微生物几种可能的代谢防御机制.doc

1. 微生物量的影响 Mcgrath用熏蒸法测定了连续20 a施用污泥的农田土壤微生物生物量，发现其微生物量比施用粪肥的土壤低得多[18]Kandeler等人研究指出Cu、Zn、Pb等重金属污染矿区土壤的微生物生物量受到严重影响，Fliebbach等研究结果表明低浓度的重金属能刺激微生物的生长，增加微生物生物量碳；而高浓度重金属则导致土壤微生物量碳的明显下降[12]Khan等采用室内培养实验，研究了Cd、Pb和Zn对红壤微生物生物量的影响，当其浓度分别为30 ug g-1、450 ug g-1、150 ug g-1时导致微生物生物量的显著下降[13]姚槐应等研究了外源铜对不同利用方式下红壤中微生物群落结构的影响，结果表明外源铜对不同利用方式的红壤微生物群落结构有明显影响，且重金属污染降低了土壤微生物对碳源的利用效率2. 重金属对微生物的生物化学过程及反应 微生物的代谢熵(qCO2)作为微生物活性反应指标之一，即用来定量表征单位生物量的微生物在单位时间里的呼吸作用的大小土壤环境受到胁迫或干扰条件下，微生物为了维持生存可能需要更多的能量，而使土壤微生物的代谢活性发生不同程度的反应。

土壤微生物的代谢熵通常随着重金属污染程度的增加而上升 Brookes和Mcgrath研究认为重金属污染土壤的代谢熵是未污染土壤的两倍[21，Chander和Brookes采用14C标记的葡萄糖和玉米为基质，研究土壤微生物对不同浓度重金属的反应，高浓度重金属污染土壤中微生物利用有机碳更多地作为能源，以CO2的形式释放，而低浓度重金属污染土壤中微生物能更有效地利用有机碳转化为生物量碳[21，22] Giovanni等研究认为土壤中重金属含量与土壤呼吸作用呈正相关，而且代谢熵与重金属浓度的相关性更好 Fliepbach等人研究了重金属胁迫下土壤微生物的呼吸效应，其结果表明基础呼吸随着重金属的污染程度而下降但有人发现加入低浓度Cd和Zn反而会促进呼吸作用[12]Killham等采用14C标记的葡萄糖为基质添加至土壤进行研究，认为微生物代谢熵的变化是土壤呼吸作用或脱氢酶活性变化值的两倍[5]因此，土壤微生物的代谢熵（qCO2）可作为重金属胁迫下土壤微生物生理代谢特征的一个敏感指标3. 微生物对重金属的生物积累 微生物对重金属的生物积累机理主要表现在胞外络合作用、胞外沉淀作用以及胞内积累三种作用方式。

4. 微生物对重金属的生物转化一些微生物可对重金属进行生物转化，其主要作用机理是微生物能够通过氧化、还原、甲基化和脱甲基化作用转化重金属，改变其毒性，从而形成了某些微生物对重金属的解毒机制[4，6]微生物也可通过改变重金属的氧化还原状态，使重金属化合价发生变化，重金属的稳定性也相应地随之变化Silver等提出，在细菌作用下氧化还原是最有希望的有毒废物生物修复系统另外，金属价态改变后，金属的络合能力也发生变化，一些微生物的分泌物与金属离子发生络合作用，这可能是微生物具有降低重金属毒性的一种机理 由于微生物对重金属具有很强的亲合吸附性能，有毒金属离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上，或被轻度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类，能够产生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的阴离子基团，与重金属离子形成络合物[4，6]Macaskie等分离的柠檬酸酸细菌，具有一种抗镉的酸性磷酸酯酶，分解有机的2-磷酸甘油，产生HPO42-与Cd2+形成CdHPO4沉淀Horvath从空气中分离耐重金属的真菌，82种分离菌株中，有52种（链孢属、曲霉属、枝孢属、青霉属、红酵母属、葡萄穗霉属等）耐性浓度为10 mM的重金属。

