锰氧化细菌分类及作用机制研究进展

＊刘振洋 金琳 安强*

（1.重庆长寿经济技术开发区开发投资集团有限公司 重庆 404100 2.重庆大学环境与工程学院 重庆 400045）

随着工业发展，锰元素的应用越来越广泛。锰及其化合物作为化学、轻工、建材和其他行业的关键原材料，是土壤和地下水中的常见污染物。在锰的化合物中，锰的价态越低，毒性越大。现如今，与物理化学方法相比，微生物氧化除锰技术在效果、经济性和可持续性方面具有更大的优势。研究表明，微生物作用除锰主要是通过把Mn(Ⅱ)氧化成Mn(Ⅲ)或者Mn(Ⅳ)形成锰氧化沉淀达到去除水体中Mn(Ⅱ)污染的效果。本文对前期已分离的锰氧化细菌种类、作用机制及实际应用进行了综述，为更好地开展锰污染水体生物修复治理提供参考。

1.锰氧化细菌分类

能够将Mn(Ⅱ)氧化成锰氧化物的微生物叫做锰氧化微生物，其在系统发育上呈现多样性，种类包括真菌、细菌和藻类，但从未在古细菌域中发现。目前鉴定出来的具有Mn(Ⅱ)氧化作用的真菌有担子菌门和子囊菌门。除真菌之外，藻类也具有氧化锰的能力，以前的研究主要表明藻类是通过生长过程中光合作用使微环境pH升高从而导致了锰的非生物氧化沉淀。而最近的一项研究发现一些藻类可以通过可溶性细胞外蛋白产生的氧自由基超氧化物氧化Mn(Ⅱ)。

与真菌和藻类相比，锰氧化细菌在锰氧化微生物中占主导地位。锰氧化细菌参与锰的循环，主要是通过把Mn(Ⅱ)氧化成Mn(Ⅲ)或者Mn(Ⅳ)从而形成锰氧化沉淀，达到去除水体中Mn2+污染的效果。锰氧化细菌分布广泛，到目前为止，已经从环境中分离出数百种锰氧化细菌。

2.锰氧化细菌氧化机制分析

锰的生物氧化包括吸附和氧化两个过程。具体过程为游离的Mn(Ⅱ)被吸附在细胞表面，然后进入细胞内部被氧化，具体存在形态有细胞外吸附锰、细胞内吸附锰以及生物氧化锰。有相关研究表明相比细胞内去除锰，细胞外吸附占主导位。在菌株生长的迟缓期，细菌对环境变化反应敏感，尚未适应锰存在的环境，细菌生长以及锰氧化效率都比较低，主要是通过细胞自身的吸附作用去除锰。在菌株生长的对数期和稳定期，这一阶段细菌适应了环境，数量大大增加，吸附作用增强。同时，细菌具备了氧化锰的能力，氧化锰效率逐渐增强。直到细胞吸附锰逐渐达到饱和至稳定。万文结等人对锰氧化过程氧化活性因子进行定位发现细胞裂解液相比菌液、菌体和上清液氧化活性最低，活性因子在细胞内产生释放到环境中，主要在细胞表面以及外环境中参与Mn2+的氧化。

微生物介导锰氧化作用的发生往往存在直接和间接作用。在菌株生长过程中，细菌的新陈代谢导致pH、氧化还原电位以及自由基和活性氧含量发生了变化，从而改变了氧化还原环境，对Mn2+氧化起到了间接作用。而微生物对锰氧化的直接效应主要体现在细胞内代谢和细胞壁上的蛋白质、多糖或其他大分子物质对Mn(Ⅱ)的富集、键合和吸附。以及向细胞外分泌的锰氧化酶催化Mn(Ⅱ)向Mn(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)的高价态转化。

