＊劉振洋 金琳 安強*

（1.重慶長壽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)開發(fā)投資集團(tuán)有限公司 重慶 404100 2.重慶大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院 重慶 400045）

隨著工業(yè)發(fā)展，錳元素的應(yīng)用越來越廣泛。錳及其化合物作為化學(xué)、輕工、建材和其他行業(yè)的關(guān)鍵原材料，是土壤和地下水中的常見污染物。在錳的化合物中，錳的價態(tài)越低，毒性越大?，F(xiàn)如今，與物理化學(xué)方法相比，微生物氧化除錳技術(shù)在效果、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性方面具有更大的優(yōu)勢。研究表明，微生物作用除錳主要是通過把Mn(Ⅱ)氧化成Mn(Ⅲ)或者M(jìn)n(Ⅳ)形成錳氧化沉淀達(dá)到去除水體中Mn(Ⅱ)污染的效果。本文對前期已分離的錳氧化細(xì)菌種類、作用機制及實際應(yīng)用進(jìn)行了綜述，為更好地開展錳污染水體生物修復(fù)治理提供參考。

1.錳氧化細(xì)菌分類

能夠?qū)n(Ⅱ)氧化成錳氧化物的微生物叫做錳氧化微生物，其在系統(tǒng)發(fā)育上呈現(xiàn)多樣性，種類包括真菌、細(xì)菌和藻類，但從未在古細(xì)菌域中發(fā)現(xiàn)。目前鑒定出來的具有Mn(Ⅱ)氧化作用的真菌有擔(dān)子菌門和子囊菌門。除真菌之外，藻類也具有氧化錳的能力，以前的研究主要表明藻類是通過生長過程中光合作用使微環(huán)境pH升高從而導(dǎo)致了錳的非生物氧化沉淀。而最近的一項研究發(fā)現(xiàn)一些藻類可以通過可溶性細(xì)胞外蛋白產(chǎn)生的氧自由基超氧化物氧化Mn(Ⅱ)。

與真菌和藻類相比，錳氧化細(xì)菌在錳氧化微生物中占主導(dǎo)地位。錳氧化細(xì)菌參與錳的循環(huán)，主要是通過把Mn(Ⅱ)氧化成Mn(Ⅲ)或者M(jìn)n(Ⅳ)從而形成錳氧化沉淀，達(dá)到去除水體中Mn2+污染的效果。錳氧化細(xì)菌分布廣泛，到目前為止，已經(jīng)從環(huán)境中分離出數(shù)百種錳氧化細(xì)菌。

2.錳氧化細(xì)菌氧化機制分析

錳的生物氧化包括吸附和氧化兩個過程。具體過程為游離的Mn(Ⅱ)被吸附在細(xì)胞表面，然后進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部被氧化，具體存在形態(tài)有細(xì)胞外吸附錳、細(xì)胞內(nèi)吸附錳以及生物氧化錳。有相關(guān)研究表明相比細(xì)胞內(nèi)去除錳，細(xì)胞外吸附占主導(dǎo)位。在菌株生長的遲緩期，細(xì)菌對環(huán)境變化反應(yīng)敏感，尚未適應(yīng)錳存在的環(huán)境，細(xì)菌生長以及錳氧化效率都比較低，主要是通過細(xì)胞自身的吸附作用去除錳。在菌株生長的對數(shù)期和穩(wěn)定期，這一階段細(xì)菌適應(yīng)了環(huán)境，數(shù)量大大增加，吸附作用增強。同時，細(xì)菌具備了氧化錳的能力，氧化錳效率逐漸增強。直到細(xì)胞吸附錳逐漸達(dá)到飽和至穩(wěn)定。萬文結(jié)等人對錳氧化過程氧化活性因子進(jìn)行定位發(fā)現(xiàn)細(xì)胞裂解液相比菌液、菌體和上清液氧化活性最低，活性因子在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生釋放到環(huán)境中，主要在細(xì)胞表面以及外環(huán)境中參與Mn2+的氧化。

微生物介導(dǎo)錳氧化作用的發(fā)生往往存在直接和間接作用。在菌株生長過程中，細(xì)菌的新陳代謝導(dǎo)致pH、氧化還原電位以及自由基和活性氧含量發(fā)生了變化，從而改變了氧化還原環(huán)境，對Mn2+氧化起到了間接作用。而微生物對錳氧化的直接效應(yīng)主要體現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)代謝和細(xì)胞壁上的蛋白質(zhì)、多糖或其他大分子物質(zhì)對Mn(Ⅱ)的富集、鍵合和吸附。以及向細(xì)胞外分泌的錳氧化酶催化Mn(Ⅱ)向Mn(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)的高價態(tài)轉(zhuǎn)化。

