重金属铜对酿酒酵母的氧化胁迫及其应用研究进展

王巧碧，赵　欠，周才琼（西南大学食品科学学院暨重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆400715）



重金属铜对酿酒酵母的氧化胁迫及其应用研究进展

王巧碧，赵欠，周才琼
（西南大学食品科学学院暨重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆400715）

摘要：酿酒酵母作为真菌微生物和真核模式生物在发酵、功能性营养源、医药、食品和生物等领域具有十分广泛的应用，但其在生长代谢过程中易受到重金属铜的胁迫，从而迟滞酿酒酵母菌体的生长代谢，影响酿酒酵母发酵产物的质量。综述了重金属铜胁迫对酿酒酵母的危害，酿酒酵母对重金属铜胁迫所产生的应激反应，以及酿酒酵母对铜胁迫抗性在发酵工业和环境净化方面的应用，为酿酒酵母在工业中得到更好的生产应用提供思路。

关键词：酿酒酵母；铜胁迫；应激反应；应用

优先数字出版时间：2015-11-04；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20151104.1015.006.html。

铜是维持生命体正常生长与代谢的重要微量元素，普遍参与动物、植物和微生物体内多种生命活动，其主要的生理功能表现为：它是包括酪氨酸酶、Cu/Zn超氧化物歧化酶、赖氨酰氧化酶等在内的许多酶和蛋白所必需的组分[1-2]。但铜过量时，位于氧化还原反应的蛋白质活性位点上的铜离子会产生有害的氢氧根离子[3]，氢氧根离子会引起细胞膜脂质、蛋白质的氧化以及DNA和RNA分子的解链，最终导致细胞的死亡[4]。因此，研究铜胁迫对酿酒酵母的毒害作用以及酿酒酵母对铜胁迫的抗性机制对于酿酒酵母良好的生长代谢具有重要意义。

1　概述

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是酵母菌中最重要、应用最广泛的一类，在发酵、功能性营养源、医药、食品和生物领域等有重要应用。在发酵方面，酿酒酵母具有可工业化应用生产、乙醇耐受性强、糖分解能力高等特性，发酵生成的乙醇燃料可减少石油的使用量和减少对环境的污染[5-6]；在食品工业上，酿酒酵母所含的谷胱甘肽、活性多糖、核酸等应用广泛；在医药应用上，酿酒酵母适合于表达科学和商业上有价值的异源蛋白，是生产药物蛋白最优的宿主菌，且其细胞内的活性多糖、谷胱甘肽等已有应用；在生物领域，酿酒酵母作为全基因组序列已测定的真核模式生物，为其他真核生物基因研究提供重要依据和科研平台。酿酒酵母对人类的生产生活有重大的影响，但酿酒酵母在生长代谢中易受到铜等重金属的胁迫。研究酿酒酵母细胞的铜胁迫机制，提高酿酒酵母的生长代谢性能有重大意义。

2铜对酿酒酵母胁迫研究

2.1铜胁迫对酿酒酵母的危害及影响因素

铜是生物生长代谢必需的金属元素，低Cu2+浓度促进酿酒酵母的代谢，但高Cu2+浓度会对酵母造成胁迫作用[7-8]。0.05 mmol/L以上的铜胁迫即可降低酵母的醋酸代谢能力及ACS酶活性，随着铜离子浓度升高，酵母的迟滞期延长，数量越少；且过量的铜是氧化还原反应的活泼因子，参与Fenton反应[9-10]，产生与过氧化氢类似的氧化胁迫；铜离子浓度过高时，还会刺激机体产生·O2-伤害机体[11]。铜胁迫刺激酿酒酵母细胞内活性氧（ROS）的形成，ROS会通过损坏细胞内的脂类、蛋白质、核酸等生物大分子物质，破坏细胞膜的完整性和有序性，导致细胞死亡[12]。

铜对酿酒酵母的胁迫受到各种因素的影响，如铜离子的浓度、酿酒酵母的菌株差异[13]，酿酒酵母的生长介质如pH值、时间、温度[14]等。这些因素在一定程度上影响着重金属铜对酿酒酵母细胞的危害程度。

2.2酿酒酵母对铜胁迫的抗性研究

当酿酒酵母细胞在受到不良环境刺激时，能迅速合成活酵母细胞衍生物以抵御这些不良环境的伤害，从而表现出较强的应激反应能力。重金属铜胁迫是酿酒酵母在发酵、培育等过程中常遇到的问题，研究酿酒酵母对铜胁迫的抗性机制有利于研制出高性能的酿酒酵母菌株，从而可拓宽酿酒酵母的应用范围和提高酿酒酵母的应用质量。酿酒酵母在重金属铜胁迫下，随着细胞内活性氧（ROS）的增多，抗氧化酶体系和非酶抗氧化反应可协同作用减少细胞受到伤害；酵母细胞内的超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽还原酶、还原型辅酶、硫氧还蛋白酶等抗氧化酶的活性有不同程度的增加[15]。

