微生物修復(fù)環(huán)境鉻污染機(jī)制的研究進(jìn)展

張 敏, 范 春, 趙 苒

（廈門大學(xué)分子疫苗學(xué)和分子診斷學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院預(yù)防醫(yī)學(xué)系，福建 廈門 361102）

鉻（chromium， Cr） 在環(huán)境中主要以三價(jià)鉻［trivalent chromium， Cr （ Ⅲ）］ 和 六 價(jià) 鉻［hexavalent chromium， Cr （Ⅵ）］ 的形態(tài)存在。Cr 被認(rèn)為是地球上第二大嚴(yán)重污染環(huán)境的污染物［1］， Cr 及其化合物在電鍍、 冶金、 染料生產(chǎn)、金屬加工、制革、 肥料和印染等行業(yè)被廣泛應(yīng)用，在生產(chǎn)應(yīng)用過程中可產(chǎn)生大量含Cr 廢水和廢渣，污染水體［2］、大氣［3］及土壤［4］。具有環(huán)境穩(wěn)定性和不易降解等特征的Cr （Ⅵ） 還可能通過食物鏈的富集和放大作用對(duì)人體健康造成危害［5］。因此，需要一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且可行的處理Cr （Ⅵ） 污染的辦法，即將有害 的Cr （ Ⅵ） 轉(zhuǎn) 化 成 有 益 的Cr （Ⅲ）。與加入石灰、離子交換、膜分離和吸附后化學(xué)沉淀等傳統(tǒng)的物理性和化學(xué)性處理方式比較，微生物修復(fù)技術(shù)是一種在上述處理方法基礎(chǔ)上增加了與生物相結(jié)合的Cr （Ⅵ） 去除技術(shù)［6］，近年來在環(huán)境污染的治理中備受關(guān)注［7］。研究［8］顯示：在重金屬污染的水體或土壤中有較大可能篩選出可能具有一定吸附或固化能力的耐重金屬菌株，這些菌株通過多種機(jī)制去除環(huán)境中Cr （Ⅵ），從而降低人群因接觸Cr （Ⅵ） 所致的健康危害。目前已有相關(guān)研究［9］報(bào)道了處理Cr 污染的微生物修復(fù)技術(shù)，但主要從Cr 的轉(zhuǎn)化和特定微生物方面闡述了微生物的修復(fù)機(jī)制［10］，本研究從微生物修復(fù)機(jī)制方面系統(tǒng)地闡述了細(xì)菌和真菌等微生物在修復(fù)Cr 污染過程中可能涉及的機(jī)制和因素，并結(jié)合了近年研究成果解釋了環(huán)境因素對(duì)Cr （Ⅵ） 的影響及其可能機(jī)制，為進(jìn)一步了解微生物修復(fù)技術(shù)的機(jī)制和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)是指微生物在適宜環(huán)境條件下，利用其生命代謝活動(dòng)，將有毒有害的污染物轉(zhuǎn)化為低毒甚至無毒的過程，從而達(dá)到部分或者完全修復(fù)被污染環(huán)境的結(jié)果。微生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)受以下幾個(gè)方面影響：污染物的化學(xué)性質(zhì)及其濃度、污染環(huán)境中其他物質(zhì)的構(gòu)成比和濃度（如含水量、含氧量和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等）、污染環(huán)境中微生物群落構(gòu)成以及 環(huán) 境 的 溫 度 和pH 值 等。 研 究［11］顯 示： 細(xì) 菌、真菌、藻類和植物等具有修復(fù)重金屬污染的能力，其中細(xì)菌和真菌的修復(fù)能力較強(qiáng)。利用微生物修復(fù)技術(shù)可以使重金屬污染場(chǎng)地恢復(fù)到未污染前的狀態(tài)且不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生有害影響［12］，如生物吸附劑可吸附并回收污染水體中的重金屬，生物電化學(xué)系統(tǒng)可用于金屬的去除和回收［13］。微生物修復(fù)技術(shù)因低投入和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在治理Cr （Ⅵ） 污染方面顯示出良好的發(fā)展前景。

