張 敏, 范 春, 趙 苒

（廈門大學分子疫苗學和分子診斷學國家重點實驗室 廈門大學公共衛(wèi)生學院預防醫(yī)學系，福建 廈門 361102）

鉻（chromium， Cr） 在環(huán)境中主要以三價鉻［trivalent chromium， Cr （ Ⅲ）］ 和 六 價 鉻［hexavalent chromium， Cr （Ⅵ）］ 的形態(tài)存在。Cr 被認為是地球上第二大嚴重污染環(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)被廣泛應用，在生產(chǎn)應用過程中可產(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人體健康造成危害［5］。因此，需要一種簡單、經(jīng)濟且可行的處理Cr （Ⅵ） 污染的辦法，即將有害 的Cr （ Ⅵ） 轉 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沉淀等傳統(tǒng)的物理性和化學性處理方式比較，微生物修復技術是一種在上述處理方法基礎上增加了與生物相結合的Cr （Ⅵ） 去除技術［6］，近年來在環(huán)境污染的治理中備受關注［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。目前已有相關研究［9］報道了處理Cr 污染的微生物修復技術，但主要從Cr 的轉化和特定微生物方面闡述了微生物的修復機制［10］，本研究從微生物修復機制方面系統(tǒng)地闡述了細菌和真菌等微生物在修復Cr 污染過程中可能涉及的機制和因素，并結合了近年研究成果解釋了環(huán)境因素對Cr （Ⅵ） 的影響及其可能機制，為進一步了解微生物修復技術的機制和應用提供理論基礎。

1 微生物修復技術

微生物修復是指微生物在適宜環(huán)境條件下，利用其生命代謝活動，將有毒有害的污染物轉化為低毒甚至無毒的過程，從而達到部分或者完全修復被污染環(huán)境的結果。微生物修復技術的應用會受以下幾個方面影響：污染物的化學性質及其濃度、污染環(huán)境中其他物質的構成比和濃度（如含水量、含氧量和營養(yǎng)狀態(tài)等）、污染環(huán)境中微生物群落構成以及 環(huán) 境 的 溫 度 和pH 值 等。 研 究［11］顯 示： 細 菌、真菌、藻類和植物等具有修復重金屬污染的能力，其中細菌和真菌的修復能力較強。利用微生物修復技術可以使重金屬污染場地恢復到未污染前的狀態(tài)且不會對環(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，生物電化學系統(tǒng)可用于金屬的去除和回收［13］。微生物修復技術因低投入和經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)勢，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Cr （Ⅵ） 污染成為環(huán)境Cr 污 染 治 理 的 研 究 熱 點。 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。Cr （Ⅵ） 污染的微生物修復作用機制包括酶介導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Cr （Ⅵ） 污染的機制不完全相同（表1）。微生物對Cr （Ⅵ） 的修復機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Cr(Ⅵ)的機制Tab.1 Different kinds of microorganisms and their mechanisms of Cr(Ⅵ) bioremediation

2 微生物修復機制

2.1生物吸附

生物吸附指藻類、細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鍵，并附著在微生物表面，如多糖、糖蛋白、蛋白質和糖脂等官能團上，發(fā)生絡合、離子交換、靜電吸附、鰲合、無機微沉淀以及共價吸附等反應，從而達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發(fā)生螯合和絡合等反應，不消耗能量；第二階段微生物主動吸附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） 生物吸附的機制有陰離子生物吸附、生物吸附與還原相結合、陽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為是一種經(jīng)濟有效的去除Cr （Ⅵ） 的方法［33］。真菌具有吸附Cr （Ⅵ） 的潛力［34］，真菌的吸附機制已得到廣泛研究。真菌細胞壁被認為是由羧基、磷酸、胺、硫醇和羥基等官能團構成的組合體，其中胺基、酰胺基、羧基、磷酸基和烷烴基參與了Cr （Ⅵ） 的絡合［35］，真菌細胞壁中多糖成分（半乳糖胺、幾丁質和聚糖） 可與Cr （Ⅵ） 螯合，參與Cr （Ⅵ） 的吸附。真菌細胞壁可充當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合物［10］。在細菌中，細胞壁上亦有與真菌細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 絡合，可見在Cr （Ⅵ） 的生物吸附過程中，微生物細胞壁的成分構成對生物吸附起重要作用。

