微生物对水环境污染物的趋化性研究进展

严 磊， 陈杏娟， 杨永刚， 齐振雄， 姜瑞丽， 许玫英

(1.江西农业大学 生物科学与工程学院，江西 南昌 330045；2.广东省微生物研究所 广东省菌种保藏与应用重点实验室，广东 广州 510070；3.省部共建华南应用微生物国家重点实验室，广东 广州 510070；4.广东海大集团股份有限公司，广东 广州 511400)

近年来，水环境污染问题日益严重，其中无机物、有机物和重金属等在水环境中的大量积累是造成水环境污染的主要原因。虽然功能微生物可以通过直接降解转化或共代谢等途径实现水环境污染的治理，但大量研究[1-4]表明微生物对水环境污染的修复效果不仅取决于其降解能力，还与其趋化性能密切相关。微生物趋化性是微生物从环境中竞争获取碳源和能源物质以维持其生长发育的重要特性[5]。越来越多的证据表明，微生物的趋化性与污染物的生物可利用性及其降解效率之间存在密切关系[6]。微生物的趋化性一方面可以提高微生物获取合适碳源和氮源物质的能力，从而在营养受限的环境中保持生存优势；另一方面使微生物有效地感应到靶污染物，迅速在污染物周围聚集，从而加速污染物的降解转化效率[7]。然而，目前有关微生物趋化性的研究主要集中在纯培养条件下趋化机理的阐明，如微生物趋化信号的转导机制、鞭毛的运动方式以及甲基受体趋化蛋白(Methyl receptor chemotactic protein，MCP)的作用机理[8-9]等，关于水环境中趋化性微生物对污染物的趋化特性研究仍处于起步阶段。本文重点综述了近几年国内外有关水环境中微生物趋化特性的研究进展，尤其是微生物对无机盐、溶解性有机物及重金属等的趋化特性，分析了趋化功能微生物的趋化性与污染物的生物可利用性以及生物降解效果之间的关系。表1是细菌对水环境中污染物的趋化性与降解性的归纳总结。在此基础上，对基于趋化功能微生物精准调控的水环境污染强化治理技术的应用前景进行展望，以期为加速水环境污染治理和修复提供参考。

表1 细菌对水环境中污染物的趋化性与降解性Table 1 Chemotaxis and degradation of bacteria in water environment

1 微生物对水环境中无机盐类化合物的趋化性

含氮、磷等元素的无机化合物在水环境中的大量累积是引起水体富营养化的重要原因。微生物对水环境中含氮、磷等化合物的趋化和转化作用是调控氮、磷元素比例、减缓水环境污染的重要途径。近几年，随着免培养技术在氨氧化功能微生物特性研究中的广泛应用，越来越多的证据表明氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea，AOA)和氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria，AOB)对水体环境中氨氮、硝酸盐和磷酸盐等无机化合物具有不同的趋化特性，从而形成不同的菌群结构分布特点[31-32]。AOA和AOB这两种氨氧化功能微生物随着湖泊营养程度的改变呈相反的分布趋势。与中营养湖泊相比，富营养湖泊中AOA的丰度明显降低，而AOB的丰度则显著提高，且远高于AOA的丰度。与此同时，湖泊的硝化速率也随着营养程度的升高而升高，并且与AOB的丰度及AOB/AOA的丰度比例显著相关。而且，AOB的菌群结构组成也由中营养条件下的亚硝化单胞菌属和亚硝化螺菌属并存逐渐演替为富营养条件下的亚硝化单胞菌属占绝对优势[33]。Dennis等[10]研究发现湖水中Sphigobacteriales对硝酸盐和磷酸盐表现出强烈的趋化性，而ActinomycesACK-M1和Methylophilaceae则对铵盐具有强的趋化作用。作者所在的研究团队最近从河流水体沉积物中分离鉴定了1株赖氨酸芽胞杆菌新种LysinibacillusvariansGY32也具有硝酸盐趋化蛋白，对硝酸盐表现出强的趋向性，可以利用硝酸盐为厌氧呼吸的电子受体进行呼吸生长[34，25]。由此可见，水环境中趋化功能微生物对不同无机盐的趋化性具有菌属特异性，显著影响无机化合物的生物地球化学循环过程，从而影响水环境质量。通过特异性调控不同微生物菌属对无机盐的趋化性及其转化功能，将有效促进水环境中多种无机化合物的良性循环，避免由于含氮、磷等无机化合物的大量累积所引发的水体富营养化现象。

