微生物与重金属之间的相互关系

关于微生物与重金属之间的相互关系第一页，共四十六页，2022年，8月28日主要内容

1.微生物的定义及其分类

2.微生物对重金属活性的影响

3.重金属胁迫条件下对微生物多样性的影响

4.目前研究中存在的问题

5.该领域研究采用的新技术

6.结语第二页，共四十六页，2022年，8月28日

一、什么是微生物？微生物非细胞性微生物原核细胞型微生物真核细胞型微生物第三页，共四十六页，2022年，8月28日1.病源微生物八大类立克次体衣原体支原体螺旋体放线菌病毒真菌细菌微生物第四页，共四十六页，2022年，8月28日

H5N1禽流感病毒非细胞型微生物2.三大类型的特点1.无细胞结构，结构最简单，体积最微小，能通过细菌滤器；2.由单一核（DNA或RNA）和蛋白质外壳组成；3.必须寄生在活的易感细胞内生长繁殖。第五页，共四十六页，2022年，8月28日2.原核细胞型微生物1.仅有原始核，无核膜、无核仁，染色体仅为单个；2.缺乏完整的细胞器。肠道细菌放线菌第六页，共四十六页，2022年，8月28日3.真核细胞型微生物1.细胞核分化程度较高，有典型的核结构（有核膜、核仁、多个染色体，由DNA和组蛋白组成）；2.通过有丝分裂进行繁殖；3.胞浆内有多种完整的细胞器。真菌第七页，共四十六页，2022年，8月28日二、微生物对重金属活性的影响

微生物对重金属活性的影响主要是通过微生物对重金属的吸附、迁移及转化来实现的。1.微生物对重金属的吸附：主要从下列三方面来研究

吸附机理；

吸附方式；

影响吸附量多少的因素。

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吸附机理活细胞吸附死细胞吸附如革兰氏阳性细菌（细胞壁的结构）真菌的细胞壁（成分）离子泵、载体协助、脂类过度氧化和复合物渗透PH、温度适宜的条件下具有较高的吸附量第九页，共四十六页，2022年，8月28日革兰氏染色类型细胞壁厚度细胞壁化学组合细胞壁结构中功能团

菌毛革兰氏阳性菌20-80nm90%肽聚糖、10%磷壁酸，不含或很少含脂多糖表面功能团丰富如羧基、羟基、磷酸基等，等电点各异

很少有革兰氏阴性菌15-20nm肽聚糖站细胞壁的10%，不含磷壁酸

同上细胞表面长有菌毛成分为菌毛蛋白，疏水性沈萍主编.微生物学[M],北京：高等教育出版社，2000目前常用于吸附重金属离子的微生物数量众多（表1）第十页，共四十六页，2022年，8月28日

孙嘉龙，李梅，曾德华.微生物对重金属的吸附、转化作用.贵州农业科学，2007，35（5）；147~150第十一页，共四十六页，2022年，8月28日孙嘉龙，李梅，曾德华.微生物对重金属的吸附、转化作用.贵州农业科学，2007，35（5）；147~150第十二页，共四十六页，2022年，8月28日静电吸附表面络合离子交换吸附重金属细胞壁结构离子与溶液中离子（正负电荷吸附）吸附方式第十三页，共四十六页，2022年，8月28日两大主要因素:pH、温度注意：如果是培养微生物

菌种的选取，溶液的配制，试验方法的应用，培养时间的长短，吸附方法的采取，碱处理的过程都会使培养基中的碳氮比、pH、温度产生变化，从而影响培养基中微生物对重金属的吸附效果。

如下表是关于培养基中pH、温度等对重金属吸附效果的分析影响微生物吸附作用的重要因素第十四页，共四十六页，2022年，8月28日李清彪,吴涓,杨宏泉,等.白腐真菌菌丝球形成的物化条件及其对铅的吸附[J].环境科学,1999,20(1):34239·PH值的影响第十五页，共四十六页，2022年，8月28日如白腐真菌(Phanerochaetechrysosporium)吸附Pb2+的研究表明，28℃和35℃时的吸附率分别为95.62%和94.81%，但40℃时的吸附率降为82.49%。温度的影响注意的是：在适宜菌体生长的温度范围内，温度对微生物吸附重金属效率的影响不大。第十六页，共四十六页，2022年，8月28日

