（环境科学专业论文）抗铜性青霉菌a1对土壤铜污染缓解作用的研究.pdf

中山大学硕士学位论文 2 吸附实验结果表明在p h5 o ，c u 2 + 1 0m l 时，菌株可吸附9 8 c u 2 + ；p h 6 o ， 菌体对1 0 0m g lc u 2 + 、z n 2 + 、p b 2 + 、c ，、n i 2 + 、c d 2 + 的吸附量分别为2 2 8 、8 9 、 1 8 2 、4 3 、8 4 、5 5m g 千菌体。另外，c u 2 + 的存在抑制了菌体对z n 2 + 、p b 2 + 、 n i 2 + 、c d 2 + 的吸附，促进了对c r 6 + 的吸附。 3 该菌株能显著改变土壤中铜的化学形态。a 1 的侵染使每千克土壤中水可溶 性铜含量降低3 8m g ，酸提取态、氧化结合态、有机结合态铜则分别增加6 1m g 、 7 0 7m g 、7 2 8m g ，相比于未侵染a l 的土壤，a 1 的存在使铜的水可溶性量降低 了2 3 3 ，酸提取态、氧化结合态、有机结合态铜分别增加3 1 、5 7 和7 9 ， 残余态铜则减少5 3 。 4 水稻种子的萌发实验结果表明青霉菌a l 对水稻种子的侵染在不明显影响 种子萌发过程中水稻的发芽率、幼根及幼芽伸长的条件下，能在一定程度上提高 幼芽中叶绿素a 含量以及a 淀粉酶活性，并能显著缓解高浓度铜对过氧化物酶活 性的毒害作用。 关键词：重金属青霉吸附化学形态种子萌发 i i 中山大学硕士学位论文 t h ea u e v i a t i o ne f | f e c to fc o p p e r - r e s i s t a n t _ j 缸册l f m p a 1o nc o p p e rp o u u t e ds o i l s iii- m a j o r ：e n v i m n m e n ts c i e n c e n a m e ：i u _ i 】n i e s u p e r 啦o r ：p m f z h a n gr 七n d u o a b s t r a c t c o p p e ri so n eo fe s s e n t i a la n di n d i s p e n s a b l en 粥ee l e m e m sf i ) ro 唱a i l i s m s l i f e a c t i v i t i e sb e c a u s ei ti sac o f a c t o rf - 0 fm n o r o u se m 【y m e si l l v o l v e di nb i o c h 锄i 蛐哆 p r o c e s s e ss u c h 勰d e t o x i f i c a t i o n 趾do x i d a t i o n h o 、v e r o n c er e l l i n go re x c e e d i i l ga c e n a i nc o n c e n 仃a t i o ni i lt l l ee l l v 洳m e n t ，c o p p e rc a nb et 0 必i ct 0m o s to r g a i l i s m sa n d i i l ：1 1 i b i tt h e i r 舯w t h 锄dp r 叩a g a t i o n n e v e m 伦l e s s ，t l l e r ea r es o m em i c r o o 玛a i l i s m s t h a tc 锄r e s i s tl l i g l ll e v e l so fh e a y ym e t a l s ，s u c h 嬲c u 2 + 锄dc d 2 + t h e yc 觚b e s u r v i v e dn o m a l l yi i l l l i g h c o n c e n 仃a t i o 嬲o fh e a v ym e t a l si nm e i r印w t l l e n v i r 0 衄e n t s o m em i c r d b ec a ne ma l l e v i a t eh e a 、哆m e t a lt o x i c i 锣t 0o t h c rs o i l o 玛a i l i s m s ( e s p e c i a l l yp l a n t s ) 锄dm a i ( et l l e mm a i n t a i nt l l en o 蛐a lm 嘶b o l i s mi nt l l e m e d i ac o n t a i l l i n gl l i 曲l e v e l so fh e a v ym e t a l se v t i ne x c e e d i n g 廿l e i rt o l e r a n c el i m i t s a l s o ，c e r t a i nm i c r o b ec a ni n c r c a a b s o r p t i o n 觚da