3.环境因子对锰氧化细菌的影响

在微生物氧化锰的过程中，pH、温度和共存重金属离子等环境因子会对细菌锰氧化性能产生较大的影响。

(1)pH的影响

在实际水体中，随着废水中锰及其他共存复杂污染物含量的不同，水体pH值变化差异较大，是生物除锰应用的水厂中系统运行的重要参数。图1显示了不同pH及氧化还原电位下环境中Mn氧化态稳定性。pH值不仅影响锰的存在形态以及微生物的生长状况，还会对锰氧化细菌的氧化活性产生一定的影响。例如Zhao研究的短杆菌MO1和MO2在pH值为8时氧化活性最强，并且pH在4～8范围内菌株的氧化锰活性随着pH的升高而升高。同时在对照组实验中添加缓冲溶液发现，缓冲溶液抑制了pH的上升，降低了锰氧化效率，从而进一步证明了一定范围内pH值的上升促进锰的氧化。据研究表明，Mn(Ⅱ)的氧化与细胞微环境中pH的变化和氧化还原电位有关。高pH值和氧气有利于Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)的存在，促进Mn(Ⅱ)向高价态转化。相比低pH，中性和微碱性的环境下(pH7～9)有利于锰的氧化。不同pH下锰氧化酶对细菌锰氧化活性的调控效应也不同，研究发现锰氧化酶的活性受pH值的剧烈影响，在中性或微碱性条件下发挥其最大的催化效应。Su报道的锰氧化物酶CueO在7.6～8.2的pH范围内显示出最佳活性，但是部分锰氧化细菌也能够适应酸性环境，在低pH下发生锰氧化作用。例如Denise M在2014年首次从低pH污染的前铀矿中分离出两株耐酸性的锰氧化细菌杜擀氏菌AB-14和铁还原菌TB-2，都能够在pH5.5的酸性环境下氧化Mn(Ⅱ)，有助于酸性富锰污染环境下的环境修复。

图1 环境中Mn氧化态稳定性

(2)温度的影响

温度对微生物的影响作用是显著的，温度过高或过低都会对细菌的生长活性产生不同程度的抑制。实际含锰废水的温度随着一年四季而有不同的变化，探究温度对锰氧化细菌的影响作用具有重要的意义。温度对微生物氧化Mn(Ⅱ)的差异主要体现在温度对锰氧化酶的影响。Ranjit在30～75℃监测温度对芽孢杆菌GZB的Mn(Ⅱ)氧化酶漆酶活性影响，发现55℃时有最大的Mn(Ⅱ)氧化酶活性。高温下，锰氧化酶的活性迅速下降，65℃和75℃时只有36.17%±1.07%和28.48%±2.66%的锰氧化酶活性。尽管我们发现锰氧化酶的活性和稳定性更加适应中温环境，但是部分锰氧化细菌在低温下同样具有锰氧化能力。例如Zhao从活性污泥中分离出的短芽孢杆菌在4℃低温条件下能够氧化Mn(Ⅱ)，这种嗜冷锰氧化细菌对受污染的低温地下水处理具有潜在的应用能力。

(3)共存重金属离子的影响

在各类重金属污染的废水中不仅只存在单一污染物，常常伴随着二元或者多种重金属污染，导致水体水质复杂。因此在微生物处理重金属污染的水体时常常要考虑共存重金属离子的影响。有研究学者测定了不同金属离子(1-5mM)对漆酶（锰氧化酶）活性的影响。结果发现在一定浓度(1mM)下，Cu2+和Zn2+的添加略微提高了锰氧化酶活性，而Fe2+和Ag+的添加大大降低了锰氧化酶活性。除了Cu2+其他重金属离子浓度为5mM时均对酶活性产生一定的抑制作用。Su的研究也发现了Cu2+和Zn2+的存在对锰氧化酶活性的促进作用，且Cu2+浓度在2mM以内相关细菌锰氧化效率与铜离子浓度呈正相关。Cu2+是多铜氧化酶的重要辅助因子，一定程度上升高其水平可以促进漆酶活性及锰氧化能力已被许多研究学者证实。

4.展望

（1）从发现、分离锰氧化细菌到实际工程中应用是生物除锰技术的重大进展。尽管在研究Mn(Ⅱ)氧化机制方面取得了较大的进展，但是Mn(Ⅱ)氧化机理是复杂的，且生物锰氧化的关键因子锰氧化酶的天然表达水平低，活性不稳定，对其功能和结构研究困难，且与遗传调控相关的过程尚不清楚。

（2）对适应极端环境的锰氧化细菌研究相对较少，还需要进行分离筛选更多特殊的锰氧化细菌丰富其信息库，以此来应对多种复杂化水体水质的高效处理。