（环境工程专业论文）铁还原菌对汞的甲基化及其影响因素研究.pdf

摘要 舢舢 舢m 舢 y 2 14 9 7 7 2 汞作为全球性污染物日益受到人们的关注 水环境中 无机汞可以通过生物甲基 化作用转化为毒性极高的甲基汞 m c h g 甲基汞通过生物富集作用以及食物链的 传递进入人体 对人类健康构成威胁 汞的生物甲基化过程与f e 3 异化还原过程有着 密切的联系 而且铁还原菌 d i s s i m i l a t o 珂h d n r e d u c i n gb a c t 嘶a d 衄 是一类非 常重要的汞甲基化微生物 汞的微生物甲基化效率通常与微生物的活性相关 又受温 度 p h e h 汞的浓度及各种有机络合剂的影响 在实验室模拟条件下 研究了两 种铁还原菌 d 施c 幼s 掘恍砌脱附和册p m 靠c 砌伽g 溺嗍捃m r 1 对汞的甲基化作 用及其影响因素 研究结果为自然水体生态系统中铁还原菌参与汞甲基化的过程提供 了直接证据 主要的研究内容和结果如下 1 通过微生物纯培养实验 得出两种铁还原菌 g j 珈融 凇和 d 刀p 以嬲括m 1 在低浓度汞溶液中能够生长 但生长受到一定程度的抑制 主要表现在菌株生长曲线 迟缓期的延长 而对于对数生长期的时长没有明显影响 当初始h g c l 2 浓度为lm g l 1 时 铁还原菌的初始生长受到一定程度的抑制 但铁还原菌的最大生长量与不加h g c l 2 时较为接近 2 研究发现铁还原茵在生长过程中能同时将溶液中无机汞转化为m e h g 在初始 h g c l 2 浓度为1m g l 1 温度3 5 p h6 0 盐度0 9 的厌氧条件下 g s 缸m b 幽 玎 的甲基化率达到3 8 同样 在初始h g c l 2 浓度为lm g l 温度3 5 p h5 0 盐 度0 9 的厌氧条件下 d 疗p 涵b 瑚扭m r 1 的甲基化率为2 6 实验结果表明铁还原 菌对汞的甲基化过程很有可能是发生在细胞内的酶促反应 其中g s 所i m 砌f 玎 比 d 拧p 娩凇括m r l 的汞甲基化率高 因为g s 所l m 砌 c p 一譬是严格厌氧菌 而 d 以e 以p 埘妇m r 1 是兼性厌氧菌 在厌氧的环境下 g j 甜所 m 豳 玎s 比 伽e 渤船西 m 1 更容易在生长的同时将无机汞转化为m e h g 3 考察了多种不同环境因素对汞甲基化的影响 结果表明 在厌氧条件下 温度在 4 3 5 范围内 温度越高甲基汞转化率越高 温度不但影响汞甲基化的酶催化反应还 会影响微生物的生理活性等 从而影响汞的甲基化 适当增加h g c l 2 初始浓度与盐度 能提高甲基汞的转化率 但过高汞浓度和盐度会造成微生物的死亡 对汞甲基化产生 强烈的抑制效果 g s 驰r 陀幽c p 船在p h6 o 时甲基汞的生成量最大 相同条件下 d 咒p f l 妇凇妇m r 1 在p h5 0 时甲基汞的生成量最大 弱酸性比酸性和中碱性更有利于 汞的甲基化 过酸的环境会影响微生物对汞的吸收 硫化物与汞离子易形成硫化汞 造成反应体系中的可溶性汞离子的浓度大大降低 对汞甲基化产生明显的抑制作用 反应体系中腐殖质含量增加 腐殖酸易与无机汞结合形成比离子态汞更难被微生物甲 基化的腐殖酸结合态汞 导致甲基化率的下降 半胱氨酸通过与汞形成一种可以透过 细胞膜 容易进出细胞的络合物 不仅能够提高进入细胞内进行甲基化的汞含量 还 可以促进汞在细胞膜上的传输 在提高甲基汞生成量的同时还能加速汞的甲基化 4 通过在同一反应体系中同时添加h 9 2 和f e 3 的微生物混合培养实验 研究铁还原 与汞甲基化之间的关系 结果表明 h g c l 2 的加入对微生物还原f e 有较大影响 h g c l 2 不但可以通过制约铁还原菌的生长与活性来抑制f e 的异化还原 汞甲基化过程还会 竞争铁还原过程中的铁还原菌 同样 f e 3 含量对铁还原菌汞甲基化的影响也比较明 显 适当的f c 3 含量 2 0 0m g l 1 对汞甲基化有很强的促进作用 但f e 的含量过 高使铁还原菌对f c 3 异化还原更加敏感而忽略了汞甲基化 使汞甲基化效率急速下 降 研究结果进一步证明了铁还原与汞甲基化两个过程之间存在一定的竞争关系 此 外 f e 3 的存在形式对其生物可利用性有着重要影响 从而影响铁还原菌的汞甲基化 关键词 铁还原菌 汞 甲基化 腐殖酸 半胱氨酸 a b s t r a c t m e 彻l 眄嬲al i n do f 哲0 b a lp o l l u t 孤th a db e c o m e 趾i n 咪潞i n gc 0 n c e m i i la q 删c e n v i r o n m e n t m i c r o o 唱a n i s mc o u l d 协m s f o r mi n o 玛a n i cm a c 珊yi n t om e m y l n l e r c 眦y m c h 曲w 1 1 i c hw 硒m o r cp o i s o n o u s m c h g 如t 凹c dm eh u m 趾b o d yt h i o u g hf o o dc h a i n w h ic hc o n s t i t i l t e da 也r e a tt o 七i u