近年來，微生物修復(fù)Cr （Ⅵ） 污染成為環(huán)境Cr 污 染 治 理 的 研 究 熱 點(diǎn)。 研 究［14］顯 示： 假 單 胞菌、棒狀桿菌屬、芽孢桿菌、沙雷氏菌和鏈霉菌等對(duì)Cr （Ⅵ） 具有一定的耐受和還原能力，提示微生物可用于Cr （Ⅵ） 污染的修復(fù)。Cr （Ⅵ） 污染的微生物修復(fù)作用機(jī)制包括酶介導(dǎo)Cr （Ⅵ） 的還原、生物積累、生物吸附和Cr （Ⅵ） 代謝物的形成［15］，不同菌株修復(fù)Cr （Ⅵ） 污染的機(jī)制不完全相同（表1）。微生物對(duì)Cr （Ⅵ） 的修復(fù)機(jī)制影響著微生物能否高效、 安全地去除環(huán)境中的Cr （Ⅵ）。

表1 不同微生物及其修復(fù)Cr(Ⅵ)的機(jī)制Tab.1 Different kinds of microorganisms and their mechanisms of Cr(Ⅵ) bioremediation

2 微生物修復(fù)機(jī)制

2.1生物吸附

生物吸附指藻類、細(xì)菌和真菌等微生物由于自身所具有的特性可以與重金屬污染物形成化學(xué)鍵，并附著在微生物表面，如多糖、糖蛋白、蛋白質(zhì)和糖脂等官能團(tuán)上，發(fā)生絡(luò)合、離子交換、靜電吸附、鰲合、無機(jī)微沉淀以及共價(jià)吸附等反應(yīng)，從而達(dá)到固定重金屬的效果［31］。生物吸附是微生物與金屬之間發(fā)生的一種快速、可逆的過程。

Cr （Ⅵ） 的生物吸附過程分為2 個(gè)階段：第一階段微生物表面吸附Cr （Ⅵ），即Cr （Ⅵ） 與微生物表面官能團(tuán)發(fā)生螯合和絡(luò)合等反應(yīng)，不消耗能量；第二階段微生物主動(dòng)吸附Cr （Ⅵ）， 包括Cr （Ⅵ） 在微生物表面的傳送以及在微生物內(nèi)部的累積［32］，消耗能量。Cr （Ⅵ） 生物吸附的機(jī)制有陰離子生物吸附、生物吸附與還原相結(jié)合、陽(yáng)離子與陰離子生物吸附、陰離子生物吸附與還原4 種模式［10］。微生物通過吸附金屬離子降低后者的濃度被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)有效的去除Cr （Ⅵ） 的方法［33］。真菌具有吸附Cr （Ⅵ） 的潛力［34］，真菌的吸附機(jī)制已得到廣泛研究。真菌細(xì)胞壁被認(rèn)為是由羧基、磷酸、胺、硫醇和羥基等官能團(tuán)構(gòu)成的組合體，其中胺基、酰胺基、羧基、磷酸基和烷烴基參與了Cr （Ⅵ） 的絡(luò)合［35］，真菌細(xì)胞壁中多糖成分（半乳糖胺、幾丁質(zhì)和聚糖） 可與Cr （Ⅵ） 螯合，參與Cr （Ⅵ） 的吸附。真菌細(xì)胞壁可充當(dāng)Cr （Ⅵ）和真菌之間的交互橋梁，與Cr （Ⅵ） 形成離子配位或離子交換復(fù)合物［10］。在細(xì)菌中，細(xì)胞壁上亦有與真菌細(xì)胞壁類似的成分參與Cr （Ⅵ） 的螯合。SARKAR 等［27］發(fā) 現(xiàn)：月 桂 假 單 胞 菌RY1 可 以 與鉛和Cr 絡(luò)合，可見在Cr （Ⅵ） 的生物吸附過程中，微生物細(xì)胞壁的成分構(gòu)成對(duì)生物吸附起重要作用。

生物吸附可在活菌或死菌中進(jìn)行。Cr （Ⅵ） 生物吸附特征及其影響因素見表2。與死菌比較，活菌在生長(zhǎng)的同時(shí)可以吸附Cr （Ⅵ），因而可以省略生長(zhǎng)、干燥和儲(chǔ)存等步驟，但高濃度Cr （Ⅵ） 會(huì)對(duì)活菌產(chǎn)生毒害作用，導(dǎo)致功能代謝受到抑制，影響其生長(zhǎng)［18］。在處理含Cr （Ⅵ） 廢水時(shí)，由于死菌的生物吸附不受有毒化學(xué)物質(zhì)和廢物的影響，因此其比活菌具有更大優(yōu)勢(shì)。在Cr （Ⅵ） 去除過程中，應(yīng)結(jié)合環(huán)境條件和生物吸附特征選擇活菌或者死菌，以便更好地提升生態(tài)安全、保障人群健康。

表2 生物吸附特征及其影響因素Tab.2 Microbial adsorption characteristics and their influencing factors

2.2生物積累

生物積累是指微生物借助新陳代謝和生物的有氧呼吸等活動(dòng)產(chǎn)生的能量，將滯留在細(xì)胞表面的Cr 離子通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞中［36］。生物積累只發(fā)生在活菌中， 依賴微生物的代謝產(chǎn)能將Cr （Ⅵ） 跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞中［33］，是活菌普遍存在的一種機(jī)制。微生物對(duì)金屬離子的生物積累效果取決于金屬離子的初始濃度和接觸時(shí)間，濃度過高時(shí)，微生物生長(zhǎng)受抑制。微生物常通過離子泵、離子通道、 內(nèi)吞作用和脂質(zhì)滲透方式積累金屬［37］。研 究［10］顯 示： 鉻 酸 鹽 轉(zhuǎn) 運(yùn) 蛋 白（Chromate transporter， CHR） 超家族的ChrA 蛋白與硫酸鹽和鉻酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)有 關(guān) 聯(lián)。 與Cr （ Ⅲ） 比 較，Cr （Ⅵ） 更易以易化擴(kuò)散方式通過非選擇性和氧化狀態(tài)敏感陰離子通道進(jìn)入細(xì)菌中，從而發(fā)生生物積累， 這一過程與Cr 不同價(jià)態(tài)的溶解度有關(guān)聯(lián)，Cr （Ⅲ） 因溶解度低，較難進(jìn)入細(xì)菌中［33］。生物積累作為一種無害且經(jīng)濟(jì)的去除Cr （Ⅵ） 的方式，在回收金屬和治理環(huán)境污染等方面顯示出較好的應(yīng)用前景。

2.3生物轉(zhuǎn)化

生物轉(zhuǎn)化是指微生物通過生物氧化還原、甲基化或去甲基化等與重金屬反應(yīng)改變重金屬價(jià)態(tài)或生成金屬化合物，從而降低重金屬毒性的過程，因而Cr （Ⅵ） 的生物轉(zhuǎn)化被認(rèn)為是一種解毒機(jī)制［16］。在Cr （Ⅵ） 的生物修復(fù)過程中，微生物主要通過建立完善的生物系統(tǒng)，以主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)方式通過原核或真核生物的生物膜進(jìn)入菌體［38］，將Cr （Ⅵ）還原成Cr （Ⅲ），且易通過酶促反應(yīng)（直接還原）或非酶促反應(yīng)（間接還原） 形成不穩(wěn)定的中間價(jià)態(tài)如五價(jià)鉻［Cr （Ⅴ）］ 和四價(jià)鉻［Cr （Ⅳ）］［9］。研究［39］顯示：Cr （Ⅵ） 還原酶主要存在于細(xì)胞質(zhì)部分（可溶性） 或結(jié)合于胞膜上，因而酶介導(dǎo)的Cr （Ⅵ） 還原反應(yīng)與胞質(zhì)可溶性蛋白或不溶性細(xì)胞膜酶有密切關(guān)聯(lián)，但酶促反應(yīng)的確切機(jī)制目前尚不清楚。Cr （Ⅵ） 生物轉(zhuǎn)化的機(jī)制根據(jù)該過程中是否存在酶促反應(yīng)可分為直接還原和間接還原兩類。

