微生物與重金屬之間的相互關(guān)系

微生物與重金屬之間的相互關(guān)系報(bào)告人：主要內(nèi)容

1.微生物的定義及其分類

2.微生物對(duì)重金屬活性的影響

3.重金屬脅迫條件下對(duì)微生物多樣性的影響

4.目前研究中存在的問(wèn)題

5.該領(lǐng)域研究采用的新技術(shù)

6.結(jié)語(yǔ)

一、什么是微生物？微生物非細(xì)胞性微生物原核細(xì)胞型微生物真核細(xì)胞型微生物1.病源微生物八大類立克次體衣原體支原體螺旋體放線菌病毒真菌細(xì)菌微生物

H5N1禽流感病毒非細(xì)胞型微生物2.三大類型的特點(diǎn)1.無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，體積最微小，能通過(guò)細(xì)菌濾器；2.由單一核（DNA或RNA）和蛋白質(zhì)外殼組成；3.必須寄生在活的易感細(xì)胞內(nèi)生長(zhǎng)繁殖。2.原核細(xì)胞型微生物1.僅有原始核，無(wú)核膜、無(wú)核仁，染色體僅為單個(gè)；2.缺乏完整的細(xì)胞器。腸道細(xì)菌放線菌3.真核細(xì)胞型微生物1.細(xì)胞核分化程度較高，有典型的核結(jié)構(gòu)（有核膜、核仁、多個(gè)染色體，由DNA和組蛋白組成）；2.通過(guò)有絲分裂進(jìn)行繁殖；3.胞漿內(nèi)有多種完整的細(xì)胞器。真菌二、微生物對(duì)重金屬活性的影響

微生物對(duì)重金屬活性的影響主要是通過(guò)微生物對(duì)重金屬的吸附、遷移及轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1.微生物對(duì)重金屬的吸附：主要從下列三方面來(lái)研究

吸附機(jī)理；

吸附方式；

影響吸附量多少的因素。

吸附機(jī)理活細(xì)胞吸附死細(xì)胞吸附如革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌（細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)）真菌的細(xì)胞壁（成分）離子泵、載體協(xié)助、脂類過(guò)度氧化和復(fù)合物滲透PH、溫度適宜的條件下具有較高的吸附量革蘭氏染色類型細(xì)胞壁厚度細(xì)胞壁化學(xué)組合細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中功能團(tuán)

菌毛革蘭氏陽(yáng)性菌20-80nm90%肽聚糖、10%磷壁酸，不含或很少含脂多糖表面功能團(tuán)豐富如羧基、羥基、磷酸基等，等電點(diǎn)各異

很少有革蘭氏陰性菌15-20nm肽聚糖站細(xì)胞壁的10%，不含磷壁酸

同上細(xì)胞表面長(zhǎng)有菌毛成分為菌毛蛋白，疏水性沈萍主編.微生物學(xué)[M],北京：高等教育出版社，2000目前常用于吸附重金屬離子的微生物數(shù)量眾多（表1）

孫嘉龍，李梅，曾德華.微生物對(duì)重金屬的吸附、轉(zhuǎn)化作用.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（5）；147~150孫嘉龍，李梅，曾德華.微生物對(duì)重金屬的吸附、轉(zhuǎn)化作用.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（5）；147~150靜電吸附表面絡(luò)合離子交換吸附重金屬細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)離子與溶液中離子（正負(fù)電荷吸附）吸附方式兩大主要因素:pH、溫度注意：如果是培養(yǎng)微生物

菌種的選取，溶液的配制，試驗(yàn)方法的應(yīng)用，培養(yǎng)時(shí)間的長(zhǎng)短，吸附方法的采取，堿處理的過(guò)程都會(huì)使培養(yǎng)基中的碳氮比、pH、溫度產(chǎn)生變化，從而影響培養(yǎng)基中微生物對(duì)重金屬的吸附效果。

