王澤煌王蒙蔡昆爭(zhēng)，2蔡一霞，2黃飛，2，3

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642；2. 農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 廣東省普通高等學(xué)校農(nóng)業(yè)生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

細(xì)菌對(duì)重金屬吸附和解毒機(jī)制的研究進(jìn)展

王澤煌1王蒙1蔡昆爭(zhēng)1，2蔡一霞1，2黃飛1，2，3

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642；2. 農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 廣東省普通高等學(xué)校農(nóng)業(yè)生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

隨著采礦、冶煉和電鍍等工業(yè)的不斷發(fā)展，重金屬對(duì)環(huán)境造成的污染也日益嚴(yán)重。近年來(lái)提出的微生物修復(fù)法，因其成本低和無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，用來(lái)去除環(huán)境中重金屬的微生物主要有真菌、藻類、放線菌及細(xì)菌等，其中細(xì)菌對(duì)重金屬的微生物吸附和解毒機(jī)制研究較為廣泛。將從細(xì)胞結(jié)構(gòu)的角度，即細(xì)菌細(xì)胞外部、細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)部等三方面概述重金屬脅迫下細(xì)菌的吸附和解毒機(jī)制研究進(jìn)展，主要內(nèi)容包括細(xì)胞外部的沉淀機(jī)制、細(xì)胞表面的吸附機(jī)制以及細(xì)胞內(nèi)部的解毒機(jī)制，并提出未來(lái)可能的發(fā)展方向，旨為重金屬污染的微生物修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

重金屬；細(xì)菌；吸附機(jī)制；解毒機(jī)制

近年來(lái)，重金屬污染事件頻發(fā)，如血鉛事件、鉻渣污染事件及鎘大米事件等［1］，對(duì)社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)給人類的健康帶來(lái)了潛在的危害。傳統(tǒng)的物理化學(xué)修復(fù)方法去除環(huán)境中的重金屬污染物花費(fèi)的費(fèi)用相對(duì)較高，容易造成二次污染等問(wèn)題［2］。與之比較，微生物修復(fù)方法在治理重金屬污染方面展現(xiàn)出其菌種的來(lái)源豐富、低成本、無(wú)二次污染等方面的優(yōu)勢(shì)，具有較大的應(yīng)用前景［3］。其

中，針對(duì)細(xì)菌的吸附和解毒機(jī)制研究較多，Huang等［4］研究表明細(xì)菌B.cereus RC-1對(duì)Cd2+的吸附由細(xì)胞表面吸附和內(nèi)部積累共同作用下完成的，表面吸附是被動(dòng)，快速且不消耗能量；內(nèi)部積累則是主動(dòng)緩慢，需要能量且依賴于細(xì)菌的代謝調(diào)控系統(tǒng)［5］。

細(xì)菌對(duì)重金屬的吸附解毒過(guò)程和機(jī)制是非常復(fù)雜的，往往是通過(guò)多種機(jī)制來(lái)共同對(duì)抗重金屬的毒害作用。本文從細(xì)胞結(jié)構(gòu)的角度，將整個(gè)吸附和解毒機(jī)制分三類：（1）細(xì)胞外部沉淀機(jī)制，通過(guò)分泌胞外物質(zhì)改變環(huán)境條件等使重金屬發(fā)生沉淀作用；（2）細(xì)胞表面吸附機(jī)制，通過(guò)各種作用將重金屬離子吸附固定在細(xì)胞表面，減少細(xì)胞內(nèi)部的吸收。這個(gè)過(guò)程涉及到絡(luò)合、配位、離子交換、無(wú)機(jī)微沉淀、氧化還原及靜電吸附等多種吸附機(jī)制［6］；（3）細(xì)胞內(nèi)部解毒機(jī)制，該過(guò)程較為復(fù)雜，涉及到重金屬的運(yùn)輸和解毒機(jī)制等［7］。Chakraborty等［8］研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌Pseudomonas aeruginosa JP-11對(duì)Cd進(jìn)行細(xì)胞表面吸附的同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)部的Cd抗性基因czcABC表達(dá)水平也顯著提高。

目前，用來(lái)研究重金屬微生物修復(fù)機(jī)制的主要有真菌、藻類、放線菌、細(xì)菌等。本文針對(duì)細(xì)菌對(duì)重金屬的吸附和解毒機(jī)制，從細(xì)胞外部、細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)部等三方面概述其相關(guān)研究的進(jìn)展，并探討進(jìn)一步可能發(fā)展的方向。