c c 啪u l a t i o no fl l e a v ym c t a l sb y 跚p e r - a c c 啪u l a t i o np l a m s 吐l r o u g ht l l es ”i l b i o t i cr e l a t i o n s t l i pb e t w e e n l e s et w o p a r t i e s 觚dt h e ns p e e du pn l ep r o c e s so fr e s t o r a t i o no fh e a v ym e t a lp o l l u t i o n t 1 1 e r ea r cm 锄ys p e c i e so fh e a v ym e t a lr e s i s t 锄tm i c r o o 唱a l l i s m si 1 1n a t l l r e 锄d m e i rs u r v i v a ls c o p ei sv e 巧w i d e e v e ni ns o i l sr i c ho fh e a 、叮m e t a l s ，s o m er e s i s t 锄t m i c r o o 曙a i l i s m sc a i lb ef o u n dd l l et ot l l e i rl o n gt i m ea c c l i m a t i o n i nt 1 1 i sw o r k ，as t r a i n o fp p 刀缸讲? 姗2 印w i t hl l i g hr e s i s t 觚ta b i l i t ) ，t oh e a 、7m e t a l s ，e s p e c i a l l yt 0c o p p e r w 舔i s o l a t e df b mac o p p e rm i i l i n ga r e ai ng u a n g d o n gp r o v i n c ea n di t sa d s o r f i t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fl l e a v ym e 协l s ，硫l u d i n gc u 2 + ，z n 2 + ，p b 2 + ，c ，c d 2 + ，n i 2 + ，w e r e t e s t e d m e m l w m l e ，t h ee 疗e c to ft h i s 蛐r a i no nc o p p e rc h e m i c a lf o m sw 鹪a l s o i n v e s t i g a t e dt oe v a l u a t ei t sr o l ei nc h a i l g i n gb i o a v a i l a b i l 时o fc o p p e ri ns o i l s f h l a l l y ， t 王1 i ss t r a mw 舔a p p l i e dt or i c es e e dg e 加【l i n a t i o na td i 丘e r e n tc o n c e n 仃a t i o n so fc o p p e r i l l 中山大学硕士学位论文 t od e t e 肌i i 比w h e t h e ri tc o u l da l l e v i a t ec o p p e rt o x i c i t ) ，t op l a n ts e e d sg 锄i n a t i o n m a i ni e s u l t s 、e r es u n u n a r i z e da sf b l l o w s ： 1 a s t r a i n ，尸p 刀f c f f “聊茂p a l ，w a ss u c c e s s m l l yi s o l a t e df 如mac o p p e rm i n i n g a r e a i t st o l e r a t e dl e v e l st oh e a v ym e t a l si i l c l u d e d ：l5 0m mf o rc u 2 + ，15 0m mf o r z n 2 + ， 3 5m mf o rp b 2 + ，1 5m m f o r n i 2 + ，5m m 南rc ，5m m f o rc d 2 + 2 u n d e r p h5 o 孤dl om g lo fc u 2 + ，9 8 o fc u 2 + w 弱a d s o 舭db yt h i ss 佩n i na d d i t i o n ，2 2 8 ，8 9 ，18 2 ，4 3 ，8 4 ，5 5m go fc u 2 + ，z n ，p b 2 + ，c ，n i 2 + ，c d 2 + ， r e s p e c t i v e l y ，w 淞a d s o r b e db ye v e 巧g r 锄o fd r ) ri n y c e l i aa tp h6 0 t h ee x i s t e n c eo f c o p p e rr e s t r a i n e da d s o 印t i o no fz n 2 + ，p b 2 + ，n i 2 + ，c d 2 + b ya l 趾ds l i g h t l yp r 伽t e d a d s o 印t i o no fc ， 3 a 1s i g i l i f i c a n l l yc h 锄g e dm ec o p p c rc h e m i c a lf o m si nm es o i l w i t hm e i 1 1 f b c t i o no fa l ，w a l e r - s o l u b l ec o p p e rr e d l l c e d3 8m gi i le v e 巧o n el 【i l o 伊锄o fs o i l ， 觚d i d i c 0 x i d a t i o n 肌do 唱枷cc o m b i n e df o n n so fc o p p e r 疵r e 舔e d6 1m g ，7 0 7 m ga 1 1 d 7 2 8m g ，r e s p e c t i v e l y c o i n p a r e d 诚t l ls o i lt h a tw 嬲n o ti n f e c t e db ya l ， 衄- s o l u b l ec o p p e rr e d u c e d2 3 3 ，锄da c i d i c ，o x i d a t i o n 锄do r g a i l i cc o m b i n e d f o 姗so fc o p p e ri n c r e 嬲e d3 1 ，5 7 觚d7 9 ，r e s p e c t i v e l y ，锄dm er e m 觚ts t a t e o fc o p p e rr e d u c e d5 3 i nm ep r e s e l l c eo fs t r a i na 1 4 t h er e s u l t so fr i c es e e dg e 加：1 i n a t i o ne x p e r i m e n t ss h o w e dt l l a tt h e r cw 鹊n 0 d i s t i i l c te 丘i e c to fn ，l 七讲f z 册互p alo ng e 肌i n a t i o nr a t e ，瑚【d i c l e 锄ds h o o te l o n g a t i o n o fg e r l i l i n a t i n gr i c es e e d s ，b u ta lc o u l dp r o m o t et 1 1 ec o n c e n to fc h o l o r p h y l lai nf i c e s h o o t s 觚da a m y l a s ea c t i v 时i l ls o m ee x t e r l t i n c u b a t i o no fa lo nr i c es d sb e f o r e g e r i 】出i l a t i i l gc o u l de v i d e n n ya l l e v i a ：t ct l l et o x i c i 够o fl l i g l lc o n c 铝l 仃i a t i o no fc ut 0 c a t a l a s ea c i t i v i 填 k 蚵w o r d s ：h e a 、，) rm e t a l ，p p 玎f c f 肼甜所，a d s o r p t i o n ，c h e l i l i c a lf o m s ，s e e dg e m i n a t i o n i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：方孱罗 日期：矽檐p 占月日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 橼雩 日期：矽砭婷矿多月，日 导师签名溺多镩 日期：时多月，1 日 中山大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 土壤是生态环境的重要组成部分，是农业生产的基础，是人类最基本、最广 泛、最重要的自然资源。土壤对人类生产、生活以及生存都起着不可替代的作用。 但是，随着人类生活和生产的发展，各种各样的污染物被释放到土壤中，远超出 了土壤的自净及耐受能力的范围，使土壤质量不断恶化。其中，重金属作为土壤 中一类具有潜在危害的污染物，通过修建铁路、建筑和其他工程等产生的尘土降 落到土壤表面，或通过大气、水和食物链不断在环境中迁移转化。重金属在土壤 环境中一般不易随水淋失，不能被微生物分解；相反地，重金属常在土壤环境中 富集，甚至转化为毒性更大的甲基化合物，更为严重的是，土壤中的重金属具有 隐蔽性，在其累积初期，毒害作用并不明显，因此不易被人们轻易觉察或关注， 但一旦当其毒害作用表现出来，就难以消除。 土壤中重金属元素产生了一系列的环境问题，如城市园林绿化植物重金属中 毒、水源污染、人体血铅过高、儿童铅中毒等。而且重金属可通过多种介质对环 境或人体健康产生危害： ( 1 ) 淋溶作用：土壤中的重金属通过雨水淋溶作用向地下渗透，导致地下 水的污染。 ( 2 ) 人或动物的吸入：受污染的土壤都暴露在环境中，风会使土壤颗粒物 扬起，使人或动物直接吸入。 ( 3 ) 进入食物链：外界环境条件的变化( 如酸雨、土壤添加剂) 能够改变 土壤根系的微环境，提高土壤中重金属的生物可利用性，使重金属比较容易地为 植物吸收利用而进入到食物链，对人、动物、昆虫、鸟类等食物链上的生物产生 毒害。 同时土壤重金属污染还会导致土壤中的微生物的生物量、群落结构、生物多 中出大学硕士学位论文 样性、基础呼吸和土壤酶活性等发生显著变化。面对土壤重金属污染的不断加剧 以及重金属的危害性，对土壤重金属污染的修复成为人类面临豹严峻挑战，关系 着人类自身的可持续发展。 在重金属污染修复的各种方法中，传统的物理化学方法，包括吸附、离子交 换、氧化还原、电处理、反渗透、膜技术以及溶剂提取等，虽能达到一定的效果， 但大多投资和运行费用较高、严重破坏土壤结构，且有的操作复杂而难以推广， 对于大面积低浓度的重金属污染更是难以处理，而且这些化学方法容易产生有毒 化学物质造成二次污染。透此人们把露光转向了成本低、对环境友好酶生物修复。 近年来，生物修复技术越来越受到全世界的关注和重视，并成为环境污染治理的 前沿性课题。 生物修复是利用天然或人工改造的生物整体或组分来处理环境污染物的方 法，具有投资少、效率商、可原位处理低浓度有害污染物等特性。一般地，生物 在修复过程中一般有多个功能团组在起作用，并且结合生物代谢活性系统，因此 吴有更大的效用。其中微生物不仅可以作为土壤重金属污染的重要指示器l l l ，也 是土壤重金属污染修复的一种有效手段。微生物修复是利用对污染物有一定抗性 的微生物，在进行生理活动的过程中，对污染物进行降解、转化、吸附，从而使 其对环境的危害性降低或使其完全无害忧的过稳。由予微生物豹生长相对是独立 的，尤其是无生命的生物量不必考虑重金属对细胞的毒害作用；无需在处理液中 添加营养成分，也就不会有过剩的营养物质以及代谢物产生以及微生物可从现有 凌弃的发酵工业以及各种工业废水和矿区壤中获得，放 瑟使其处理费用较低并 减少了环境的二次污染问题。 近年来，基于微生物对重金属的作用机理，以修复有毒有害金属污染或回收 有价值重金属为磊的的生物处理技术基趋成熟，微生物巨大懿环境保护功麓( 生 态毒理评价和生物修复) 显得越来越重要f 2 】。目前，利用微生物来减轻或消除重 金属对环境的污染在囡内外已经有许多报道【3 棚。研究也表明某些微生物在一定 程度上可以透过各种途径维持纲胞内金属浓度的平衡通。 另外，利用某些微生物同超富集植物的共生关系修复重金属污染，能达到更 好的效果。植物生长代谢中分泌的一些有机质可被微生物分解利用，促进自身的 生长繁穗，同时由于微生物活动焉产生的一些生物化学物质等燹| j 可蠢定重金属， 降低其对植物的毒性。或者微生物产生的有机酸等又可增加生物有效态重金属， 2 中山大学硕士学位论文 使其更易被植物吸收富集。因此利用微生物和植物的共生关系可在一定程度上促 进植物对重金属的修复，如根际微生物通过增加土壤中可溶性铜，促进植物 e l s h o l t z 口s p l e 砸e 凇对镉桷吸避妒1 o 因此，微生物技术具有较高的安全性，为污染土壤的再利用提供了广阔的途 径，对保护生态环境、治理环境污染等也具有重要意义。然而在实验室条件下表 现良好的微生物修复技术，在实际应用中由于受多种因素的影响，其优势往往不 能得到很好的发挥。目前，生物修复技术，特别是微生物技术，在我国重金属污 染修复中的应用研究还处于起步阶段。 1 2 微生物在土壤重金属污染生物修复中的研究进展 1 2 1 微生物的抗重金属性 虽然微生物的重金属抗性与微生物能否用来富集或修复重金属污染没有直 接的相关性，但是对某种或某几种重金属有修复效果的微生物一般是以这种微生 物对此种重金属具有抗性为前提的，具有修复效果的微生物就是那些对特定重金 属既有抗性又有富集吸收作用的微生物。微生物的重金属抗性表现为微生物在较 高的重金属浓度中仍能正常地存活。 在自然界中微生物的种类繁多，对于同种重金属，表现出对此种重金属有抗 性的微生物种类也是多样的：如j s 缸幽舢，移旧p s 卯坨，西豇招【9 】、点缸办p 廊办蛔c d ，f 【、 a 留枷d 聊d 刀嬲韶，“砌口【11 1 、n p z “如埘d 嬲p 甜，磁口& 阳加s 4 【1 2 1 、 勘纪，d c d c c 搬 翮懈【1 3 j 等对铜都有一定的抗性，只是它们抗铜的能力从0 2m m 到8m m 各异； n p 甜如加d 力鲫印a n d 3 0 5 、伽虹) 6 0 3 和砌c 讲螂够彳朋9 4 嬲都能抗4 0 0m g l 的 n i 2 + 【1 4 1 。m o h d 等也筛选到1 7 种属于p 玎纪加6 叩纪，砌c p 口p 够以及1 0 种属于 n p 甜如聊d 嬲s 踞的微生物对铅都具有较好的抗性【1 5 j 。 同时，同一微生物也能兼抗多种重金属。如a n m d h a t i 等筛选到的各种微生 物能同时抗5 0 2 0 0m g l 的c 0 2 + 、c d 2 + 、c u 寸、m n 2 + 、c ，以及o 5 2 om g l 的h 孑+ 【1 4 】；以上提到的m o h d 等分离到的微生物也具有同时抗c d 、z n 、c u 、 n i 、p b 的能力；m a l i k 等从工业土壤中分离到的细菌最高可抗1 0 0m g lh 9 2 + 、 孛由大学硕士学位论文 2 4 0 0m g lc u 2 + 、c d 2 十、z n 2 + 、n i 2 + 、p b 2 + 、c r 3 + 和c ，【1 6 】；n 秽“如m 伽伽矽f 幽f 肼f s 抛撅u s 3 2 l 能忍耐2m mc u 2 + 、2 5m m2 0 + 、2m mc d 2 + 【1 7 】；只g 羚括封嚣嬲 翩曙庸m 秽盯删g x c r 甚至能耐受2 0 0m mc u 2 + 、1 2 0 0m mz n 2 + 、2 0 0m mm n 2 + 、5 0 m mc d 2 十、6 0m mc r 3 + 、3m mc 、2 0i r l mn i 2 + 、5 0m mp b 2 + 【1 8 1 。 总谣言之，自然界中微生物的种类繁多，数臻庞大，其中包括细菌、真菌、 放线菌、农原体、支原体等，其中有些微生物专一抗单一重金属，有的能同时抗 各种重金属或者对各金属都有一定的抗性但对某种金属抗性突出，他们抗性能力 极不相丽，数量级从瓣啦到鼹瀚娩各异。他们存在的范圈也十分广泛，工业 废水、垃圾堆、被污染土壤中都能分离到各种重金属抗性微生物。迄今为止，国 内外学者已经分离筛选出较多种具有重金属抗性的微生物，但相比于自然界中存 在的微生物而言，其数量还是微不足道酶，嚣显已筛选到的微生物抗性戆力大多 数不是很高，即使有较高抗性的菌株，其数量仍然十分有限，而其实际的应用也 有待进一步的验证。因此大自然中，尤其是从重金属本底值较高的介质中，如矿 山壤、工业泼水，更好更高抗性的菌株仍有待发现，从恧寻找修复效栗较好、 对环境适应能力较强、可以应用予实际的菌株。 1 2 2 徽生物对重金属的抗性机理 针对抗性菌株，国内外学者也进行了微生物对重金属的抗性机理的研究。以 抗铜微生物为例： s a r a i s 等f 1 9 】研究了微生物鼢幽口阳聊弦甜伽凇v 括豇配对高浓度铜的适应性。 s a r a i s 等把在8 0m g 几培养基上生长到稳定期的鼬咖哪彬黜卯彤协矗彤s s l1 8 9 重新接种到新鲜的含铜墙养基孛，结果发现它们的生长速度变慢了，另外也发现 微生物细胞能改变外部的生长环境。对已适应8 0m g lc u 2 + 的s s l l 8 9 在不同p h 的适应程度实验结果表明此菌在p h 3 o 下的生长体积是p h 5 5 下的2 倍但表面积 并无明显差别，弱时证瞬了在低磷值时c 毽具有更好的溶解性，并且都是以c 矿 形式存在，相反地，用含e d l a 的磷酸盐缓冲液从细胞提取物中分离出来的c u 几乎都是以c u + 的形式存在，但是在分离之前3 0 是c u 2 + 。因此得出结论相比 于霹1 5 5 ，p 珏3 0 时铜在介质孛跟黧位体结合在一起减少了毒性。l l e 雒as a 蕊s 等 还证实了细胞表面结合铜的稳定性，并指出这很可能是铜被转运到了细胞内与金 4 中山大学硕士学位论文 属硫蛋白或其它铜蛋白结合在一起，因为实验结果显示c u 处理大大促进了c u ， z n s o d 活性的提高( 约是原来的1 0 倍) 。 b i 钍0 n 和f r e i h 0 衙报道了可产生多聚糖荚膜的肋如招砌口，佃影刀甜菌株的抗 铜能力要强于没有荚膜包裹的菌株，并进一步发现从菌体中提取出的这种多聚糖 荚膜对铜有良好的绑定作用【2 0 1 。r o u c h 等从喂食含铜饲料的猪的排泄物中分离出 抗铜菌株西c 办p ，f c 厅妇c o f f ，这种菌含有抗铜物质并且这种物质是在铜的诱导下产 生的。同时，相比于未经诱导的细胞，经过诱导的具有抗性的细胞吸收的铜较少， 说明了抗性微生物可通过金属的释放减少金属对自身的毒害【2 l 】。e r a r d i 等则报道 了m 旧d 6 口c 陀，f 册2 跗d 加z c 聊姗l 可以从环境介质中累积铜并在细胞内将铜转化为 硫化铜沉淀瞄】。d e 印a 等研究了n p 砌朋d 玎傩p 讲眺is n 面ns 4 的抗铜机制，发现 c u 可以被菌体转运到细胞质，同时消耗能量，细胞内过量的c u 可通过特定的 c u 可诱导性筒r p 酶泵释放出来，但不是被释放到细胞外，而是同细胞质内的蛋 白质结合在一起，起到解毒的作用幽】。