如下表是關(guān)于培養(yǎng)基中pH、溫度等對(duì)重金屬吸附效果的分析影響微生物吸附作用的重要因素李清彪,吳涓,楊宏泉,等.白腐真菌菌絲球形成的物化條件及其對(duì)鉛的吸附[J].環(huán)境科學(xué),1999,20(1):34239·PH值的影響如白腐真菌(Phanerochaetechrysosporium)吸附Pb2+的研究表明，28℃和35℃時(shí)的吸附率分別為95.62%和94.81%，但40℃時(shí)的吸附率降為82.49%。溫度的影響注意的是：在適宜菌體生長(zhǎng)的溫度范圍內(nèi)，溫度對(duì)微生物吸附重金屬效率的影響不大。

如康春莉等發(fā)現(xiàn)在溫度低于30℃時(shí)，溫度對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附?jīng)]有影響；當(dāng)溫度高30℃時(shí)，吸附量略有下降，這肯能是因?yàn)闇囟冗^(guò)高影響了胞外絡(luò)合物的活性導(dǎo)致的。

當(dāng)溶液中存在其他金屬離子時(shí)，這些共存離子與主要離子競(jìng)爭(zhēng)細(xì)胞上有限的帶負(fù)電荷的基團(tuán)，一般都會(huì)抑制主要金屬離子的吸收，從而導(dǎo)致主要金屬離子的吸附量的減少。

其它因素的影響:

如周東琴等研究用Cu2+，Pb2+和Hg2+3種離子對(duì)溝戈登氏菌(Gordonaamarae)進(jìn)行誘導(dǎo)培養(yǎng)如圖所示：

圖表4、7李清彪,吳涓,楊宏泉,等.白腐真菌菌絲球形成的物化條件及其對(duì)鉛的吸附[J].環(huán)境科學(xué),1999,20(1):34239·

從中可以得出若對(duì)微生物吸附劑進(jìn)行一些物理、化學(xué)的預(yù)處理(如用酸、堿浸泡或加熱等方法)，可以不同程度改變其吸附能力。土壤中微生物對(duì)重金屬的遷移轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制

1.通過(guò)烷基化、去烷基化、氧化、還原、配位和沉淀作用轉(zhuǎn)化重金屬，并影響它們的遷移能力和生物有效性2.能大量富集幾乎所有的重金屬，并通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，參與生物體內(nèi)的代謝過(guò)程

重金屬可與土壤中的有機(jī)配位體發(fā)生配合作用，影響著土壤中重金屬離子的遷移活性。

----腐殖質(zhì)中的富里酸與重金屬離子形成的螯合物，溶解度較大，易于在土壤中遷移。

----腐殖質(zhì)中的腐殖酸與重金屬形成的螯合物溶解度小，不易在土壤中遷移。土壤中微生物對(duì)重金屬的遷移轉(zhuǎn)化

pH值↑→重金屬離子的溶解度↓→遷移能力↓

土壤的氧化還原狀況影響重金屬的存在形態(tài)，使其溶解度發(fā)生變化，從而影響重金屬在土壤中的遷移。重金屬化合物的溶解度越高→遷移能力越強(qiáng)？

微生物通過(guò)三種方式影響重金屬的遷移轉(zhuǎn)化:

1.主動(dòng)與被動(dòng)的堆積、在其體內(nèi)富集；

2.通過(guò)微生物的金屬轉(zhuǎn)化作用使重金屬的形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化；

3.通過(guò)影響重金屬的活性，實(shí)現(xiàn)不同金屬離子間的形態(tài)轉(zhuǎn)化。

微生物對(duì)重金屬遷移轉(zhuǎn)化的方式

如有些微生物可把難溶性的Pu4+還原成可溶性的Pu3+，把Hg2+還原成揮發(fā)性的Hg，鐵錳氧化物的還原也可把吸附在難溶性Fe3+、Mn4+氧化物上的重金屬釋放出來(lái)。