如康春莉等发现在温度低于30℃时，温度对Pb2+、Cd2+的吸附没有影响；当温度高30℃时，吸附量略有下降，这肯能是因为温度过高影响了胞外络合物的活性导致的。第十七页，共四十六页，2022年，8月28日

当溶液中存在其他金属离子时，这些共存离子与主要离子竞争细胞上有限的带负电荷的基团，一般都会抑制主要金属离子的吸收，从而导致主要金属离子的吸附量的减少。

其它因素的影响:

如周东琴等研究用Cu2+，Pb2+和Hg2+3种离子对沟戈登氏菌(Gordonaamarae)进行诱导培养如图所示：第十八页，共四十六页，2022年，8月28日第十九页，共四十六页，2022年，8月28日

图表4、7李清彪,吴涓,杨宏泉,等.白腐真菌菌丝球形成的物化条件及其对铅的吸附[J].环境科学,1999,20(1):34239·

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从中可以得出若对微生物吸附剂进行一些物理、化学的预处理(如用酸、碱浸泡或加热等方法)，可以不同程度改变其吸附能力。第二十一页，共四十六页，2022年，8月28日土壤中微生物对重金属的迁移转化的影响机制

1.通过烷基化、去烷基化、氧化、还原、配位和沉淀作用转化重金属，并影响它们的迁移能力和生物有效性2.能大量富集几乎所有的重金属，并通过食物链进入人体，参与生物体内的代谢过程第二十二页，共四十六页，2022年，8月28日

重金属可与土壤中的有机配位体发生配合作用，影响着土壤中重金属离子的迁移活性。

----腐殖质中的富里酸与重金属离子形成的螯合物，溶解度较大，易于在土壤中迁移。

----腐殖质中的腐殖酸与重金属形成的螯合物溶解度小，不易在土壤中迁移。土壤中微生物对重金属的迁移转化

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pH值↑→重金属离子的溶解度↓→迁移能力↓

土壤的氧化还原状况影响重金属的存在形态，使其溶解度发生变化，从而影响重金属在土壤中的迁移。重金属化合物的溶解度越高→迁移能力越强？第二十四页，共四十六页，2022年，8月28日

微生物通过三种方式影响重金属的迁移转化:

1.主动与被动的堆积、在其体内富集；

2.通过微生物的金属转化作用使重金属的形态发生转化；

3.通过影响重金属的活性，实现不同金属离子间的形态转化。

微生物对重金属迁移转化的方式第二十五页，共四十六页，2022年，8月28日

如有些微生物可把难溶性的Pu4+还原成可溶性的Pu3+，把Hg2+还原成挥发性的Hg，铁锰氧化物的还原也可把吸附在难溶性Fe3+、Mn4+氧化物上的重金属释放出来。第二十六页，共四十六页，2022年，8月28日

菌根是土壤中的真菌菌丝与高等植物营养根系形成的一种联合体，具有很强的酸溶和酶解能力，菌根根际分泌物及根际提供的微生态使菌根根际维持较高的微生物种群密度和生理活性，从而促进植物生长。菌根真菌对重金属的影响第二十七页，共四十六页，2022年，8月28日1）菌根真菌通过分泌特殊的分泌物等形式改变植物根际环境，改变重金属的存在状态，降低重金属毒性；2)菌根真菌能影响菌根植物对重金属的积累和分配，使菌根植物体内重金属积累量增加，提高植物的富集效果第二十八页，共四十六页，2022年，8月28日3）菌根真菌向宿主植物传递营养，使植物幼苗成活率提高，宿主植物抗逆性增强、生长加快，间接地促进植物对重金属的修复作用。菌根的形成也同时影响植物根际微生物的种类和数量。第二十九页，共四十六页，2022年，8月28日值得注意的是：

一般认为，重金属污染土壤中的土著菌根真菌耐受重金属能力较强，植物与菌根真菌生物修复的关键在于筛选有较强降解能力的菌根真菌和适宜的共生植物，使两者能相互匹配形成有效的菌根。第三十页，共四十六页，2022年，8月28日三、重金属胁迫下对微生物多样性的影响

植物根系在重金属的胁迫下，可导致分泌物的大量释放可溶性分泌物，如有机酸、氨基酸、单糖等，可通过螫合作用和还原作用，或通过改变根系区域的pH值和氧化还原状况，增加重金属的溶解性和移动性；不溶性分泌物，如多糖、挥发性化合物，脱落的细胞组织等则在抵御重金属的毒害作用中起着重要的作用。第三十一页，共四十六页，2022年，8月28日