3.環(huán)境因子對錳氧化細(xì)菌的影響

在微生物氧化錳的過程中，pH、溫度和共存重金屬離子等環(huán)境因子會對細(xì)菌錳氧化性能產(chǎn)生較大的影響。

(1)pH的影響

在實際水體中，隨著廢水中錳及其他共存復(fù)雜污染物含量的不同，水體pH值變化差異較大，是生物除錳應(yīng)用的水廠中系統(tǒng)運行的重要參數(shù)。圖1顯示了不同pH及氧化還原電位下環(huán)境中Mn氧化態(tài)穩(wěn)定性。pH值不僅影響錳的存在形態(tài)以及微生物的生長狀況，還會對錳氧化細(xì)菌的氧化活性產(chǎn)生一定的影響。例如Zhao研究的短桿菌MO1和MO2在pH值為8時氧化活性最強，并且pH在4～8范圍內(nèi)菌株的氧化錳活性隨著pH的升高而升高。同時在對照組實驗中添加緩沖溶液發(fā)現(xiàn)，緩沖溶液抑制了pH的上升，降低了錳氧化效率，從而進(jìn)一步證明了一定范圍內(nèi)pH值的上升促進(jìn)錳的氧化。據(jù)研究表明，Mn(Ⅱ)的氧化與細(xì)胞微環(huán)境中pH的變化和氧化還原電位有關(guān)。高pH值和氧氣有利于Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)的存在，促進(jìn)Mn(Ⅱ)向高價態(tài)轉(zhuǎn)化。相比低pH，中性和微堿性的環(huán)境下(pH7～9)有利于錳的氧化。不同pH下錳氧化酶對細(xì)菌錳氧化活性的調(diào)控效應(yīng)也不同，研究發(fā)現(xiàn)錳氧化酶的活性受pH值的劇烈影響，在中性或微堿性條件下發(fā)揮其最大的催化效應(yīng)。Su報道的錳氧化物酶CueO在7.6～8.2的pH范圍內(nèi)顯示出最佳活性，但是部分錳氧化細(xì)菌也能夠適應(yīng)酸性環(huán)境，在低pH下發(fā)生錳氧化作用。例如Denise M在2014年首次從低pH污染的前鈾礦中分離出兩株耐酸性的錳氧化細(xì)菌杜搟氏菌AB-14和鐵還原菌TB-2，都能夠在pH5.5的酸性環(huán)境下氧化Mn(Ⅱ)，有助于酸性富錳污染環(huán)境下的環(huán)境修復(fù)。

圖1 環(huán)境中Mn氧化態(tài)穩(wěn)定性

(2)溫度的影響

溫度對微生物的影響作用是顯著的，溫度過高或過低都會對細(xì)菌的生長活性產(chǎn)生不同程度的抑制。實際含錳廢水的溫度隨著一年四季而有不同的變化，探究溫度對錳氧化細(xì)菌的影響作用具有重要的意義。溫度對微生物氧化Mn(Ⅱ)的差異主要體現(xiàn)在溫度對錳氧化酶的影響。Ranjit在30～75℃監(jiān)測溫度對芽孢桿菌GZB的Mn(Ⅱ)氧化酶漆酶活性影響，發(fā)現(xiàn)55℃時有最大的Mn(Ⅱ)氧化酶活性。高溫下，錳氧化酶的活性迅速下降，65℃和75℃時只有36.17%±1.07%和28.48%±2.66%的錳氧化酶活性。盡管我們發(fā)現(xiàn)錳氧化酶的活性和穩(wěn)定性更加適應(yīng)中溫環(huán)境，但是部分錳氧化細(xì)菌在低溫下同樣具有錳氧化能力。例如Zhao從活性污泥中分離出的短芽孢桿菌在4℃低溫條件下能夠氧化Mn(Ⅱ)，這種嗜冷錳氧化細(xì)菌對受污染的低溫地下水處理具有潛在的應(yīng)用能力。

(3)共存重金屬離子的影響

在各類重金屬污染的廢水中不僅只存在單一污染物，常常伴隨著二元或者多種重金屬污染，導(dǎo)致水體水質(zhì)復(fù)雜。因此在微生物處理重金屬污染的水體時常常要考慮共存重金屬離子的影響。有研究學(xué)者測定了不同金屬離子(1-5mM)對漆酶（錳氧化酶）活性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在一定濃度(1mM)下，Cu2+和Zn2+的添加略微提高了錳氧化酶活性，而Fe2+和Ag+的添加大大降低了錳氧化酶活性。除了Cu2+其他重金屬離子濃度為5mM時均對酶活性產(chǎn)生一定的抑制作用。Su的研究也發(fā)現(xiàn)了Cu2+和Zn2+的存在對錳氧化酶活性的促進(jìn)作用，且Cu2+濃度在2mM以內(nèi)相關(guān)細(xì)菌錳氧化效率與銅離子濃度呈正相關(guān)。Cu2+是多銅氧化酶的重要輔助因子，一定程度上升高其水平可以促進(jìn)漆酶活性及錳氧化能力已被許多研究學(xué)者證實。

4.展望

（1）從發(fā)現(xiàn)、分離錳氧化細(xì)菌到實際工程中應(yīng)用是生物除錳技術(shù)的重大進(jìn)展。盡管在研究Mn(Ⅱ)氧化機制方面取得了較大的進(jìn)展，但是Mn(Ⅱ)氧化機理是復(fù)雜的，且生物錳氧化的關(guān)鍵因子錳氧化酶的天然表達(dá)水平低，活性不穩(wěn)定，對其功能和結(jié)構(gòu)研究困難，且與遺傳調(diào)控相關(guān)的過程尚不清楚。

（2）對適應(yīng)極端環(huán)境的錳氧化細(xì)菌研究相對較少，還需要進(jìn)行分離篩選更多特殊的錳氧化細(xì)菌豐富其信息庫，以此來應(yīng)對多種復(fù)雜化水體水質(zhì)的高效處理。