o l i a 等对能抗8 0 0m g lc u 2 + 的硫酸盐还 原菌沈s 甜珈v 衙面r 2 的生长动力学的分析结果显示小于1 0m g l 的c u 2 + 浓度可 以促进r 2 的生长，高于5 0m g lr 2 的滞后期延长，但是在1 0 0m g l 时其生长 速度反而加快，推断其原因可能是在c u 玉哆1 0 0 m g l 时，p c o 的编码起了决定性 的作用，而至于l 匕能忍受低浓度铜的原因则在于h 2 s 对铜的沉淀作用【2 4 】。u p 嫩 等把胁“如埘d 嬲p 良知研s t r a i nu s 3 2 1 暴露于含2 l mc u 2 + 的液体培养基中，一 段时间后菌群的颜色变成了蓝色，表明了这种茵在细胞内累积了c u ，原子吸 收结果验证了此菌吸收了培养基中6 0 一7 2 的c u ，进一步研究发现u s 3 2 1 不仅 可以隔离c u ，而且可以灵巧地在细胞内转运c u ，他把必需的c u 转移到细胞质， 大部分c u 2 + 以结合态的形式储存在外周胞质和外隔膜，再加上此菌含有高分子 量的质粒结构，得出结论 p 砌所伽伽p 耙妇历fs t r a i n u s 3 2 l 的抗c u 性是通过质 粒编码的外隔膜和外周胞质截留c u 的方式实现的，进一步研究也证实了p p 秭z f f f f 的抗铜基因是存在于质粒上的【1 。7 。 概括而言，微生物的抗铜机制主要包括n p 砌聊d ，娜一的截留【1 。7 1 、西c 抛，砌砌 疗对c u 的释放1 2 、m r f o 口乃珈d 砂七螂胞外结合蛋白的合成以及坳c d 6 口c 耙，i “聊 卵r d 础材肠c p 甜聊对铜的沉淀作用【2 5 】等。有关微生物对其它重金属的抗性机理也有 类似的研究报道，如a p “面所d 刀鲫印u d g 2 6 也是通过外部解毒机制减少对z i l z + 的吸收【2 6 】，但相比于对铜的研究较少。然而，不同种类的微生物抗重金属性的 中出大学硕士学位论文 原因以及抵抗重金属的途径各不相同，国内外学者对微生物抗重金属的机理机制 尚未达到一致的认识，有关工作有待进一步加强。 1 2 3 微生物对重企属的吸附与转化 重金属的微生物吸附是利用活细胞、无生命的生物量、金属结合蛋自和多肽 或生物多聚体作为生物吸附剂来吸附处理重金属的过程。尤其是大面积低浓度有 毒金属离子的去除、金瘸混合物中微量有毒成分的分离、珍贵金属的富集以及金 属生物催化剂中污染抑制剂的消除等，生物吸附技术可以很好地满足这一要求。 微生物吸附重金属的机理十分复杂，按是否消耗能量分为活细胞吸附与死细胞吸 附两种。通过微生物吸附重金属，不仅可以增进重金属的富集，丽且菌体周溺金 属浓度的提高有利于金属离子与微生物的脂多糖、细胞质、外周胞质等结构成分 的作用，进一步增强微生物与重金属的结合。 m 瓢撕等通过繇蝴弦嚣砌甜瓣对z 拄吸附能力的研究，结果显示每克菌 能吸附3 0m gz n ，利用n a o h 化学预处理后可提高到每克8 0m g 【2 刀。董新娇等 人从电镀厂废水池淤泥中分离出的铜绿假单胞菌，每克菌( 干重) 最大可吸附 1 4 4 5m gc 珏，吸附过程符合d l i 馥和l 瑟g 黼妇吸附等温方程闼，进一步研 究表明经酸预处理后可提高其吸附能力【6 】。o 甜e 戚r 等利用从活性污泥中分离到 的c 搠m 扫口c 印姗l 册胁刃的死细胞对c r 、c d 、c u 的生物吸着实验表明金属离子 的初始浓度对微生物吸附重金属有较大的影响，焉且短时闻肉n 绷砌锣对q p 、 c d 2 + 、c u 2 + 的吸附也符合l a l l g m u i r 以及f 托强d l i c h 吸附曲线1 2 9 】。孙嘉龙等f 2 】总结 了一些常用于吸附的微生物及某些微生物对重金属元素的吸附能力，分别见表 1 1 和表l - 2 。 除了微生物对单一重金属元素的吸附外，有关其对复合重金属的吸附情况也 在国内外广泛开展着。m o h d 等研究了从工业废水灌溉的农业土壤中分离出的抗 重金属微生物脚鼢级瑚w s l l 对单一摊和c d 以及复合下的吸附，结果表 明在5 0 4 0 0m i 岁l 的浓度范围内，每克e c 0 1 iw s l l 细胞干重在2h 内可吸附 6 9 6 5 5 3lm g 的n i 以及4 9 6 4 5 3 7m gc d ，都遵从f r e l l i l d l i c h 吸附等温曲线。 在砥和c d 复合情况下菌体对两种重金属的吸收都有所减少，n i 2 + 麸6 。9 6 搬g 缝 减小到1 6 0m g 穗，c d 2 + 从4 9 6m g 减小到3 1 7m g ，即在复合的n i 和c d 中， 6 中山大学硕士学位论文 两种重金属之间产生了拮抗作用，彼此抑制西c 加，砌蛔c d 矗w s l l 对各自的生物 吸着【l 引。对于复合重金属情况下，微生物对各重金属的吸附有所减少的原因大 多解释为吸着位点的竞争，即在复合下可供单一金属吸着的有效位点减少了，最 后把阳离子吸附到细胞表面就取决于复合离子问对吸附位点竞争的均衡【3 0 】。 还有研究表明通过向微生物添加金属络合素等可提高微生物对重金属的累 积。例如生长在受重金属污染的土壤中的植物会在植物螯合态合成酶的作用下， 形成植物络合素。这是一种对重金属起螯合作用的多肽，能促进菌株对金属的吸 附。