1.重金属污染对微生物群落多样性的影响

微生物可以影响重金属的活性，同样重金属在短时期内可以降低微生物的活性，污染严重时还会降低微生物的生物数量。如图所示分析模型1和模型2：

第三十二页，共四十六页，2022年，8月28日

2.土壤重金属污染对微生物功能多样性的影响（1）影响微生物对碳源的利用；

（2）降低了微生物的代谢效率；

（3）通过16SrDNA-DGGE分析重金属影响微生物的生理结构，但是没有对其遗传多样性构成显著影响；

（4）随着重金属污染程度的增加，细菌群落的代谢多样性也逐渐降低。第三十三页，共四十六页，2022年，8月28日16SrDNA-DGGE技术基本路线一样品总DNA的提取：1实验器材：玻璃器材，铝盖，1.5mL离心管，螺口管，锆珠，搅拌器，4℃离心机。实验试剂：PBS（0.05M，pH=7），水饱和酚，TE饱和酚，TN150，TE缓冲液，TAE缓冲液，NaAc(pH=5.2),氯仿/异戊醇（24：1）（V/V），96%冷乙醇，70%冷乙醇。3实验操作：细胞分裂、提取DNA第三十四页，共四十六页，2022年，8月28日二、DNA的检测—琼脂糖凝胶电泳1试剂和器材：电泳缓冲液（1*TAE），溴乙锭（EB）染色贮存液（1mg/mL）,0.25%溴酚兰，琼脂糖，双蒸水。电泳仪，水平电泳槽，透射紫外灯，胶带纸。2.实验操作：1.2%琼脂糖凝胶的制备、点样、电泳

、观察第三十五页，共四十六页，2022年，8月28日三、16srDNA片段扩增1细菌通用引物：EUB-968Gcfor：5′CGCCCGGGGCGCGCCCCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGGAACGCGAAGAACCTTAC3′EUB-L1401rev：5′CGGTGTGTACAAGACCC3

′2

反应体系：反应液组成:

单个样品量、

MQ、dNTP、MgCl2、PCR缓冲液、引物968Gcfor、引物L1401rev、TaqDNA聚合酶、样品DNA第三十六页，共四十六页，2022年，8月28日3、反应条件：

1、摸板热变性5min94℃2、摸板热变性10s94℃56℃35个循环68℃3、退火（复性）20s4、延伸40s5、延伸（post-elongation）7min68℃4产物检测：1.2%琼脂糖凝胶电泳

第三十七页，共四十六页，2022年，8月28日四变性梯度凝胶电泳（DGGE）

1实验试剂及配量：100%的贮存液、0%的贮存液、缓冲液、固定液、银染溶液、显影剂

2实验操作：玻璃三明治的制备、胶的备制

、电泳、染色、加固第三十八页，共四十六页，2022年，8月28日3.土壤重金属污染对微生物遗传多样性的影响例如：Sandaa等学者通过斑点杂交发现，重金属污染不同的两种土壤，微生物群落结构没有显著差异；但随着重金属浓度的升高，用探针ALF1b、CF319a和LGCb分离的种群比例降低，BET42a、GAM42a、SRB385和HGC69a分离的种群比例增加了；RFLP聚类分析显示，污泥重金属含量高的土壤中细菌多样性指数较高，而克隆文库聚类分析得到相反的结果。第三十九页，共四十六页，2022年，8月28日研究中存在的问题：

1.共存金属离子之间存在竞争吸附，但是有时出现协同作用，这种作用机制尚不清楚；

2.研究中，可以通过增加EPS（胞外络合物）的浓度提高吸附效率，但是当EPS达到最大吸附浓度时，提高吸附效率需要通过怎样的手段需要进一步研究；

3.由于EPS的多少随着微生物的生长发育而变化，因此怎样更好地控制微生物生长过程中的EPS需要更深的研究；

第四十页，共四十六页，2022年，8月28日

4.研究中选择的微生物的数量还是有限的，有待于扩大多更多微生物的研究；5.多数研究者只是对重金属污染影响微生物多样性的作用进行了现象描述,深层次的机理研究还相对缺乏,有必要从群落、个体、分子、基因等不同层次开展相关研究。第四十一页，共四十六页，2022年，8月28日

目前该领域的研究技术

目前重金属污染已经成为一个日益严重的环境问题，研究微生物与重金属之间的相互关系具有至关重要的作用，目前该领域研究采用的技术主要有: