微生物與重金屬之間的相互關(guān)系

微生物與重金屬之間的相互關(guān)系第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日主要內(nèi)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(lǐng)域研究采用的新技術(shù)

6.結(jié)語第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日

一、什么是微生物？微生物非細(xì)胞性微生物原核細(xì)胞型微生物真核細(xì)胞型微生物第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日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(xì)菌微生物第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日

H5N1禽流感病毒非細(xì)胞型微生物2.三大類型的特點(diǎn)1.無細(xì)胞結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最簡單，體積最微小，能通過細(xì)菌濾器；2.由單一核（DNA或RNA）和蛋白質(zhì)外殼組成；3.必須寄生在活的易感細(xì)胞內(nèi)生長繁殖。第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.原核細(xì)胞型微生物1.僅有原始核，無核膜、無核仁，染色體僅為單個(gè)；2.缺乏完整的細(xì)胞器。腸道細(xì)菌放線菌第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.真核細(xì)胞型微生物1.細(xì)胞核分化程度較高，有典型的核結(jié)構(gòu)（有核膜、核仁、多個(gè)染色體，由DNA和組蛋白組成）；2.通過有絲分裂進(jìn)行繁殖；3.胞漿內(nèi)有多種完整的細(xì)胞器。真菌第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日二、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(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn)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(jī)理；

吸附方式；

影響吸附量多少的因素。

第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日

吸附機(jī)理活細(xì)胞吸附死細(xì)胞吸附如革蘭氏陽性細(xì)菌（細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)）真菌的細(xì)胞壁（成分）離子泵、載體協(xié)助、脂類過度氧化和復(fù)合物滲透PH、溫度適宜的條件下具有較高的吸附量第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日革蘭氏染色類型細(xì)胞壁厚度細(xì)胞壁化學(xué)組合細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中功能團(tuán)

菌毛革蘭氏陽性菌20-80nm90%肽聚糖、10%磷壁酸，不含或很少含脂多糖表面功能團(tuán)豐富如羧基、羥基、磷酸基等，等電點(diǎn)各異

很少有革蘭氏陰性菌15-20nm肽聚糖站細(xì)胞壁的10%，不含磷壁酸

同上細(xì)胞表面長有菌毛成分為菌毛蛋白，疏水性沈萍主編.微生物學(xué)[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(shù)量眾多（表1）第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日

孫嘉龍，李梅，曾德華.微生物對重金屬的吸附、轉(zhuǎn)化作用.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（5）；147~150第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日孫嘉龍，李梅，曾德華.微生物對重金屬的吸附、轉(zhuǎn)化作用.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（5）；147~150第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日吸附重金屬細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)離子與溶液中離子（正負(fù)電荷吸附）吸附方式靜電吸附表面絡(luò)合離子交換第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日兩大主要因素:pH、溫度注意：如果是培養(yǎng)微生物

菌種的選取，溶液的配制，試驗(yàn)方法的應(yīng)用，培養(yǎng)時(shí)間的長短，吸附方法的采取，堿處理的過程都會(huì)使培養(yǎng)基中的碳氮比、pH、溫度產(chǎn)生變化，從而影響培養(yǎng)基中微生物對重金屬的吸附效果。

如下表是關(guān)于培養(yǎng)基中pH、溫度等對重金屬吸附效果的分析影響微生物吸附作用的重要因素第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日李清彪,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(xué),1999,20(1):34239·PH值的影響第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日如白腐真菌(Phanerochaetechrysosporium)吸附Pb2+的研究表明，28℃和35℃時(shí)的吸附率分別為95.62%和94.81%，但40℃時(shí)的吸附率降為82.49%。溫度的影響注意的是：在適宜菌體生長的溫度范圍內(nèi)，溫度對微生物吸附重金屬效率的影響不大。第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日

如康春莉等發(fā)現(xiàn)在溫度低于30℃時(shí)，溫度對Pb2+、Cd2+的吸附?jīng)]有影響；當(dāng)溫度高30℃時(shí)，吸附量略有下降，這肯能是因?yàn)闇囟冗^高影響了胞外絡(luò)合物的活性導(dǎo)致的。第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日

當(dāng)溶液中存在其他金屬離子時(shí)，這些共存離子與主要離子競爭細(xì)胞上有限的帶負(fù)電荷的基團(tuán)，一般都會(huì)抑制主要金屬離子的吸收，從而導(dǎo)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(Gordonaamarae)進(jìn)行誘導(dǎo)培養(yǎng)如圖所示：第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日

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(xué),1999,20(1):34239·

第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日

從中可以得出若對微生物吸附劑進(jìn)行一些物理、化學(xué)的預(yù)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。第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日土壤中微生物對重金屬的遷移轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制

1.通過烷基化、去烷基化、氧化、還原、配位和沉淀作用轉(zhuǎn)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(jìn)入人體，參與生物體內(nèi)的代謝過程第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日

