白则由质子动力和CDF蛋白驱动。

2.5 金属离子的生物还原

通过生物还原的方法，降低高价态重金属离子的化合价，使其呈弱毒性或无毒性，并降低其在自然界中的迁移速率是微生物解毒重金属的另一途径。研究表明大多数细菌如地杆菌（Geobacter）、脱硫单胞菌（Desulfuromonas）、微弧菌（Vibrio）等均可利用金属元素作为终端电子受体。

微生物具有可培养性强、环境友好、操作简单等优势，微生物修复技术目前被认为是重金属污染场地的修复中最有潜力的方式。现阶段，已较清晰地掌握了微生物解毒重金属的生理机制，这将为微生物修复技术的广泛应用奠定理论基础。但目前报道的大多数微生物对重金属高效的解毒能力均基于实验室理想的条件下，而一旦应用于工程化，受外界诸多不确定因素的影响，其解毒效率将大幅降低。

后期需着力挖掘可广泛应用于工程化的微生物资源，通过基因组、转录组和代谢组结合的方式，挖掘相关微生物基因组中参与重金属解毒的基因资源，为工程菌的构建提供基因资源。