生物吸附可在活菌或死菌中進行。Cr （Ⅵ） 生物吸附特征及其影響因素見表2。與死菌比較，活菌在生長的同時可以吸附Cr （Ⅵ），因而可以省略生長、干燥和儲存等步驟，但高濃度Cr （Ⅵ） 會對活菌產(chǎn)生毒害作用，導致功能代謝受到抑制，影響其生長［18］。在處理含Cr （Ⅵ） 廢水時，由于死菌的生物吸附不受有毒化學物質和廢物的影響，因此其比活菌具有更大優(yōu)勢。在Cr （Ⅵ） 去除過程中，應結合環(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產(chǎn)生的能量，將滯留在細胞表面的Cr 離子通過轉運蛋白轉運至細胞中［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） 跨膜轉運至細胞中［33］，是活菌普遍存在的一種機制。微生物對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間，濃度過高時，微生物生長受抑制。微生物常通過離子泵、離子通道、 內(nèi)吞作用和脂質滲透方式積累金屬［37］。研 究［10］顯 示： 鉻 酸 鹽 轉 運 蛋 白（Chromate transporter， CHR） 超家族的ChrA 蛋白與硫酸鹽和鉻酸鹽的轉運有 關 聯(lián)。 與Cr （ Ⅲ） 比 較，Cr （Ⅵ） 更易以易化擴散方式通過非選擇性和氧化狀態(tài)敏感陰離子通道進入細菌中，從而發(fā)生生物積累， 這一過程與Cr 不同價態(tài)的溶解度有關聯(lián)，Cr （Ⅲ） 因溶解度低，較難進入細菌中［33］。生物積累作為一種無害且經(jīng)濟的去除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用前景。

2.3生物轉化

生物轉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改變重金屬價態(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） 的生物轉化被認為是一種解毒機制［16］。在Cr （Ⅵ） 的生物修復過程中，微生物主要通過建立完善的生物系統(tǒng)，以主動轉運方式通過原核或真核生物的生物膜進入菌體［38］，將Cr （Ⅵ）還原成Cr （Ⅲ），且易通過酶促反應（直接還原）或非酶促反應（間接還原） 形成不穩(wěn)定的中間價態(tài)如五價鉻［Cr （Ⅴ）］ 和四價鉻［Cr （Ⅳ）］［9］。研究［39］顯示：Cr （Ⅵ） 還原酶主要存在于細胞質部分（可溶性） 或結合于胞膜上，因而酶介導的Cr （Ⅵ） 還原反應與胞質可溶性蛋白或不溶性細胞膜酶有密切關聯(lián)，但酶促反應的確切機制目前尚不清楚。Cr （Ⅵ） 生物轉化的機制根據(jù)該過程中是否存在酶促反應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） 與細胞表面結合、Cr （Ⅵ） 在細胞中遷移和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Cr （Ⅵ） 的還原反應［40］。在還原過程中，Cr （Ⅵ） 先接受1 個NADH 分子生成Cr （V），再接受2 個電子生成Cr （Ⅲ）［41］。有氧情況下產(chǎn)生的活性氧易與DNA -蛋白質復合物結合，破壞遺傳物質［9］，Cr （Ⅵ） 的還原效果與NADPH 的利用程度有關聯(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、NADH、 NADPH 和內(nèi)源儲備電子［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胞的生長和維持提供能量，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還原Cr （Ⅵ），與二價鐵離子（Fe2+） 和硫化氫（H2S） 等物質有關。三價鐵離子（Fe3+） 被鐵還原菌還原為Fe2+時，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） 的還原劑時可發(fā)生如下反應：硫酸鹽減少、硫化物還原鉻酸鹽和硫化物沉淀Cr （Ⅵ）［9］。非酶促反應與氨基酸、核苷酸、糖、維生素、有機酸和谷胱甘肽有關聯(lián)［44］，如葡萄糖可作為真菌菌株（Ed8 曲霉和H13 青霉） 還原Cr （Ⅵ） 的唯一碳源進行非酶促反應［45］，有機酸檸檬酸（真菌代謝物） 和草酸鹽可通過Fe3+光化學作用或錳離子（Mn2+） 無光條件下還原Cr （Ⅵ）［46］。非酶促反應還可發(fā)生于胞外，這可能與菌株產(chǎn)生和排泄類似于細菌中的分子或Cr （Ⅵ） 特異性還原分子有關［47］。間接還原與微生物環(huán)境條件有密切關聯(lián)，易受外界環(huán)境條件的影響。

