重金屬降解微生物

重金屬降解微生物2021/5/91研究背景與一些概念微生物對重金屬的作用機理重金屬降解微生物的應(yīng)用技術(shù)重金屬降解微生物的介紹2021/5/922021/5/93重金屬危害的途徑2021/5/94Cr,Cu,Ni,Zn等重金屬元素是微生物的必須元素，它們在微生物生化反應(yīng)中起催化劑作用，并穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、細胞壁及滲透壓平衡。Ag，Hg，Pb，Cd等重金屬元素是微生物的非必需元素，它們與必須元素競爭取代微生物細胞上的結(jié)合位點，與配基反應(yīng)，產(chǎn)生毒害作用。導(dǎo)致核酸、蛋白質(zhì)構(gòu)象改變，干擾氧化磷酸化和滲透壓平衡。如：微生物蛋白質(zhì)合成的啟動階段需要Mg離子的參與，在重金屬污染的環(huán)境下，Mg離子被重金屬發(fā)生交換，使蛋白質(zhì)合成受阻。

重金屬在微生物生長代謝過程中起重要作用2021/5/95

因此，在自然環(huán)境的選擇壓力下，微生物進化出了各種不同的抗性機制。2021/5/96

重金屬降解微生物：利用微生物對重金屬具有一定的抗性和解毒作用，可以吸附和轉(zhuǎn)化重金屬的特性，用以消除重金屬污染、提取貴重金屬的一類微生物。重金屬降解微生物2021/5/972021/5/982021/5/992021/5/9102021/5/911胞外沉淀分泌胞外蛋白等物質(zhì)，與重金屬結(jié)合形成復(fù)合物沉淀，使之不能通過細胞膜進入胞內(nèi)。2021/5/912胞內(nèi)隔絕當重金屬進入胞內(nèi)并有所積累，胞內(nèi)隔絕會阻止其對重要細胞器的毒害。

如：真核微生物如藻類、酵母和真菌將重金屬累積于胞內(nèi)某些特殊細胞器中2021/5/9132021/5/9142021/5/9152021/5/916細胞膜內(nèi)外結(jié)合蛋白EATPN個Cd2-ADPPN個Cd2-2021/5/917轉(zhuǎn)化解毒重金屬離子一旦進入微生物細胞，可通過氧化、還原、甲基化或去甲基化轉(zhuǎn)化成價態(tài)穩(wěn)定、毒性較小或無毒的化合物，從而減輕對生物體的毒害作用。

其中抗性基因編碼解毒酶，催化高毒性金屬轉(zhuǎn)化為低毒狀態(tài)。2021/5/918總結(jié)微生物的抗性機制有物理性質(zhì)（靜電吸附）、化學(xué)性質(zhì)（絡(luò)合）、生物性質(zhì)（特異抗性基因編碼的途徑），它們都不是各自孤立的，而是由微生物基因編碼調(diào)控，互相配合、共同作用的。

如：細胞酶系的改變與物質(zhì)合成位點的抑制,使菌體原生質(zhì)膜發(fā)生成分與通透性的變化；脫硫弧菌通過細胞色素和氫化酶還原Cr6+至Cr3+，并在表面形成沉淀。

是由外界環(huán)境改變而引起微生物基因調(diào)控的一種自我保護機制。因此，抗性菌株的產(chǎn)生即是其在惡劣環(huán)境中優(yōu)勝劣汰的結(jié)果。2021/5/919微生物對重金屬的抗性多是由染色體外的質(zhì)粒或轉(zhuǎn)座子上的抗性基因決定?？剐曰蚓幋a金屬解毒酶催化高毒性金屬轉(zhuǎn)化為低毒形態(tài),其中對微生物汞的轉(zhuǎn)化研究最為清楚。革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌中都發(fā)現(xiàn)了

