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微生物如何处理环境中的有毒重金属?

07-30 新浪网
语音播报预计11分钟

新浪科技讯 北京时间7月30日消息,重金属对生物具有一定的毒性,当它们出现在环境中,会对生物体造成严重伤害,但是科学家发现部分细菌已经有了对付这种毒性的方法。

微生物如何处理环境中的有毒重金属?

微生物是体型微小的生物体,在地球环境中无处不在,从土壤、岩石到海洋,从最高山脉到最深的海沟,从最炽热的热液喷口到最冰冷的冰川,任何角落都有微生物,它们甚至存在于植物、动物和人类身体之中。微生物朝气蓬勃,可以在任何区域顽强地生存下来,然而,微生物如此快速的生长是具有一定的先决条件的,其中包括含有碳源、氮源、维生素和矿物质的营养物质,它们还需要水分、适当的pH值、适当的盐浓度和氧气条件。

什么是重金属?

微生物如何处理环境中的有毒重金属?

细菌和病毒存在于含有分解树叶的土壤中

重金属是一种无机元素,当其浓度超过某一特定环境的阈值限制时,可能会对生物体产生毒性。但不要混淆矿物质和金属,虽然许多矿物质就是含量较低的金属,但并非所有的金属都是矿物质。

矿物质是具有一定结构和组成的无机复合物,这两个因素对细菌的生长都是至关重要的,从本质上讲,矿物质可以是金属,例如:钾、镁、钙和铁,也可以是非金属,例如:磷、硫和氯,矿物质在生物体机能中经常发挥着生物学作用。

大多数矿物质缺乏生物学作用,当超过一定的阈值浓度时,可能被证明对生物体是有毒的,例如:铅、铬、铜、镉、砷、锌、汞、镍,我们能从食物中摄入矿物质,但是重金属来源何处呢?

重金属在环境中沉积的来源有农业、工业或者家庭,农业来源包括:无机肥料、杀虫剂、杀菌剂和污水废物的使用;工业来源包括:炼油厂、金属矿石开采、煤炭开采、石油化工溢出和火力发电;家庭来源包括:家庭焚烧生物量、有机和无机生活垃圾、使用过的电池和过滤器等生活垃圾也是导致环境中重金属沉积的来源之一。

这些累积的重金属在土壤中存留时间比有机污染物更长,由于土壤是重金属沉积的主要方式,以土壤为家的生命形式将面临着危险,土壤微生物群落多样性最高,微生物负荷也最高,土壤微生物受重金属污染的风险较大。

重金属对微生物有什么影响?

微生物如何处理环境中的有毒重金属?

矿物质是由对生物体有营养价值的微量元素和大量元素组成

土壤中重金属积累对微生物的危害远大于有机污染物,主要原因是有机污染物具有沥滤属性,随着时间的推移,其危害性将逐渐降低,而重金属在土壤中存留时间会更长,重金属既不能被破坏,也不能被分解成更小的结构。

重金属将影响土壤微生物活性和土壤微生物群落构成,让我们了解一下该进程是如何发生的:

金属对微生物活性的影响

重金属阻碍了微生物的多种功能,例如:土壤结构的维持、土壤有机质的形成、生物地球化学循环的维持和有毒化合物的分解,从长远角度来看,这些功能可能威胁土壤生态系统的功能。

哪些重金属会影响微生物代谢机制?

微生物如何处理环境中的有毒重金属?

重金属积累的一些来源是地壳中金属的浸出、工业废物的排放以及农业中化肥和农药的使用

研究表明,汞、镉和铅会抑制细胞分裂、酶活性和编辑、蛋白质变性、诱导DNA损伤、并通过离子失衡损伤细胞膜,当重金属替代细胞膜上的重要矿物质时,就会发生离子不平衡。此外,汞还会抑制DNA转录,而砷会导致DNA受损,铜、镍和锌抑制酶活性,导致离子失衡。重金属还能抑制超氧化物歧化酶、过氧化氢 酶、抗坏血酸过氧化物酶的酶活性,同时,重金属还能促进活性氧的产生和诱导氧化损伤。因此,重金属极大地影响微生物的形态、代谢、生长和繁衍。

重金属对微生物群落的影响

土壤中积累的重金属会改变土壤养分质量,如果养分质量持续恶化,土壤中健康的微生物数量也会减少,这种减少将限制土壤中二氧化碳释放,从而影响生活在土壤中微生物群落,这是一个自然生态循环。

只有那些能够忍受重金属的细菌,即耐金属细菌,才能存活下来,这将最终导致土壤微生物群落的改变。

微生物对重金属的耐受机制是怎样的?

部分微生物已进化发展出相应的机制来对抗或者耐受环境中逐渐增多的重金属,微生物对重金属耐受性存在多种机制,第一种机制是最直接的——防止重金属进入细胞,它可以通过两种方式来实现,其一是阻断转运体(允许分子出入细胞的通道),这对重金属从细胞外运输到细胞内非常重要;其二是在细胞外制造黏液化合物,用于捕获金属并阻止它们进入细胞。

如果微生物无法抑制对重金属的吸收,它们可以尝试将这些金属踢出细胞,尽管该过程会消耗能量,但与金属对微生物的众多负面影响相比,该方法是可行的。

微生物可能试图与重金属结合形成不可溶解的复合物,也被称为隔离或者积聚过程,这样它们就不会产生有害的影响,该进程可以在细胞内或者细胞外进行,而实现这一功能的机制因微生物而异。

部分微生物甚至会利用有毒重金属发电,这将带来双重益处,不仅使金属无毒,也从中获得了能量。

你能相信微生物有多聪明吗?它们不仅进化出对抗金属毒性的机制,甚至还使用相同的有毒金属发电!

总结

伴随着地球不断增加的人类活动,导致重金属等污染物在土壤中过度积累,它们的持久性、毒性和生物不可降解性不仅使土壤质量恶化,而且使其微生物丰富度逐渐下降。微生物对环境胁迫性更为敏感,现已成为土壤质量的一个重要指标。重金属对微生物的持续暴露将导致微生物进化出适应机制,帮助它们在重金属环境下生存。(叶倾城)

(责任编辑:董云龙)
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