2.3.1 直接還原 直接還原是指微生物通過酶促反應(yīng)將Cr （Ⅵ） 還原為Cr （Ⅲ）。Cr （Ⅵ） 被還原為Cr （Ⅲ） 的去除過程：Cr （Ⅵ） 與細(xì)胞表面結(jié)合、Cr （Ⅵ） 在細(xì)胞中遷移和Cr （Ⅵ） 還原為Cr （Ⅲ）［10］。在有氧條件下，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 磷 酸 氫 （nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸氫（nicotinamide adenine dinucleotide hydrogen，NADH）、谷胱甘肽和內(nèi)源儲(chǔ)備電子作為電子供體，還原酶如Cr （Ⅵ） 還原酶（ChrR）、二聚體糖蛋白（YieF）、 n -乙基馬來酰亞胺還原酶（NemA） 和Tkw3 介導(dǎo)Cr （Ⅵ） 的還原反應(yīng)［40］。在還原過程中，Cr （Ⅵ） 先接受1 個(gè)NADH 分子生成Cr （V），再接受2 個(gè)電子生成Cr （Ⅲ）［41］。有氧情況下產(chǎn)生的活性氧易與DNA -蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)合，破壞遺傳物質(zhì)［9］，Cr （Ⅵ） 的還原效果與NADPH 的利用程度有關(guān)聯(lián)。在缺氧條件下，Cr （Ⅵ） 可作為呼吸鏈上電子供體（碳水化合物、 脂肪、 蛋白質(zhì)、NADH、 NADPH 和內(nèi)源儲(chǔ)備電子［9］） 的末端電子受體，水溶性鉻酸還原酶和脂溶性鉻酸還原酶如細(xì)胞色素酶、氫化酶和黃素還原酶參與了Cr （Ⅵ）還原［42］。缺氧情況下呼吸鏈上電子供體為細(xì)胞的生長(zhǎng)和維持提供能量，因而Cr （Ⅵ） 還原效果與電子供體的多少和種類有關(guān)聯(lián)。

酶在直接還原過程中起核心作用［40］。假單胞菌膜酶、 陰溝腸桿菌黃酮類氧化還原酶NADH、哈維弧菌硝基還原酶和大腸桿菌YieF 還原酶等細(xì)菌 還原酶的存在可 以還原Cr （Ⅵ）［10］。 真菌如Aspergillus flavus CR500［30］也 含 有 可 以 還 原Cr （Ⅵ） 的酶。一些微生物胞外的葡萄糖氧化酶通過形成還原性分子作為還原Cr （Ⅵ） 的鉻酸鹽還原酶替代物與微生物作用還原Cr （Ⅵ）［43］，提示細(xì)菌和真菌可產(chǎn)生ChrR，Cr （Ⅵ） 的還原效率與還原酶的種類及活性有關(guān)聯(lián)。

