微生物硫代谢与镉耐受关系的研究进展

＊梅小乐 周燕

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院 内蒙古 010018 2.内蒙古自治区生态环境科学研究院 内蒙古 010010）

1.农田土壤重基属镉污染及危害

在全国范围内24个省市的320个重点污染区中，有4.9×105hm2的大田农作物重金属含量超标，其中以汞、镉、铅、铬、砷、铜元素污染及多种重金属元素的复合污染最为突出[1-4]。重金属能够通过改变细胞膜压力、蛋白变性、酶类活性位点失活、诱导自由基产生等机制，对微生物和植物生长产生强烈抑制作用[5-9]。

镉由于水溶性强，极易被植物吸收，并且在低浓度下也能严重改变植物体内酶的活性，包括涉及卡尔文循环、碳水化合物和磷代谢以及二氧化碳固定的酶，最终导致生长发育迟缓、叶绿体超微结构改变、光合作用抑制、氮和硫代谢改变以及抗氧化机制破坏等[10]。

镉是人体非必需元素，具有较强毒性。镉在人体内富集后，会影响人体生长发育和代谢平衡，严重时会造成肾脏疾病、高血压、心血管疾病、肺气肿和癌症等。稻米是人体摄入镉的最主要途径，进入到人体的镉食物来源中约40%为大米[11]。由于水稻的生产环境呈现酸性，可以有效提高土壤中有效态镉的含量，从而增加镉向水稻植株内的转移强度，提高稻米中镉的含量[11]。

2.重基属污染土壤修复技术者简

土壤修复技术则主要有物理修复、化学修复和生物修复这三大类。

物理修复技术主要包括工程修复法和土壤淋洗法，但物理修复法的高成本、高工作量限制了其应用场景，尤其是对污染农田的修复。

化学修复技术主要是在污染的土壤中投入改良剂，通过一些化学作用如吸附、氧化还原、络合或沉淀作用降低重金属的生物有效性。

生物修复技术是利用植物或微生物的生命代谢活动改变土壤中的重金属状态，从而达到修复土壤的目的。其中，微生物修复技术是指某些微生物可以吸附和富集重金属元素，有效防止重金属生物有效态在生态环境中的迁移和转化，遏制其通过食物链、地下水等形式危害人体健康。

大量研究发现，在重金属污染农田中，多种微生物展现出了对重金属毒性的耐受和解毒机制，如微生物累积、吸附、胞外沉淀、生物转化和外排作用等[12-13]。

3.土壤硫代谢对镉污染控制的研究进展

(1)土壤硫代谢过程

①硫酸盐还原菌

硫酸盐还原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）是一类能够把硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等硫氧化物以及元素硫作为电子受体，并且通过异化作用还原成H2S的细菌。目前已研究的SRB有18个属，40多种，广泛存在于自然界中，例如水稻田、海水、自来水、地热地区、油井和天然气井、河底污泥、动物肠道等。

SRB的代谢过程依据其种类、生存环境和营养底物的不同，代谢过程也不尽相同，大致可分为三个过程：第一阶段是分解代谢；接着是电子传递；最后一个阶段是硫酸盐还原为S2-[14]。

同化性硫酸盐还原和异化性硫酸盐还原是SRB的两种代谢途径[15]。同化性硫酸盐还原和异化性硫酸盐还原最初都是在焦磷酸酶的作用下将ATP的磷酸根转移到SO42-生成腺苷-5'-磷酸硫酸（APS）。而在异化性硫酸盐还原过程中形成的SO32-在亚硫酸盐还原酶的作用下生成硫化物或H2S被排泄出去[16]。

图1 硫酸盐还原菌的同化代谢和异化代谢途径[15]

②硫杆菌

硫杆菌是土壤和自然水体中最常见的化能自养硫化细菌。在硫杆菌属中，研究主要集中在氧化硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）和氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）。T.ferrooxidans能够将O2作为电子受体，通过将Fe2+氧化生成Fe3+。而T.thiooxidans只能通过RISCs的代谢过程来获得能量。

