乳酸菌对重金属离子吸附能力的研究进展

白英，孙悦，王纯玮

（内蒙古农业大学，呼和浩特010018)

0 引言

自20世纪以来，随着科学技术的飞速发展，工业生产和城市现代化建设得到迅速推进的同时，污染也在增加。例如当含有重金属的工业废水排放到环境中时，环境就会遭到破坏。重金属在自然环境中是非常常见的，但是当人体从环境或食物链中摄入超出人体适应范围的重金属元素时，体内各种元素之间独特的比例被破坏，由此危害人类健康。因此在促进经济发展、改善人民生活水平的同时，为了避免重金属污染的问题越来越严重，去除环境中的重金属刻不容缓。

目前，主要有物理、化学和生物方法来清除重金属污染。物理法通过清洗、浸泡等方式，有效去除谷物和牛奶等食物中的重金属。然而重金属离子与海鲜和肉类产品中的大分子结合较为牢固，因此仅靠物理的方法去除是不够的。化学法去除食物中重金属的方法是将其与化学物质进行螯合，但存在化学残留物等安全性问题。相对上面两种方法而言，生物吸附法具有高效、环保、无毒等特点，这使之成为去除重金属的研究热点。近年来，越来越多的研究证明乳酸菌具有吸附重金属的能力，但尚未形成完整的理论体系。因此，深入研究乳酸菌对重金属的吸附具有重要的意义和应用价值。本文对近年来乳酸菌对重金属吸附研究进行总结与归纳，期望对后续研究有借鉴意义。

1 重金属的来源及存在形式

在109种化学元素中有83种元素为金属元素，而重金属指的是原子序数大于20、密度大于5 g/cm3的金属元素，如铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉、铋等。有些重金属如铁、锌、铜是人体所必须的微量元素，但大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动所必须。进入人体的重金属，尤其是有害的重金属，在人体内积累和浓缩，可造成人体急性中毒、慢性中毒等危害，这类金属元素主要有:汞(Hg)、镉(Cd)、铬(Cr)、铅(Pb)、砷(As)等。从生态学的角度来说，只要是可造成环境污染或者不易被生物降解的金属和类金属物质皆属于重金属范畴。重金属在自然界中浓度很低且处于安全范围内，因为其一般以化合物的形式存在，所以说重金属污染的主要原因是人为污染。人为污染主要包括工业“三废”，即废水、废气和废渣；交通运输和生活垃圾。将工业废水、医疗废水、生活废水和人类生产活动所产生的其他重金属污染通过各种渠道排放到自然环境中的农作物、海鲜、水果和蔬菜等生物体内产生重金属的积累。实际上，当少量重金属进入环境时，首先环境要对其进行调节，但是如果其中重金属的含量属超出了环境承受能力，则可能导致自然环境的破坏。土壤中重金属的主要来源是采矿、污水浇灌、农药和化肥。当前，工业生产中产生的废水、废气和废渣通过生物沉降污染了水资源。通常来讲，大多数重金属污染物是无色无味的，因此很难检测到。重金属一般都是通过呼吸系统或者消化系统进入人体内，并在体内进行积累。起初，人们的身体只会感到有些不适。但是当一定数量的重金属堆积时，它就会影响免疫繁殖、基因代谢等其他生理功能，严重时将会导致癌变、畸形或者突变。汞极易与各种蛋白质(如酶）上的巯基发生反应，且结合后不易分离。另外，汞还会与部分官能团(如生物聚合物的氨基，磷酰基和羧基）发生络合反应，导致生物聚合物的失活和破坏以及影响正常的细胞代谢。砷的毒性具有遗传性，可导致DNA损伤和致使甲基化不足。镉可通过钙的转运机制通过生物膜系统抑制酶系统，从而影响各种器官的正常功能。铅是环境污染中最严重的重金属污染物之一，当铅进入人体后，会与体内相关的蛋白质和酶结合，积聚在人体的各个器官从而引起毒性。

