以细菌和真菌作为生物吸附剂去除重金属和多环芳烃的研究进展

江澜，闵燕，宋梦雨，邓尚月，谭琼，杨松，李枝颖，周海波，常海军

(重庆工商大学 环境与资源学院，重庆市特色农产品加工储运工程技术研究中心，重庆 400067)

细菌和真菌都属于微生物界的一员，不仅仅种类多种多样，无处不在，而且具有较强的分解能力和较高的代谢速率。自从细菌被列文虎克发现后，微生物便开始走入人类的视野，并且对其进行了广泛的研究，早在1980年，人们就发现了细菌与真菌能够高效地吸附金属元素[1]。重金属指的是原子量>55的金属，除部分属于人体所需的微量元素外，大部分重金属都属于人体不需要的元素，随着矿冶、化工、机械制造等工业的发展，这些工业作为大量产生重金属污染的源头，不断地向大自然中排放着重金属污染[2]，在生物链的作用下，环境中的重金属会随着食物链底端的生物逐步富集到食物链顶端的生物体内，并且这些重金属在人体内超过一定的量便会对人体造成伤害[3]。目前处理重金属污染的方法分为化学沉淀法、离子吸附法以及生化处理法，其中生化处理法中的植物和微生物吸附法正在成为一种环境友好、经济有效的技术。

多环芳烃污染来源于煤、石油、木材以及有机高分子等材料的不完全燃烧时产生的碳氢化合物，随着人类活动的加剧，多环芳烃广泛地存在于生活的每一个角落，目前发现的多环芳烃达到两百多种，并且大部分具有致癌性，对人类健康的威胁巨大[4]。多环芳烃的化学性质稳定，其基本构筑单元为苯环，主要分为呈直线排列、角状排列以及更为复杂排列方式的结构。许多的细菌与真菌都具备处理多环芳烃的能力，它们以多环芳烃作为唯一的碳源或者与其进行共代谢这种方式降解多环芳烃，并且不会造成二次污染，从而被认为是一种可行的生物修复技术。

由于多环芳烃经常与重金属一起发生在化石燃料燃烧、汽车尾气排放、垃圾焚烧等活动中，因此造成的污染往往属于多环芳烃与重金属的复合污染。多环芳烃与重金属的复合污染对环境的影响十分复杂，常规的治理方法对其作用不大，但是大量的研究表明了生物修复对于治理多环芳烃与重金属的复合污染及其适用，因为它具备经济、环保，对有机物和无机物的复合污染物处理能力高等优点[5]。一些技术如固定化和堆肥等也可以增强微生物的活性，从而提高修复效果。戚鑫等以生物炭为固定化载体，通过吸附和包埋两种固定方法制作成复合钝化剂，发现多种微生物及其组合都对多环芳烃与重金属的复合污染有处理效果[6]。目前大多数研究都关注于微生物复合污染的影响，相反，微生物与多环芳烃-重金属之间的相互作用机理还没有得到深入的了解。本文探讨影响多环芳烃和重金属生物降解的因素以及阐述细菌和真菌对多环芳烃和重金属的生物修复机理。

1 细菌和真菌在生物修复中的应用

1.1 细菌和真菌

已知有许多种细菌和真菌可以处理多环芳烃和重金属的复合污染。其中大多数是从受污染的沉积物或土壤中分离出来的。长期的废弃物排放使微生物能够在相当程度上应对多环芳烃和重金属的联合污染。细菌中的芽孢杆菌、大肠杆菌和分枝杆菌是多环芳烃和重金属生物修复的常见细菌，它们能在重金属存在的条件下分解蒽、萘、菲、芘等多环芳烃，并能减轻镉、铜、铬、铅等重金属与多环芳烃共同产生的抑制作用。Jiang等发现，添加苏云金芽孢杆菌FQ1后，细菌-真菌体内的镉元素累积量从14.29%增加到了97.67%，与此同时，峰值为500 mg/kg的菲被去除了95.07%[7]。真菌中的顶孢霉菌、侧耳和镰胞菌也是多环芳烃和重金属生物修复的常见微生物。