1 細(xì)胞外部沉淀機(jī)制

細(xì)胞外部沉淀機(jī)制，本文指微生物通過(guò)分泌某些物質(zhì)釋放到環(huán)境中，通過(guò)改變環(huán)境的條件等使重金屬離子發(fā)生沉淀作用，從而減少重金屬離子對(duì)微生物的毒害作用。它與細(xì)胞表面吸附機(jī)制不同之處是發(fā)生在外界環(huán)境中。例如，環(huán)境中的某些細(xì)菌，如Bacillus brevis和Pseudomonas sp.，在重金屬脅迫下，通過(guò)釋放多糖、脂類、蛋白質(zhì)等胞外分泌物來(lái)沉淀重金屬離子［9］。如硫酸鹽還原菌CL4通過(guò)釋放甘油使鋅發(fā)生沉淀，Acidithiobacillus ferrooxidans分泌硫化氫來(lái)沉淀銅［10］。有研究指出，胞外多糖被細(xì)菌分泌到溶液中后，可以與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用［11］。如Pseudomonas fluorescens BM07分泌的生物高分子可以通過(guò)羥基、羧基等官能團(tuán)使Hg、Cd、Zn等重金屬離子發(fā)生沉淀［12］。此外，一些細(xì)菌則是通過(guò)釋放胞外分泌物來(lái)提高環(huán)境的pH，從而促進(jìn)重金屬離子形成氫氧化物沉淀［13］。如Streptococcus sp.通過(guò)分泌脂肪分解酵素來(lái)提高溶液pH，使重金屬離子發(fā)生絮凝沉淀，從而大大降低重金屬離子對(duì)它的毒害［14］。由此可見(jiàn)，細(xì)胞外部吸附機(jī)制是細(xì)菌去除環(huán)境中重金屬離子的常見(jiàn)機(jī)制之一。

2 細(xì)胞表面吸附機(jī)制

針對(duì)細(xì)菌對(duì)重金屬的吸附機(jī)制，大多數(shù)研究集中在細(xì)胞表面。重金屬離子通過(guò)與細(xì)菌表面某些物質(zhì)發(fā)生作用，尤其是與細(xì)胞壁組分和胞外聚合物，最終被固定在細(xì)胞表面。該過(guò)程涉及到的機(jī)制主要包括離子交換、表面絡(luò)合、氧化還原、無(wú)機(jī)微沉淀和靜電作用等。

2.1 離子交換機(jī)制

離子交換機(jī)制指微生物細(xì)胞表面含有的一些離子與環(huán)境中重金屬離子發(fā)生交換作用，從而吸附固定重金屬離子［15］。李輝等［16］、劉瑞霞等［17］研究發(fā)現(xiàn)Bacillus cereus、Micrococcus luteus對(duì)Cd（II）和Cu（II）吸附過(guò)程中，伴隨著K+、Ca2+、Na+和Mg2+等陽(yáng)離子的大量釋放，表明離子交換作用促進(jìn)了這兩種細(xì)菌對(duì)Cd和Cu的吸附固定；Ye等［15］發(fā)現(xiàn)細(xì)菌Stenotrophomonas maltophilia對(duì)Cu（II）進(jìn)行生物積累的同時(shí)，伴隨著K+、Mg2+和Ca2+的釋放。嗜麥芽窄食單胞菌在吸附Cu（II）和Cd（II）的同時(shí)，伴隨著Cl-、PO43-、SO42-、Na+、NH4+、K+和Ca2+等離子釋放［18］。以上這些研究表明，離子交換機(jī)制是細(xì)菌表面吸附主要機(jī)制之一（圖1），其中有些離子，如 K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、PO3-、SO2-和 NH+444等在細(xì)菌吸附重金屬的過(guò)程中起到了一定的作用。

2.2 表面絡(luò)合機(jī)制

重金屬離子與微生物表面蛋白質(zhì)、多糖、脂類等物質(zhì)上的化學(xué)基團(tuán)（如羧基、羥基、磷酰基、酰胺基、硫酸脂基、氨基和巰基等）相互作用，形成金屬絡(luò)合物，被吸附固定在細(xì)胞表面［19］。劉紅娟等［20］探討蠟狀芽孢桿菌RC積累Cd（II）前后細(xì)胞壁表面化學(xué)基團(tuán)的變化情況發(fā)現(xiàn)，RC的細(xì)胞壁上參與絡(luò)合作用的化學(xué)官能團(tuán)主要有-OH、-NH、-CO和-COOH。Bahari等［21］用蠟狀芽孢桿菌SZ2對(duì)As（III）進(jìn)行吸附固定的實(shí)驗(yàn)，則發(fā)現(xiàn)只有-OH和-NH