m a nb e i n g s b i o l o g i c a lm e t h y l a 缸o no fm a c 秒w 鹪r e l a t e d t od i s s i m i l a t o 巧i 1 0 nr e d u c t i o n d qd o s e l y a n dd i s s i m i l a t i d r yj r 伽删u d n gb a c t 嘶a d m w 嬲a 舯i u po fm 嘲qm e t h y l 撕o nm i 唧n i 锄s 1 1 1 ec 伍c i c yo fm e r c u r y m e t h y l a t i o nw 嬲 u s u a l l y髂s o c i a t o d w i t hm i c r o b i a l a c t i r i 坝孤l d a l s o翻c db y t e r 町 e 阿t l l r e p h e h t l l ec o n c e n t 谢o no fm 廿c l l l ya n da nl 曲d so fo 唱a n i cc o m p l e x i n g a g 锄t s m e r c u r ym e m y l 撕o nb yt o 妇d so fd 刀r b 跚c h 勰g i 阳施跏盯s 驰 阳出 珊a n d 册删拧c 砌d 刀p 娩淞捃m r 1 锄dd i 丘h e n te n v i r o n m e n t a l 向咖璐w 骶s t u m e d 岫d e r l a b o r a t o 巧c o n d i t i o n t h er e s e a r c hp r 0 访d e dad 缺赋e v i d 饥c et om e r 瞰巧m 甜1 y l a l i o n m e d i a t c db yd i i mi i lt 1 1 cn a t l l 面a q u a t i ce c o s y s t e m t h em a i nr 懿e a r c hc o n t 锄t s 锄d r e s u l t sa r ea si o l l o w s 1 1 1 1 er c s u l t so f 血g l eb a c t 甜ac u l t i v a t e ds h o w e d 也a tg s 驰m 疵脱凇锄d d 刀g 翻哪妇 m r 1c o u l d 印ww e l li l lt h e1 0 wc o n c 锄仃拍o no fm e r c 谢c 砌甜d e e x c 印tt 1 1 e i rg r o 础 b e 迦r c s 眺e d i nac e n a i ne x t 饥tw h i c hm a i n l yc p r e s s e di np r o l o 啦gm ep 耐o do fl a g p h 嬲e w h e r e 鹪t l l e r cw e r en o ts i 鲥f i c 锄te 丘b c to nt 1 1 em a x i m u mg r o w t t lo fd 刀r b 姐dm e d u 础o no f1 0 9 a i i 也m i cg r o w c l lp h a 2 i tw 嬲f 0 珊do u tt l l a td m c o u l d 缸独s f 0 眦i n o 玛a n i cm e r c u r yi n t 0m e t h y l m e 砌1 r yt h e e m c i e n c yo fm e r 伽 ym e t hy i a t i o nb yg s 掘r 阳口k 蝴s 础e dt o3 8 u n d c rm e a n 砌协i cc 0 n d i t i o n sw i m1m g l 1h g c l 2 t 锄p e m t u r e3 5 p h6 0 趾d0 9 s a l i n i 咄 址e 讲s e t 1 1 ee 伍d c yo fm e 砌l d rm e l y l 撕o nb y d n e 溉船括m r 1r c a c h c dt o2 6 1 l i l d e rm e 趾a e r o b i cc o n d i t i o n s 访t h1 m g l qh g c l 2 t 锄p 啪t u r e3 5 p h5 0 眦d0 9 s n i 够7 r h er e 跚l ts h o w c di tw a sl i k e l ym a tm em e r 铡l 巧m e m y l a 虹o nb yd 己bo c c 眦 e da l i n do fe n z y m 撕cr c t i o ni n 臼 a c d l u l a ln e e 伍c i 饥c yo fm e r c l l 巧m e m y l a t i o nb yg s 驰 彤d k 凇w 嬲h i g h e rt l l 趾 d 玎e z 如瑚括m r 一1 b e c 肌s eg s 驰 愆d k 鲫岱w 勰s t r i c t 和a c r o b e s b u t d 以p 矗把凇西m r 一1w 