2.3.2 間接還原 間接還原是指微生物通過非酶促反應(yīng)還原Cr （Ⅵ），與二價(jià)鐵離子（Fe2+） 和硫化氫（H2S） 等物質(zhì)有關(guān)。三價(jià)鐵離子（Fe3+） 被鐵還原菌還原為Fe2+時(shí)，Cr （Ⅵ） 被Fe2+還原為Cr （Ⅲ）；H2S 一般由硫酸鹽還原菌產(chǎn)生， 作為Cr （Ⅵ） 的還原劑時(shí)可發(fā)生如下反應(yīng)：硫酸鹽減少、硫化物還原鉻酸鹽和硫化物沉淀Cr （Ⅵ）［9］。非酶促反應(yīng)與氨基酸、核苷酸、糖、維生素、有機(jī)酸和谷胱甘肽有關(guān)聯(lián)［44］，如葡萄糖可作為真菌菌株（Ed8 曲霉和H13 青霉） 還原Cr （Ⅵ） 的唯一碳源進(jìn)行非酶促反應(yīng)［45］，有機(jī)酸檸檬酸（真菌代謝物） 和草酸鹽可通過Fe3+光化學(xué)作用或錳離子（Mn2+） 無光條件下還原Cr （Ⅵ）［46］。非酶促反應(yīng)還可發(fā)生于胞外，這可能與菌株產(chǎn)生和排泄類似于細(xì)菌中的分子或Cr （Ⅵ） 特異性還原分子有關(guān)［47］。間接還原與微生物環(huán)境條件有密切關(guān)聯(lián)，易受外界環(huán)境條件的影響。

3 影響微生物修復(fù)的環(huán)境因素

微生物修復(fù)Cr （Ⅵ） 污染可受多種環(huán)境條件的影響，如溫度、pH 值、離子種類和濃度及小分子物質(zhì)水平等［48］。溫度和pH 值可通過影響還原酶的活性、重金屬離子的可利用性和細(xì)菌表面與重金屬結(jié)合的活性位點(diǎn)，從而影響微生物對(duì)重金屬的去除效率。研究［49］顯示：菌株還原Cr （Ⅵ） 的適宜條件為pH 7.0～9.0， 溫度為30℃～35℃， 不適當(dāng)?shù)乃嵝曰驂A性環(huán)境對(duì)菌株的生長(zhǎng)、 代謝活動(dòng)和ChrR 活性將產(chǎn)生不利影響，使得Cr （Ⅵ） 較難被還原。金屬離子如銅離子（Cu2+）、Fe2+和小分子物質(zhì)的存在也會(huì)影響微生物對(duì)Cr （Ⅵ） 的還原情況［48］，如Cu2+和Fe2+等可以提高Cr （Ⅵ） 的還原效率， 十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS） 可降低Cr （Ⅵ） 的還原效率。 研究［18］表明：Cu2+是抗氧化酶，如過氧化氫酶和超氧化物歧化酶的重要組成部分，也是氧化呼吸系統(tǒng)電子轉(zhuǎn)移必不可少的部分，因而Cu2+的存在可提高菌株對(duì)Cr （Ⅵ） 的抵抗力和電子轉(zhuǎn)移效率， 從而提高Cr （Ⅵ） 的還原效率。Cr （Ⅵ） 可被Fe2+還原［9］，也可被Fe3+或鋁離子（Al3+） 的氫氧化物沉淀物吸附［40］。Cr 的初始濃度不同可影響菌株的生長(zhǎng)和Cr （Ⅵ） 還原情況［18］。高濃度Cr （Ⅵ） 可引起細(xì)菌遺傳物質(zhì)中G-C 和A-T 堿基對(duì)突變［18］，使細(xì)菌生理和代謝反應(yīng)發(fā)生變化，從而抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)。因而，在研究微生物修復(fù)環(huán)境Cr （Ⅵ） 污染的過程中，應(yīng)多注意溫度、pH 值、金屬離子種類和濃度及小分子物質(zhì)水平等外部環(huán)境對(duì)修復(fù)過程和效果的影響。

