微生物與重金屬之間的相互關系

1、微生物與重金屬之間的相互關系報告人：主要內容 1.微生物的定義及其分類 2. 微生物對重金屬活性的影響 3. 重金屬脅迫條件下對微生物多樣性的影響 4. 目前研究中存在的問題 5. 該領域研究采用的新技術 6.結語一、什么是微生物？微生物非細胞性微生物原核細胞型微生物 真核細胞型微生物1.病源微生物八大類立克次體衣原體支原體螺旋體放線菌病毒真菌細菌微生物微生物 H5N1禽流感病毒非細胞型微生物1.無細胞結構，結構最簡單，體積最微小，能通過細菌濾器；2.由單一核（DNA或RNA）和蛋白質外殼組成；3.必須寄生在活的易感細胞內必須寄生在活的易感細胞內生長繁殖。生長繁殖。 2.原核細胞型微生物1.1

2、.僅有原始核，無僅有原始核，無核膜、無核仁，染核膜、無核仁，染色體僅為單個；色體僅為單個；2.缺乏完整的細胞器。 腸道細菌放線菌3.真核細胞型微生物1.細胞核分化程度較高，有典型的核結構（有核膜、核仁、多個染色體，由DNA和組蛋白組成）；2.通過有絲分裂進行繁殖；3.胞漿內有多種完整的細胞器。 真菌二、微生物對重金屬活性的影響 微生物對重金屬活性的影響主要是通過微生物對重金屬的吸附、遷移及轉化來實現的。1.微生物對重金屬的吸附：主要從下列三方面來研究 吸附機理；吸附機理； 吸附方式；吸附方式； 影響吸附量多少的因素。影響吸附量多少的因素。 吸附機理吸附機理活細胞吸附死細胞死細胞吸附吸附如革蘭氏

3、陽性細菌如革蘭氏陽性細菌（細胞壁的結構）（細胞壁的結構）真菌的細胞壁真菌的細胞壁（成分）（成分）離子泵、載體協助、離子泵、載體協助、脂類過度氧化和復合脂類過度氧化和復合物滲透物滲透PHPH、溫度適宜、溫度適宜的條件下的條件下具有較具有較高的吸高的吸附量附量革蘭氏染色類型細胞壁厚度細胞壁化學組合細胞壁結構中功能團 菌毛革蘭氏陽性菌20-80nm90%肽聚糖、肽聚糖、10%磷壁酸，不含或很磷壁酸，不含或很少含脂多糖少含脂多糖表面功能團豐富如羧基、羥基、磷酸基等，等電點各異 很少有革蘭氏陰性菌15-20nm肽聚糖站細胞壁的10%，不含磷壁酸 同上細胞表面長有菌毛成分為菌毛蛋白，疏水性沈萍主編. 微生

4、物學M, 北京：高等教育出版社， 2000目前常用于吸附重金屬離子的微生物數量眾多（表1）孫嘉龍，李梅，曾德華 . 微生物對重金屬的吸附、轉化作用. 貴州農業(yè)科學，2007，35（5）；147150孫嘉龍，李梅，曾德華 . 微生物對重金屬的吸附、轉化作用. 貴州農業(yè)科學，2007，35（5）；147150靜電吸附表面絡合離子交換吸附重金屬細胞壁結構離子與溶液中離子（正負電荷吸附）吸附方式兩大主要因素: pH、溫度注意：如果是培養(yǎng)微生物如果是培養(yǎng)微生物 菌種的選取，溶液的配制，試驗方法的應用，培養(yǎng)時間的長短，吸附方法的采取，堿處理的過程都會使培養(yǎng)基中的碳氮比、pH、溫度產生變化，從而影響培養(yǎng)基中

5、微生物對重金屬的吸附效果。 如下表是關于培養(yǎng)基中如下表是關于培養(yǎng)基中pH、溫度等對重金屬吸附效果的、溫度等對重金屬吸附效果的分析分析李清彪,吳涓,楊宏泉,等.白腐真菌菌絲球形成的物化條件及其對鉛的吸附J.環(huán)境科學,1999,20(1):34239PH值的影響如白腐真菌(Phanerochaete chrysosporium)吸附Pb2+的研究表明，28和35時的吸附率分別為95.62%和94.81%，但40時的吸附率降為82.49%。溫度的影響注意的是注意的是：在適宜菌體生長的溫度范圍內，溫度對微生物吸：在適宜菌體生長的溫度范圍內，溫度對微生物吸附重金屬效率的影響不大。附重金屬效率的影響不大。

6、 如康春莉等發(fā)現在溫度低于30時，溫度對Pb2+、Cd2+的吸附沒有影響；當溫度高30時，吸附量略有下降，這肯能是因為溫度過高影響了胞外絡合物的活性導致的。 當溶液中存在其他金屬離子時，這些共存離子與主要離 子競爭細胞上有限的帶負電荷的基團，一般都會抑制主要 金屬離子的吸收，從而導致主要金屬離子的吸附量的減少。 其它因素的影響: 如周東琴等研究用Cu2+，Pb2+和Hg2+ 3種離子對溝戈登氏菌(Gordona amarae)進行誘導培養(yǎng)如圖所示： 圖表4、7 李清彪,吳涓,楊宏泉,等.白腐真菌菌絲球形成的物化條件及其對鉛的吸附J.環(huán)境科學,1999,20(1):34239 從中可以得出若對微

7、生物吸附劑進行一些物理、化學的預處理(如用酸、堿浸泡或加熱等方法)，可以不同程度改變其吸附能力。土壤中微生物對重金屬的遷移轉化的影響機制土壤中微生物對重金屬的遷移轉化的影響機制 1. 通過烷基化、去烷基化、氧化、還原、配位和沉淀烷基化、去烷基化、氧化、還原、配位和沉淀作用轉化重金屬，并影響它們的遷移能力和生物有效性2.能大量富集幾乎所有的重金屬，并通過食物鏈進入人體，參與生物體內的代謝過程 重金屬可與土壤中的有機配位體發(fā)生配合作用，影響著土壤中重金屬離子的遷移活性。 - 腐殖質中的富里酸與重金屬離子形成的螯合物，溶解度較大，易于在土壤中遷移。 -腐殖質中的腐殖酸與重金屬形成的螯合物溶解度小，不

8、易在土壤中遷移。土壤中微生物對重金屬的遷移轉化土壤中微生物對重金屬的遷移轉化 pH值重金屬離子的溶解度遷移能力 土壤的氧化還原狀況影響重金屬的存在形態(tài)，使其溶解度發(fā)生變化，從而影響重金屬在土壤中的遷移。重金屬化合物的溶解度越高遷移能力越強？ 微生物通過三種方式影響重金屬的遷移轉化微生物通過三種方式影響重金屬的遷移轉化: 1.主動與被動的堆積、在其體內富集； 2.通過微生物的金屬轉化作用使重金屬的形態(tài)發(fā)生轉化； 3.通過影響重金屬的活性，實現不同金屬離子間的形態(tài)轉化。 微生物對重金屬遷移轉化的方式微生物對重金屬遷移轉化的方式 如有些微生物可把難溶性的Pu4+還原成可溶性的Pu3+，把Hg2+還原

9、成揮發(fā)性的Hg，鐵錳氧化物的還原也可把吸附在難溶性Fe3+、Mn4+氧化物上的重金屬釋放出來。 菌根是土壤中的真菌菌絲與高等植物營養(yǎng)根系形成的一種聯合體，具有很強的酸溶和酶解能力，菌根根際分泌物及根際提供的微生態(tài)使菌根根際維持較高的微生物種群密度和生理活性，從而促進植物生長。菌根真菌對重金屬的影響1）菌根真菌通過分泌特殊的分泌物等形式改變植物根際環(huán)境，改變重金屬的存在狀態(tài)，降低重金屬毒性；2) 菌根真菌能影響菌根植物對重金屬的積累和分配，使菌根植物體內重金屬積累量增加，提高植物的富集效果3） 菌根真菌向宿主植物傳遞營養(yǎng)，使植物幼苗成活率提高，宿主植物抗逆性增強、生長加快，間接地促進植物對重金屬