重金屬可與土壤中的有機(jī)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(zhì)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(zhì)中的腐殖酸與重金屬形成的螯合物溶解度小，不易在土壤中遷移。土壤中微生物對重金屬的遷移轉(zhuǎn)化

第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日

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(qiáng)？第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日

微生物通過三種方式影響重金屬的遷移轉(zhuǎn)化:

1.主動(dòng)與被動(dòng)的堆積、在其體內(nèi)富集；

2.通過微生物的金屬轉(zhuǎn)化作用使重金屬的形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化；

3.通過影響重金屬的活性，實(shí)現(xiàn)不同金屬離子間的形態(tài)轉(zhuǎn)化。

微生物對重金屬遷移轉(zhuǎn)化的方式第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日

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。第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日

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(lián)合體，具有很強(qiáng)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(jìn)植物生長。菌根真菌對重金屬的影響第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日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(nèi)重金屬積累量增加，提高植物的富集效果第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日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(qiáng)、生長加快，間接地促進(jìn)植物對重金屬的修復(fù)作用。菌根的形成也同時(shí)影響植物根際微生物的種類和數(shù)量。第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日值得注意的是：

一般認(rèn)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(qiáng)，植物與菌根真菌生物修復(fù)的關(guān)鍵在于篩選有較強(qiáng)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。第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日三、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(dǎo)致分泌物的大量釋放可溶性分泌物，如有機(jī)酸、氨基酸、單糖等，可通過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(dòng)性；不溶性分泌物，如多糖、揮發(fā)性化合物，脫落的細(xì)胞組織等則在抵御重金屬的毒害作用中起著重要的作用。第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日

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(shí)期內(nèi)可以降低微生物的活性，污染嚴(yán)重時(shí)還會(huì)降低微生物的生物數(shù)量。如圖所示分析模型1和模型2：

第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日

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(jié)構(gòu)，但是沒有對其遺傳多樣性構(gòu)成顯著影響；

（4）隨著重金屬污染程度的增加，細(xì)菌群落的代謝多樣性也逐漸降低。第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日16SrDNA-DGGE技術(shù)基本路線一樣品總DNA的提?。?實(shí)驗(yàn)器材：玻璃器材，鋁蓋，1.5mL離心管，螺口管，鋯珠，攪拌器，4℃離心機(jī)。實(shí)驗(yàn)試劑：PBS（0.05M，pH=7），水飽和酚，TE飽和酚，TN150，TE緩沖液，TAE緩沖液，NaAc(pH=5.2),氯仿/異戊醇（24：1）（V/V），96%冷乙醇，70%冷乙醇。3實(shí)驗(yàn)操作：細(xì)胞分裂、提取DNA第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日二、DNA的檢測—瓊脂糖凝膠電泳1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.實(shí)驗(yàn)操作：1.2%瓊脂糖凝膠的制備、點(diǎn)樣、電泳

、觀察第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日三、16srDNA片段擴(kuò)增1細(xì)菌通用引物：EUB-968Gcfor：5′CGCCCGGGGCGCGCCCCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGGAACGCGAAGAACCTTAC3′EUB-L1401rev：5′CGGTGTGTACAAGACCC3

′2

反應(yīng)體系：反應(yīng)液組成:

單個(gè)樣品量、

MQ、dNTP、MgCl2、PCR緩沖液、引物968Gcfor、引物L(fēng)1401rev、TaqDNA聚合酶、樣品DNA第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日3、反應(yīng)條件：

1、摸板熱變性5min94℃2、摸板熱變性10s94℃56℃35個(gè)循環(huán)68℃3、退火（復(fù)性）20s4、延伸40s5、延伸（post-elongation）7min68℃4產(chǎn)物檢測：1.2%瓊脂糖凝膠電泳

第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日四變性梯度凝膠電泳（DGGE）

1實(shí)驗(yàn)試劑及配量：100%的貯存液、0%的貯存液、緩沖液、固定液、銀染溶液、顯影劑

2實(shí)驗(yàn)操作：玻璃三明治的制備、膠的備制

、電泳、染色、加固第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日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(xué)者通過斑點(diǎn)雜交發(fā)現(xiàn)，重金屬污染不同的兩種土壤，微生物群落結(jié)構(gòu)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，BET42a、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(xì)菌多樣性指數(shù)較高，而克隆文庫聚類分析得到相反的結(jié)果。第三十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日研究中存在的問題：

1.共存金屬離子之間存在競爭吸附，但是有時(shí)出現(xiàn)協(xié)同作用，這種作用機(jī)制尚不清楚；

2.研究中，可以通過增加EPS（胞外絡(luò)合物）的濃度提高吸附效率，但是當(dāng)EPS達(dá)到最大吸附濃度時(shí)，提高吸附效率需要通過怎樣的手段需要進(jìn)一步研究；

3.由于EPS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EPS需要更深的