Hg2+抗性菌株。它們含有一套

Hg2+抗性操縱子(mer),可編碼重金屬解毒酶、編碼調(diào)節(jié)蛋白、周質(zhì)結(jié)合蛋白、細胞膜轉(zhuǎn)移蛋白。不但對重金屬解毒,還具有運輸及自我調(diào)節(jié)等一系列功能。

Hg2+抗性操縱子(mer)可編碼2個解毒酶。第一個是有機汞裂解酶,催化反應(yīng)式為:

RHgX+H++X<——>RH+HgX2第二個為汞還原酶,催化反應(yīng)式:

Hg(SR)2+NADPH+H+<——>Hg(0)+NAPDH++2RSH產(chǎn)生的金屬汞穿過細胞膜,重新釋放到周邊環(huán)境中。2021/5/9202021/5/921重金屬降解微生物的應(yīng)用技術(shù)

——微生物修復(fù)技術(shù)2021/5/922微生物淋濾技術(shù)利用微生物的直接轉(zhuǎn)化作用或其代謝產(chǎn)物的間接轉(zhuǎn)化作用，產(chǎn)生氧化、還原、絡(luò)合、吸附或溶解作用，將固相中某些不溶性成分(如重金屬、硫及其它金屬)分離浸提出來的一種技術(shù)?？捎糜陔y浸提礦石或貧礦中金屬的溶出與回收，又稱微生物濕法冶金。一些嗜酸細菌被廣泛用于銅、金等金屬的浸提。如在氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌作用下，污泥中難溶性金屬硫化物被氧化成金屬硫酸鹽而溶出，通過固液分離即可達到取出或提取重金屬的目的。2021/5/9232021/5/924微生物表面展示技術(shù)2021/5/9252021/5/9262021/5/9272021/5/928細菌表面展示技術(shù)目前

,已經(jīng)開發(fā)出幾個以外膜蛋白、纖毛和鞭毛為基礎(chǔ)的細菌展示系統(tǒng)

