重金屬降解微生物

1、重金屬降解微生物指導(dǎo)教師：馬小魁指導(dǎo)教師：馬小魁小組成員：楊雪小組成員：楊雪 任冬妮任冬妮 陳雨陳雨 色林格色林格研究背景與一些概念研究背景與一些概念微生物對(duì)重金屬的作用機(jī)理微生物對(duì)重金屬的作用機(jī)理重金屬降解微生物的應(yīng)用技術(shù)重金屬降解微生物的應(yīng)用技術(shù)重金屬降解微生物的介紹重金屬危害的途徑重金屬危害的途徑 cr,cu,ni,zn等重金屬元素是微生物的必須元素必須元素，它們?cè)谖⑸锷磻?yīng)中起催化劑作用，并穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞壁及滲透壓平衡。 ag，hg，pb，cd等重金屬元素是微生物的非必需非必需元素元素，它們與必須元素競(jìng)爭(zhēng)取代微生物細(xì)胞上的結(jié)合位點(diǎn)，與配基反應(yīng)，產(chǎn)生毒害作用。導(dǎo)致核酸、蛋白質(zhì)構(gòu)

2、象改變，干擾氧化磷酸化和滲透壓平衡。如：微生物蛋白質(zhì)合成的啟動(dòng)階段需要mg離子的參與，在重金屬污染的環(huán)境下，mg離子被重金屬發(fā)生交換，使蛋白質(zhì)合成受阻。 重金屬在微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中起重要作用重金屬在微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中起重要作用 重金屬降解微生物重金屬降解微生物：利用微生物對(duì)重金屬具有一定的抗性和解毒作用，可以吸附和轉(zhuǎn)化重金屬的特性，用以消除重金屬污染、提取貴重金屬的一類(lèi)微生物。重金屬降解微生物重金屬降解微生物(一)微生物對(duì)重金屬的抗性機(jī)制吸附作用 細(xì)胞壁是金屬進(jìn)入微生物胞內(nèi)的第一屏障。 通過(guò)靜電吸附和官能團(tuán)（如-cooh、-nh2、-oh、-po43等）絡(luò)合固定，微生物提供重金屬結(jié)合位點(diǎn)，

3、減少向胞內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸重金屬，保護(hù)敏感細(xì)胞器。而對(duì)于細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)需要的金屬則可以通過(guò)細(xì)胞壁運(yùn)輸?shù)皆|(zhì)中的特定位點(diǎn)。 細(xì)菌細(xì)胞壁表面帶有負(fù)電荷 藍(lán)細(xì)菌、真菌和一些藻類(lèi)可以產(chǎn)生帶有負(fù)電荷的胞外多糖 它們都可與有害重金屬靜電結(jié)合絡(luò)合離子絡(luò)合離子cu(nh3)42+eg:酵母分泌大量親和力很強(qiáng)的谷胱甘肽，形成谷胱甘肽-ni2+復(fù)合物。eg:真菌分泌草酸鹽，形成草酸鹽-cu2+復(fù)合物。分泌胞外蛋白等物質(zhì)，與重金屬結(jié)合形成復(fù)合物沉淀，使之不能通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入胞內(nèi)。 胞內(nèi)隔絕 當(dāng)重金屬進(jìn)入胞內(nèi)并有所積累，胞內(nèi)隔絕會(huì)阻止其對(duì)重要細(xì)胞器的毒害。 如：真核微生物如藻類(lèi)、酵母和真菌將重金屬累積于胞內(nèi)某些特殊細(xì)胞器中主動(dòng)

4、運(yùn)輸 是一種最主要的重金屬抗性機(jī)制，由染色體和質(zhì)粒編碼 主動(dòng)輸出系統(tǒng)，將重金屬?gòu)陌麧{中排出，由多條路徑構(gòu)成。 依賴(lài)能量代謝調(diào)控，受溫度、能源物質(zhì)和抑制物影響。 據(jù)能量來(lái)源可將輸出系統(tǒng)分為兩類(lèi)： 1、由atp水解供能的輸出途徑 2、由質(zhì)子梯度供能的輸出途徑由cada基因決定的cd2+抗性輸出途徑產(chǎn)單核李斯特菌細(xì)胞膜內(nèi)外結(jié)合蛋白eatpn個(gè) cd2-adppn個(gè) cd2-轉(zhuǎn)化解毒 重金屬離子一旦進(jìn)入微生物細(xì)胞，可通過(guò)氧過(guò)氧化、還原、甲基化或去甲基化化、還原、甲基化或去甲基化轉(zhuǎn)化成價(jià)態(tài)穩(wěn)定、價(jià)態(tài)穩(wěn)定、毒性較小或無(wú)毒毒性較小或無(wú)毒的化合物，從而減輕對(duì)生物體的毒害作用。 其中抗性基因編碼解毒酶，催化高毒