2.2.1酿酒酵母细胞内抗氧化酶体系对铜胁迫的抗性

酿酒酵母细胞内抗氧化酶体系对铜胁迫的抗性有多种，包括硫氧还蛋白系统，谷氧还蛋白系统，超氧化物歧化酶（SOD）等。

酿酒酵母在遇到某些胁迫时，细胞内的硫氧还蛋白系统参与一系列反应，该系统中包含物质有硫氧还蛋白(Trx)、硫氧还蛋白还原酶型(TrxR)、还原型辅酶（NADPH）以及硫氧还蛋白过氧化物酶（TPX）。当酿酒酵母所处环境出现重金属铜胁迫时，TPX催化还原态的硫氧还蛋白与过氧化物反应，生成氧化态的硫氧还蛋白；氧化态的硫氧还蛋白在TrxR的作用下被还原而循环使用(以NADPH作为电子供体)。该系统通过调节细胞内环境，修正细胞生长及信号传导过程来缓解过量铜对细胞的伤害；还能还原DNA合成必需的核糖核苷酸还原酶等多种具有重要功能的蛋白质，促进应激蛋白的生成以发生应激反应。

谷氧还蛋白系统是酿酒酵母在重金属铜胁迫时细胞内出现的另一种应激反应系统，该系统包括的物质有谷氧还蛋白亚型(Grx)、谷胱甘肽过氧化物酶(Gpx)、谷胱甘肽合成酶(Gsh)，以及谷胱甘肽还原酶(Glr)。当酿酒酵母机体受到铜胁迫时，细胞利用谷胱甘肽合成酶合成谷胱甘肽，然后，这些谷胱甘肽在Gpx的催化下与过氧化物进行酶促反应；被氧化的谷胱甘肽则由Glr以NADPH作为电子供体而还原从而被循环使用。

当酿酒酵母受到铜胁迫时，SOD将细胞内超氧阴离子催化分解成H2O2，H2O2进一步被过氧化氢酶催化分解成H2O和O2，使细胞免受超氧自由基的损害。Muid等[16]研究指出，SOD活性的缺乏损伤核DNA活性，细胞内活性氧增加，细胞寿命缩短。

2.2.2酿酒酵母细胞内非酶体系对铜胁迫的抗性

除氧化酶反应体系外，酿酒酵母针对铜胁迫产生的应激反应，还有非酶系的防护系统，包括海藻糖和谷胱甘肽等在细胞内大量积累，这些物质与氧化酶反应体系共同作用，以增强酿酒酵母菌体对铜胁迫的毒害。抗氧化物质作用及相关研究见表1。

表1酿酒酵母细胞内非酶物质抗氧化作用及相关研究

3酿酒酵母铜胁迫抗性中的应用

酿酒酵母作为发酵工业的重要微生物和基因序列已知的真菌，研究其对重金属铜胁迫的抗性作用机制，对其广泛和深入应用提供更好的条件。

3.1酿酒酵母铜抗性在发酵工业中的应用

利用酿酒酵母的发酵技术可发酵制酒、酒精、谷胱甘肽、核酸和活性多糖等，酿酒酵母在生长代谢环境中很有可能含有过量的重金属铜，对其产生胁迫。Martins等[27]发现，使用铜制剂会升高葡萄果实的含铜量，从而升高发酵液中的铜含量；在发酵过程中长时间接触铜器具也会使发酵液中的铜量增加[28]；当发酵液中Cu2+超过一定含量时会降低酵母活性，影响酿酒酵母的正常生长，产生乙酸、SO2等一些副产物，降低发酵酒的质量和产量[29]。对酿酒酵母铜胁迫的氧化抗性研究，可优化酿酒酵母在发酵工业的应用以及提高发酵产品的质量。赵育等[30]通过诱导技术筛选出Cu2+抗性水平为1.00 mmol/L的酿酒酵母菌株，将抗铜胁迫强的酿酒酵母菌株运用到发酵工业中，可抵抗酿酒酵母对氧化胁迫、酸碱胁迫、高温胁迫等逆环境的不利影响。

3.2酿酒酵母铜抗性在土壤净化处理中的应用

铜制剂农药在全球已广泛应用到植物和农作物的生长中，如葡萄的霜霉、白粉等病害的防治[31-32]；工业废水在流动到土壤的过程中，废水中的铜离子被植物的根吸收进入植物体内，使植物器官的含铜量增加，植物中过量的铜会影响其正常生长[33]。对酿酒酵母铜胁迫抗性的研究可从酿酒酵母铜耐性方面减少铜离子进入到植物体内，从而提高土地的利用率和植物的生长质量。酿酒酵母在铜胁迫应激反应和盐碱胁迫反应间存在一定的联系，张小华等[34]研究结果表明，SOD和过氧化氢酶在酿酒酵母抵抗NaCl和Na2CO3胁迫中发挥重要作用。对酿酒酵母铜胁迫抗性的研究也可以为研究酿酒酵母盐碱胁迫抗性提供理论支持。

3.3酿酒酵母铜抗性在水净化处理过程中的应用

随着工业的发展，水体重金属污染已成为当今重大的环境问题，治理重金属污染日益受到人们的重视；近年来，国内外都开始关注使用生物吸附法处理重金属废水，酿酒酵母对重金属铜的胁迫抗性使酿酒酵母成为具有实用潜力的生物吸附剂，也成为研究重金属生物吸附机理的良好材料。酿酒酵母可以吸附除去多种重金属以及放射性核素，并可以利用解吸技术回收贵金属。相对于其它的重金属吸附剂，酿酒酵母具有廉价、安全性高以及可获得完整基因序列等特点。对酿酒酵母在水净化工业进行研究应用，可促进废水处理、水净化和环境污染处理等问题的解决。

酿酒酵母是一种廉价的环境友好型真核微生物，其表面的糖蛋白结构可对铜等重金属进行吸附[35]，可将一些毒性较大的重金属离子转化成低毒甚至无毒的物质[36]，在外部环境变化较大的情况下，对许多重金属依然有比较好的富集效果[37]，酿酒酵母的这些特点使其具有开发成为对环境污染水质中重金属离子进行清除的有效工具的潜力。

酿酒酵母对重金属铜胁迫的抗性使其具有成为生物吸附剂的巨大潜力，对酿酒酵母进行修饰或改性研究，可提高其对重金属的吸附能力。游离态或悬浮态酵母吸附金属离子后难以分离再生，将酵母细胞进行固定化处理，可提高其吸附效率，且有利于酵母细胞与吸附物的分离。Zan, F Y等[38]研究发现，固定的酿酒酵母细胞对Cu2+的吸附很快，在pH4时达到最大，且固化的酿酒酵母可以再生和再利用。周宁等[39]用2 %海藻酸钠作为包埋剂处理酿酒酵母制备的固定化菌体吸附Cu2+的效果最好，且确定了最优的吸附处理含铜废水的操作参数。对酵母菌细胞表面进行适当的化学修饰，能够提高其表面配位基团的活性，改善酵母菌对重金属离子的吸附能力。A. Malik[40]分别用HC、NaOH和CaCl2对酵母修饰后再吸附Cu2+，修饰酵母的吸附量均明显高于未修饰酵母的吸附量。

酿酒酵母作为一种低成本的生物吸附剂去除废水中有毒重金属和回收贵金属，具有高效、经济、安全的优点，可以实现废物的综合利用。但还有很多问题亟待研究，如活性酿酒酵母与死细胞对重金属的吸附及解析性能的比较，水质的污染程度对酿酒酵母细胞的影响，酿酒酵母对重金属的选择性吸附等。

4　小结

酿酒酵母在生长代谢过程中都有可能受到重金属铜等的胁迫，且不同的酿酒酵母菌株，不同的铜离子浓度，不同的生长环境皆可影响酿酒酵母对重金属铜的胁迫抗性。研究其对铜的胁迫机理，可为研究其对其他重金属胁迫的应激反应及作用机理提供有价值的参考；开发出生产性能良好、对发酵过程中的主要胁迫因素有高耐受性的菌株，可为其在发酵工业的应用提供理论依据。

酿酒酵母是发酵工业的重要微生物，又是进行机理研究的理想生物材料，在食品、医药、化妆、生物领域有广泛的应用。近年来，酿酒酵母对重金属（Cd2+、Zn2+、Cr3+等）胁迫的应激反应已多有研究；酿酒酵母在重金属铜胁迫的抗性研究中还存在一些问题未能解决，如细胞内控制铜胁迫的应激反应的调控基因及其相关蛋白的转录表达，细胞内的铜胁迫抗性物质间的关系及相互影响等。随着分子生物学技术的迅速发展，科研工作者可以从基因水平上更深层地研究酿酒酵母对重金属铜的氧化应激反应，从理论上阐明酿酒酵母应激反应的转录调节机制，从而拓展酿酒酵母对铜胁迫抗性的应激反应强度，研制出耐铜胁迫性能更优的菌株。总之，还需要相关的研究人员对其进行更深入的研究，以期对酿酒酵母的铜胁迫抗性有更深入详细的研究，使酿酒酵母在工业上有更广泛的应用。

参考文献：

[1] Arredondo M, Nunez M T. Iron and copper metabolism[J]. Mol Aspects Med, 2005,26：313-327.