3 影響微生物修復的環(huán)境因素

微生物修復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菌表面與重金屬結合的活性位點，從而影響微生物對重金屬的去除效率。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?shù)乃嵝曰驂A性環(huán)境對菌株的生長、 代謝活動和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+和小分子物質的存在也會影響微生物對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)電子轉移必不可少的部分，因而Cu2+的存在可提高菌株對Cr （Ⅵ） 的抵抗力和電子轉移效率， 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和Cr （Ⅵ） 還原情況［18］。高濃度Cr （Ⅵ） 可引起細菌遺傳物質中G-C 和A-T 堿基對突變［18］，使細菌生理和代謝反應發(fā)生變化，從而抑制細菌的生長。因而，在研究微生物修復環(huán)境Cr （Ⅵ） 污染的過程中，應多注意溫度、pH 值、金屬離子種類和濃度及小分子物質水平等外部環(huán)境對修復過程和效果的影響。

4 微生物修復技術在不同環(huán)境介質中的應用

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，微生物修復主要存在于這2 種環(huán)境介質中。通?？蓮闹聘飶S、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） 細菌和真菌［50］，不同微生物修復Cr （Ⅵ） 污染的機制不同。微生物修復技術對于治理含Cr （Ⅵ） 工業(yè)廢水雖有其獨特的優(yōu)點，如治理方法簡單、費用少，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)技術比較，微生物修復技術具有無需開挖污染土壤、不破環(huán)原場地和可應用于高水位的地下水污染治理等優(yōu)勢，由于土壤成分較為復雜，還存在如修復Cr （Ⅵ） 污染土壤的過程較為緩慢、修復效果易受施肥情況、土壤含水量和水文地質影響等問題［51］。 對于受污染的土壤，單一的微生物修復技術較難達到預期效果，通常采用以植物-微生物聯(lián)合修復為主，輔以物理化學和農(nóng)業(yè)生態(tài)的措施來提高聯(lián)合修復的效率。在土壤-植物-微生物組成的復合體系中，植物的根系為微生物的生長繁殖提供了場所，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空間。針對不同的污染介質，應結合污染環(huán)境情況控制環(huán)境因素，選擇適宜的微生物，或與植物進行聯(lián)合修復，提高Cr （Ⅵ） 的去除效率。

5 微生物修復技術的展望

近年來，越來越多的耐Cr 菌株被篩選分離出來，Cr （Ⅵ） 去除的機制研究也取得了較大進展，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技術治理Cr （Ⅵ） 污染時，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Cr （Ⅵ） 的耐受及其代謝機制；其次結合實驗室條件和污染特點，研究非生物因素，如溫度、pH 和小分子物質等對Cr （Ⅵ） 去除效率的影響；再次還要兼顧微生物的生長條件，予以優(yōu)化。目前雖然利用單一菌株進行生物修復的研究日益深入，但鑒于環(huán)境中多種微生物和污染物共存的現(xiàn)狀，在實際應用時，應將混合菌株修復、微生物與動植物的聯(lián)合修復以及多種重金屬或重金屬合并有機污染物等的混合污染修復作為新的研究方向。還可以利用高效修復菌株制成便于貯存和運輸?shù)纳锬せ蛘呱镂絼┑?，提升微生物修復技術的應用便利性。與單純物理或化學方法比較，微生物修復技術更適合用于Cr （Ⅵ） 污染的治理，因為其不僅低成本、易實施，更顯現(xiàn)出其生態(tài)友好和低健康風險特性，這些優(yōu)點使該技術在環(huán)境污染修復方面展現(xiàn)出較大的潛力。隨著蛋白質組學、轉錄組學和代謝組學等的快速發(fā)展，多組學聯(lián)動技術也將被用于微生物耐受、去除Cr （Ⅵ）的分子機制研究，并有助于構建高效去除Cr （Ⅵ）的基因工程菌，從而完善微生物修復環(huán)境Cr 污染的應用。