菌根是土壤中的真菌菌絲與高等植物營(yíng)養(yǎng)根系形成的一種聯(lián)合體，具有很強(qiáng)的酸溶和酶解能力，菌根根際分泌物及根際提供的微生態(tài)使菌根根際維持較高的微生物種群密度和生理活性，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。菌根真菌對(duì)重金屬的影響1）菌根真菌通過(guò)分泌特殊的分泌物等形式改變植物根際環(huán)境，改變重金屬的存在狀態(tài)，降低重金屬毒性；2)菌根真菌能影響菌根植物對(duì)重金屬的積累和分配，使菌根植物體內(nèi)重金屬積累量增加，提高植物的富集效果3）菌根真菌向宿主植物傳遞營(yíng)養(yǎng)，使植物幼苗成活率提高，宿主植物抗逆性增強(qiáng)、生長(zhǎng)加快，間接地促進(jìn)植物對(duì)重金屬的修復(fù)作用。菌根的形成也同時(shí)影響植物根際微生物的種類和數(shù)量。值得注意的是：

一般認(rèn)為，重金屬污染土壤中的土著菌根真菌耐受重金屬能力較強(qiáng)，植物與菌根真菌生物修復(fù)的關(guān)鍵在于篩選有較強(qiáng)降解能力的菌根真菌和適宜的共生植物，使兩者能相互匹配形成有效的菌根。三、重金屬脅迫下對(duì)微生物多樣性的影響

植物根系在重金屬的脅迫下，可導(dǎo)致分泌物的大量釋放可溶性分泌物，如有機(jī)酸、氨基酸、單糖等，可通過(guò)螫合作用和還原作用，或通過(guò)改變根系區(qū)域的pH值和氧化還原狀況，增加重金屬的溶解性和移動(dòng)性；不溶性分泌物，如多糖、揮發(fā)性化合物，脫落的細(xì)胞組織等則在抵御重金屬的毒害作用中起著重要的作用。

1.重金屬污染對(duì)微生物群落多樣性的影響

微生物可以影響重金屬的活性，同樣重金屬在短時(shí)期內(nèi)可以降低微生物的活性，污染嚴(yán)重時(shí)還會(huì)降低微生物的生物數(shù)量。如圖所示分析模型1和模型2：

2.土壤重金屬污染對(duì)微生物功能多樣性的影響（1）影響微生物對(duì)碳源的利用；

（2）降低了微生物的代謝效率；

（3）通過(guò)16SrDNA-DGGE分析重金屬影響微生物的生理結(jié)構(gòu)，但是沒(méi)有對(duì)其遺傳多樣性構(gòu)成顯著影響；

（4）隨著重金屬污染程度的增加，細(xì)菌群落的代謝多樣性也逐漸降低。16SrDNA-DGGE技術(shù)基本路線一樣品總DNA的提?。?實(shí)驗(yàn)器材：玻璃器材，鋁蓋，1.5mL離心管，螺口管，鋯珠，攪拌器，4℃離心機(jī)。實(shí)驗(yàn)試劑：PBS（0.05M，pH=7），水飽和酚，TE飽和酚，TN150，TE緩沖液，TAE緩沖液，NaAc(pH=5.2),氯仿/異戊醇（24：1）（V/V），96%冷乙醇，70%冷乙醇。3實(shí)驗(yàn)操作：細(xì)胞分裂、提取DNA二、DNA的檢測(cè)—瓊脂糖凝膠電泳1試劑和器材：電泳緩沖液（1*TAE），溴乙錠（EB）染色貯存液（1mg/mL）,0.25%溴酚蘭，瓊脂糖，雙蒸水。電泳儀，水平電泳槽，透射紫外燈，膠帶紙。2.實(shí)驗(yàn)操作：1.2%瓊脂糖凝膠的制備、點(diǎn)樣、電泳

、觀察三、16srDNA片段擴(kuò)增1細(xì)菌通用引物：EUB-968Gcfor：5′CGCCCGGGGCGCGCCCCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGGAACGCGAAGAACCTTAC3′EUB-L1401rev：5′CGGTGTGTACAAGACCC3

