微生物對水環(huán)境污染物的趨化性研究進展

嚴 磊， 陳杏娟， 楊永剛， 齊振雄， 姜瑞麗， 許玫英

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330045；2.廣東省微生物研究所 廣東省菌種保藏與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州 510070；3.省部共建華南應(yīng)用微生物國家重點實驗室，廣東 廣州 510070；4.廣東海大集團股份有限公司，廣東 廣州 511400)

近年來，水環(huán)境污染問題日益嚴重，其中無機物、有機物和重金屬等在水環(huán)境中的大量積累是造成水環(huán)境污染的主要原因。雖然功能微生物可以通過直接降解轉(zhuǎn)化或共代謝等途徑實現(xiàn)水環(huán)境污染的治理，但大量研究[1-4]表明微生物對水環(huán)境污染的修復(fù)效果不僅取決于其降解能力，還與其趨化性能密切相關(guān)。微生物趨化性是微生物從環(huán)境中競爭獲取碳源和能源物質(zhì)以維持其生長發(fā)育的重要特性[5]。越來越多的證據(jù)表明，微生物的趨化性與污染物的生物可利用性及其降解效率之間存在密切關(guān)系[6]。微生物的趨化性一方面可以提高微生物獲取合適碳源和氮源物質(zhì)的能力，從而在營養(yǎng)受限的環(huán)境中保持生存優(yōu)勢；另一方面使微生物有效地感應(yīng)到靶污染物，迅速在污染物周圍聚集，從而加速污染物的降解轉(zhuǎn)化效率[7]。然而，目前有關(guān)微生物趨化性的研究主要集中在純培養(yǎng)條件下趨化機理的闡明，如微生物趨化信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)機制、鞭毛的運動方式以及甲基受體趨化蛋白(Methyl receptor chemotactic protein，MCP)的作用機理[8-9]等，關(guān)于水環(huán)境中趨化性微生物對污染物的趨化特性研究仍處于起步階段。本文重點綜述了近幾年國內(nèi)外有關(guān)水環(huán)境中微生物趨化特性的研究進展，尤其是微生物對無機鹽、溶解性有機物及重金屬等的趨化特性，分析了趨化功能微生物的趨化性與污染物的生物可利用性以及生物降解效果之間的關(guān)系。表1是細菌對水環(huán)境中污染物的趨化性與降解性的歸納總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，對基于趨化功能微生物精準調(diào)控的水環(huán)境污染強化治理技術(shù)的應(yīng)用前景進行展望，以期為加速水環(huán)境污染治理和修復(fù)提供參考。

表1 細菌對水環(huán)境中污染物的趨化性與降解性Table 1 Chemotaxis and degradation of bacteria in water environment

