重金属污染的微生物效应研究

张剑锋，黄 放

（湖南金旅环保股份有限公司，湖南长沙 410000）

重金属污染的微生物效应研究

张剑锋，黄 放

（湖南金旅环保股份有限公司，湖南长沙 410000）

随着工农业的发展，环境中重金属污染日趋严重，引起人们广泛关注。在自然环境中，微生物对重金属的敏感性要远高于动植物，通过对重金属和微生物两者相互作用的深入研究，可为环境中重金属的风险评估提供依据。文章综述了重金属对微生物生理毒害影响和微生物解毒机制，并对该领域的研究提出问题和展望。

微生物；重金属；生理毒害；解毒作用

随着工农业的发展，土壤重金属污染日趋严重，严重危害了人类生活环境和身体健康，引起了人们的广泛关注。在土壤环境中，微生物对重金属的敏感性要远高于动植物，所以通常以微生物做作为生态环境的评估指标。长期以来，对微生物的毒害及解毒机理研究主要是在生理学、生物化学、遗传学和分子生物学等方面，但这些研究相对独立，对系统评价重金属和微生物之间的相互关系和作用具有一定的局限性。本文就重金属污染的微生物效应研究进展作简要综述，探讨存在的问题，提出展望。

1 重金属对微生物毒害作用

1.1 重金属对微生物活性的影响

当土壤受到外来重金属污染物污染时，微生物为了维持生存，其代谢活性发生不同程度的变化。重金属对微生物活性的影响主要表现在抑制微生物的生长、诱导微生物细胞凋亡等方面。

1.1.1 重金属抑制微生物的生长

微生物主要通过呼吸作用为生命活动提供能量，呼吸作用的强弱可以反映微生物的活性。在重金属的胁迫下，微生物呼吸作用会减弱，不同的真菌在Ni2＋处理培养24 h后与培养前4 h相比，呼吸作用中氧消耗显著性减少，微生物活性被显著性抑制。Crane等［1］用琼脂平板培养法研究了重金属 Hg2＋对外生菌根真菌的毒性效应，发现平板上菌落直径随着Hg质量浓度的增加而减小，存在明显的“剂量－效应”关系。赵修华等［2］在研究产朊假丝酵母吸附Cu2＋时，利用美兰染色法对酵母细胞死亡率进行检测，发现酵母死亡率随着 Cu2＋浓度的升高而增高。阎春兰等［3］以集胞藻（synechocystis）PCC6803为研究材料，研究不同浓度的 Cd2＋处理对集胞藻生长的影响，发现低浓度的 Cd2＋处理（0～0.1 mg／L），能够促进集胞藻的生长，当 Cd2＋浓度进一步增大时，藻体的生长受到抑制；当 Cd2＋浓度达到1.0 mg／L则完全抑制藻体的生长，这说明在一定条件下，重金属在低浓度下可以促进微生物的生长，高浓度下抑制微生物的生长。

重金属不仅能抑制微生物的生物量的增长，而且对微生物的生长周期也有干扰作用。有研究发现重金属（Cu2＋、Ni2＋、Zn2＋、Cr3＋）可抑制脱硫弧菌（Desulfovibrio sp）的生长，降低最大生物量和生长速率，使其迟滞期延长。

1.1.2 重金属诱导微生物细胞凋亡

细胞凋亡是细胞受到内、外因子刺激后发生的由自身基因调控的生理性死亡过程，是一个主动和高度有序的生命过程。生物、物理和化学等因素都可诱导细胞凋亡产生，其中重金属就是典型诱导因子之一。Nargund等研究发现Cd2＋可诱导酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）细胞凋亡，原因可能是Cd2＋导致细胞内多个生理生化反应所致：（1）Cd2＋诱导半胱天冬酶（capase）的表达，细胞内功能蛋白分子被催化裂解，裂解的蛋白分子诱导细胞凋亡；（2）Cd2＋诱导细胞内线粒体膜超极化；（3）Cd2＋刺激细胞内产生大量活性氧簇（ROS），而ROS可氧化细胞内膜脂、功能蛋白、DNA等生物大分子，造成细胞损伤。目前Cd2＋导致细胞内ROS产生的机制还不清楚。

1.2 重金属对微生物的种类和群落结构的影响

微生物种群结构是表征生态环境系统群落结构和稳定性的重要参数。在土壤环境中，重金属在影响微生物的生长同时，也改变环境中微生物的种类和群落结构。有研究发现，当土壤环境在重金属的胁迫下，整个微生物区系会发生质的变化，不适应生长的微生物数量下降，而适应生长的微生物数量增大并累积［4］。

Rajapaksha等在重金属Cu或Zn对土壤中微生物活性的研究中，发现在高浓度重金属条件下细菌的活性急剧下降，而真菌的活性显著性升高；此外，通过磷脂脂肪酸分析（PLFA）可知在高浓度重金属条件下土壤中革兰氏阴性菌减少而革兰氏阳性菌和真菌增多，并且真菌与细菌的比例随着重金属浓度的升高而增大。Pierre-yves研究污水中 Zn、Cu和Pb处理细菌形成的生物膜，通过对处理的生物膜中细菌16 SRNA分析发现，由于微生物对重金属的敏感性不同，生物膜中的优势种群会发生变化，从而导致生物膜中的生物多样性和群落结构改变。

1.3 重金属对微生物细胞形貌结构的影响

重金属与微生物的相互作用是一个复杂的界面反应过程，包括表面络合、离子交换、氧化还原、沉淀等作用。由于微生物细胞膜组成的复杂性，以及受细胞新陈代谢状态及外界因素的影响，在重金属胁迫下，微生物细胞的表面组成、形态结构很容易发生改变。

1.3.1 改变细胞表面形状

何宝燕等［5］利用扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观测吸附铬前后的酵母菌时发现，吸附前的酵母菌细胞表面十分光滑饱满，生长良好，有芽殖长出；吸附后铬与细胞外大分子物质结合，形成颗粒状物质，附着在细胞表面，部分细胞结构被破坏，产生空壳、内陷甚至裂解等现象。而当观察吸附了Cr3＋离子的普通脱硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans）时，发现细菌表面有颗粒状物质形成，并且菌体表面出现凹陷，表明Cr3＋离子可能通过胞外络合、沉淀固定在细胞表面，改变了细胞表面形状。

“你讲的也许没错，可是这对我来说却是一个错误。你知道当年和我一起值班，看见盗贼逃跑，后来被开除的那个年轻人在哪里，他现在过得怎样了吗？”

1.3.2 改变细胞膜电信号

对于水生生物藻类而言，重金属不仅能引起藻类代谢功能紊乱、破坏叶绿素的合成、抑制其光合作用，也能导致细胞膜电信号的改变，导致细胞膜去极化，从而破坏细胞膜的完整性。在对大型轮藻（Nitella flexilis）细胞膜电信号对 Pb2＋、Cd2＋、Hg2＋胁迫的响应研究发现，细胞膜电位和膜电阻对 Cd2＋、Hg2＋响应灵敏快速，30 min内对 1μmol／L Cd2＋、Hg2＋表现出超极化和膜电阻增大反应，而5μmol／L、10μmol／L Cd2＋、Hg2＋在15 min内引起细胞去极化、膜电阻减小，且剂量效应显著。细胞膜电信号对Pb2＋的响应浓度为 100μmol／L，30 min内导致细胞先去极化后超极化，膜电阻持续增大［6］。

2 微生物对重金属抗性和解毒作用

微生物在应对重金属胁迫时，自身对重金属有抗性及解毒的作用，得以维持体内重金属的动态平衡。微生物对重金属的解毒机制主要有生物吸附和生物转化。在重金属胁迫下，微生物会将重金属离子转化为低毒产物，主要是通过吸收、沉淀、固定、共价转化等途径，来降低环境中重金属的毒性。此外，微生物通过附着在土壤颗粒表面形成生物膜结构，减少重金属与微生物的接触、形成致密生物膜后可防止重金属对内部微生物的毒害作用，从而提高微生物对重金属的抗性。

不同类型的微生物的解毒机制不同，原核微生物主要是通过细胞内重金属的外排、酶还原作用来控制细胞内金属离子的浓度；而真核微生物主要是通过酶促合成植物螯合肽和基因编码合成的金属硫蛋白结合游离态的重金属离子，降低重金属的毒性［7］。

2.1 微生物对重金属的生物吸附作用

微生物的吸附作用主要有以下几类：细胞表面吸附、胞内吸附和胞外吸附［8］。细胞表面吸附则主要是在细胞表面进行，是指将金属硫蛋白、植物鳌合素及金属结合多肽等多种物质与重金属进行结合并进行展示，通过这一系列反应，使得微生物对重金属的吸附能力进一步得到提升。比如在酵母细胞表面，酵母金属硫蛋白串联体可进行表达，并可以提升对重金属的吸附能力。胞内吸附是指重金属离子通过与胞内相关物质进行结合，如络合素、金属硫蛋白以及多肽物质，之后再进行沉淀与固定。而胞外吸附一般则依靠胞外聚合物ESP，其具备对重金属离子产生络合或沉淀的作用，主要来自于微生物的细胞外分泌物这类高分子聚合物。胞外聚合物可对Mg2＋、Pb2＋和 Cu2＋进行快速固定，并且对 Pb2＋的亲和力更强。在与重金属离子进行结合时，对于结合位点，在与不同类型细菌发生反应时，也存在差异，比如革兰氏阳性菌将肽聚糖作为其结合位点，磷酸基是革兰氏阴性菌的结合位点，而几丁质则会成为真菌的结合位点。

2.2 微生物对重金属的生物转化作用

对于重金属价态的改变，微生物可采取通过直接的氧化作用或还原作用的手段，进而对金属的溶解性、移动性以及生态毒性产生影响［9］。有研究发现，硫还原细菌可在一定条件下将硫酸盐还原为硫化物：第一种途径则可通过呼吸作用，在这个过程中发生还原发应，一般将将硫酸盐作为电子受体；另一途径则是利用硫酸盐合成氨基酸发生的同化反应，比如胱氨酸和蛋氨酸，在体外分泌产生S2－，则是通过脱硫作用。同时，其过程中还会产生沉淀，一般是通过S2－和Cd2＋相结合，这对重金属污染方面的治理，具有重要的指导意义［10］。