嬲f a c u l 枷v e 趾a 船0 b e a n dg s 历f 叩威 玎譬 缸孤s f 0 姗e di n o 唱a 1 1 i c m e r c u 巧i n t om e t h y l m e r c u 巧m o r ee 雒i l yu n d c rm e 趾獬o b i c c o n d i t i o n s 3 m e r c u 巧m e t l l y l a 廿o nu 1 1 d e rd i 丘 e r e n t 伽l v i r 0 眦如t a lf a m o r si n c l u d o dt e m p 碱血鹏 i n i t i a l i h g c l 2c o n c 删o n p h s a l i i l i 劬s u l f i d e h u m i ca c i d 趾dc y s t e i i l ew a ss t u d i e d 7 i h e e 伍c i 锄c yo fm e r c l l r ym e m y l a t i o ni n c r e 懿e dw i t hm ei n c r c 鹊i n go ft e m p e r 加刖旧i nt h e m g e o f4 35 i n 趾a e f o b i cc o n d i t i o n s t 缸p e r a t i l r ea 舵酏e dt l l ee n z m a t i cr c a 脱i o no f m e r c l l 哼 m e m y l a t i o n锄dm i c r o o 曙眦i s ma c t i v i 咄 i n c r e 硒i n g t l l e i n i 缸a 1 h g c l 2 c o n c 锄删o no rs a l i n i t ya p 卿r i a t d yi m p r o v e dm c r 铡吖m e m y l a t i o n b u tm e m y l m e r 饥i r r r e d u c e d 池髓t h ec o n c e n 缸鲥o no fh g c l 20 rs a l i n 时w e r et o oh i g h t h em a x i i n u mv a l u eo f m 即c u um e m y l a t i o no c c u r r e dl l n d e fp h6 0 锄dp h5 0b yt l l eg j 抛 愆如 凇a n d d l e 硒螂括m r lr e s p e c t i v e l y w e a l a c i de i l v i n m 髓tw 弱m o r eb e n e f i c i a lt om e r c l n r m c 也y l 撕o n 也缸a c i d i 饥n c u h io ra u a l i n ec o n d i t i o n b e c 叭s ea c i d i c 锄v i r o n m t 踟髑t e dm i c r o o 玛a n i 锄a b s o f b i n gm e r c u s u l 6 d er e s 嘶n e dm e r c u r ym 甜l y l 撕o nb y 触i i l gm 删s u l f i d ea n dd e c l i n i n gt h ec o n c 删o no fs o l u b l em e r c l i r j ci o n s h u m i c a d dw 砌d 鲫n b i n e 丽t 1 1m 玛a n i c m e r c u 吼w l l i c hr e s t r a i n e dt 1 1 em 眦 ym e m 蜘t i o nb y m i c r o o r g a n i s m t h ec o m p l e xc o m p o u n df o m e db yc y s t e i n ec o 埘 b i n e d i mh 孑 c o u l d t h m u g l lt h ec e l lm e m b r 锄ee a s i l yn o to n l yp r o m o t e df o 衄撕o no fm e h gb u ta l s oi m p r o v e d 也ee 街c i e n c yo f m 删m e m y l a t i o n 4 r e s 鼬o nt l l ec o n n e 嘶o no fm e r 饥i r ym e m y l a t i o na l i l dd tb ya d d i n gh 9 2 a n df c 3 i i l m er e 剃o ns y s t e m s i m u l t a n e o u s l y t h ep r o c e s so fd mw 弱a 疏c t e db y h g c l 2 c o n c 衄缸嘶o nd 删n a t i c a l l yh g c l 2c o u l dr e s t r a i 1 1t l l ed m 衄 o u g h0 b s 咖c 衄g 舯 v