10、的修復作用。菌根的形成也同時影響植物根際微生物的種類和數量。 值得注意的是： 一般認為，重金屬污染土壤中的土著菌根真菌耐一般認為，重金屬污染土壤中的土著菌根真菌耐受重金屬能力較強，植物與菌根真菌生物修復的關受重金屬能力較強，植物與菌根真菌生物修復的關鍵在于篩選有較強降解能力的菌根真菌和適宜的共鍵在于篩選有較強降解能力的菌根真菌和適宜的共生植物，使兩者能相互匹配形成有效的菌根。生植物，使兩者能相互匹配形成有效的菌根。三、重金屬脅迫下對微生物多樣性的影響 植物根系在重金屬的脅迫下，可導致分泌物的大量釋放植物根系在重金屬的脅迫下，可導致分泌物的大量釋放 可溶性分泌物，如有機酸、氨基酸、單糖等，可通過

11、螫合作用和還原作用，或通過改變根系區(qū)域的pH值和氧化還原狀況，增加重金屬的溶解性和移動性； 不溶性分泌物，如多糖、揮發(fā)性化合物，脫落的細胞組織等則在抵御重金屬的毒害作用中起著重要的作用。 1.重金屬污染對微生物群落多樣性的影響 微生物可以影響重金屬的活性，同樣重金屬在短時期內可以降低微生物的活性，污染嚴重時還會降低微生物的生物數量。如圖所示分析模型1和模型2： 2.土壤重金屬污染對微生物功能多樣性的影響（1）影響微生物對碳源的利用； （2）降低了微生物的代謝效率； （3）通過16SrDNA-DGGE分析重金屬影響微生物的生理結構，但是沒有對其遺傳多樣性構成顯著影響； （4）隨著重金屬污染程度的

12、增加，細菌群落的代謝多樣性也逐漸降低。16SrDNA-DGGE16SrDNA-DGGE技術基本路線技術基本路線一一 樣品總樣品總DNADNA的提?。旱奶崛。? 實驗器材：玻璃器材，鋁蓋，實驗器材：玻璃器材，鋁蓋，1.5mL離心管，螺口管，鋯珠，攪離心管，螺口管，鋯珠，攪拌器，拌器，4離心機。離心機。實驗試劑：實驗試劑：PBS（0.05M，pH=7），水飽和酚，），水飽和酚，TE飽和酚，飽和酚，TN150，TE緩沖液，緩沖液，TAE緩沖液，緩沖液，NaAc (pH=5.2),氯仿氯仿/異戊異戊醇（醇（24：1）（）（V/V），），96%冷乙醇，冷乙醇，70%冷乙醇。冷乙醇。3 3 實驗操作：細胞

13、分裂、提取實驗操作：細胞分裂、提取DNADNA二、二、DNADNA的檢測的檢測瓊脂糖凝膠電泳瓊脂糖凝膠電泳1試劑和器材：試劑和器材： 電泳緩沖液（1*TAE），溴乙錠（EB）染色貯存液（1mg/mL）,0.25%溴酚蘭，瓊脂糖，雙蒸水。電泳儀，水平電泳槽，透射紫外燈，膠帶紙 。2.2.實驗操作：實驗操作：1.2%瓊脂糖凝膠的制備、點樣、電泳瓊脂糖凝膠的制備、點樣、電泳 、觀察、觀察三、三、16s rDNA16s rDNA片段擴增片段擴增1 1 細菌通用引物：細菌通用引物：EUB-968Gc for：5CGC CCG GGG CGC GCC CCG GGC GGG GCG GGG GCA CGG