參與了As（III）的生物吸附過(guò)程。此外，不同的細(xì)菌吸附不同的重金屬參與絡(luò)合的官能團(tuán)不盡相同。楊洲平等［22］在粗毛栓菌吸附Pb（II）過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)起吸附作用的官能團(tuán)主要是-OH、-COOH、-SH和-PO4。Joo等［23］發(fā)現(xiàn)綠膿假單胞菌ASU 6a參與Zn（II）的生物吸附的官能團(tuán)主要是-OH、-NH、-CO和-COOH。而B(niǎo)ai等［24］則發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌DBM細(xì)胞表面的-OH、-NH、-CO、-COOH和-PO4與Pb（II）發(fā)生絡(luò)合作用。這些研究表明，-OH、-NH、-CO、-COOH、-SH和-PO4等細(xì)胞表面官能團(tuán)在細(xì)菌吸附重金屬的過(guò)程中起到了重要作用。

圖1 離子交換機(jī)制

2.3 氧化還原機(jī)制

氧化還原機(jī)制主要發(fā)生在一些多價(jià)態(tài)的重金屬離子上。重金屬脅迫下細(xì)菌對(duì)外界做出反應(yīng)，如分泌一些氧化還原酶等，使重金屬離子從高毒轉(zhuǎn)化為低毒的價(jià)態(tài)并固定在細(xì)胞表面，從而保護(hù)自身，維持細(xì)胞正常的生理代謝［25］。如惡臭芽孢桿菌通過(guò)分泌Cr-還原酶到細(xì)胞表面，將細(xì)胞表面高毒性的Cr（VI）還原為低毒性的Cr（III）［26］。有研究指出錳還原細(xì)菌可以將Mn4+還原成為Mn3+等，并固定在細(xì)胞表面，從而降低重金屬對(duì)菌體的毒害。此外，Valenzuela等［25］和Fan等［27］從高砷污染河流的沉積物中分離出砷氧化菌，并發(fā)現(xiàn)這些菌株能將細(xì)胞表面的As（III）氧化為更加穩(wěn)定的As（V）。以上研究表明，在面對(duì)Cr、Mn和As等多價(jià)態(tài)重金屬的脅迫下，細(xì)菌往往會(huì)通過(guò)氧化還原機(jī)制來(lái)緩解重金屬的毒害作用。

2.4 無(wú)機(jī)微沉淀機(jī)制

無(wú)機(jī)微沉淀機(jī)制主要指微生物使重金屬離子形成無(wú)機(jī)晶體沉淀，并積累在其細(xì)胞表面上，從而吸附固定重金屬［28］。劉瑞霞等［14］研究Micrococcus luteus吸附Cu（II）過(guò)程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液pH值較高時(shí)，Cu2+會(huì)形成氫氧化物微沉淀沉積在細(xì)胞表面。Li等［28］發(fā)現(xiàn)Bacillus cereus細(xì)胞壁上的生物聚合物和銀離子發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)作用，使重金屬以晶體微沉淀的方式存在于細(xì)胞表面。進(jìn)一步來(lái)講，Bai等［24］通過(guò)X射線衍射分析確定了Bacillus subtilis DBM對(duì)Pb（II）的生物吸附過(guò)程中細(xì)胞表面形成了Pb5（PO4）3OH、Pb5（PO4）3Cl和Pb10（PO4）6（OH）2等晶體微沉淀。由此可見(jiàn)，無(wú)機(jī)微沉淀機(jī)制在細(xì)菌細(xì)胞表面吸附固定重金屬的過(guò)程中扮演著重要角色。

值得注意的是，靜電作用也是細(xì)胞表面吸附機(jī)制之一。李輝等［13］研究蠟狀芽孢桿菌SY對(duì)Cd的吸附過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，靜電吸附對(duì)Cd的固定起到了一定的作用。同樣，Shan等［29］發(fā)現(xiàn)Bacillus subtilis通過(guò)靜電作用吸附Cu、La等重金屬。

3 細(xì)胞內(nèi)部解毒機(jī)制

細(xì)菌表面在吸附固定重金屬的同時(shí)，有一部分重金屬通過(guò)離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)，為了使自身不受重金屬離子的毒害，細(xì)菌需要能量和新陳代謝系統(tǒng)的調(diào)控。該過(guò)程主要分為兩部分，第一部分是重金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)，即排至細(xì)胞外；第二部分是內(nèi)部固定轉(zhuǎn)化作用。目前認(rèn)為的內(nèi)部解毒機(jī)制主要有：促進(jìn)重金屬離子外流即外排作用；阻止重金屬離子內(nèi)流；重金屬的轉(zhuǎn)化作用；細(xì)胞內(nèi)部的隔離作用（區(qū)域化作用）等［30-32］。這些機(jī)制的主要作用方式有外排泵、還原成低毒價(jià)態(tài)、結(jié)合金屬整合肽、金屬硫蛋白等沉積在內(nèi)部特定位置等。另外，較之細(xì)胞外部和表面吸附機(jī)制，胞內(nèi)機(jī)制尤為復(fù)雜，研究還不夠深入，需要進(jìn)一步探討。