,纖毛與其他載體分子相比有某些優(yōu)點

,它大量呈現(xiàn)在細菌表面

,與環(huán)境持續(xù)接觸。構(gòu)建重復(fù)多肽，如六聚組氨酸多肽、162個氨基酸的多聚組氨酸等，可以通過細菌表面展示用于重金屬降解修復(fù)?？梢蕴岣呖剐跃N對某一重金屬的結(jié)合能力，而且往往成倍提高。2021/5/9292021/5/930酵母表面展示技術(shù)作為生物吸附劑的表面工程酵母菌,其特性依賴于展示蛋白結(jié)合金屬離子的能力,細胞表面對重金屬離子的吸附在細胞對金屬離子毒性的抗性能力方面起主要作用。2021/5/931噬菌體表面展示技術(shù)將外源DNA片段插入噬菌體編碼蛋白的基因PⅢ或PⅥ中，使外源DNA片段對應(yīng)的表達產(chǎn)物融合在噬菌體的外殼蛋白中形成融合蛋白，呈現(xiàn)在噬菌體表面。該技術(shù)將蛋白質(zhì)分子的表型和基因型巧妙地結(jié)合于噬菌體這樣一個便于對其進行一系列生化和遺傳操作的載體上，從而大大簡化了蛋白質(zhì)分子表達文庫的篩選和鑒定。2021/5/932噬菌體隨機肽庫展示技術(shù)方法：1、合成多組一定長度的隨機寡核苷酸的片段，并插入到噬菌體內(nèi)與其表面蛋白基因融合。2、噬菌體大量復(fù)制，并表達形成融合蛋白而展示出來。3、通過與靶分子（重金屬）結(jié)合，篩選具有目的多肽的特異重組噬菌體。肽庫：即由大量帶有不同肽段的單個噬菌體組成的重組噬菌體庫。2021/5/933噬菌體隨機肽庫展示技術(shù)2021/5/934該技術(shù)的主要特點：1、將特定分子的基因型和表型統(tǒng)一在同一病毒顆粒內(nèi)，即在噬菌體表面展示特定蛋白質(zhì)，而在噬菌體核心DNA中則含有該蛋白的結(jié)構(gòu)基因。2、這項技術(shù)把基因表達產(chǎn)物與親和篩選結(jié)合起來，可以利用適當?shù)陌械鞍讓⒛康牡鞍谆蚨嚯奶暨x出來。3、篩選獲得的多肽基因可導(dǎo)入工程菌細胞內(nèi)表達，增強其對某一重金屬的降解，或增加其可降解的重金屬種類。2021/5/935植物菌根修復(fù)技術(shù)利用微生物對重金屬各種降解機制、植物忍耐和超量積累重金屬的特性，將重金屬污染物降解或轉(zhuǎn)移的方法。微生物死亡分解或環(huán)境條件改變，會導(dǎo)致細菌固定的重金屬部分活化而重新釋放到環(huán)境中。植物及其根際微生物體系，協(xié)調(diào)形成菌根，將重金屬積累到超富集植物體中，從而徹底從環(huán)境中清除出去。兩者結(jié)合，能使兩者對重金屬的耐受能力同時增強。其技術(shù)核心在于篩選有較強降解能力的菌種和適宜的共生植物,從而得到有效的菌根。2021/5/936根菌對重金屬修復(fù)的作用1、通過菌類分泌特殊的分泌物改變植物根際環(huán)境。改變重金屬的存在狀態(tài),降低重金屬毒性。2、影響植物對重金屬的積累和分配。使植物體內(nèi)重金屬積累量增加,提高植物的富集效果。3、向植物傳遞營養(yǎng),使幼苗成活率提高,抗逆性增強、生長加快。間接地促進對重金屬的修復(fù)作用。2021/5/9372021/5/938異位修復(fù)技術(shù)異位修復(fù)技術(shù)：將受污染的土壤挖出后用化學(xué)物理方法清洗、焚燒處理、熱處理及生物反應(yīng)器等多種方法治理,這是早期常用的方法。生物反應(yīng)器：將預(yù)處理的土壤調(diào)和至泥漿狀，放入帶有機械攪動裝置的反應(yīng)器內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度和pH值，補充必要的營養(yǎng)和氧氣,使污染物達到最大程度降解。由于需要對污染的土壤進行大范圍的擾動，缺點:處理成本高;很難治理深度大的污染區(qū);破壞原土壤結(jié)構(gòu)及生態(tài)環(huán)境等。2021/5/939原位修復(fù)技術(shù)原位修復(fù)技術(shù):在不破壞土壤基本結(jié)構(gòu)的情況下的微生物修復(fù)技術(shù)。有投菌法、生物培養(yǎng)法和生物通氣法等。1、投菌法：直接向污染土壤中接入高效降解菌,同時提供給這些微生物生長所需營養(yǎng)的過程。2、生物培養(yǎng)法：定期向受污染土壤中加入營養(yǎng)和氧或

H2O2

作為微生物氧化的電子受體,以滿足污染環(huán)境中已經(jīng)存在的降解菌的需要。3、生物通氣法：采用真空梯度井等方法把空氣注入污染土壤以達到氧氣的再補給,可溶性營養(yǎng)物質(zhì)和水則經(jīng)垂直井或表面滲入的方法予以補充?？捎糜谑臀廴镜男迯?fù)。

2021/5/940微生物修復(fù)技術(shù)的局限性(1)一種微生物只能降解特定一種或幾種重金屬，而非所有重金屬。(2)特定的微生物只降解特定類型的化學(xué)物質(zhì),狀態(tài)稍有變化的化合物就可能不會被同一微生物酶所破壞。(3)特定污染地點或污染物可能限制修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，如在一些低滲透的土壤中可能不宜使用微生物修復(fù),因為這類土壤或在這類土壤中的注水井會由于細菌生長過多而阻塞。(4)