食物中的汞主要来自于自然排放，例如火山、地热和岩石的风化作用。含汞的农药和化肥的使用、污水的浇灌或进行工业废物的排放，都会使得在水、土壤和空气中积累的汞直接或间接地通过食物链的累积进入农产品。食品中的砷主要归因于砷矿石的冶炼、工业“三废”的污染以及使用含砷的农药。砷可通过吸附和渗透作用，从被污染的土壤、水和空气移动到农产品中。另外，砷也可能会在食品加工过程中直接或间接污染食品。砷在食品中呈现多种存在形态，主要包括一甲基砷酸(MMA)、亚砷酸盐(As(Ⅲ))、二甲基砷酸(dDMA)、砷酸盐(As(Ⅴ))、砷糖(AsS)、三甲基砷(TMA)、砷胆碱(AsC)等[1]。李祎[2]等人实验发现在干海产品中是有砷存在的，例如鱿鱼丝、虾皮、鱿鱼干和脆鳕鱼皮等。而砷主要是以AsB、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA和DMA等形态存在。食品中的镉主要来自采矿废水、电镀和生产电池所用的工业废水。镉元素一般是通过雨水或自然沉积等方式，将工业废气中的镉以及施用化肥中的镉传递到土壤中。植物性食物一般都是通过其根部的吸收将土壤中的镉存于体内，而动物性食物则是通过食物链中生物的富集不断地进行积累。食品加工中的铅主要来自包装材料、食品容器、食品添加剂等[3]。

当重金属存在于食物中时，一般汞的毒性最高，其次分别是镉、铅以及砷。由于工业和农业生产的持续发展以及科学技术的不断进步，重金属被不断的挖掘利用，重金属化合物的使用也在不断增加。因此对我们所生活的环境造成了严重的污染。重金属以三种形式存在：无机，有机和复杂状态。无机状态包括自由态和结合态；有机态是以一种有机金属化合物的形式存在；复杂状态是由高分子(例如蛋白质，核酸和糖等)形成的高分子有机物，也是可能有机小分子的复合物。

2 食品中重金属的去除方法

一般来说，运用物理方法时是不会改变重金属的化学形式的。常用的清除重金属的物理法包括：蒸发浓缩法、溶剂萃取法、离子交换法等手段。目前食品中常用溶剂萃取法、离子交换法等方法。除此之外，蒸煮、清洗等方法是家庭中常用的去除食品中重金属的方法，可以很大概率的除去粮食和牛奶中的重金属。Nataliya Porova[4]等研究发现利用低频超声波(20 kHz)处理牛奶可以有效去除铅、砷和汞，并且不会明显的改变牛奶的品质。超临界流体萃取是一种较为新型的分离技术，它是通过向体系中加入适当的配位基，与重金属离子结合形成配合物。殷隽[5]采用超临界CO2萃取技术对黄姜中的铜、镉和铅进行脱除，净化后的黄姜达到了重金属国际限量标准，且对黄姜中的甾体皂素等有效成分影响不大。曹洪斌等指出，采用离子交换法可有效去除中草药中所污染的重金属[6]。但是物理法的清除能力会根据食物品种的不同而有所差异，例如像海鲜或者肉类食品与重金属离子的结合能力就相对较弱。化学法通常先将重金属从溶解的状态转化为不溶的状态，之后再通过诸如硫化物沉淀、氢氧化物沉淀和氧化还原方法的沉淀等方式除去这些不溶的重金属化合物。而食品中重金属一般会运用柠檬酸钠、草酸钠等试剂，通过分子间的螯合作用或等离子交换等方法将其去除。Azelee[7]等研究发现翡翠贻贝中含有重金属砷、铅和镉，并使用三种螯合剂柠檬酸钠、草酸钠和乙酸钠对其进行处理。实验结果表明利用醋酸钠去除重金属时，去除能力铅＞镉＞砷；利用草酸钠去除重金属时，去除能力铅＞镉＞砷；利用柠檬酸钠去除重金属时，去除能力镉＞铅＞砷。但是，使用某些有毒的化学试剂会在食物中留下残留物，从而损害人体健康。近些年，利用微生物菌体作为吸附剂对金属离子进行吸附，引起了广泛关注，对真菌、酵母菌及细菌进行筛选分离、富集培养，然后利用其吸附作用去除废水中重金属离子[8]。生物法去除重金属时，通常是通过吸附、沉淀或转化重金属来实现的。食品中的重金属一般是通过食物中微生物的吸收或积累来去除的，例如植物及其提取物、真菌和乳酸菌等。Ibrahim[9]等研究发现，鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus，LR)LC-705对混合后的镉和铅有吸附作用，以此证明乳酸菌可以成为重金属生物吸附剂。生物法的优点是安全、无污染也无残留，从食品学角度来看，生物法更适用于肉类、海鲜类食品的重金属吸附；从环境处理方面来看，相对于操作费用高、处理效率低的物理法和化学法，生物法在今后环境处理中将会发挥出更加显著的优势。