t ho f d m 趾dm 删m 劬y i a t i o n 咖p e 锄d i i mw i 也t 1 1 ep r o c e s so fd i r s i n l i l 砌y t h e f e c o n c e n 缸a t i o na 虢c t i e dm c r 伽町m e t l l y l a t i o nb yd 碌bo b o u s l y k c r e 弱i n gt l l ef e 3 c o n c e i l 缸a t i o n 2 0 0m g l 叫 a p p r o p r i a t e l yp r o m o t e dt h em e r 觇l 哆m e m y l a t i o nv i s i b i l i 坝b m m e t l l y h n e r c u r yr o d u c e dw h c i lm ec o n c 锄仃 a t i o no ff 十w 邪t o oh i 曲 b e c a u s ed 舳w 觞 m o r es e n s i t i v ct om ep r o c e s so fd i r 血髓m e r c u r ym e m y i a 缸o n t h er e s u l to fs t i l d yp r o v e d m a tm ep r o c 销so fd i r 弛dm e r 饥qm e t l l y l a t i o nw e r eac o l l p l eo fc o m p e t i t i v er e a c t i o n s m o 瑚v t l l ef o mo f 衲nw 嬲a ni i n p o r t a n ti 1 1 n u e n c ef a c t o ro fb i o a v a i l a b i l i 妣w 1 i c h a 乐 c t e dm e r c u 珂m e t h y l 撕o nb yd m k e yw o r d s d i s s i m i l a t 0 巧i r o n r o c i n gb a 曲e r i m e r c u m e t l ly i 撕0 n h l m i ca c i d c y s t e i n e i v 文献综述 1 汞的生物甲基化 汞 h g 是常温下唯一的液态金属 且是一种强毒性物质 汞以各种形态在自然界 中广泛存在 它能以单质的形式存在于大气中 随大气循环进行长距离传输 所以汞 的毒性对生物地球化学循环产生重要的影响 汞主要以无机汞的形式存在于自然环境 中 l 无机汞在生物和非生物作用下能够发生甲基化转化成毒性更强的甲基汞 其中 微生物对汞的甲基化在汞的生物地球化学循环中具有重要的作用 2 甲基汞是一种强 亲脂性 高神经毒性的有机汞化合物 它可以在鱼和其它水生生物体内富集 且富集 系数极高 3 1 通过食物链传递进入人体 对人类健康造成危害 4 5 1 大量研究表明 很 多微生物在原位培养和纯培养下都能使汞甲基化 删 1 1 汞甲基化的微生物 1 9 5 6 年 日本的水俣湾事件使人们对汞的微生物甲基化产生了极大的兴趣 该事 件就是由汞的微生物甲基化所致 水俣湾被排入含汞废水 这些无机汞被沉积物中的 微生物转变成甲基汞释放到水体中 随后被水中的鱼虾富集 通过食物链进人人体 l o 1 9 6 8 年w o o d 等发现在无机汞溶液中加入产甲烷菌的提取物后能产生甲基汞 l l 这种 提取物后来被证实为是甲基钴胺素 1 2 1 随后 大量研究表明 在培养基中很多微生物 可以使无机汞甲基化 且灭菌可以抑制该过程的进行 1 3 1 4 1 1 1 1 汞甲基化微生物的主要种类 目前共有3 0 多个种近4 0 个菌株被报道具有汞甲基化能力 包括细菌如大肠杆菌 产气气杆菌 荧光假单胞菌 草分枝杆菌 匙形梭状芽孢杆菌 巨大芽孢杆菌和真菌 如酿酒酵母 黑曲霉 短帚霉和粗糙脉孢霉 1 5 等 大多数属于硫酸盐还原菌 如今报 道的汞甲基化微生物大多属于细菌 只有早期很少的研究报道过真菌的汞甲基化作用 u 酬 产甲烷菌曾经被认为是主要的甲基化菌 因为它能产生甲基钴胺素 甲基钴胺素 被认为是汞甲基化唯一的甲基供体 1 9 8 5 年 c o m p 髓u 和b a 吡a 1 7 利用产甲烷菌和硫 酸盐还原的抑制剂 证实硫酸盐还原菌是主要的汞甲基化菌 尽管很多微生物被报道 具有汞甲基化能力 但由于甲基化主要发生在厌氧环境下 所以对于汞甲基化微生物 种类的研究也主要集中在厌氧或兼性厌氧微生物 如硫酸盐还原菌和铁还原菌 1 1 2 硫酸盐还原菌 硫酸盐还原菌 s u l f a t e r e d u c i n gb a c t 舐a s i m 是一种厌氧的微生物 广泛 存在于土壤 海水 河水 地下管道以及油气井等各种厌氧环境中 在极少氧或无 氧的情况下 它能利用一些存在于金属表面的有机物作为碳源 并能同时利用细 菌生物膜内产生的h 将硫酸盐还原成h 2 s 并从该反应中获得生存的能量 目 前 发现的硫酸盐还原菌已有1 2 个属和4 0 多个种 l8 1 自c o m p e a u 证实硫酸盐还原菌是 主要的汞甲基化菌后 大量的实验研究都表明 硫酸盐还原菌是海洋 