[2] Tapiero H, Townsend D M, Tew K D. Trace elements in human physiology and pathology. Copper[J]. Biomed Pharmacother, 2003, 57(9)：386-398.

[3] Panda S K. Impact of copper on reactive oxygen species, lipid peroxidation and antioxidants in Lemna minor [J].Biologia Plantarum,2008, 52(3)：561-564.

[4] Gaetke L M, Chow C K. Copper toxicity, oxidative stress, and antioxidant nutrients[J]. Toxicology, 2003, 189(1-2)：147-163.

[5] Lin Y, Tanaka S. Ethanol fermentation form biomass resources: current state and prospects[J].Applied Microbiology & Biotechnology,2006,69(6)：627-642.

[6] Rabinovich M L, Bioldlimiia P. Ethanol production from materials containing cellulose: the potential of approaches developed in Russian[J]. Milrobiologiia,2006, 42 (1)：5-32.

[7] Li H, Guo A, Wang H. Mechanisms of oxidative browning of wine[J]. Food Chemistry, 2008, 108：1-13.

[8] Ferreira J, Du Toit M, Du Toit W J. The effects of copper and high sugar concentrations on growth, fermentation efficiency and volatile acidity production of different commercial wine yeast strains[J].Australian Journal of Grape and Wine Research, 2006, 12：50-56.

[9]曾英杰,许笑男,廖芸,等.铜离子对荔枝酒降酸酵母发酵性能及醋酸代谢的影响[J].食品科技, 2014,39(10)：43-48

[10] Zhang D L, Huang Y P, Luo G F, et al. Research progress of fenton and photo-fenton reaction[J]. Environmental Chemistry, 2006, 25(2)：121-127.

[11] Flora S, Mittal M, Mehta A. Heavy metal induced oxidative stress & its possible reversal by chelation therapy[J]. Indian Journal of Medical Research, 2008,128(4)：501-523.

[12] Freitas J D, Wintz H, Kim J H, et al. Yeast, a model organism for iron and copper metabolism studies[J]. Biometals, 2003, 16：185-197.

[13]贾博,刘灵伶,刘兴艳.Cu2+对酿酒酵母酒精发酵特性的影响[J].现代食品科技,2015(1)：32-37.

[14]陈灿,周芸,胡翔.啤酒酵母对废水中Cu2+的生物吸附特性[J].清华大学学报,2008,48（12）：2093-2095.

[15] Panda S K. Impact of copper on reactive oxygen species, lipid peroxidation and antioxidants in Lemna minor.[J].Biologia Plantarum, 2008, 52(3)：561-564.

[16] Muid K A, Karakaya H C, Koc A.Absence of superoxide dismutase activity causes nuclear DNAfragmentation during the aging process[J].Biocheical and Biophysical Research Communications, 2014, 444(2)：260-263.

[17] Krumova Ekaterina Z, Pashova Svetlana B, Dolashka-Angelova Pavlina A, et al.Biomarkers of oxidative stress in the fungal strain Humicola lutea under copper exposure[J]. Process Biochemistry,2009, 44 (3)：288-295.

[18] Singer MA, Lindquist S. Thermotolerance in Saccharomyces cerevisiae: the Yin and Yang of trehalose[J]. Trends in Biotechnology,1998, 16：460-468.

[19] Penninckx M.Ashort review on the role of glutathione in the response of yeasts to nutritional , environmental and oxidative stresses[J].Enzyme Microb Technol, 2000, 26(9-10)：737-742 .

[20]陈加利.重组酵母工程菌合成谷胱甘肽的研究[D].南昌：南昌大学,2013.

[21]冯宇,徐滕洋,蔡瑾.蛋白酶A敲除对酿酒酵母抗氧化性的影响[J].中国食品学报，2013,13(2)：13-18

[22]华朱鸣.寡糖和小肽抗消化道氧自由基作用的研究[D].杭州：浙江工商大学,2012.

[23] Maulik N, Das D K.Emerging potentiaI of thioredoxin and thioredoxin interacting proteins in various disease conditions [J].Biochim Biophys Acta,2008,1780(11)：1368-1382.