相比Fe2+直接氧化成Fe3+的氧化过程，RISCs的代谢过程则要复杂的多，硫拥有从-2到+6多个价态，在代谢的过程中会产生多种中间产物，而其中大部分都不稳定或者难以被检测，此外，代谢过程中很多反应在非生物参与的条件下也可以发生，不能确定是否有生物学的反应发生或者酶的参与。因此，关于RISCs的代谢过程研究相对比较复杂，但还是有一些相关的研究。

Chen等[17-18]通过引入硫加氧还原酶SDO、硫代硫酸盐醌氧化还原酶TQO和硫氰酸酶TST，将硫元素的氧化过程归纳为3种可能的形式：通过R-SH蛋白活化形成R-SSH，R-SSH再被SDO或Hdr氧化成亚硫酸，或在细胞内被SOR氧化。

图2 硫杆菌硫氧化模型[18]

(2)微生物硫代谢过程对其镉耐受的影响机制

镉离子对微生物细胞具有较强的毒性，通过改变生物大分子的结构、干扰呼吸作用及代谢过程、影响细胞内外渗透压平衡，使微生物细胞形态异常、破裂，导致微生物生长繁殖受到抑制。尤其是镉能促进机体或细胞产生大量的活性氧簇（ROS），过量的ROS会导致机体或细胞内的脂质过氧化及DNA损伤，从而介导细胞调亡[19-20]。

含硫物质易与重金属结合是微生物具备重金属的耐受和解毒能力的重要原因，如含硫氨基酸的半胱氨酸、甲硫氨酸、含硫蛋白质和谷胱甘肽等，都能与镉进行配位结合。如在酿酒酵母菌株中发现转运蛋白YCF1（Yeast Cadmium Factor 1），介导了Mg-ATP激活的镉-谷胱甘肽复合物，随后镉-谷胱甘肽复合物在液泡中被快速隔离[21]，从而完成了镉的解毒机制。研究表明[22-23]，谷胱甘肽能够清除重金属诱导的ROS，调节细胞内氧化还原动态平衡，从而在镉胁迫下生物解毒机制中发挥关键作用。此外，有机硫的代谢得到的如硫胺素、钼喋呤和铁硫蛋白等可以与镉结合，也是重要的镉的微生物解毒机制[24]。

有研究发现[25]，当环境出现镉胁迫因素时，其中台湾贪铜菌的硫代谢基因簇-铁硫簇出现表达上调，细胞内SOx2-含量上升，而且ROS水平远低于其他菌种，台湾贪铜菌也表现出了更高的镉耐受性和镉吸收量。这说明台湾贪铜菌的硫氧化过程有助于提高细胞的镉耐受性。

图3 转录组分析鉴定出的台湾贪铜菌的重金属耐受基因[25]

硫酸盐还原菌主要通过三种方式对重金属污染进行修复：①通过SRB还原过程形成的H2S与溶解的金属离子反应形成不溶的硫化物沉淀使之固化；②硫酸盐还原过程中会产生H+消耗的现象，导致整个系统pH升高，从而以氢氧化物的形式沉淀；③由硫酸盐还原菌产生的胞外多聚物会吸附重金属离子使重金属浓度降低。

图4 硫酸盐还原菌治理重金属污染示意图

4.展望

微生物重金属胁迫下的耐受机制研究在近十年来获得了较大的进展。尤其分子生物学技术的快速发展，极大推动了微生物重金属耐受调控基因的挖掘工作。例如通过合成生物学方法构建调控基因，再在大肠杆菌细胞中来验证该基因表达是否能够提高细胞的重金属耐受能力。这样就可以快速、准确地发掘到能够提高重金属耐受机制的调控基因。这也将为生物修复基因工程菌改造及合成微生物构建提供大量的基因资源，为农田重金属污染生物修复奠定理论基础，并提供新型、安全、有效的策略。