3 乳酸菌吸附重金属的研究现状

乳酸菌(Lactic acid bacteria，LAB)是一类能够发酵碳水化合物形成乳酸且不产生芽孢的革兰氏阳性菌的统称。大部分乳酸菌是安全且非致病的微生物，它参与体内众多的代谢活动，有研究表明乳酸菌具有可以调节肠道生理功能，维护身体健康等作用。乳酸菌不仅存在于人体和哺乳动物的口腔及胃肠道中，还广泛分布于植物和自然界。在食品方面诸如乳制品、蔬菜水果和肉制品的中均有乳酸菌的存在，同时乳酸菌也可以在自然环境下生存，例如土壤、污水等[10]。乳酸菌的主要功能为维持肠道内菌群的平衡、促进消化吸收、增强免疫力等。在食品生产中，经过乳酸菌发酵过后的食品风味将大幅度的提升，同时食品的安全性也得到了提高[11]。

近年来，由重金属导致的食品污染问题已引起人们的关注。虽然现在已经有很多研究表明微生物可以吸附重金属，但是他们大多数用于环境工程领域，绝大多数的微生物都为致病菌。由于此类微生物并不可直接用于食品或人体中，研究食品级微生物对于重金属的吸附成为了热点关注的问题。乳酸菌作为食品安全级别的微生物代表菌株，如果将乳酸菌作为重金属吸附剂添加到食品中或者作为膳食补充剂摄入体内。不仅可以对重金属进行体内的清理吸附，还可以通过将粪便排出体外的方法减轻重金属对机体的损伤。除此之外，研究发现乳酸菌在体外时同样可以对重金属进行吸附[12]。乳酸菌可缓解肠道的氧化损伤，并保护肠道黏膜免受金属离子的伤害，从而减轻重金属对人体的不利影响。动物肠道中的重金属会破坏肠道屏蔽系统，并降低肠道上皮细胞的活性使得重金属更容易被肠道吸收。研究发现，乳酸菌在恢复受损的肠屏障系统的同时，还可以降低胃肠的通透性并抑制重金属的吸收[13-14]。因此乳酸菌作为重金属吸附剂具有巨大潜力。随着微生物对重金属吸附的关注度越来越高，国内外的学者纷纷开始对其进行研究研究。乳酸菌虽然作为人体肠道的益生菌被广泛关注，但目前相关资料仍然不多，研究还处于初级阶段。