河口和淡水沉 积物中主要的汞甲基化菌 1 9 2 2 1 然而 并不是所有的硫酸盐还原茵都可以使汞甲基化 能甲基化的硫酸盐还原菌 菌株随机的分布于系统树中 汞甲基化能力与微生物的分类地位没有相关性 2 3 1 即便 是同属或同种的硫酸盐还原菌也能表现出强甲基化与毫无甲基化这等截然不同的甲 基化能力 汞的微生物甲基化能力取决于菌株 而不取决于微生物物种或属或者代谢 类型 2 4 1 1 1 3 铁还原菌 铁还原菌 d 舳 是指能以f e 3 为唯一的电子受体来降解多种有机物质 从中获 得生长能量的一类微生物 g i l m o u r 等的研究表明 有3 株铁还原菌可以使汞甲基化 但是其甲基化速率大大低于硫酸盐还原菌的甲基化速率 w a m e r 等 2 5 j 在培养沉积物时 发现除硫酸盐还原菌外的其他生物也可以使汞甲基化 且由于这些沉积物中存在铁 铁是主要的终端电子受体 因此推测铁还原菌能把无机汞转化为甲基化汞 尽管 g i h n o l l r 和w 锄e r 提出了铁还原菌能进行汞的生物甲基化 然而 由于没有分离到甲 基化能力较高的菌株 铁还原菌并没有受到特别的关注 2 0 0 6 年 f l e m i n g 等 2 6 在微 生物铁还原效率相当显著的湖泊底泥中 完全抑制硫酸盐还原菌活性后 观察到汞的 甲基化抑制不到一半 随后 他分离出铁还原菌菌株g 6 口c 反盯s p s t r a j i lc l f e r b 这种铁还原菌在纯培养时对汞的甲基化能力与硫酸盐还原菌不相上下 此时 铁还原 菌对汞的甲基化才受到真正的重视 为了进一步评估铁还原菌在汞甲基化中所扮演的角色 k 甜n 等一钡9 试了多株铁还 原菌的汞甲基化能力 并得出这些铁还原菌在利用其他的物质如硝酸盐及延胡索酸盐 为最终电子受体时 也能使汞甲基化 这表示在这类菌体内 铁呼吸作用对于细胞内 汞甲基化过程并非是不可或缺的 此外 硫酸盐还原菌与铁还原菌对于某特定自然环 境中汞甲基化的相对重要性 以及两者间的互动关系都是未来研究的重点 1 2 汞的微生物甲基化机制 汞的微生物甲基化的机制至今还没有定论 目前已知微生物的汞甲基化是一个发 生在细胞内的生化反应 这个反应的研究重点有三个 1 生物甲基化的过程是发生 在细胞内还是细胞外 2 如果生物甲基化的过程发生在细胞内 无机汞被甲基化之 前如何进入微生物细胞 3 该反应的生化机制 大多数专家认为汞的生物甲基化过程是发生在细胞内的 主要是由于大量实验结 果表明在死亡的甲基化细菌中没有观察到汞的甲基化 且汞在硫酸盐还原菌中的甲基 化是发生在细胞质内乙酰辅酶a 代谢过程的副反应 但一些学者认为在特定的条件下 细胞外甲基化过程也可能发生 有人发现许多微生物 包括厌氧菌 好氧菌和兼性菌 都可以在离体环境中发生汞甲基化 2 7 细胞内甲基化过程为甲基四氢叶酸上的一个甲 基转移到钴胺素上 然后甲基钴胺素上的甲基转移到二价汞离子上 此过程中转移的 甲基可能来自四氢叶酸 也可能来自乙酰辅酶a 的合成过程 如图1 h 9 2 或c h 3 h g c h 3 h g 或 c h 3 2 h g 图1 汞生物甲基化的途径 f i g 1a p l p 眦h0 f 脒孵u 巧b i 啪e t h y l a l i 帆 自然环境中 微生物为了避免被汞毒害 已演化出一套独特的抗汞操作子的基因 系统 产生的二价汞还原酶能将毒性很高的离子态二价汞还原成毒性较低且易挥发的 零价态元素汞 接着将元素汞排出细胞 2 引 然而 此套抗汞操作子系统并不存在与于 能使汞甲基化的硫酸盐还原菌和铁还原菌 2 o 不仅如此 它们还将无机汞转化为对 微生物来说毒性更强的甲基汞 3 l 3 2 而且甲基汞中的汞依1 日能与微生物体内的含硫物 质等结合 无法像零价汞那样迅速地从细胞内扩散出去 3 3 1 科学家们也一直想知道为 何这类微生物要做对其本身毫无益处的事情 早期的研究认为 无机汞进入细胞内是一种被动扩散的过程 是汞在微生物细胞 膜上最主要的传输机制 3 7 1 主要是因为主动运输属于耗能的反应 微生物一般只会 用在必要分子上 这些分子可维持其生长代谢 所以认为主动运输的几率微乎其微 1 9 1 也因为如此 之后的十年内 汞络合物由被动扩散的方式进入微生物体内是汞甲基化 细胞膜传输机制是最被科学家们认可的一种 虽然被动扩散的细胞膜传输机制广被接受 但因为对于某些现象仍无法解释 所 以其主流地位在这几年备受挑战 k e l l y 等 3 8 的荧光标记实验发现 无机汞进入微生 物细胞内受到胞外环境的p h 值控制 这种现象无法用被动扩散的机制来解释 近年 来s c h 缸等 j 利用gs 抛m 砌l 凇和dd 玉 撅一c 口瑚n d l 3 2 两株具有汞甲基化能力 的模式微生物的研究 对于微生物吸收汞的方式和细胞内甲基汞生成的生化机制都有 重大的发现 且部分颠覆了之前的观念 他们发现gj 驰 阳妇c p 瑚对汞的甲基化效率 会因为半胱氨酸的存在而大大提高 而汞的络合物在细胞膜上的传输却无法单纯地只 用被动扩散来解释 而是以某种未知的促进传输方式进行 该研究团队于2 0 1 1 年初发 表更为重要的发现 j 汞甲基化菌在某些小分子物质存在时 无机汞进入细胞内将使 用主动运输的方式 gs 珈 增咖 淞和d 如5 珈硪1 口珊n d l 3 2 