微生物硫代謝與鎘耐受關(guān)系的研究進(jìn)展

＊梅小樂 周燕

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 010018 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院 內(nèi)蒙古 010010）

1.農(nóng)田土壤重基屬鎘污染及危害

在全國范圍內(nèi)24個(gè)省市的320個(gè)重點(diǎn)污染區(qū)中，有4.9×105hm2的大田農(nóng)作物重金屬含量超標(biāo)，其中以汞、鎘、鉛、鉻、砷、銅元素污染及多種重金屬元素的復(fù)合污染最為突出[1-4]。重金屬能夠通過改變細(xì)胞膜壓力、蛋白變性、酶類活性位點(diǎn)失活、誘導(dǎo)自由基產(chǎn)生等機(jī)制，對微生物和植物生長產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制作用[5-9]。

鎘由于水溶性強(qiáng)，極易被植物吸收，并且在低濃度下也能嚴(yán)重改變植物體內(nèi)酶的活性，包括涉及卡爾文循環(huán)、碳水化合物和磷代謝以及二氧化碳固定的酶，最終導(dǎo)致生長發(fā)育遲緩、葉綠體超微結(jié)構(gòu)改變、光合作用抑制、氮和硫代謝改變以及抗氧化機(jī)制破壞等[10]。

鎘是人體非必需元素，具有較強(qiáng)毒性。鎘在人體內(nèi)富集后，會影響人體生長發(fā)育和代謝平衡，嚴(yán)重時(shí)會造成腎臟疾病、高血壓、心血管疾病、肺氣腫和癌癥等。稻米是人體攝入鎘的最主要途徑，進(jìn)入到人體的鎘食物來源中約40%為大米[11]。由于水稻的生產(chǎn)環(huán)境呈現(xiàn)酸性，可以有效提高土壤中有效態(tài)鎘的含量，從而增加鎘向水稻植株內(nèi)的轉(zhuǎn)移強(qiáng)度，提高稻米中鎘的含量[11]。

2.重基屬污染土壤修復(fù)技術(shù)者簡

土壤修復(fù)技術(shù)則主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)這三大類。

物理修復(fù)技術(shù)主要包括工程修復(fù)法和土壤淋洗法，但物理修復(fù)法的高成本、高工作量限制了其應(yīng)用場景，尤其是對污染農(nóng)田的修復(fù)。

化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要是在污染的土壤中投入改良劑，通過一些化學(xué)作用如吸附、氧化還原、絡(luò)合或沉淀作用降低重金屬的生物有效性。

生物修復(fù)技術(shù)是利用植物或微生物的生命代謝活動改變土壤中的重金屬狀態(tài)，從而達(dá)到修復(fù)土壤的目的。其中，微生物修復(fù)技術(shù)是指某些微生物可以吸附和富集重金屬元素，有效防止重金屬生物有效態(tài)在生態(tài)環(huán)境中的遷移和轉(zhuǎn)化，遏制其通過食物鏈、地下水等形式危害人體健康。

大量研究發(fā)現(xiàn)，在重金屬污染農(nóng)田中，多種微生物展現(xiàn)出了對重金屬毒性的耐受和解毒機(jī)制，如微生物累積、吸附、胞外沉淀、生物轉(zhuǎn)化和外排作用等[12-13]。

3.土壤硫代謝對鎘污染控制的研究進(jìn)展

(1)土壤硫代謝過程

①硫酸鹽還原菌

硫酸鹽還原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）是一類能夠把硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽等硫氧化物以及元素硫作為電子受體，并且通過異化作用還原成H2S的細(xì)菌。目前已研究的SRB有18個(gè)屬，40多種，廣泛存在于自然界中，例如水稻田、海水、自來水、地?zé)岬貐^(qū)、油井和天然氣井、河底污泥、動物腸道等。

SRB的代謝過程依據(jù)其種類、生存環(huán)境和營養(yǎng)底物的不同，代謝過程也不盡相同，大致可分為三個(gè)過程：第一階段是分解代謝；接著是電子傳遞；最后一個(gè)階段是硫酸鹽還原為S2-[14]。

同化性硫酸鹽還原和異化性硫酸鹽還原是SRB的兩種代謝途徑[15]。同化性硫酸鹽還原和異化性硫酸鹽還原最初都是在焦磷酸酶的作用下將ATP的磷酸根轉(zhuǎn)移到SO42-生成腺苷-5'-磷酸硫酸（APS）。而在異化性硫酸鹽還原過程中形成的SO32-在亞硫酸鹽還原酶的作用下生成硫化物或H2S被排泄出去[16]。

圖1 硫酸鹽還原菌的同化代謝和異化代謝途徑[15]

②硫桿菌

硫桿菌是土壤和自然水體中最常見的化能自養(yǎng)硫化細(xì)菌。在硫桿菌屬中，研究主要集中在氧化硫硫桿菌（Thiobacillus thiooxidans）和氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferrooxidans）。T.ferrooxidans能夠?qū)2作為電子受體，通過將Fe2+氧化生成Fe3+。而T.thiooxidans只能通過RISCs的代謝過程來獲得能量。