4 微生物修復(fù)技術(shù)在不同環(huán)境介質(zhì)中的應(yīng)用

耐Cr （Ⅵ） 微生物主要生存于水體和土壤中，在空氣中較難存活，微生物修復(fù)主要存在于這2 種環(huán)境介質(zhì)中。通常可從制革廠、鉻鐵礦廠、紡織工業(yè)和電鍍制造的工業(yè)廢水以及受污水污染的土壤中分離出來耐Cr （Ⅵ） 細(xì)菌和真菌［50］，不同微生物修復(fù)Cr （Ⅵ） 污染的機(jī)制不同。微生物修復(fù)技術(shù)對(duì)于治理含Cr （Ⅵ） 工業(yè)廢水雖有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如治理方法簡(jiǎn)單、費(fèi)用少，但還存在一些問題，如廢水中重金屬離子種類和濃度會(huì)影響微生物的繁殖速度和除Cr （Ⅵ） 效率及處理廢水后菌的去除等。在土壤治理方面，與傳統(tǒng)技術(shù)比較，微生物修復(fù)技術(shù)具有無需開挖污染土壤、不破環(huán)原場(chǎng)地和可應(yīng)用于高水位的地下水污染治理等優(yōu)勢(shì)，由于土壤成分較為復(fù)雜，還存在如修復(fù)Cr （Ⅵ） 污染土壤的過程較為緩慢、修復(fù)效果易受施肥情況、土壤含水量和水文地質(zhì)影響等問題［51］。 對(duì)于受污染的土壤，單一的微生物修復(fù)技術(shù)較難達(dá)到預(yù)期效果，通常采用以植物-微生物聯(lián)合修復(fù)為主，輔以物理化學(xué)和農(nóng)業(yè)生態(tài)的措施來提高聯(lián)合修復(fù)的效率。在土壤-植物-微生物組成的復(fù)合體系中，植物的根系為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了場(chǎng)所，微生物通過不斷去除植物根系周圍環(huán)境中的污染物來為植物開拓生長(zhǎng)空間。針對(duì)不同的污染介質(zhì)，應(yīng)結(jié)合污染環(huán)境情況控制環(huán)境因素，選擇適宜的微生物，或與植物進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)，提高Cr （Ⅵ） 的去除效率。

5 微生物修復(fù)技術(shù)的展望

近年來，越來越多的耐Cr 菌株被篩選分離出來，Cr （Ⅵ） 去除的機(jī)制研究也取得了較大進(jìn)展，但不同菌株之間的吸附能力和還原能力差別較大，因而在利用生物修復(fù)技術(shù)治理Cr （Ⅵ） 污染時(shí)，要充分考慮菌株及其特性。首先需要尋找并篩選出Cr （Ⅵ） 耐受菌株，了解菌株對(duì)Cr （Ⅵ） 的耐受及其代謝機(jī)制；其次結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件和污染特點(diǎn)，研究非生物因素，如溫度、pH 和小分子物質(zhì)等對(duì)Cr （Ⅵ） 去除效率的影響；再次還要兼顧微生物的生長(zhǎng)條件，予以優(yōu)化。目前雖然利用單一菌株進(jìn)行生物修復(fù)的研究日益深入，但鑒于環(huán)境中多種微生物和污染物共存的現(xiàn)狀，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)將混合菌株修復(fù)、微生物與動(dòng)植物的聯(lián)合修復(fù)以及多種重金屬或重金屬合并有機(jī)污染物等的混合污染修復(fù)作為新的研究方向。還可以利用高效修復(fù)菌株制成便于貯存和運(yùn)輸?shù)纳锬せ蛘呱镂絼┑龋嵘⑸镄迯?fù)技術(shù)的應(yīng)用便利性。與單純物理或化學(xué)方法比較，微生物修復(fù)技術(shù)更適合用于Cr （Ⅵ） 污染的治理，因?yàn)槠洳粌H低成本、易實(shí)施，更顯現(xiàn)出其生態(tài)友好和低健康風(fēng)險(xiǎn)特性，這些優(yōu)點(diǎn)使該技術(shù)在環(huán)境污染修復(fù)方面展現(xiàn)出較大的潛力。隨著蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)等的快速發(fā)展，多組學(xué)聯(lián)動(dòng)技術(shù)也將被用于微生物耐受、去除Cr （Ⅵ）的分子機(jī)制研究，并有助于構(gòu)建高效去除Cr （Ⅵ）的基因工程菌，從而完善微生物修復(fù)環(huán)境Cr 污染的應(yīng)用。