会因为带有巯基的小分 子物质的加入而提高甲基汞的生成量和加快甲基化速率 但是并非所有进入细胞内的 络合物都能被甲基化 这还由络合物的空间结构性质所决定 汞的微生物甲基化是酶催化的生化反应 还是一种自发的化学反应过程一直是科 学界争论的焦点 由于乙酰辅酶a 和钴胺素并不是硫酸盐还原菌所特有的 在其他不 能把汞甲基化的微生物体内也存在这些酶和类似的代谢过程 因此学者们认为汞甲基 化菌体内存在一种特殊的酶催化过程 由于微生物体内酶的构成不同 造成甲基化程 度的不同 尽管目前还未能研究出这种能催化甲基化的酶 但是这些学者们坚持认为 汞的微生物甲基化不是自发的化学反应 而是一种酶催化反应 显然 汞生物甲基化 的生物和生化途径还存在大量未知的 值得研究的领域 1 3 汞微生物甲基化的影响因素 在自然环境中 甲基汞的形成受各种各样的环境因素的影响 汞的生物甲基化效 率取决于微生物活动和汞的浓度及形态 同时也受氧化还原电位 温度 p h 盐度 无机与有机配位体的存在等因素的影响 1 3 1 微生物群落结构 尽管存在某些非生物甲基化过程 4 1 1 然而汞的甲基化主要还是一个微生物参与的 过程 4 2 1 汞甲基化速率的各种影响因素中 大部分是通过影响微生物活性来影响甲基 化的 汞的生物甲基化速率与参与其中的微生物活性有着紧密的联系 4 3 1 消毒灭菌导 致微生物失去活性 会严重抑制沉积物中汞的甲基化 有研究表明 沉积物中汞的生 物甲基化速率与硫酸盐还原菌的数量密切相关m 当汞污染水体中的硫酸盐浓度升 高 硫酸盐还原菌活动随之增强 可显著提高水体汞的甲基化能力 h o l l o w a y 等 4 副 研究了汞矿区的汞甲基化与微生物群落结构的关系 发现不同土壤类型具有不同的微 生物群落结构 生成的甲基汞含量也差异很大 1 3 2 汞浓度及形态 汞的浓度和形态同样也会严重影响微生物对汞的甲基化 无机汞是汞甲基化的底 物 环境中无机汞的浓度过低时会因为底物缺乏而降低汞的甲基化效率 相反 浓度 4 过高则会对毒害微生物甚至杀死微生物 也会影响甲基化的进行 甲基汞占总汞的比 率在一定范围内与总汞呈现线性关系 超过该范围后该比率下降 另外 环境中甲基 汞的降解也会影响汞的甲基化 不同形态的汞的生物可利用度也不同 甲基化速率也 存在差异 如硫化汞是高度不溶性的汞化合物 且硫化汞很难分解出二价汞离子 减 少了可利用的活性 从而降低了甲基汞的形成 4 6 j 1 3 3 氧化还原电位 大量的研究显示 汞微生物甲基化主要发生在厌氧的情况下 且甲基汞在厌氧下 更稳定 4 7 4 9 1 目前绝大多数汞微生物甲基化的研究也是在厌氧条件下进行的 沉积物 中氧化还原电位低于 2 2 0m v 时甲基化速率大大提高 氧气可以抑制汞的微生物甲基 化啪 而且如果微生物能吸收无机汞进入细胞内再进行甲基化 那么汞的甲基化过程 更倾向于在厌氧条件下进行 在一些湖泊的下层缺氧带中 也存在着相似的氧化还原 界面 在这个界面下 也可观察到硫酸盐还原菌进行汞甲基化的现象 5 通过对比厌 氧无菌 厌氧有菌 有氧有菌条件下微生物的甲基化效率 结果表明在厌氧有菌条件 下汞的甲基化率远远高于其他条件 氧化还原条件和生物条件是汞甲基化的重要影响 因素 1 3 4 p h 很多学者发现 酸性的水体中的鱼体内甲基汞含量偏高f 5 2 5 4 1 通常认为酸性条件 有利于甲基汞的形成 p h 不仅直接影响汞的溶解度 而且还通过影响有机物的组成 来影响汞的溶解 5 5 x l m 等 5 叼研究显示 当p h4 5 时溶液中甲基汞浓度是p h8 5 时的7 倍 m i 出m m i n 等闻报道湖水p h 由7 0 到5 o 甲基化速率不断增加 p h 的变化会增大 环境中甲基汞或其他形态汞的溶解度 使水环境中汞的输入量增加 使得水体中甲基 化底物浓度升高 而促进甲基化 1 3 5 其他因素 除以上介绍的影响因素外 汞微生物甲基化还受到其他诸如季节 湿度 温度 盐度 有机质 土壤性质和其他金属元素等许多因素的影响 在湿地土壤中 湿度与 产生的甲基汞浓度有很好的相关关系 可能是湿度的增加 产生了有利于铁还原菌和 硫酸盐还原菌等甲基化菌需要的还原环境 土壤中甲基汞的含量与土壤性质的相关性 比它与其他因素的相关性大 盐度也会影响汞的生物甲基化 淡水水体中的甲基汞含 量通常高于海洋和河口沉积物中的甲基汞含量 汞的甲基化是一个受诸多因素影响的复杂过程 各环境因素间还可能相互作用 一个环境因子对甲基化的影响在不同的环境中表现可能并不一样 每个生态系统都具 有自己独特的环境因素组合 两个不同的研究环境可能得到相反的结论 故需要开展 更为系统更为深入的研究 2 铁的微生物还原及其环境意义 铁元素是地球上最丰富的金属元素 而且铁的氧化物在自然界中以各式各样的形 式普遍存在 2 0 世纪初人们已经发现了能够还原f e 3 的微生物 但直到3 0 几年前人们 也认为发生于自然环境的f e 3 还原主要是化学反应 而并非生物反应 5 引 近年来 越 来越多的学者证明生物转化是异化f e 3 还原的主要形式 5 9 这些铁还原微生物还具有 非常强大的代谢功能 它们可利用除f e 3 十以外的许多电子受体包括许多有毒重金属和 类金属 从而对这些有毒重金属起到还原固定或还原解毒的作用 另外 铁还原微生 物在铁还原过程中可促进一些有机污染物的降解 