如s 觚d 血e 等将拟南芥基因编码植物络合素表达在西动绷砌胁玎中， 西砌仃f c 蛔c d f ，累积的c d 和a s 分别是未经络合素处理的菌的2 0 和5 0 倍【3 l 】。 再如，风p ”而聊d 玎傩p 甜f 娩10 6 9 0 9 是一种对c d 抗性不强的菌株，将可络合金属 的缩氨酸e c 2 0 转接到觑材面肌d 麟p “，豇勉0 6 9 0 9 体内，在添加8 0 斗mc d c l 2 的 介质中培养2 8 个小时后发现，细菌体内c d 的含量是不转接对照的2 5 倍。e c 2 0 转接也使得细菌对重金属的抗性增加，在8 0 mc d c l 2 的介质中培养3 0 个小时 后，茵的密度是不转接对照的1 5 倍【3 2 1 。 表1 1 常用于生物吸附的微生物【2 j 7 i a b l e l ls o m ef 撇i l i a ri i l i c r o o r g a i l i s m s 懈e dt 0h c a v ym 吨da d s o l l p t i o n 类别常见种类 细罄 动黢嚣( 乙d g ，掀彻律g 仃4 ) 诺尔骶氏链霉萄( s f r 印l o m 弘 舯盯埘) 柠糠酸细麓( c f l o 缸咖暑p ，) ，假单蠢菌属( n “如 棚啪略，鞭c f j 崎岬 i f 边) 。俺革节扦藩( a m 粕c 仃，m p 聒) 饭 单糖窝羁( p ，蒯。脚糟4 纱i 和f ) 产碱杼越( a 蛔蝈弘娜- p ) ， 球形节枰麓( a r n m k 聃盯葺鼬i 如，m 妇) 粘节杆蕊( 献，瞰细 碱脚j - j ) ，链霉蘸疆( s 正r 印l 鲫弘嚣如膏譬锄籼出) ，荧光缀革臆 蕾( p l f d o m o 嫩，蝴哪强孵) ，雪白链霉菌( s ，印细嚏弘玎 砖阳m ) 。镧缘慑单魏荫( n f 如t 棚口j 4 盯_ 孑i 舯尬) 真菌掇霉( 麟i 相户螂口，一i f 冀，) 。馥淄募母( s | 眦矗口m 耵哪嘲阳吼由i 一 钾) 产冀1 i r 霉( 硒砖如讲妇m ，y l 啦疗删) ，籀曲零( a ，舻g 订一 钿露谣盯) 措软膏露 翩槲缎蹦0 堙由口l l m ) 茁芽短梗霉 ( a _ 阳。钿，珏诹飒朋盯h 勉一，) ，辫措拨捆霉姒，加r 妇矾， 一 埘t ) ，灵芝( g 嘶耐f r 批卫z h f 谢- 麻) 被孢霉( m o r l ，“缸印) 蠢赛胁翻k 矽_ 一妇，小聋蒹嗣( a 加w 如硼堙甜妇) 舳麓属 鼬舻删r ：f 磅童纽) 羹盱裘属( 珈鼬螂譬研舶i “m ) 。罴 角美鼬蚶w ，缸幽l 馨，) 马怒藻( r 和辩_ 埘椒阳雒，) ，小球藻曩 ( c 矗缸比f 如r 馏鬟如r 打) ，海洋黩藻( 岫砸f f 甜娃细阳幻n 咖) 7 中出犬学硕士学位论文 表2 艺一些常见微生物对重金属元素的生物富集能力f 2 】 1 a b l e2 2h e a v ym e t a la d s o 印t i o ne a p a c 耐o fc 觎a i nm i c r o o 堰孤i s m s 利用微生物吸附重金属还可有效、有选择性地去除某些重金属，吸附的重金 属又可透过解析作用从生物体中释放出来，且生物吸驸裁可从生长介质或者工业 副产品中便宜而又容易地获得等，因而具有广阔的发展前景，尤其是处理大面积 低剂量的污染场所。但是，微生物吸附存在也存在较大问题：一、如何用简单的 方法解桥生物吸附刹吸附酶重金属褥不至于破坏生物剂本身的完整性，从蔼达到 既可回收重金属又保持微生物体本身的性质以便重复利用。二、无论是通过大规 模发酵过程还是自然水土介质中大批量提取，大量生物吸附剂生物量的获褥也是 一个棘手的闻题。这些闯题也限制了生物吸着剂在实际中鲶应用。 微生物对土壤重金属污染的修复除了生物吸附外，还包括细胞代谢、表面生 物大分子吸收转运、空泡吞饮、沉淀和氧化还原等。综合起来可用微生物固定和 微生物转化两种机制来概括。微生物对重金属的生物置定主要表现为胞外络合作 用、胞外沉淀作用以及胞内积累三种方式【3 3 1 。如上所述微生物由于生物吸着等 和重金属有很强的亲和力，一些金属离子可以累积到细胞的不同部位或与外周胞 质及细胞多聚糖结合从而达到从环境中吸收重金属离子的目酶。另外微生物还可 通过产生柠檬酸、草酸等物质与重金属产生螯合或形成草酸盐沉淀1 3 4 1 ，从而减 8 中山大学硕士学位论文 轻重金属的伤害。微生物对重金属的转化，主要通过以下3 种方式实现： ( 1 ) 通过微生物对重金属的主动与被动堆积作用而使重金属得以在体内富 集。一些重金属( 特别是汞、镉、铅、铬等) 在水体中不能被微生物降解，而只能 发生各种形态相互转化和分散、富集过程，如无机汞在底泥中厌氧细菌的作用下， 可转化为毒性更强的甲基汞。 ( 2 ) 通过微生物的金属转化作用，如氧化一还原作用或烷基取代作用等， 而使重金属从一种形态转化为另一种形态。有些微生物，如嗜酸铁氧化细菌能够 氧化f e 2 + 、还原态硫和金属硫化物来获得能源，影响许多金属的活动性。有些微 生物还可把一些重金属还原成可溶性的或挥发性的形态，如把h 矿+ 还原成h g 。 ( 3 ) 微生物能够产生影响重金属活性的物质，如微生物新陈代谢过程中产 生的简单有机化合物、大分子腐殖酸和富里酸或其它分泌物等都能络合环境中的 重金属离子，从而实现不同重金属离子形态间的转化。 1 2 4 微生物减轻重金属毒性，促进植物生长 土壤中存在一些能促进植物生长的微生物，一方面他们和植物之间的相互作 用影响着植物对营养物质的吸收，另一方面通过土壤微生物吸附各种金属离子可 降低金属对植物的毒性，提高植物的抗重金属胁迫能力，从而起到保护植物的作 用。 乙烯是一种植物激素，在植物整个生命周期中起着至关重要的作用，它对植 物的种子萌发、生长发育、叶片和花器官的衰老、果实的成熟、性别分化等有广 泛的影响。但是过量乙烯对植物的生长又起着毒害作用。植物在重金属胁迫环境 下，易合成乙烯，大量乙烯的合成也是重金属的毒害表现之一。而a c c 脱氨基 酶可以调节乙烯的产量。b u r d 等【3 5 1 在重金属污染的环境中分离出对n i 2 + ，p b 2 + ， z i l 2 + ，c ，都有抗性的菌株幻砂化r 口础，6 口幻s u d l 6 5 ，经检验这种菌不但能够 产生铁载体，还表现出a c c 脱氨基酶活性。将缈卯阳傩，6 口细s u d l 6 5 接种 到表面灭菌的油菜种子，种植到含1 6m mn i 2 + 的灭菌土中，发现经尉砂化朋 础而咖s u d l 6 5 处理的植物幼苗地上部分及根都长于未经菌处理的幼苗，说明 了殿妙僧阳傩，6 口幻s u d l 6 5 的添加降低了n i 2 + 对植物幼苗的毒性。 之后b u r d 等【3 6 l 又分离出妙坩，口鲫c d ，6 嘲s u d l6 5 的变异品种尉砂，p ，口 9 中出大学硕士学位论文 伽c d ，6 口胁s u d16 5 2 6 。该菌同样可以产生铁载体，也表现出a c c 脱氨基酶活性。 将磊：两一缈煅鳏印而嬲暖s u dl6 5 及其变异品纛l 磊渤嬲掰瓣口r 施织s 己册l6 5 趁6 添加 到西红柿、油菜和印度芥菜，同时在培养土中加入过量的n i ，p b ，z n 。虽然重 金属的加入使得植物的湿重，干重，蛋白质，叶片中叶绿素的含量都下降，但这 两种菌的添加都缓解了它们的下降的程度，且慰秽辫磁嚣r 务黝s t 国1 6 5 趁6 的 缓解作用比勋0 1 ，p 朋黜c o ，6 嘲s u d l 6 5 更明显。 堇2 。5 微生物改变士壤重金属潘性或植物根际环境，影嚼撼物对金属的吸收 对于任何重金属来说，往往只有生物有效态的部分可以被植物吸收，有研究 发现撮际土壤中有效态的重金属浓度网植物富集的重金属的量成正相关，表骥增 加根际土壤中重金属的生物有效性有利于提高植物的修复效率。但实际上土壤中 有效态重金属含量较低。近来研究证实添加e d 讹。、c d l a 、d n a 等螯合剂能 活纯土壤重金属，增加有利于植物吸收的有效态部分，促进植物对重金属的吸收 和富集。但是螫合剂的应用存在一定的环境风险，当施用浓度过高时会对土壤微 生物和植物产生毒性，抑制植物的生长，并引起重金属淋溶下渗到地下水导致地 下水的污染。 研究证实微生物也能改变土壤中重金属的生物有效性等理化特性，从而增加 植物对重金属的吸收，如根际微生物增加了土壤中水提取态铜，即可溶性铜的浓 度，直接影响壤中铜的生物可利用性，促进植物蕊磊8 舷勉础磁瓣对铜的吸 收，用抗生素抑制微生物的活性后，可溶性铜和植物对铜的吸收要小得多，表明 了土壤中铜的迁移和微生物的活动有直接的关系【5 1 。w h i t i n g 等发现抗z n 细菌可 使遏兰菜地上部分累积的z 拄量提高l 倍，z n 的累计总量提高了4 倍。同时对不 能超累积z n 的砀妇叫甜w 瑚p 进行类似试验，结果表明根际细菌的加入虽然没 有增加植物对z n 的累积但增加了土壤中水溶态z l l 的含量【3 7 l 。因此，通过微生 物在壤中的活动，霹以改变土壤巾重金属的形态和活性，使其更容易被超累积 植物吸收，间接促进重金属的修复进程。 a b o u - s h 觚a b 等【3 8 l 也证明了一些微生物可以促进超累积植物对重金属的吸 收。他们从生长于m 污染区的超累积植物么蜘s 姗掰觥爵根际分离到 s p h i n g o m o n m a c m g o l | 口b i d u s 、| m i c m b n c t e r i h 黻l i q t l 曼缸c i e 凇秘m i c 阳b d c t e r i u m l o 中山大学硕士学位论文 口，口6 西咄6 砌岱三种菌在含8i n mn i 2 + 土壤中，印办以妒所d 麟聊删加6 砌惦 不产酸，不溶解p ，也不会产生铁载体；m c 加6 口c 纪，f 姗l 峋“乞加把珊产酸，溶解 p ，产铁载体；施c m 6 口晰f 甜朋盯a b i n o g l t a b i d u s 产酸，溶解p ，不产生铁载体。进 一步实验结果表明黝西曩，d 聊d 玎船m 口哪加6 f 加降低了s r ( n 0 3 ) 3 对n i 的提 取：印砌明p m d 嬲朋口册g d 加6 池岱增加了s r ( n 0 3 ) 3 对n i 的提取：而 舭阳6 口咖，f 姗