3.1 乳酸菌吸附汞

Jadán-Piedra[15]等研究显示，在模仿胃肠道消化的前提下，干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)BL 23对食物和水中的汞(Ⅱ)都拥有极好的吸附能力，所达到的两种物质的吸附率72%～98%和74%～97%。Kinoshita[9]等从日本泡菜和韩国泡菜、牛和猪肠、清酒和奶酪中分离和筛选了11株拥有良好吸附性的乳酸菌，并分析了对汞的吸附效果。其中清酒乳杆菌(Lactobacillus sakei)MYU 10的对汞的吸附能力达到99.1%，可有效清除MRS培养基中0.852 g/mL的汞(Ⅱ)，平均每个细胞吸附0.198 pg汞。Kinoshita[16]等后续对MRS培养基中铜、汞等重金属进行吸附实验时应用的是上述分离出的菌株W.ViridescensMYU 205。结果表明应用W.viridescensMYU 205进行吸附时，对汞吸附率可以达到将近80%，因此该菌株对汞的吸附效果达到最好。

3.2 乳酸菌吸附镉

Halttunen[17]等人实验发现，鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)GG通过细胞表面的静电吸附去除了磷酸盐缓冲液(pH=7.0)中22.1%～49.1%的镉。Kinoshita[16]等实验发现从牛肠道环境中分离获得菌株W.ViridescensMYU 205对柠檬酸缓冲液(pH=6.0)中镉(II)的吸附量可达到10.46μg，平均每个细胞吸附5.25 g镉(Ⅱ)。Halttunen[18]等研究发现菌株长双歧杆菌(Bifidobacterium Longum)46可以吸附镉的量为54.7 mg/g干菌体。Bhakta[19]等从受重金属污染的鱼肠道中分离出具有良好益生特性和肠道黏附特性的罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)Cd 70-13，发现其对MRS培养基中的镉吸附率为25%。Topcu[20]等研究表明从水中分离得到2株菌屎链球菌(E.faecium)EF031和E.FaeciumM74能有效吸附水中镉，E.faeciumEF031的吸附率可达到77.3%～98.1%；E.FaeciumM74的吸附率可达到53.5%～91.0%。并且吸附速度很快，反应1 h即可吸附60.0%的镉。Zhai[21]等实验发现植物乳杆菌(L.plantarum)CCFM 8610可以有效地清除9种水果和蔬菜汁(如新鲜苹果，番茄和黄瓜)中的67%～82%镉。应用L.plantarumCCFM8610对果蔬汁进行发酵(36 h)，结果发现苹果、酉红柿和黄瓜汁中镉的清除率分别为82.28%、74.59%和82.87%。FuYaping[22]等实验发现，将L.plantarum和戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus)按2∶1混合后，然后以3%接种量，在40.8℃条件下发酵23.4 h可以有效的从水稻中去除85.73%的镉。翟齐啸[23]研究发现，湿菌体L.plantarumCCFM8610对镉有一定的吸附能力，最大吸附率可达到31.34%±0.14%。邵鑫[24]研究表明，鼠李糖乳杆菌LAB-5(Lactobacillus rhamnosusATCC 53103)对镉耐受性较高，并有很强的吸附能力。

3.3 乳酸菌吸附砷

Chang[25]等对来自日本生物资源中心的标准菌株保加利亚乳杆菌(Lactobacillus bulgaricus)和嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)进行复合后发现，混合菌对凤梨中砷的清除量高达97.8%。Bhakta[26]等从印度和日本被污染的运河以及污泥中分离出了103株乳酸菌，研究发现乳酸片球菌(Pediococcus acidilactici)As102-4、P.acidilacticiAs105-7和P.acidilacticiAs112-9 3种菌对水中砷的清除效果可达到0.006、0.13、0.76μg/(h·mg)。Halttunen[18]研究发现Lb.caseiDSM 20011在pH7.0、22℃条件下5 min可清除38.1%的1.0 mg/L As(Ⅴ)。