这使得异化f e 3 还原具有重要的环 境学意义 引起了各国研究者的高度关注 异化f e 3 还原微生物更广泛应用于2 l 世纪 最热门的研究课题之一微生物燃料电池 m i c r o b i a l 如e lc e l l m f c 中唧j 2 1 铁还原菌的分类 厌氧条件下 环境中的铁氧化物会发生还原 这一过程主要是微生物介导的异化 还原 即微生物以铁氧化物为最终电子受体的厌氧呼吸过程 目前发现在古生菌和真 细菌中都分布着可利用f e 3 作为末端电子受体进行呼吸获能的微生物 分别分布在细 菌域的9 个门的1 5 个纲2 7 个目和古生菌域的2 个门的5 个纲7 个目中 其中古生菌 中的铁还原菌大部分都是嗜高温菌 其中 变形杆菌d 亚纲中土杆菌科的成员以及丫亚纲希瓦氏菌属的成员 是发现相 对较早 且研究也比较深入的两类f e 3 还原微生物 第一个被发现利用f e 3 作为电子 受体可完全将有机物氧化为c 0 2 的微生物就是变形杆菌d 亚纲土杆菌科的成员 6 目 前 变形杆菌丫亚纲的希瓦氏菌属 册p w 口 l p 肠 也是研究较为深入的异化f e 3 还原菌 希瓦氏菌是一种兼性革兰氏阴性菌 在厌氧条件下可利用多种电子受体获能 如 m n u n 0 3 n 0 2 二甲基砜和延胡索酸盐 在实验室纯培养条件下 发 现该属的微生物能利用乳酸盐和丙酮酸盐促进f e 的还原阻j 2 2 铁微生物还原的作用机理 f e 3 作为电子受体在自然环境中多以f e 3 的氧化形式存在 而大部分的这些物质 都是不可溶的 目前铁微生物还原的作用机理主要有微生物直接接触 电子传递中间 体 螫合促溶 2 2 1 微生物直接接触 直接接触是f e 3 微生物还原最简单的一种机制 因为f e 3 呼吸的本质是呼吸链上 电子传递的过程 所以铁还原菌与f e 3 氧化物直接接触是电子传递发生的基础 微生 物通过趋化性接近铁氧化物 粘附到其表面 然后通过细胞外膜蛋白 如c 一型细胞色 素 o m c s 将电子直接转移给铁氧化物 使f e 3 还原 c a c c a v o 等 6 3 的研究表明 铁 还原茵可以通过细胞表面蛋白粘附到f e 3 氧化物表面 而且f e 3 胶体与铁还原菌的接 触界面的增加 有利于还原溶解反应的进行 2 2 2 电子传递中间体 电子传递机理的直接电子受体是电子传递中间体 电子传递中间体与异化铁还原 菌和f c 3 氧化物直接接触的几率要比铁还原菌与f c 3 氧化物直接接触的几率高 在异 化铁还原菌与f e 3 氧化物无法直接接触时 电子传递中间体起到媒介作用把铁还原菌 产生的电子传递到f e 3 氧化物表面 根据来源的不同 电子传递中间体可分为内生载体和外生载体 内生载体是指由 微生物自身分泌到体外的可以接受电子并转移电子的物质 外生载体是指环境中自然 存在的具有传递电子功能的各种物质 鲫e 讽册括分泌的醌类物质和鼢绷 口万e 妇 口细eb r y 分泌到细胞外的黑色素都属于内生载体 还有一些被发现可作为电子传递 中间体的物质 如吩嗪 半胱氨酸m 核黄素和抗生素 6 5 等 这些物质在传递电子 给f c 3 氧化物的过程中起着很重要的作用 2 2 3 螯合促溶 自然界中存在多种溶铁螯合物 如麦芽糖醇 它与f e 3 是以3 l 的比例螯合 在不同酸性环境下 邻苯二酚能与f e 3 形成多种铁螯合物 它们与f e 3 结合后改变了 环境中铁的存在状态 促进铁元素及其他元素的循环 这些螯合物可与f e 3 氧化物形 成可溶性螯合铁 通过扩散作用被运送到微生物表面 细胞外膜的还原酶通过传递电 子给螯合铁使f c 3 还原 口历羿b r y 分泌的螯合物 可加速f e 3 氧化物的溶解 进而 促进f e 3 还原 矧 螯合物的存在一方面可增加反应体系中生物可利用f e 3 的浓度 另 一方面还可以提高f c 3 与铁还原茵直接接触的几率 从而提高铁还原的速率 除了以上三种机理 r 唧e 豫等 6 1 7 还发现了异化铁还原菌免除了细胞表面与电子 受体的直接接触 还可通过纳米导线辅助的方式来还原f c 3 一定条件下某些铁还原 菌会形成与菌毛相似的导电附属肢体作为电子导管 可远距离向f c 3 氧化物传递电 子 在此过程中 纳米导线还可能参与其他电子转移反应 综上所述 不同铁还原微生物在不同的环境下有其相应的还原机理 在复杂的自 然环境中 还可能存在其他未知的还原机理 这些机理相互补充 以一个或几个为主 其他一个或几个为辅共同还原f e 2 3 铁微生物还原的影响因素 影响铁微生物还原的因素有很多 目前国内外研究铁微生物还原的影响主要有温 度 p h e h 微生物 有机质和f e 氧化物 除了这6 个影响因素 重金属对铁微生 物还原的影响是目前研究的热点 己知促使f e 3 还原的主要动力是微生物 而重金属离子是制约f c 3 还原的重要因 素嘲 重金属对微生物f e 3 还原的抑制主要取决于重金属离子的种类及其浓度 不同 重金属离子对f e 3 还原的抑制表现为 a s 5 p b 2 c d 2 z n 2 c u 2 h 9 2 重金属离子 浓度越高抑制作用越明型6 9 j 重金属离子抑制异化f e 3 还原的主要原因有以下几个方面 1 重金属对微生物有毒害作用 抑制了糖代谢 使铁还原细菌得不到足够的 电子 