1.2 污染物的类型

萘、菲、芘等多环芳烃与铅和镉的混合污染被广泛研究，是多环芳烃-重金属的典型代表[8]。多环芳烃具有较强的疏水性和较低的生物利用度，并且分子结构较为复杂，在环境中具有较好的稳定性。土壤中的4环芘的浓度远远高于2环萘和3环菲的浓度。低分子量的多环芳烃(两个或三个环组如菲)和高分子量的多环芳烃 (超过三个环如芘)可以通过生物吸附到检测不到的水平，然而，芘降解所需时间是菲的4倍[9]。不同种类的重金属对微生物具有不同的毒性作用，这是由于每种金属离子的潜在配体的键合度差异和每种金属离子的迁移率差异造成的[10]。Liu等[11]发现，铅和镉均可通过影响菲降解过程中酶的含量、组成和活性来影响芽孢杆菌的降解能力，但镉对芽孢杆菌的毒性远大于铅。Wiatrowska等[12]发现土壤脱氢酶、磷酸酶和脲酶对镉金属离子的敏感性大于铅离子的敏感性。

1.3 影响生物修复效率的因素

1.3.1 环境因素 随着pH、温度、低分子量有机酸、腐殖酸等环境因素的改变，重金属价态和多环芳烃的生物利用度也会相对应的发生改变，从而导致多环芳烃和重金属对微生物的毒性表现发生改变。人们普遍认为pH值是影响多环芳烃和重金属生物修复效率的主要因素。由于不同种类微生物的最佳pH值是不同的，因此pH值会影响微生物的生长。多环芳烃和重金属通过改变pH值对细菌群落结构和酶活性造成影响，进而影响多环芳烃和重金属的生物修复性能[13]。此外，pH对重金属的氧化还原和溶解度也有影响。

温度对多环芳烃和重金属的生物修复体系也有着至关重要的影响。多环芳烃与重金属的溶解度会随温度升高而增大，从而提高多环芳烃与重金属的生物利用度。此外，在适当的温度范围内，微生物的活性会随着温度的升高而增加，因为它可以促进微生物的新陈代谢和酶的活性，从而加快多环芳烃和重金属的生物修复过程。例如，在堆肥过程中，温度是了解微生物活性的主要指标，43 ℃时累积O2值显著高于22，29，36 ℃时的累积O2值[14]。此外，温度可以直接影响多环芳烃和重金属对微生物的吸附和解吸过程，吸附容量和吸附强度会随着温度的升高而增大。由于多环芳烃在微生物上的吸附位点相对稳定，增加对多环芳烃或重金属的量可能会抑制微生物对多环芳烃或重金属的吸附。细菌表面的官能团也影响着对金属离子的吸附效果。张艳平等研究了铜绿假单胞菌吸附剂对水中菲-铜复合污染的吸附效果，发现铜离子的吸附与细菌细胞的叁键和累积双键官能团相关，进而影响了细菌吸附剂对复合污染的吸附[15]。

低分子量有机酸和腐殖酸广泛分布于土壤和地下水中，在多环芳烃和重金属的生物修复中发挥着重要作用。低分子量有机酸和腐殖酸通过离子交换、表面吸附和配位络合作用影响着重金属的离子迁移、转化和生物利用度，原因是腐植酸的酚基、羧基、奎宁基、氨基和巯基等官能团可以与重金属离子作为配体相结合。低分子量有机酸和胡敏酸还可以吸附多环芳烃，提高多环芳烃的迁移率和可用性，并提高微生物对多环芳烃的降解率[16]。Gao等[17]发现，添加10～100 mmol/kg低分子量有机酸，40 d后土壤中各种多环芳烃的浓度比未添加低分子量有机酸的对照组浓度高54%～75%。