[24] Hamada Y, Miyata S, Nii Kono T, et al.Overexpression of thioredoxinl in transgenic mice suppresses development of diabetic nephropatlly[J].Nephml Dial Transplant,2007,22(6)：1547-1557.

[25]刘擎.硫氧还蛋白在眼部疾病发病中的保护作用[J].中华实验眼科志,2013,31(4)：414-417.

[26]刘继红.硫氧还蛋白及其相互作用蛋白与糖尿病胰岛功能[J].实用医院临床杂志，2013, 10(4)：208-211.

[27] Martins V, Teixeira A, Bassil E,et al. Metabolic changes of Vitis vinifera berries and leaves exposed to Bordeaux mixture [J].Plant Physiology and Biochemistry，2014, 82：270-278 .

[28] Pyrzy S.Analytical methods for the determination of trace metals in wine[J]. Crit Rev Anal Chem, 2004, 34(2)：69-83.

[29] Cavazza A, Guzzon R, Malacarne M, et al.The influence of the copper content in grape must on alcoholic fermentation kinetics and winequality.Asurvey on the performance of 50 commercial Active Dry Yeasts[J].VITIS, 2013,52(3)：149-155.

[30]赵育,杜君,李海兰.抗铜酵母的诱导和筛选[J].酿酒科技,2011 (5)：17-23.

[31] Boubals D. Copper in the control of grapes in France[J]. Vignevini,2001, 28(5)：45-47.

[32] Calisir F,Akman S. Survey of lead and copper in Turkish raisins[J].Food Addit Contam, 2007, 9(24)：960-968.

[33]蔡道基,单正军,朱忠林,等.铜制剂农药对生态环境影响研究[J].农药学学报,2001（1）：61-68.

[34]张小华,林莺,牛新华.酿酒酵母抗氧化酶系统对NaCl和Na2CO3胁迫的生理响应[J].安徽农业科学，2011, 39(30)：19107-19109.

[35] Kiran B, Kaushik A, Kaushik C P. Biosorption of Cr( VI) by native isolate of Lyngbya putealis ( HH-15) in the presence of salts [J].Journal of Hazardous Materials, 2007, 141(3)：662-667.

[36] Ksheminska H, Fedorovych D, Babyak L, et al.Chromium ( III) and (VI) tolerance and bioaccumulation in yeast:A survey of cellular chromium content in selected strains of representative genera[J].Process Biochemistry, 2005, 40 (5)：1565-1572.

[37] Wang H M, Mccarthney A，Qiu X, et al. Cd2 +Impact on metabolic cells of Saccharomyces cerevisiae over an extended period and implications for bioremediation[J]. Geomicrobiology Journal, 2012, 29(3)：199-205.

[38] Zan F Y,Huo S L,Xi B D,et al. Biosorption of Cd+2and Cu2+on immobilized Saccharomyces cerevisiae[J]. Frontiers of Environmental Science & Engineering，2012,6(1)：51-58.

[39]周宁,陶书中,黄亚东,等.啤酒酵母对水中Cu2+的吸附特性研究[J].酿酒科技, 2014 (12)：27-30.

[40] Malik A. Metal bioremediation through growing cells[J]. Environment International, 2004, 30(2)：261.

Research Progress in S.cerevisiae Response to Cu-induced Oxidative Stress and Its Application

WANG Qiaobi, ZHAO Qian and ZHOU Caiqiong
(Engineering & Technology Research Center of Characteristic Food, College of Food Science Southwest University, Chongqing 400715, China)

Abstract:S.cerevisiae, as the fungal microbe and eukaryote, is widely applied in the fields of fermentation, functional nutrition source, medicine, food, and biology. It is vulnerable to Cu-induced oxidative stress in the growth and metabolism process, which might hinder its growth and further influence the quality of S.cerevisiae fermentation products. In this paper, the hazards of Cu-induced oxidative stress to S.cerevisiae, the stress response, and the application of S.cerevisiae’s resistance to the stress in fermentation industry and environmental purification were reviewed, which provided good ideas for better use of S.cerevisiae in industry.

Key words：S.cerevisiae; Cu-induced oxidative; stress response; application

通讯作者：周才琼(1964-)，女，教授，博士，研究方向为食品营养化学，E-mail：zhoucaiqiong@swu.edu.cn。

作者简介：王巧碧（1991-），女，四川人，研究方向为食品化学与营养学，E-mail：273572340@qq.com。

收稿日期：2015-06-02

基金项目：重庆市科委项目（cstc2014jcsf-nycgzhA80001）。

DOI：10.13746/j.njkj.2015247

中图分类号：TS261.1；TS262.3；TS261.4

文献标识码：A

文章编号：1001-9286（2016）01-0098-05