3.4 乳酸菌吸附铅

Bhakta[26]等从受到重金属影响的鱼肠道中筛选出罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)Pb71-1，研究发现该菌种对MRS培养基中的铅有很好的的吸附能力，吸附率可达到59%。Halttunen[18]等实验得出B.longum46可有效清除重金属铅，清除量最高可达到175.7 mg/g。贾原博[27]等分离得到62株对铅有一定抗性的乳酸菌，分别来自白云鄂博稀土矿区和包头尾矿库等17个样品。实验发现，不同的菌种对铅的抗性有所差异，其中筛选得到的菌株对铅最大抗性浓度为8 400 mg/L。Bhakta[28]等从临近海边的水产养殖地的沉淀物中找到具有较强抗铅水平的菌株E.faeciumPb12，它对铅的最大耐受质量浓度为8 000 mg/L。除此之外，这株菌可以吸附清除鱼肠道内0.046 mg/(h·g)铅。夏爽[29]等发现L.reuteri21008可从新鲜的猪排泄物中分离，且该菌具有高的铅吸附能力，可达到84.23%的吸附率。Halttunen[18]等实验证明B.longum46和发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentum)ME3可通过静电作用在细胞的表面吸附清除一定量的铅，吸附效果分别为0.33 mmol/g和0.45 mmol/g。Topcu[20]等研究发现对水中的铅进行吸附时，应用菌株E.FaeciumM74和E.faeciumEF031吸附效果较好，E.FaeciumM74吸附率可以达到42.9%～93.1%。E.faeciumEF031的吸附率可达到66.9%～98.9%。Feng[30]等分离出了来自中国传统泡菜的菌株Lb.plantarum70810 EPS，通过电子显微镜观察到在鱼肠道环境中，当pH为5.0且温度为30℃时，该菌株6 h内的对铅的吸附能力可达160.62 mg/g。并通过傅立叶变换红外光谱表明，参与吸附的是-OH、-NH、和COO-等官能团。满兆红[31]等从鸡的肠内容物和排泄物中分离出8种具有高吸附铅能力的乳酸菌，其中E.faeciumJT1对铅吸附率最高可达到66.95%。

3.5 乳酸菌对重金属吸附的影响因素

3.5.1 种类不同

实验证实，不同种类的乳酸菌对于重金属的吸附程度略有差异，导致清除率的大小也不尽相同。例如，根据上述乳酸菌对于汞吸附能力的研究发现，来自牛胃肠道中的Weissella viridescensMYU 205和来自日本泡菜中Lactobacillus sakeiMYU 10对汞吸附率分别为80%和99.1%[12,16]。同理，根据上述乳酸菌对于铅吸附能力的研究发现，菌株E.FaeciumM74和E.faeciumEF031对铅的吸附能力强，在水中的吸附率分别为42.9%～93.1%和66.9%～98.9%[20]。由此可以看出，乳酸菌对重金属的清除能力可能取决于乳酸菌的自身的某些特性，例如细胞构造、官能团、表面积等。

3.5.2 pH值

溶液的pH值不仅会对金属离子的溶解性产生影响，还有可能会与细胞表面基团的游离状态有关，所以pH值可以当做影响乳酸菌对重金属吸附的重要因素。在pH值较小的情况下，溶液中氢离子的浓度上升，这时氢离子就会影响金属离子与溶液的结合。与此同时，细胞表面的官能团发生改变，正电荷数量增加，迫使重金属离子结合数量降低。当pH值升高时，细胞表面则会出现许多负电基团(氨基、羧基等)，这些负电基团会与带正电荷的金属离子相结合，从而减少游离的金属离子。当溶液pH值上升到一定数值，金属离子会和与之相结合的负电基团发生反应形成沉淀，进而抑制吸附反应的发生。Sina等人的研究表明，在pH 3.0时，L.hilgardiiDSM20176菌体细胞吸附铜的能力与L.plantarumDSM 20176在pH 4.0和5.0条件下的相同，随着pH值的升高铜结合能力逐渐增强，pH 5.0时达到最大，继续升高pH值，则吸附能力开始下降[32]。