从而抑制了异化f e 3 还原 2 重金属离子直接抑制了铁还原细菌的生长与代谢 3 由于微生物对葡萄糖的代谢与有机碳的转化过程有关 7 0 1 重金属通过改变 厌氧条件下有机碳的生物转化过程来抑制f e 3 的还原 7 1 4 土壤中f e 3 氧化物对重金属离子的吸附 减少了铁还原菌与f c 3 氧化物的接 触 从而抑制了微生物对f e 的还原 2 4 铁还原菌的环境意义 异化铁还原在环境生物修复中起到重要的作用 具有重要的环境学意义 其中较 为重要的有 重金属的转化 有机污染物的降解以及抑制甲烷气体的排放等 2 4 1 重金属的转化 土壤与水体中存在着大量的重金属离子 这些重金属离子对土壤与水体环境的影 响是不容忽视的 而异化f e 3 还原不仅受到这些重金属离子的影响 铁还原菌还可以 对这些有毒重金属起到还原解毒或还原固定的作用 1 a s 最近国内外学者对土壤中a s 的研究特别感兴趣 因为a s 的常见价态有 3 和 5 而a s 3 的毒性要远远大于a s 5 的 l a v 锄a n 等 7 2 已经发现一些异化铁还原菌如s e s 3 菌种就可将a s 5 还原成a s 3 而且在一定环境下 异化铁还原菌在还原f e 3 的同时可 使a s 3 氧化成a s 5 从而起到解毒作用 2 c r 大量国内外研究表明 铁还原菌能促进c r 6 的还原 7 3 水稻土中铁还原体系是一 个十分复杂的体系 f e 3 作为电子受体而被还原 同时 c 同样作为电子受体而被 还原 c 的还原与f e 3 十的还原之间有着密切的关系 铁还原菌对铁的还原进行的快 慢也决定了铬还原进行的程度 在厌氧水稻土体系中同时存在着比如硝酸盐还原 硫酸盐还原及f e 3 还原等氧化 还原过程 c 还原过程与这些过程是否存在电子受体之间的竞争或者产物之间的相 互反应 已经成为土壤污染修复中的研究热点 7 4 1 已有研究表明 c 能被微生物铁 还原过程中产生的c 还原为c r 3 6 1 1 同时f c 2 被重新氧化成f c 3 从而使系统中存在 c r 3 f e 3 混合物 在此过程中 铁还原菌能循环利用f e 3 通过连续的生物 非生物加 速加速对c 的还原 f e 3 在c 微生物的还原中起到催化作用 7 5 1 由此可知 在厌 氧土壤中 微生物铁还原可以作为c r 污染的一种重要的解毒方式 3 h g 环境中汞的存在形态一般分为无机汞和有机汞两种 也可分为交换态 碳酸盐结 合态 不溶态 有机结合态 铁锰氧化态和残渣态等等 在特定的条件下 各种形 态的汞之间可以相互转化 大量研究表明 这种转化特征与多种环境因素紧密相关 其中包括温度 p h 有机质含量 e h 微生物等因素 土壤中的无机汞有h g c l 2 h g o h g o h 2 和h g s 0 4 它们因溶解度相对较低 在土壤中的迁移力很弱 但在环 境中微生物的作用下 可甲基化为甲基汞 在硫还原菌或铁还原菌的作用下 p h 为 4 5 e h 为5 0 3 0 0m v 时 h g c l 2 的甲基化速率比h g o 高一千倍 微生物合成甲基汞在 厌氧或好氧条件下都可以进行 在弱酸性环境厌氧条件下 微生物可以把无机汞转化 为甲基汞 弱酸性条件下主要形成甲基汞 甲基汞是脂溶性物质 可被水生生物或植 物吸收 富集后进入食物链造成对人体的危害 而且 汞的微生物甲基化过程与异化 铁还原过程有密切的联系 4 u u 的微生物还原从u 6 到护 是一个重要的过程 影响着各种有关铀的地球化学沉 积和地下水环境 因为u 6 的高度水溶性使其能在地下水中自由移动 造成水体污染 而u 4 因为不溶而被析出 因此 利用异化铁还原菌锄施c f p 阳伽e 还原u 6 可以有效 制止地下水中铀的扩散 7 6 l o v l e 7 7 1 的研究表明微生物还原的u 6 为u 4 是清除污水中溶解u 的有效方法 异 化铁还原菌可以把可溶的u 6 形态快速还原为u 4 的不溶形态 当u 以化合物的形态存 在于溶液中的时候 这种方式可以使之沉淀 即使在厌氧条件下 微生物对旷的还 原能力也不会因为微生物细胞暴露在空气中而减弱 这种用异化铁还原微生物去除污 水中的u 6 比先前的生物技术更具有潜在优势 异化铁还原菌还原矿是改善u 污染土 壤的一种有效的机制 此外 近几年来对水 矿 微生物系统铁锰循环的研究证樊7 8 充分利用表层水体 和沉积物中的铁锰循环及其与碳 氮 磷 硫和金属循环耦合过程 通过研究微观机 理予以强化 通过建立宏观模型进行调控 可以有效降低金属污染和有机污染 是全 新的污染控制手段 2 4 2 有机污染物的降解 目前 由于人类生活和生产活动中大量的污染排放 使许多自然环境 如土壤 地表水 地下水等受到严重的有机污染 而这些受到污染的自然环境往往都含有一定 量的不同形态的f e 3 而铁还原菌在环境中普遍存在 构成了一个庞大且复杂的生物 类群 大量研究表明 铁还原菌在治理有机污染中发挥着重要的作用 7 9 1 因此 深入 探索f e 3 还原条件下的不同有机物降解的特性 机理对实际污染修复过程有重要的指 9 导作用 多种铁还原菌可降解有机酸和碳水化合物 乙酸氧化脱硫单胞茵和g e d 施c 衙 m p 细肼 b 幽凹船可将乙酸氧化为c 0 2 大部分厌氧铁还原菌以f e 3 作为电子受