1 微生物對水環(huán)境中無機鹽類化合物的趨化性

含氮、磷等元素的無機化合物在水環(huán)境中的大量累積是引起水體富營養(yǎng)化的重要原因。微生物對水環(huán)境中含氮、磷等化合物的趨化和轉(zhuǎn)化作用是調(diào)控氮、磷元素比例、減緩水環(huán)境污染的重要途徑。近幾年，隨著免培養(yǎng)技術(shù)在氨氧化功能微生物特性研究中的廣泛應(yīng)用，越來越多的證據(jù)表明氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea，AOA)和氨氧化細菌(Ammonia oxidizing bacteria，AOB)對水體環(huán)境中氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽等無機化合物具有不同的趨化特性，從而形成不同的菌群結(jié)構(gòu)分布特點[31-32]。AOA和AOB這兩種氨氧化功能微生物隨著湖泊營養(yǎng)程度的改變呈相反的分布趨勢。與中營養(yǎng)湖泊相比，富營養(yǎng)湖泊中AOA的豐度明顯降低，而AOB的豐度則顯著提高，且遠高于AOA的豐度。與此同時，湖泊的硝化速率也隨著營養(yǎng)程度的升高而升高，并且與AOB的豐度及AOB/AOA的豐度比例顯著相關(guān)。而且，AOB的菌群結(jié)構(gòu)組成也由中營養(yǎng)條件下的亞硝化單胞菌屬和亞硝化螺菌屬并存逐漸演替為富營養(yǎng)條件下的亞硝化單胞菌屬占絕對優(yōu)勢[33]。Dennis等[10]研究發(fā)現(xiàn)湖水中Sphigobacteriales對硝酸鹽和磷酸鹽表現(xiàn)出強烈的趨化性，而ActinomycesACK-M1和Methylophilaceae則對銨鹽具有強的趨化作用。作者所在的研究團隊最近從河流水體沉積物中分離鑒定了1株賴氨酸芽胞桿菌新種LysinibacillusvariansGY32也具有硝酸鹽趨化蛋白，對硝酸鹽表現(xiàn)出強的趨向性，可以利用硝酸鹽為厭氧呼吸的電子受體進行呼吸生長[34，25]。由此可見，水環(huán)境中趨化功能微生物對不同無機鹽的趨化性具有菌屬特異性，顯著影響無機化合物的生物地球化學(xué)循環(huán)過程，從而影響水環(huán)境質(zhì)量。通過特異性調(diào)控不同微生物菌屬對無機鹽的趨化性及其轉(zhuǎn)化功能，將有效促進水環(huán)境中多種無機化合物的良性循環(huán)，避免由于含氮、磷等無機化合物的大量累積所引發(fā)的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

2 微生物對水環(huán)境中溶解性有機污染物的趨化性

水環(huán)境中溶解性有機污染物(Dissolved organic pollutants，DOP)由復(fù)雜的混合物組成，具有較高的穩(wěn)定性和生物毒性。DOP參與并影響著環(huán)境中有機質(zhì)的積累轉(zhuǎn)化和污染物的遷移去除等過程[35]。Warkentin等[36]研究了水環(huán)境中細菌對DOP的降解性，發(fā)現(xiàn)細菌對瓦爾諾河水體中的DOP具有生物再礦化作用，特別是原放線菌、β變形菌、噬纖維菌和黃桿菌對DOP具有趨化性優(yōu)勢，但是細菌對DOP的降解在一定程度上受到腐殖質(zhì)的抑制。Yan[37]研究了太湖及其支流中DOP對微生物豐度的影響，利用DOP的濃度變化解釋了代謝依賴性趨化細菌的群落組成特征，發(fā)現(xiàn)腐殖質(zhì)含量與細菌豐度呈正相關(guān)，腐殖質(zhì)較少的區(qū)域細菌種群豐度較低。Jimenez-Sanchez等[38]通過研究DOP對細菌運動、附著和運輸?shù)挠绊懀l(fā)現(xiàn)DOP可以作為誘導(dǎo)劑，誘導(dǎo)細菌增加細胞表面電荷來參與細菌自身的氧化還原反應(yīng)；細菌還可以利用鞭毛的趨化功能競爭吸附于DOP，從而加速DOP的降解轉(zhuǎn)化[39]。Adadevoh等[40]在實驗室模擬條件下利用趨化性降解功能微生物PseudomonasputidaG7及其非趨化突變株P(guān)pG7Y1研究有機污染物萘對水體中PseudomonasputidaG7趨化運動能力的影響，發(fā)現(xiàn)萘的存在可以顯著加速PseudomonasputidaG7的趨化運動，從而促進水體中萘的去除速率。Bai等[41]證實了假單胞菌G7鞭毛缺陷株的運動速度明顯低于野生株，細菌運動性鞭毛的旋轉(zhuǎn)使得其更快地游向自己生存的最佳場所。水環(huán)境中的趨化功能微生物對DOP的降解是逐步進行的，首先降解結(jié)構(gòu)較簡單、溶解性高的可溶性有機物，其次再利用較低溶解性的有機物。作者所在的研究團隊發(fā)現(xiàn)，染料高效降解菌ShewanelladecolorationisS12對偶氮染料的降解性不僅取決于其細胞膜及胞質(zhì)降解酶，還與染料的親疏水性質(zhì)、菌體對染料的響應(yīng)及趨化有關(guān)。對于溶解性較高的莧菜紅，菌株S12能夠快速響應(yīng)、趨化和降解，而對于溶解性較低的甲基紅則響應(yīng)較慢，只有當甲基紅擴散透過細胞膜屏障后，其位于胞質(zhì)的FMN依賴型NADH偶氮還原酶才對弱極性的甲基紅表現(xiàn)出高效的降解性[24]?？傮w而言，水環(huán)境中的趨化功能微生物對DOP趨化和降解具有種群特異性。利用趨化功能微生物對DOP的趨化性及降解性，可以提高水環(huán)境中DOP的生物可利用性，從而促進DOP的降解脫毒。

3 微生物對水環(huán)境中主要重金屬的趨化性

重金屬具有穩(wěn)定性、生物累積性和生物毒性，在生態(tài)系統(tǒng)中會造成長久的污染[42]。微生物對金屬離子的趨化吸附作用主要體現(xiàn)在胞內(nèi)的化學(xué)基團與金屬離子的結(jié)合。較低濃度的重金屬即可對微生物表現(xiàn)出較強的毒性。但是微生物具有快速適應(yīng)與進化性，可以在群落間形成自適應(yīng)氧化還原體系，實現(xiàn)對多種較高濃度重金屬離子的共轉(zhuǎn)化[43]。Huang等[43]利用廢水中低濃度的Cr(VI)、Cu(II)和Cd(II)對微生物進行選擇性培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，低濃度條件馴化的菌群同樣可以在生物電化學(xué)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化高濃度的Cr(Ⅳ)、Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)離子。Liu等[44]發(fā)現(xiàn)由于GeobactersulfurreducensPCA的外膜細胞色素c可以異化還原高價金屬，利用GeobactersulfurreducensPCA可以完全抑制含有汞甲基化基因hgcAB的細菌DesulfovibriodesulfuricansND 132對Hg(Ⅱ)的甲基化。金屬還原菌Shewanellasp. ANA-3和ShewanellaalgaBrY可以降低Fe(Ⅲ)氧化物的釋放，As(Ⅴ)還原菌可以耦合As/Fe，減少毒性更強的As(Ⅲ)的產(chǎn)生。Clostridiumsp. CN8可以減少As(Ⅴ)還原為As(Ⅲ)且不能吸附趨向As(Ⅴ)[45]。利用細菌對金屬離子的趨化和轉(zhuǎn)化性質(zhì)，還可以使水環(huán)境中DOP的生物降解速率顯著提高[46]。ShewanelladecolorationisS12對低濃度溶解性鐵的趨化，可以強化偶氮染料的降解；但是在不溶性鐵條件下其對偶氮染料的降解則沒有明顯作用[47]。Pseudomonasveronii2E、DelftiaacidovoransAR和RalstoniataiwanensisM2對Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cr(VI)和Zn(Ⅱ)均具有趨化性，可以提高重金屬超標的廢水處理過程中固定化生物膜的定殖和生長[19]，從而強化生物降解效率。E.coliK-12的細胞表面對Ni(Ⅱ)的吸附能力影響其對Ni(Ⅱ)的趨化反應(yīng)，Ni(Ⅱ)容易與E.coliK-12細胞膜上帶有負電荷的羧基、磷?；土u基官能團形成配合物，發(fā)生趨化反應(yīng)[20]。在淡水生態(tài)系統(tǒng)中，重金屬污染梯度的分布影響著微生物群落中物種對重金屬的生物有效性。Jackson等[48]發(fā)現(xiàn)，在重金屬污染廢水的處理過程中，生物膜的發(fā)育顯著依賴于不同類型的細菌運動、游動、群集和趨化性。研究者以Cu(Ⅱ)和Ti(VI)作為化學(xué)引誘劑，在飽和的TiO2水溶液中觀察到了海洋假單胞菌(Pseudomonassp.)對Cu(Ⅱ)的趨化作用[49]。Ortegacalvo等[50]在利用P.putida對納米銀離子和可溶性銀離子的趨化性實驗中發(fā)現(xiàn)，納米銀離子的趨化反應(yīng)是由于納米顆粒對P.putida細胞的直接響應(yīng)而不是可溶性銀離子的釋放。細菌的趨化性運動增加了細菌表面的重金屬濃度，使不同種類的重金屬在細菌表面呈梯度分布，這在生物修復(fù)過程中有很大的意義[21]。因此，微生物的趨化反應(yīng)機制在重金屬元素地質(zhì)循環(huán)和環(huán)境修復(fù)過程中起著關(guān)鍵的作用。不同類型的重金屬元素都可以誘導(dǎo)一定范圍內(nèi)的細菌發(fā)生趨化反應(yīng)，并且環(huán)境條件的特定變化也可以用來調(diào)節(jié)細菌在重金屬元素地質(zhì)循環(huán)中的趨化反應(yīng)。合理應(yīng)用水環(huán)境中的趨化功能微生物可以有效減輕重金屬的毒性。

4 基于趨化性功能微生物精準調(diào)控的水環(huán)境污染強化治理新技術(shù)的研究展望

綜合上述分析可見，趨化功能微生物可以特異性提高水環(huán)境中污染物的生物可利用性，從而加速污染物的降解轉(zhuǎn)化效率，利用這一特性有望建立基于趨化功能微生物精準調(diào)控的水環(huán)境污染強化治理新技術(shù)。然而，由于到目前為止對水環(huán)境中趨化功能微生物與目標污染物之間的互作特點及其調(diào)控機制的了解仍相當有限，基于趨化功能微生物精準調(diào)控的水環(huán)境污染強化治理新技術(shù)的建立仍需解答一系列的科學(xué)問題：①如何通過提高趨化功能微生物對目標污染物的識別和感應(yīng)效率，縮短水處理系統(tǒng)的啟動和馴化過程？受污染的水體環(huán)境通常呈現(xiàn)多種污染物共存的復(fù)合污染特征。趨化功能微生物對目標污染物的識別和感應(yīng)效率是決定水處理系統(tǒng)中污染物去除速率的關(guān)鍵因素，也是基于趨化功能微生物精準調(diào)控，加速水環(huán)境污染治理的關(guān)鍵。通過將分子生物學(xué)和組學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，確定趨化功能微生物識別和感應(yīng)目標污染物的關(guān)鍵基因及其調(diào)控元件，將有望建立高效的水處理系統(tǒng)和馴化技術(shù)。②如何實現(xiàn)趨化功能微生物對目標污染物的趨化和降解過程的高效耦合，低能耗提高目標污染物的降解轉(zhuǎn)化效率？功能微生物對目標污染物的趨化和降解轉(zhuǎn)化過程的高效耦合是實現(xiàn)污染水體低能耗精準強化治理的重要途徑。但已有的研究發(fā)現(xiàn)微生物的趨化特性與其降解轉(zhuǎn)化能力并非呈正相關(guān)。利用合成生物學(xué)的方法手段，構(gòu)建對目標污染物具有高效趨化和降解轉(zhuǎn)化功能的新功能菌株，實現(xiàn)微生物趨化特性和降解功能的高效耦合，有望在低能耗條件下提高水處理系統(tǒng)中目標污染物的降解轉(zhuǎn)化效率。③如何建立以趨化功能微生物為主導(dǎo)的代謝網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)水處理系統(tǒng)中多種污染物的同時高效去除？在水污染治理過程中微生物通常與周圍環(huán)境中的生物和非生物因素組成代謝網(wǎng)絡(luò)共同發(fā)揮作用。趨化功能微生物是水處理系統(tǒng)中連接目標污染物與微生物降解脫毒網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點。通過研究水處理系統(tǒng)的微生物組，確定關(guān)鍵的趨化功能微生物及其所介導(dǎo)的代謝網(wǎng)絡(luò)特征，構(gòu)建以核心趨化功能微生物為主導(dǎo)的微生物菌群，有望實現(xiàn)水處理系統(tǒng)中多種污染物的同時高效去除。