3.5.3 重金属浓度

一般来说，生物吸附能力的大小会随着浓度的升高而增加，生物吸附率在低浓度下会更高，而在高浓度时吸附率则会明显降低。原因在于若初始浓度为高浓度的话，细胞将很大可能下与底物相反应，从而导致吸附率变低。除此之外，在重金属的结合位点是恒定的情况下，浓度越高结合位点越少，导致无法对有毒有害物质进行吸附，则吸附速率越低。翟齐啸[20]研究发现，乳酸菌在浓度为5 mg/L的镉溶液中，对镉的吸附程度可达60%，而随镉浓度升高至100 mg/L，镉的吸附率低于25%。沈薇[29]等筛选出到3株可耐受500 mg/L铅离子浓度的干酪乳杆菌，菌种来自30份健康的足月新生儿粪便。在对其进行实验时发现，低浓度的铅离子吸附率(1 mg/L)高达90.40%，高浓度的铅离子吸附率(50 mg/L)可达到86.27%。

3.5.4 温度

目前研究证实，温度在一定区间内(20～35℃)时对吸附重金属能力的影响较小。虽然提高温度可以改变细胞的表面活性，同时提高溶质的流动性。可若是温度太高会使微生物失去应有特性，导致对重金属的清除能力减弱。除此之外，温度的高低还与微生物同金属形成的复合物的稳定性密切相关。

3.5.5 接触时间

通常来说，微生物吸附重金属是一个快速的过程。一般我们将微生物对重金属的吸附分成两个阶段：第一阶段，由于在反应开始时细胞的表面上有许多结合位点，因此金属离子在这个阶段可被快速吸附。第二阶段，重金属的吸附速率会根据反应时间的延长而导致速率逐渐减慢，最终达到平衡。Ibrahim[6]等研究发现L.rhamnosusLC-705在吸附重金属镉时会经历两个阶段，第一阶段，5 min时吸附量开始缓慢上升，1 h时达到平衡。第二阶段，吸附量在1～4 h内无明显变化。

3.5.6 微生物用量

研究表明，在一定程度内，当微生物的用量增加重金属的吸附量也随之提高。但到达一定临界值后，增加微生物的用量则会使吸附量降低。当微生物的用量增多时，可用于吸附重金属的活性位点也同时增多[30]。在进行实验时要注意微生物的用量，当微生物用量过多时，有些菌体细胞会发生絮凝反应，这时可吸附重金属的位点及表面积将会因为微生物相互吸附成团而减少[31]。

3.5.7 共存离子

实验证明，当体系中含有其他金属阳离子时，会对要被吸附的目标金属离子在一定程度上产生抑制作用。例如：Fe2+的存在不会影响发酵乳杆菌(L.fermentum)对于Pb2+吸收，但是当长双歧杆菌(B.longum)对Pb2+进行吸附时，若有Fe2+的存在则会对吸附效果产生明显的抑制作用[32]。当溶液中存在阴离子时同样会导致吸附量降低，原因是因为当阴离子存在时，阴离子与金属阳离子之间会产生结合，导致可被微生物吸附的重金属数量变少[33]。

3.5.8菌体预处理

当乳酸菌对重金属进行吸附时，乳酸菌主要作用于细胞表面。进行预处理之后的细胞再与金属离子相结合，其吸附能力将会出现不同程度的改变。一般常见的预处理是通过加热、冷冻、干燥、煮沸等物理方法或使用有机、无机试剂进行酸碱处理和酶处理等化学方法对乳酸菌吸附剂进行改良。通常是对细胞壁进行损坏，再进一步的改变细胞表面结构，从而增加乳酸菌表面对金属离子的吸附位点，达到增大吸附量的目的[34]。通过实验证明，胺化的干酪乳杆菌(L.casei)DSM 20011可以在水中快速吸附As5+，原因在于该菌种可以使负电的羧基转变为带正电的氨基。但是相同的菌种在未处理的和未甲基化时并不具有吸附As5+的能力[15]。