2 微生物对水环境中溶解性有机污染物的趋化性

水环境中溶解性有机污染物(Dissolved organic pollutants，DOP)由复杂的混合物组成，具有较高的稳定性和生物毒性。DOP参与并影响着环境中有机质的积累转化和污染物的迁移去除等过程[35]。Warkentin等[36]研究了水环境中细菌对DOP的降解性，发现细菌对瓦尔诺河水体中的DOP具有生物再矿化作用，特别是原放线菌、β变形菌、噬纤维菌和黄杆菌对DOP具有趋化性优势，但是细菌对DOP的降解在一定程度上受到腐殖质的抑制。Yan[37]研究了太湖及其支流中DOP对微生物丰度的影响，利用DOP的浓度变化解释了代谢依赖性趋化细菌的群落组成特征，发现腐殖质含量与细菌丰度呈正相关，腐殖质较少的区域细菌种群丰度较低。Jimenez-Sanchez等[38]通过研究DOP对细菌运动、附着和运输的影响，发现DOP可以作为诱导剂，诱导细菌增加细胞表面电荷来参与细菌自身的氧化还原反应；细菌还可以利用鞭毛的趋化功能竞争吸附于DOP，从而加速DOP的降解转化[39]。Adadevoh等[40]在实验室模拟条件下利用趋化性降解功能微生物PseudomonasputidaG7及其非趋化突变株PpG7Y1研究有机污染物萘对水体中PseudomonasputidaG7趋化运动能力的影响，发现萘的存在可以显著加速PseudomonasputidaG7的趋化运动，从而促进水体中萘的去除速率。Bai等[41]证实了假单胞菌G7鞭毛缺陷株的运动速度明显低于野生株，细菌运动性鞭毛的旋转使得其更快地游向自己生存的最佳场所。水环境中的趋化功能微生物对DOP的降解是逐步进行的，首先降解结构较简单、溶解性高的可溶性有机物，其次再利用较低溶解性的有机物。作者所在的研究团队发现，染料高效降解菌ShewanelladecolorationisS12对偶氮染料的降解性不仅取决于其细胞膜及胞质降解酶，还与染料的亲疏水性质、菌体对染料的响应及趋化有关。对于溶解性较高的苋菜红，菌株S12能够快速响应、趋化和降解，而对于溶解性较低的甲基红则响应较慢，只有当甲基红扩散透过细胞膜屏障后，其位于胞质的FMN依赖型NADH偶氮还原酶才对弱极性的甲基红表现出高效的降解性[24]。总体而言，水环境中的趋化功能微生物对DOP趋化和降解具有种群特异性。利用趋化功能微生物对DOP的趋化性及降解性，可以提高水环境中DOP的生物可利用性，从而促进DOP的降解脱毒。