′2

反應(yīng)體系：反應(yīng)液組成:

單個(gè)樣品量、

MQ、dNTP、MgCl2、PCR緩沖液、引物968Gcfor、引物L(fēng)1401rev、TaqDNA聚合酶、樣品DNA3、反應(yīng)條件：

1、摸板熱變性5min94℃2、摸板熱變性10s94℃56℃35個(gè)循環(huán)68℃3、退火（復(fù)性）20s4、延伸40s5、延伸（post-elongation）7min68℃4產(chǎn)物檢測(cè)：1.2%瓊脂糖凝膠電泳

四變性梯度凝膠電泳（DGGE）

1實(shí)驗(yàn)試劑及配量：100%的貯存液、0%的貯存液、緩沖液、固定液、銀染溶液、顯影劑

2實(shí)驗(yàn)操作：玻璃三明治的制備、膠的備制

、電泳、染色、加固3.土壤重金屬污染對(duì)微生物遺傳多樣性的影響例如：Sandaa等學(xué)者通過(guò)斑點(diǎn)雜交發(fā)現(xiàn)，重金屬污染不同的兩種土壤，微生物群落結(jié)構(gòu)沒(méi)有顯著差異；但隨著重金屬濃度的升高，用探針ALF1b、CF319a和LGCb分離的種群比例降低，BET42a、GAM42a、SRB385和HGC69a分離的種群比例增加了；RFLP聚類分析顯示，污泥重金屬含量高的土壤中細(xì)菌多樣性指數(shù)較高，而克隆文庫(kù)聚類分析得到相反的結(jié)果。研究中存在的問(wèn)題：

1.共存金屬離子之間存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，但是有時(shí)出現(xiàn)協(xié)同作用，這種作用機(jī)制尚不清楚；

2.研究中，可以通過(guò)增加EPS（胞外絡(luò)合物）的濃度提高吸附效率，但是當(dāng)EPS達(dá)到最大吸附濃度時(shí)，提高吸附效率需要通過(guò)怎樣的手段需要進(jìn)一步研究；

3.由于EPS的多少隨著微生物的生長(zhǎng)發(fā)育而變化，因此怎樣更好地控制微生物生長(zhǎng)過(guò)程中的EPS需要更深的研究；

4.研究中選擇的微生物的數(shù)量還是有限的，有待于擴(kuò)大多更多微生物的研究；5.多數(shù)研究者只是對(duì)重金屬污染影響微生物多樣性的作用進(jìn)行了現(xiàn)象描述,深層次的機(jī)理研究還相對(duì)缺乏,有必要從群落、個(gè)體、分子、基因等不同層次開(kāi)展相關(guān)研究。

目前該領(lǐng)域的研究技術(shù)

目前重金屬污染已經(jīng)成為一個(gè)日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，研究微生物與重金屬之間的相互關(guān)系具有至關(guān)重要的作用，目前該領(lǐng)域研究采用的技術(shù)主要有:

1.通過(guò)16srRNA的基因擴(kuò)增后測(cè)序，從而判斷菌株的種類，通過(guò)高通量的方法來(lái)研究重金屬脅迫下對(duì)微生物的多樣性的影響。2.以群落水平碳源利用類型為基礎(chǔ)的B1oLoG氧化還原技術(shù)來(lái)研究土壤微生物群落功能多樣性。

3.形態(tài)學(xué)分析技術(shù)：熒光顯微鏡細(xì)胞結(jié)構(gòu)分析：生物標(biāo)記分子（用高效氣相色譜定量分析）4.分子生物學(xué)方法：

核酸探針檢測(cè)技術(shù)、引物擴(kuò)增技術(shù)、電泳分離技術(shù)、微生物酶測(cè)定的方法（如蛋白酶、脲酶、纖維素酶等活性測(cè)定方法）、

MAR-FISH（顯微放射自顯影—熒光原位雜交），STAR-