4 乳酸菌对重金属吸附机理

重金属被微生物所吸附是一个繁复的过程。通常来讲，重金属被微生物吸附主要分为两个阶段。第一阶段发生在细胞表面，主要通过细胞表面的-COOH、-OH、-SH等官能团以及胞外多糖(EPS)结合金属离子。这一过程拥有用时短、速度快、不耗能和可逆等特点，又被称为被动吸附。第二阶段称为生物积累，运用细胞表面的部分转运蛋白，将吸附在细胞表面的重金属转至细胞内并在其体内进行积累。这个过程的特点为时间长、速度慢、消耗能量且不可逆，同时也被称为主动吸收[35]。Mrvǔciǔc[36]等研究发现两种菌在对重金属Cu2+吸附时会分为两个阶段，这两株菌分别是肠膜明串珠菌(L.mesenteroides)ID 9261和短乳杆菌(L.brevis)ID 9262。第一阶段在3 h内，重金属主要结合于细胞壁，吸附速度快；第二阶段重金属被转运至胞内，用时长且吸附速率慢。赵晓峰研究表明，表面静电作用、络合反应、离子交换和胞内积累等是E.hiraeQaa和P.pentosaceusFe3吸附Pb2+的主要作用机制,同时一些大分子物质,如核酸、磷酸酯、多糖及S层蛋白和脂肪酸也参与了吸附过程[37]。Sina Schut等人的研究表明，乳酸菌对铜的结合能力随硫酸铜的添加量（1.0μg～100μg mL-1）而不同。L.buchneriDSM 20057,L.viniDSM20605,L.plantarumDSM 20174和L.hilgardiiDSM 20176对铜的最大吸附能力分别为46.2,21.9,17.4和11.9μg(Cu2+)mg-1(cells)[32]。

4.1 吸附的主要部位

乳酸菌作为典型的革兰氏阳性菌，细胞壁主要由肽聚糖、磷壁酸和蛋白质等成分组成，由这些物质形成的网状结构对重金属黏着和吸附起着主要的支撑作用[38]。除此之外，细胞壁上存在着大量的负电荷基团，例如羧基，羰基和磷酸二酯键，它们存在于大分子物质当中。这些来自蛋白质、多糖等物质的负电荷基团可以与重金属阳离子发生络合反应，从而进一步结合提高吸附能力[39-43]。由于细胞壁是细胞与外部环境直接接触的首要场所，所以细胞壁也是参与重金属吸附的重要场所。这些带负电荷的基团是重金属吸附的主要结合位点。Avall-Jäskeläinen[44]等研究发现Lactobacillus brevis细胞表面的S-Layer蛋白具有结合Cd2+的能力。翟齐啸[23]实验发现，在吸附镉离子时具有负电荷COOH和NH2的基团结合效果较好。将细胞表面羧基进行甲基化后，L.plantarumCCFM 8610吸收镉离子附着力降低了约18%；同样的，将氨基进行甲基化后，L.plantarumCCFM 8610吸附镉离子的能力降低大约42%。

4.2 胞外多糖(Expolysaccharides，EPS)的吸附能力

EPS是在生长和代谢过程中由细胞壁外某些特殊微生物分泌的水溶性多糖，它们很容易与细菌分离并分泌到环境中，属于微生物的一种代谢产物。EPS是天然生物分子的混合物，可以参与胃肠功能和免疫力的调节。乳酸菌产生的EPS种类很多，化学结构也有明显差异，重金属的吸附能力因菌株而异。EPS主要通过金属离子与其酸性官能团的负电荷之间的静电相互作用来实现对重金属的吸附。但是EPS对金属离子进行吸附时若发生热处理等反应，则会影响对重金属的吸附能力。当温度从15℃升高到30℃时，泡菜对来自L.plantarum70810的EPS中Pb2+的吸附从10.11 mg/g增加到21.15 mg/g，但是当温度升高到45℃时，其吸附能力仅为12.36 mg/g[30]。Yang[45]等研究了克雷伯氏菌胞外聚合物EPS对Cu2+和Zn2+的吸附作用，平衡吸附量分别为1.77 mg/g和1.36 mg/g。在对于两者的混合体系的研究中发现，EPS对Cu2+的吸附能力强于Zn2+。