3 微生物对水环境中主要重金属的趋化性

重金属具有稳定性、生物累积性和生物毒性，在生态系统中会造成长久的污染[42]。微生物对金属离子的趋化吸附作用主要体现在胞内的化学基团与金属离子的结合。较低浓度的重金属即可对微生物表现出较强的毒性。但是微生物具有快速适应与进化性，可以在群落间形成自适应氧化还原体系，实现对多种较高浓度重金属离子的共转化[43]。Huang等[43]利用废水中低浓度的Cr(VI)、Cu(II)和Cd(II)对微生物进行选择性培养后发现，低浓度条件驯化的菌群同样可以在生物电化学系统中转化高浓度的Cr(Ⅳ)、Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)离子。Liu等[44]发现由于GeobactersulfurreducensPCA的外膜细胞色素c可以异化还原高价金属，利用GeobactersulfurreducensPCA可以完全抑制含有汞甲基化基因hgcAB的细菌DesulfovibriodesulfuricansND 132对Hg(Ⅱ)的甲基化。金属还原菌Shewanellasp. ANA-3和ShewanellaalgaBrY可以降低Fe(Ⅲ)氧化物的释放，As(Ⅴ)还原菌可以耦合As/Fe，减少毒性更强的As(Ⅲ)的产生。Clostridiumsp. CN8可以减少As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ)且不能吸附趋向As(Ⅴ)[45]。利用细菌对金属离子的趋化和转化性质，还可以使水环境中DOP的生物降解速率显著提高[46]。ShewanelladecolorationisS12对低浓度溶解性铁的趋化，可以强化偶氮染料的降解；但是在不溶性铁条件下其对偶氮染料的降解则没有明显作用[47]。Pseudomonasveronii2E、DelftiaacidovoransAR和RalstoniataiwanensisM2对Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cr(VI)和Zn(Ⅱ)均具有趋化性，可以提高重金属超标的废水处理过程中固定化生物膜的定殖和生长[19]，从而强化生物降解效率。E.coliK-12的细胞表面对Ni(Ⅱ)的吸附能力影响其对Ni(Ⅱ)的趋化反应，Ni(Ⅱ)容易与E.coliK-12细胞膜上带有负电荷的羧基、磷酰基和羟基官能团形成配合物，发生趋化反应[20]。在淡水生态系统中，重金属污染梯度的分布影响着微生物群落中物种对重金属的生物有效性。Jackson等[48]发现，在重金属污染废水的处理过程中，生物膜的发育显著依赖于不同类型的细菌运动、游动、群集和趋化性。研究者以Cu(Ⅱ)和Ti(VI)作为化学引诱剂，在饱和的TiO2水溶液中观察到了海洋假单胞菌(Pseudomonassp.)对Cu(Ⅱ)的趋化作用[49]。Ortegacalvo等[50]在利用P.putida对纳米银离子和可溶性银离子的趋化性实验中发现，纳米银离子的趋化反应是由于纳米颗粒对P.putida细胞的直接响应而不是可溶性银离子的释放。细菌的趋化性运动增加了细菌表面的重金属浓度，使不同种类的重金属在细菌表面呈梯度分布，这在生物修复过程中有很大的意义[21]。因此，微生物的趋化反应机制在重金属元素地质循环和环境修复过程中起着关键的作用。不同类型的重金属元素都可以诱导一定范围内的细菌发生趋化反应，并且环境条件的特定变化也可以用来调节细菌在重金属元素地质循环中的趋化反应。合理应用水环境中的趋化功能微生物可以有效减轻重金属的毒性。

4 基于趋化性功能微生物精准调控的水环境污染强化治理新技术的研究展望

综合上述分析可见，趋化功能微生物可以特异性提高水环境中污染物的生物可利用性，从而加速污染物的降解转化效率，利用这一特性有望建立基于趋化功能微生物精准调控的水环境污染强化治理新技术。然而，由于到目前为止对水环境中趋化功能微生物与目标污染物之间的互作特点及其调控机制的了解仍相当有限，基于趋化功能微生物精准调控的水环境污染强化治理新技术的建立仍需解答一系列的科学问题：①如何通过提高趋化功能微生物对目标污染物的识别和感应效率，缩短水处理系统的启动和驯化过程？受污染的水体环境通常呈现多种污染物共存的复合污染特征。趋化功能微生物对目标污染物的识别和感应效率是决定水处理系统中污染物去除速率的关键因素，也是基于趋化功能微生物精准调控，加速水环境污染治理的关键。通过将分子生物学和组学技术紧密结合，确定趋化功能微生物识别和感应目标污染物的关键基因及其调控元件，将有望建立高效的水处理系统和驯化技术。②如何实现趋化功能微生物对目标污染物的趋化和降解过程的高效耦合，低能耗提高目标污染物的降解转化效率？功能微生物对目标污染物的趋化和降解转化过程的高效耦合是实现污染水体低能耗精准强化治理的重要途径。但已有的研究发现微生物的趋化特性与其降解转化能力并非呈正相关。利用合成生物学的方法手段，构建对目标污染物具有高效趋化和降解转化功能的新功能菌株，实现微生物趋化特性和降解功能的高效耦合，有望在低能耗条件下提高水处理系统中目标污染物的降解转化效率。③如何建立以趋化功能微生物为主导的代谢网络，实现水处理系统中多种污染物的同时高效去除？在水污染治理过程中微生物通常与周围环境中的生物和非生物因素组成代谢网络共同发挥作用。趋化功能微生物是水处理系统中连接目标污染物与微生物降解脱毒网络的重要节点。通过研究水处理系统的微生物组，确定关键的趋化功能微生物及其所介导的代谢网络特征，构建以核心趋化功能微生物为主导的微生物菌群，有望实现水处理系统中多种污染物的同时高效去除。