1.3.2 微生物活性 微生物的种类、筛选条件和微生物的基因都能影响微生物的活性。多环芳烃和重金属都会影响微生物群落，为了适应危险的环境，新的微生物群落被迫形成。这些从污染地区筛选出的菌株通常具有较强的处理多环芳烃和重金属污染的能力。可以在其他污染条件下被强化并作为外源菌株使用。此外，对多环芳烃和重金属污染修复能力强的菌株的DNA中，通常含有抗性基因或降解基因，这些基因可以通过基因技术分离重组，并剪切到新的细菌基因中，得到修复效率更高的新细菌[18]。该基因组技术能够提高微生物对多环芳烃和重金属污染的修复能力。

1.3.3 基体效应 基体效应主要用于研究多环芳烃和重金属的浓度、结构、溶解度和吸附对生物利用度的影响。表面活性剂作为一种金属络合剂，近年来被广泛应用于重金属的修复，尤其是生物表面活性剂。表面活性剂能与金属离子形成络合物，在脱离土壤前与吸附的重金属直接接触。通过降低界面张力和流体力来降低表面性能，破坏金属与土壤之间的附着力，将金属从土壤中剥离出来。Luna等[19]研究发现，假丝酵母球菌生产的生物表面活性剂对铁、锌和铅的去除率分别为95%，90%和79%。Li等[20]发现添加十二烷基苯磺酸钠可提高脂肪酸脱氢酶的活性，增加不饱和脂肪酸含量，增加膜的流动性，促进跨膜转运。

2 机理

多环芳烃和重金属的生物修复可能受到单个污染物的影响，也可能受到这两种污染物相互作用的影响。因此，对重金属与重金属的相互作用机理、多环芳烃与多环芳烃的相互作用机理、多环芳烃与重金属的生物修复机理进行研究。

2.1 重金属-重金属

部分重金属是微生物生命过程的基础，如铜和锌，而另一些重金属则没有带来任何生物效益，反而会使生物体变性，并削弱微生物对重金属的生物修复能力，如铬和镉。重金属会改变微生物的生理生化特性，另外，共存的重金属会相互影响。例如，Manzano等[21]发现，黄铁矿经过二价铁离子处理后，微生物会增加对矿中的铜、锰、锌等元素的吸附量，但是对砷的吸附量有所降低，并且处理后的微生物活性也会降低。

重金属可以通过几个关键机制对微生物产生有害影响，即在活性氧的生产过程中作为氧化还原剂，破坏离子调节，从而直接影响DNA和蛋白质等物质的形成。例如重金属 Cu(Ⅰ)、Cu(Ⅱ)等可通过芬顿反应参与活性氧的生成或作为可溶性电子载体参与电子的得失，从而对细胞质分子、DNA、脂类等造成严重损伤[21]。此外，重金属可以通过与底物的竞争性或非竞争性相互作用破坏重要的酶功能，导致酶的构型改变，从而改变酶基因的表达，导致酶氧化[22]。重金属还可以通过粘附在细胞表面，通过离子通道或自分泌进入细胞，从而引起离子失衡[23]。此外，重金属还可以直接导致DNA损伤或影响酶的形成等。

2.2 多环芳烃-多环芳烃

多环芳烃或多环芳香族衍生物可影响微生物对多环芳烃的降解。例如，某些多环芳烃不能够被微生物降解，但加入另一种多环芳烃时，在协同代谢的作用下，这些多环芳香族化合物都能够被降解。Zhang等[24]发现微球菌不能降解蒽、氟蒽和萘，但当菲作为唯一的碳和能源被加入时，萘和菲都可以被降解90%以上。多环芳烃的中间体对多环芳烃的降解也有影响。Wen等[25]研究表明，邻苯二甲酸、水杨酸等中间代谢物的积累会抑制芘的降解，降解效率比没有中间物的降解效率低了6.69%。中间体可能是因为浓度过高，不利于微生物生长，并对微生物产生毒性作用，从而抑制多环芳烃的降解，当中间产物的浓度适当时，多环芳烃的降解效率可能会增强。