4.3 吸附过程

吸附过程中主要发生的反应有离子交换、表面络合物形成、金属转化及微沉淀。离子交换是微生物细胞壁上的阳离子与结合能力更强的金属离子进行交换，当自身的阳离子被释放，金属离子则会与该位点的阴离子发生吸附反应，从而降低溶液金属离子的浓度。研究发现，pH值的大小会影响离子交换的程度，当pH值为3-6时会达到最佳反应。Halttunen[46]等实验发现，L.fermentumME3、B.longum46和B.lactisBb12对重金属的吸附能力会随着pH值而改变，当pH值为6的时候对镉和铅具有最大的吸附能力。但是，与被吸附的阳离子相比，被置换的阳离子总量很小，这表明离子交换不是微生物重金属吸附的主要机理[47]。生物的吸附能力与细胞壁的化学结构密切相关。络合反应发生的原因在于细胞壁中含有O、N、S的官能团，例如羟基、羧基、酰胺基、磷酰基、氨基、巯基等均可以与重金属离子配位形成络合物[35]。除此之外，微生物还可以产生乳酸、柠檬酸等有机酸，这些有机酸可以与金属离子螯合形成金属有机配合物并结合自由金属离子。一般来讲，微沉淀分为两种形式，第一种与细胞新陈代谢有关，因为金属离子被转运到细胞中并激活了自动防御系统，从而开始进行胞内沉积。第二种是与细胞新陈代谢无关，该过程是重金属离子通过物理或者化学反应作用在微生物的细胞外侧，从而在细胞壁上形成无机沉淀物。乳酸菌中的某些成分具有氧化还原能力，可以通过改变与之发生反应的金属离子的价态来降低金属的毒性。由于乳酸菌具有这样的机制，使得其可以获得一定的抗性并可以在高浓度的金属情况下存活。

5 结论

随着经济的飞速发展，环境问题日渐得到人们的重视。由于重金属具有不易从环境中将其移除的特性，而且重金属对土壤、水和空气都造成了不同程度的污染，所以到目前为止重金属污染仍然是我国难以解决的环境污染问题之一。环境中重金属离子不仅可以通过食物链进行迁移，而且还会在生物体内进行累积，因此重金属污染已经对人类的健康及安全造成了很大的影响。除此之外，当有毒的重金属通过食物链进入到粮食、果蔬等农产品中时则会发生食品安全问题，给消费者带来食品安全风险。重金属中毒在世界各地都有发生，例如众所周知的水俣病和痛痛病都是由于重金属中毒所导致的，这已经让许多人生活在痛苦之中。因此，国内外的许多学者都在积极的研究治理重金属污染的方式。乳酸菌是人体肠道中的有益微生物，它可以改善体内肠道菌群的平衡，并且还可以增强机体的免疫力，此外乳酸菌还在人体的生理代谢中起重要作用。此外，乳酸菌的来源广泛、生存能力强在环境治理和食品发酵中都有很强的应用前景。使用微生物技术去除重金属残留物的特点是成本低、无残留物、安全有效。作为食品安全水平的益生菌，有许多研究表明乳酸菌的表面富含负电子基团等各种成分对重金属具有良好的吸附和去除效果。因此，研究乳酸菌对重金属吸附的发展有利于利用乳酸菌有效去除环境和食物中的重金属，对于环境治理和保证食品安全有重要意义。