2.3 外界环境对微生物解毒作用的影响

除微生物本身对重金属解毒外，外界环境也可影响其对重金属的解毒作用。在粘土矿物存在条件下Cd2＋对微生物的毒害研究时发现，蒙脱石和高岭石对微生物有保护作用，可以减缓重金属对微生物生长的抑制作用，在相同条件下，蒙脱石保护作用比高岭石大。该研究认为粘土矿物蒙脱石和高岭石对微生物生长的保护作用与其阳离子交换量（CEC）相关，CEC越大，吸附的Cd2＋越多，从而更大程度降低培养基中游离态Cd2＋的浓度，减轻对微生物的毒害作用。有研究发现随着pH升高（从5.5到8.5），Ni对曲霉菌（Aspergillus conoides）等真菌的毒害作用减弱或消除。这是因为在不同pH条件下，金属离子形成不同的形态，如Ni2＋在不同pH下形成NiOH＋、Ni（OH）2、Ni（OH）－3、Ni（OH）2－4，比例不同，降低了有毒形态的含量。此外，外界阳离子的干扰，也可降低重金属对微生物的毒害作用。

3 微生物修复技术在重金属污染土壤上的应用

近年来，微生物修复技术研究力度加大，加快了土壤微生物修复技术的发展。微生物修复技术因具有成本低、无二次污染等特点，成为生态修复领域研究新热点。

在低镉浓度条件下，假单胞菌、大肠杆菌、芽孢杆菌和枯草杆菌等一些细菌可以修复镉污染土壤。Kawasaki从食物中发现的几株镉吸附菌，当pH在5.0～7.0，温度为35℃下且盐浓度为0%～20% 的培养基中培养去除镉，镉的去除率大于80%。邓秋穗［12］等通过试验培养获得的雷氏菌属（Serratiamarcuscens）菌株FQ2重金属耐受试验检测发现，FQ2具有较强的重金属耐受力，其抗镍浓度为500 mg／L，抗铅浓度为900 mg／L，在镍和铅同时存在的情况下最高耐受100 mg／L镍和100 mg／L铅。

4 问题与展望

微生物是土壤中重要胶体组分的组成物质，其特点是数量繁多和表面活性强，因此，在对研究重金属化学行为和生物有效性方面意义重大。同时，在促进重金属活化和氧化－还原方面，微生物在代谢活动过程中起到了决定性的作用。因此，对于某些特性，微生物能够将重金属在环境中存在的状态有效地表现出来。当前主要围绕基因、细胞、个体和群体水平上，去探讨微生物与重金属之间的相互作用规律和机理。但是由于自身差异性，再加上不同的重金属元素毒性效应，使得微生物对重金属污染的适应过程以及在对机理的进行研究时，整体上变得比较复杂。已有研究主要集中在重金属对单一微生物种类的毒性影响，在微生物抗性基因的筛选、基因产物及其功能的鉴定方面已有大量的研究成果，而对生物学的基因调控机制还有待于深入研究。

通过重金属对微生物的毒理学深入研究，可发现微生物受重金属胁迫后新陈代谢的变化规律，为重金属的生态风险评估及探索和开发微生物对重金属的修复技术提供科学依据。

［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］ 赵修华，王文杰，胡茂盛，等.产朊假丝酵母生物吸附Cu2＋影响因素及吸附机理的研究［J］.环境科学学报，2006，26（5）：808－814.

［3］ 阎春兰，丁华堆.镉对集胞藻PCC6803生长的影响［J］.中南民族大学学报（自然科学版），2008，27（4）：34－36.

［4］ 腾应，黄昌勇.重金属污染土壤的微生物生态效应及其修复研究进展［J］.土壤与环境，2002，11（1）：85－89.

［5］ 何宝燕，尹华，彭辉，等.酵母菌吸附重金属铬的生理代谢机理及细胞形貌分析［J］.环境科学，2007，28（1）：194－198.

［6］ 王丙莲，孟庆军，杨俊慧，等.藻细胞膜电位信号对重金属的快速反应研究［J］.生态毒理学报，2007，2（2）：172－177.

［7］ 林稚兰，田哲贤.微生物对重金属的抗性及解毒机理［J］.微生物学通报，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］ 滕应，黄昌勇.重金属污染土壤的微生物生态效应及其修复研究进展［J］.土壤与环境，2002，11（1）：85－89.

［10］陈亚刚，陈雪梅，张玉刚，等.微生物抗重金属的生理机制［J］.生物技术通报，2009，（10）：60－65.

［11］滕应，骆永明，李振高.污染土壤的微生物修复原理与技术进展［J］.土壤，2007，39（4）：497－502.

［12］邓秋穗，唐霞，蔡润，等.微生物修复重金属污染土壤探究［J］.实验技术与原理，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

张剑锋（1979－），男，工程师，主要从事环境修复等方面的研究工作。

2017－10－20