3.1 細(xì)菌對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)

細(xì)菌需要通過(guò)減少運(yùn)輸、阻滲作用或外排機(jī)制來(lái)抵抗重金屬的毒害，最有效的方法之一就是將重金屬離子外排至細(xì)胞外。細(xì)菌中存在許多與金屬離子運(yùn)輸有關(guān)的蛋白家族，它們大多位于細(xì)胞膜上，起著離子泵的作用［33］。如銅綠假單胞菌（Pseudo-

monas aerugionsa）就是通過(guò)外排泵系統(tǒng)RND超家族（MexAB-OprM、MexCD-OprJ和MexEF-OprN等）將Ni、Mn等重金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞表面［34，35］。另外，某些細(xì)菌的鋅抗性基因編碼蛋白-ABC（ATP binding cassette）蛋白家族通過(guò)依賴能量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋅的外排［30］。同樣，Antje等［36］研究發(fā)現(xiàn)有Zn（Ⅱ）存在時(shí)，菌體其中一個(gè)編碼外排泵的基因CzcCBA的表達(dá)水平顯著升高，并主動(dòng)做出生理代謝反應(yīng)，促使Zn的外排。而且，有的外排系統(tǒng)是ATP酶，如Mycobacterium的Cu抗性基因Ctp A編碼的P型ATP酶起到Cu2+通道的作用，將過(guò)高濃度的Cu2+排出細(xì)胞外［37］。此外，還有Proteus mirabilis strain V7編碼谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶的基因gstPm-4在Cd2+、Cu2+、Hg2+和 Pb2+存在的情況下表達(dá)水平上升［38］，惡臭假單胞菌Zn（Ⅱ）抗性基因CD2 P型ATP酶基因CadA1在高濃度Zn2+下表達(dá)水平也上升，均參與重金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)［39］。

3.2 細(xì)菌對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)化作用

在細(xì)胞內(nèi)部，細(xì)菌可以通過(guò)氧化還原、甲基化等作用使某些多價(jià)態(tài)重金屬離子從高毒性轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物，從而達(dá)到解毒效果［40］。有研究表明，Staphylococcus和Bacillus cereus Pj1有Hg抗性基因merA，該基因編碼的汞抗性蛋白merA能將有毒性的Hg2+還原為Hg，再利用Hg本身的揮發(fā)性從細(xì)胞內(nèi)部釋放到體外［31，41］。Enterobacter sp. DU17有Cr（VI）還原酶基因，在Cr（VI）的脅迫下能編碼產(chǎn)生Cr抗性蛋白，一種Cr（VI）還原酶，將高毒性的Cr（VI）還原為低毒性的Cr（III）［42］。此外，某些自養(yǎng)細(xì)菌，如硫鐵桿菌類，則通過(guò)氧化作用使Fe2+、As5+和Mo4+等重金屬離子活性降低［43］。有研究發(fā)現(xiàn)，Azospirillum sp.的砷抗性基因aioA能編碼砷氧化酶，將高毒性的As（III）氧化成低毒性的As（V）［44］；銻氧化菌Comamonas sp. S44可以將細(xì)胞內(nèi)高毒Sb（III）氧化成低毒Sb（V）［45］。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)假單胞菌屬能使許多重金屬離子發(fā)生甲基化反應(yīng)，從而將金屬離子毒性大大降低，如硒的甲基化產(chǎn)物毒性大大減弱［26］。以上研究表明，細(xì)菌能對(duì)一些重金屬離子，如Hg、As、Sb和Mo等，進(jìn)行內(nèi)部轉(zhuǎn)化作用，從而達(dá)到自身解毒作用。