14、 GGG GAA CGC GAA GAA CCT TAC 3EUB-L1401 rev：5 CGG TGT GTA CAA GAC CC 3 2 2 反應體系：反應體系：反應液組成反應液組成: : 單個樣品量、單個樣品量、 MQMQ、dNTPdNTP、MgCl2MgCl2、PCRPCR緩沖液、引物緩沖液、引物968Gc for968Gc for、引物、引物L1401 revL1401 rev、Taq DNATaq DNA聚合聚合酶、樣品酶、樣品DNADNA3 3、反應條件：、反應條件： 1、摸板熱變性5min942、摸板熱變性10s9456 35個循環(huán)683、退火（復性）20s4、延伸40s5

15、、延伸（post-elongation）7min684 產物檢測：1.2%瓊脂糖凝膠電泳 四四 變性梯度凝膠電泳（變性梯度凝膠電泳（DGGEDGGE） 1 實驗試劑及配量實驗試劑及配量 ：100%的貯存液、的貯存液、0%的貯存液、緩沖液、的貯存液、緩沖液、固定液、銀染溶液、顯影劑固定液、銀染溶液、顯影劑 2 實驗操作：玻璃三明治的制備、膠的備制 、電泳 、染色、加固3.土壤重金屬污染對微生物遺傳多樣性的影響 例如： Sandaa等學者通過斑點雜交發(fā)現，重金屬污染不同的兩種土壤，微生物群落結構沒有顯著差異；但隨著重金屬濃度的升高，用探針ALF1b、CF319a和LGCb分離的種群比例降低，BET

16、42a、GAM42a、SRB385和HGC69a分離的種群比例增加了；RFLP聚類分析顯示，污泥重金屬含量高的土壤中細菌多樣性指數較高，而克隆文庫聚類分析得到相反的結果。研究中存在的問題： 1. 1. 共存金屬離子之間存在競爭吸附，但是有時出現協同作用，這共存金屬離子之間存在競爭吸附，但是有時出現協同作用，這種作用機制尚不清楚；種作用機制尚不清楚； 2. 2. 研究中，可以通過增加研究中，可以通過增加EPSEPS（胞外絡合物）的濃度提高吸附效（胞外絡合物）的濃度提高吸附效率，但是當率，但是當EPSEPS達到最大吸附濃度時，提高吸附效率需要通過怎達到最大吸附濃度時，提高吸附效率需要通過怎樣的手段

17、需要進一步研究；樣的手段需要進一步研究； 3. 3. 由于由于EPSEPS的多少隨著微生物的生長發(fā)育而變化，因此怎樣更好的多少隨著微生物的生長發(fā)育而變化，因此怎樣更好地控制微生物生長過程中的地控制微生物生長過程中的EPSEPS需要更深的研究；需要更深的研究； 4.研究中選擇的微生物的數量還是有限的，有待于擴大多更多微生物的研究；5.多數研究者只是對重金屬污染影響微生物多樣性的作用進行了現象描述,深層次的機理研究還相對缺乏,有必要從群落、個體、分子、基因等不同層次開展相關研究。 目前該領域的研究技術 目前重金屬污染已經成為一個日益嚴重的環(huán)境問題，研究微生物與重金屬之間的相互關系具有至關重要的作用，目前該領域研究采用的技術主要有: 1.通過16srRNA的基因擴增后測序，從而判斷菌株的種類，通過高通量的方法來研究重金屬脅迫下對微生物的多樣性的影響。2.以群 落水平碳 源 利用類 型 為基礎 的B1oLoG氧化還原技術來研究土壤微生物群落功能多樣性。 3.形態(tài)學分析技術：熒光顯微鏡細胞結構分析：生物標記分子 （用高效氣相色譜定量分析）4.分子生物學方法： 核酸探針檢測技術、引物擴增技術、電泳分離技術、微生物酶測定的方法（如蛋白酶、脲酶、纖維素酶等活性測定方法）、 MAR-FISH（顯微放射自顯影熒光原位雜交），STAR-FISH（底物