相比Fe2+直接氧化成Fe3+的氧化過程，RISCs的代謝過程則要復(fù)雜的多，硫擁有從-2到+6多個(gè)價(jià)態(tài)，在代謝的過程中會產(chǎn)生多種中間產(chǎn)物，而其中大部分都不穩(wěn)定或者難以被檢測，此外，代謝過程中很多反應(yīng)在非生物參與的條件下也可以發(fā)生，不能確定是否有生物學(xué)的反應(yīng)發(fā)生或者酶的參與。因此，關(guān)于RISCs的代謝過程研究相對比較復(fù)雜，但還是有一些相關(guān)的研究。

Chen等[17-18]通過引入硫加氧還原酶SDO、硫代硫酸鹽醌氧化還原酶TQO和硫氰酸酶TST，將硫元素的氧化過程歸納為3種可能的形式：通過R-SH蛋白活化形成R-SSH，R-SSH再被SDO或Hdr氧化成亞硫酸，或在細(xì)胞內(nèi)被SOR氧化。

圖2 硫桿菌硫氧化模型[18]

(2)微生物硫代謝過程對其鎘耐受的影響機(jī)制

鎘離子對微生物細(xì)胞具有較強(qiáng)的毒性，通過改變生物大分子的結(jié)構(gòu)、干擾呼吸作用及代謝過程、影響細(xì)胞內(nèi)外滲透壓平衡，使微生物細(xì)胞形態(tài)異常、破裂，導(dǎo)致微生物生長繁殖受到抑制。尤其是鎘能促進(jìn)機(jī)體或細(xì)胞產(chǎn)生大量的活性氧簇（ROS），過量的ROS會導(dǎo)致機(jī)體或細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)過氧化及DNA損傷，從而介導(dǎo)細(xì)胞調(diào)亡[19-20]。

含硫物質(zhì)易與重金屬結(jié)合是微生物具備重金屬的耐受和解毒能力的重要原因，如含硫氨基酸的半胱氨酸、甲硫氨酸、含硫蛋白質(zhì)和谷胱甘肽等，都能與鎘進(jìn)行配位結(jié)合。如在釀酒酵母菌株中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白YCF1（Yeast Cadmium Factor 1），介導(dǎo)了Mg-ATP激活的鎘-谷胱甘肽復(fù)合物，隨后鎘-谷胱甘肽復(fù)合物在液泡中被快速隔離[21]，從而完成了鎘的解毒機(jī)制。研究表明[22-23]，谷胱甘肽能夠清除重金屬誘導(dǎo)的ROS，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)氧化還原動態(tài)平衡，從而在鎘脅迫下生物解毒機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，有機(jī)硫的代謝得到的如硫胺素、鉬喋呤和鐵硫蛋白等可以與鎘結(jié)合，也是重要的鎘的微生物解毒機(jī)制[24]。

有研究發(fā)現(xiàn)[25]，當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)鎘脅迫因素時(shí)，其中臺灣貪銅菌的硫代謝基因簇-鐵硫簇出現(xiàn)表達(dá)上調(diào)，細(xì)胞內(nèi)SOx2-含量上升，而且ROS水平遠(yuǎn)低于其他菌種，臺灣貪銅菌也表現(xiàn)出了更高的鎘耐受性和鎘吸收量。這說明臺灣貪銅菌的硫氧化過程有助于提高細(xì)胞的鎘耐受性。

圖3 轉(zhuǎn)錄組分析鑒定出的臺灣貪銅菌的重金屬耐受基因[25]

硫酸鹽還原菌主要通過三種方式對重金屬污染進(jìn)行修復(fù)：①通過SRB還原過程形成的H2S與溶解的金屬離子反應(yīng)形成不溶的硫化物沉淀使之固化；②硫酸鹽還原過程中會產(chǎn)生H+消耗的現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)pH升高，從而以氫氧化物的形式沉淀；③由硫酸鹽還原菌產(chǎn)生的胞外多聚物會吸附重金屬離子使重金屬濃度降低。

圖4 硫酸鹽還原菌治理重金屬污染示意圖

4.展望

微生物重金屬脅迫下的耐受機(jī)制研究在近十年來獲得了較大的進(jìn)展。尤其分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，極大推動了微生物重金屬耐受調(diào)控基因的挖掘工作。例如通過合成生物學(xué)方法構(gòu)建調(diào)控基因，再在大腸桿菌細(xì)胞中來驗(yàn)證該基因表達(dá)是否能夠提高細(xì)胞的重金屬耐受能力。這樣就可以快速、準(zhǔn)確地發(fā)掘到能夠提高重金屬耐受機(jī)制的調(diào)控基因。這也將為生物修復(fù)基因工程菌改造及合成微生物構(gòu)建提供大量的基因資源，為農(nóng)田重金屬污染生物修復(fù)奠定理論基礎(chǔ)，并提供新型、安全、有效的策略。