3.3 細(xì)菌對(duì)重金屬的區(qū)域化作用

除了通過(guò)對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)及轉(zhuǎn)化作用，細(xì)菌還能通過(guò)代謝某些蛋白，如金屬硫蛋白和金屬整合肽等，直接與重金屬離子作用，并封存在細(xì)胞內(nèi)部，即區(qū)域化作用，從而達(dá)到解毒作用［46］。有研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌的金屬硫蛋白（metallothionein）富含半膚氨酸，能夠絡(luò)合銅、鋅等重金屬，并通過(guò)區(qū)域化作用將這些重金屬螯合物封存在細(xì)胞內(nèi)的不同部位，從而使自身免受重金屬的毒害［47］。還有研究表明腸道菌S. enferica通過(guò)金屬整合肽（CopA、CueO和CueP）將胞質(zhì)內(nèi)過(guò)量的Cu2+封存起來(lái)［32］。E.coli受高濃度Cu2+脅迫時(shí)，細(xì)胞基質(zhì)中過(guò)量的Cu2+主要是與大分子蛋白形成復(fù)合物CusCBA，被固定在細(xì)胞內(nèi)［48］?？梢?jiàn)，區(qū)域化作用是細(xì)菌內(nèi)部重要的解毒機(jī)制之一。

4 展望

細(xì)菌作為一種生命體，因其細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得在研究它的重金屬生物吸附和解毒機(jī)制時(shí)需要從不同層次和角度來(lái)探討。雖然本文將細(xì)菌的吸附機(jī)制分為三類來(lái)概述，即細(xì)胞外部、細(xì)胞表面、細(xì)胞內(nèi)部（圖2）。但是必須指出的是，這三類機(jī)制并非獨(dú)立的，而是相互聯(lián)系且共同作用于細(xì)胞生命體的。因此，開(kāi)展相關(guān)研究時(shí)，需全面考慮，才能系統(tǒng)地揭示其機(jī)制。

圖2 細(xì)菌對(duì)重金屬的吸附和解毒機(jī)制

人們對(duì)細(xì)胞外部沉淀和表面吸附機(jī)制研究較為廣泛，而對(duì)重金屬脅迫下細(xì)菌胞內(nèi)生理生化反應(yīng)及新陳代謝調(diào)控機(jī)制的研究尚不多見(jiàn)，了解還不夠深

入。另一方面，細(xì)菌種類繁多，不同菌種的內(nèi)部解毒機(jī)制也不盡相同，還未形成一套完整的抗性機(jī)制體系。因此，需要進(jìn)一步從分子的角度探討重金屬脅迫下細(xì)菌的生存策略，弄清楚細(xì)菌解毒過(guò)程中關(guān)鍵性的基因和蛋白質(zhì)，以及它們的功能作用。

此外，微生物吸附和解毒機(jī)制的研究基本上都是基于單一重金屬離子存在下的情況，現(xiàn)實(shí)中往往是多種重金屬共存的環(huán)境，意味著需要進(jìn)一步探討在多種重金屬離子共存的情況下，細(xì)菌對(duì)重金屬的吸附和解毒機(jī)制，以便更有效地指導(dǎo)實(shí)際環(huán)境中重金屬污染的修復(fù)應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Research Advances on Biosorption and Detoxification Mechanisms of Heavy Metals by Bacteria

WANG Ze-huang1WANG Meng1CAI Kun-zheng1，2CAI Yi-xia1，2HUANG Fei1，2，3
（1. College of Natural Resources and Environment，South China Agricultural University，Guangzhou 510642；2. Key Laboratory of Tropical Agro-Environment，Ministry of Agriculture，South China Agricultural University，Guangzhou 510642；3. Key Laboratory of Agro-ecology and Rural Environment of Guangdong Regular Higher Education Institutions，South China Agricultural University，Guangzhou 510642）

With the continuous development of mining，smelting and electroplating industries，heavy metals pollutions to the environment are increasingly serious. In recent years，microbial remediation arouses the extensive attentions because of its advantages of low cost and no secondary pollution. The main microorganisms used to remove heavy metals include fungi，algae，actinomyces and bacteria；among them，the biosorption and detoxification mechanisms of bacteria are more widely studied. This paper summaries the research advances on biosorption and detoxification mechanisms of heavy metals by bacteria from the aspects of bacterial cell’s structure，i.e.，the extracellular part，the cell surface and intracellular part，which mainly includes extracellular precipitation mechanisms，biosorption mechanisms on cell surface and intracellular detoxification mechanisms. Furthermore，the paper puts forward the feasible direction of future research，and provides theoretical basis and practical

for the microbial remediation of heavy metals pollution.

heavy metals；bacteria；biosorption mechanisms；detoxification mechanisms

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.12.003

2016-04-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41501338），廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014A030310320），廣東省教育廳科研項(xiàng)目（2013CXZDA007）

王澤煌，男，碩士研究生，研究方向：重金屬微生物修復(fù)；E-mail：terrywzh2005@qq.com

黃飛，男，博士，研究方向：環(huán)境工程；E-mail：feihuang@scau.edu.cn