重金属进入细胞后，可通过“区域化作用”分布在细胞内的不同部位，体内可合成金属硫蛋白（MT），MT可通过Cys残基上的巯基与金属离子结合形成无毒或低毒络合物微生物的重金属抗性与MT积累成正相关，这使细菌质粒可能有抗重金属的基因，如丁香假单胞菌和大肠杆菌含抗Cu的基因，芽孢杆菌和葡萄球菌含抗Cd和Zn的基因，产碱菌含抗Cd、Ni及Co的基因，革兰氏阳性和革兰氏阴性菌中含抗砷和锑的基因5. 重金属作用下微生物代谢产物的变化规律 重金属对胞外聚合物（EPS）的影响、对溶解性微生物产物（SMP）的影响微生物代谢产物主要分为胞外聚合物和溶解性微生物产物两类胞外聚合物的成分有微生物细胞分泌的粘液、荚膜、微生物的排泄物、代谢和水解产物、以及吸附的废水中的有机物等一般紧密附着在细胞壁上，可以形成保护层，预防细胞免遭恶劣环境影响，并且可以在细胞的饥饿期间为细胞提供部分碳源和能源[8]溶解性微生物产物是微生物在生长代谢过程中产生的中间代谢产物，此外还有部分消亡过程中产生的细胞产物和细胞碎片微生物代谢产物会对处理反应产生多方面影响胞外聚合物覆盖于细菌细胞壁外，由于其位置原因，其成分及数量会影响污泥的吸附性、生物絮凝性、沉降性能及脱水性能等特性，对活性污泥具有重要影响[2-6]。

而溶解性微生物产物会影响污泥活性，大量的溶解性微生物产物将抑制微生物生长，严重时甚至产生毒性胞外合物和溶解性微生物的共同作用下，会造成反应器中有机污染物浓度增加，引起污泥混合液特性恶化，加速膜反应器的膜污染此外，胞外聚合物和溶解性微生物产物对重金属离子有吸附及螯合作用，少量重金属离子可以被吸附固定但国内外研究大多只有相关定性分析，定量研究较少由于微生物系统中复杂的物质交流，使得微生物代谢产物在系统中自由流动，并受到所有微生物群落的共同影响[7]反应器中出现微量重金属离子时，微生物代谢产物的含量也势必会产生变化因此，研究不同种类重金属离子对微生物代谢产物含量的影响，探究其随时间变化的规律，进一步探索活性污泥对重金属离子的吸附螯合性具有重要的理论与现实意义 Kurek等[23]发现在细菌生长过程中释放的蛋白质能与溶液中溶解的Cd2+、Hg2+、Cu2+、Zn2+结合，形成不溶性沉淀而被去除，但只有当溶液中重金属含量较低时效果才较为显著Guibaud等[24]研究发现几种重金属分别可以与EPS络合，其中Cu2+与EPS的结合能力最强说明污泥絮体与EPS中存在与重金属吸附络合的结合位点，活性污泥对重金属的吸附功能主要由EPS的提供。

Duncan等[26]认为 SMP 是微生物在降解污染物时利用基质进行内源呼吸，或者环境发生变化时，为适应环境压力而产生的溶解性有机物，这种物质能够在不破坏菌体细胞的情况下与微生物分离，微生物的细胞在失去该物质后仍能存活 细胞正常生长增殖和新陈代谢都会产生SMP研究者普遍认为，当微生物遭遇环境变化时，如温度降低、营养物质缺乏、渗透压变化、有毒物质影响等，微生物都会生成SMP抵御环境影响活性污泥法处理过程中，产生SMP的途径主要有以下几种[30]： 缓解环境压力：微生物在面临如温度变化、渗透压的冲击和毒性物质的加入等环境压力时，会产生大量SMPSMP还能够螯合一定量的重金属离子SMP中包含大量螯合官能团，如羧酸盐、羟基、氢硫基和氨基等，这些螯合官能团能够与水中的金属元素螯合，使重金属元素引发的毒性得到抑制6. 对细胞内Cr含量与呼吸熵、EPS含量等的相关性关系，分析EBS含重金属量7. 胞外聚合物EPS的积极防御机制（1）胞外吸附和络合机制（2）草酸盐微沉淀机制 金属螯合剂；在环境中存在重金属离子等干扰情况下,真菌EPS 中的草酸会与重金属发生微沉淀作用,将重金属离子螯合成不溶性的草酸盐,从而将其从水溶液中分离出来,并降低重金属的生物毒害性,从而增大真菌微生物对重金属的耐受性。

3）胞外重金属还原机制 EPS中的蛋白质在生物还原作用中起着重要作用在水环境中,真菌EPS 首先通过多糖等粘性物质吸附环境中的重金属离子,通过活性官能团利用化学键络合重金属离子,使其固定在菌丝体表面,然后通过还原性酶或糖类还原重金属离子成纳米级重金属颗粒研究在重金属废水中,真菌EPS 对重金属的积极防御机制、参与积极防御的真菌DNA基因及其相应的基因调控机制8. 傅里叶变换红外光谱分析 反应后的菌体与反应前的原始菌体红外光谱图对照未出现明显的新吸收峰．说明复合菌的降解作用和吸附作用并不会破坏细胞本身的结构，也不会引起胞外分泌物以及胞内物质组成的明显差别。