2.3 多环芳烃-重金属

多环芳烃和重金属对环境中细菌或真菌的混合影响比单独影响要复杂得多。在重金属存在的情况下，多环芳烃的修复具有一定的难度，因为重金属可以通过影响ATP的产生、群落的转移和酶的活性从而对微生物产生不利影响。此外，多环芳烃和重金属的长期污染会产生一些新的微生物，从而改变本土微生物群落，但也会保持其他微生物群落的完整[26]。

2.3.1 重金属对多环芳烃生物降解的影响 重金属可以通过改变微生物的表面特性和干扰微生物的酶来影响多环芳烃的降解。重金属也可以通过改变微生物的表面性质来影响微生物对多环芳烃的吸附，随着重金属离子的加入，带负电荷的微生物往往会吸引金属阳离子而不会吸引多环芳烃。这可能是由于微生物表面与重金属离子之间的静电引力远大于微生物表面与多环芳烃之间的范德华力[27]。因此，重金属会首先占据微生物表面的吸附区域，随着表面金属阳离子浓度的增加，微生物表面的金属离子逐渐到达饱和，然后表面变得不那么亲水，最终促进多环芳烃的吸附。多环芳烃更容易被聚集态的重金属所吸引，这是由于阳离子与磷的相互作用，这也有利于微生物对多环芳烃的吸附[28]。此外，重金属对微生物细胞具有抑制作用，金属离子可以阻碍细胞骨架的运动功能，这种阻碍可能会延缓细胞分裂。王等发现重金属可以通过穿透细胞壁，氧化细胞膜上的表面蛋白，最终干扰细胞稳态[29]。由于多环芳烃与亲脂化合物具有某种相互作用，能够影响微生物的渗透性和构型，使重金属更容易渗透到微生物细胞中，影响其功能[30]。一些低浓度的重金属可能会由于酶-金属-底物复合物的形成而促进多环芳烃的降解。这些重金属可以作为蛋白质的辅助因子，提高蛋白质的生物活性。然而，过量的重金属会与大量营养素(如Mg2+、Ca2+)竞争，这些营养素广泛存在于环境中，通常用于酶-金属-底物复合物的形成[31]。另外，重金属可以伪装成催化活性基团或变性蛋白结构，或者与蛋白质的巯基结合，对蛋白质或酶产生有害影响[32]。

2.3.2 多环芳烃对重金属生物修复的影响 生物吸附是微生物处理重金属最有效、最常见的方式。当多环芳烃对微生物膜产生有害影响时，它可以改变生物膜上重金属的运转。多环芳烃可与生物膜上的亲脂组分相互作用，从而改变生物膜的通透性，使重金属更容易渗透到微生物细胞中，因此，多环芳烃对微生物的毒性作用被放大，微生物对重金属的修复作用被减弱。此外，多环芳烃可以改变膜的流动性或改变电位，从而抑制微生物对重金属的吸附[33]。受多环芳烃影响的酶还会引起离子调节紊乱，降低金属-ATP酶的活性，从而影响重金属的运转[34]。

3 展望

目前多环芳烃和重金属的生物修复方法仍有很大的研究价值，若能够筛选出对多环芳烃和重金属生物修复效率高的细菌和真菌，就能有效控制多环芳烃与重金属的污染。因此，在现实中寻找合适的方法来提高筛选菌株的竞争力和增强微生物活性是非常有必要的。此外，采用适当的方法扩大微生物利用度，可增强微生物对芳香族聚合物和重金属污染的生物修复效果。芳香族聚合物和重金属污染严重破坏着细菌和真菌的细胞结构和功能，进而影响修复效率，因此，对细菌的解毒机理以及对污染物生物毒性的延缓方法也有待于更进一步的研究。对于多环芳烃和重金属的修复，还有一些其他有效的方法，比如将生物修复与其他手段或材料相结合，就有可能提高生物修复的效率。由于酶在多环芳烃和重金属的修复中起着至关重要的作用，因此微生物分泌的酶的功能也需要进一步的研究。