5、性金屬轉(zhuǎn)化為低毒狀態(tài)?？偨Y(jié) 微生物的抗性機(jī)制有物理性質(zhì)（靜電吸附）、化學(xué)性質(zhì)（絡(luò)合）、生物性質(zhì)（特異抗性基因編碼的途徑），它們都不是各自孤立的，而是由微生物基因編碼調(diào)控，互相配合、共同作用的。 如：細(xì)胞酶系的改變與物質(zhì)合成位點(diǎn)的抑制,使菌體原生質(zhì)膜發(fā)生成分與通透性的變化；脫硫弧菌通過(guò)細(xì)胞色素和氫化酶還原cr6+至cr3+，并在表面形成沉淀。 是由外界環(huán)境改變而引起微生物基因調(diào)控的一種自我保護(hù)機(jī)制。因此，抗性菌株的產(chǎn)生即是其在惡劣環(huán)境中優(yōu)勝劣汰的結(jié)果。 微生物對(duì)重金屬的抗性多是由染色體外的質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上的抗性基因決定。抗性基因編碼金屬解毒酶催化高毒性金屬轉(zhuǎn)化為低毒形態(tài),其中對(duì)微生物汞的轉(zhuǎn)化研究最

6、為清楚。革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌中都發(fā)現(xiàn)了 hg2 +抗性菌株。它們含有一套 hg2 +抗性操縱子(mer),可編碼重金屬解毒酶、編碼調(diào)節(jié)蛋白、周質(zhì)結(jié)合蛋白、細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移蛋白。不但對(duì)重金屬解毒,還具有運(yùn)輸及自我調(diào)節(jié)等一系列功能。 hg2 +抗性操縱子(mer)可編碼2個(gè)解毒酶。第一個(gè)是有機(jī)汞裂解酶,催化反應(yīng)式為: rhgx + h+ x rh + hgx2第二個(gè)為汞還原酶,催化反應(yīng)式: hg(sr) 2 + nadph + h+ hg(0) + napdh+ 2rsh 產(chǎn)生的金屬汞穿過(guò)細(xì)胞膜,重新釋放到周邊環(huán)境中。重金屬降解微生物的應(yīng)用技術(shù)重金屬降解微生物的應(yīng)用技術(shù) 微生物修復(fù)技術(shù)微生物修復(fù)技

7、術(shù)微生物淋濾技術(shù) 利用微生物的直接轉(zhuǎn)化作用或其代謝產(chǎn)物的間接轉(zhuǎn)化作用 ，產(chǎn)生氧化、還原、絡(luò)合、吸附或溶解作用，將固相中某些不溶性成分(如重金屬、 硫及其它金屬)分離浸提出來(lái)的一種技術(shù) 。 可用于難浸提礦石或貧礦中金屬的溶出與回收，又稱(chēng)微生物濕法冶金。 一些嗜酸細(xì)菌被廣泛用于銅、金等金屬的浸提。如在氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌作用下，污泥中難溶性金屬硫化物被氧化成金屬硫酸鹽而溶出，通過(guò)固液分離即可達(dá)到取出或提取重金屬的目的。微生物表面展示技術(shù)表面展示技術(shù)表面展示技術(shù):利用基因工程手段，將外源目的基因克隆到特定的表達(dá)載體中， 使其表達(dá)產(chǎn)物（重金屬結(jié)合肽重金屬結(jié)合肽）與外膜蛋白或噬菌體外殼蛋白以融合

8、蛋白的形式呈現(xiàn)在細(xì)胞表面或噬菌體表面。融合蛋白融合蛋白賦予微生物對(duì)重金屬的親和力，或增強(qiáng)其原本的賦予微生物對(duì)重金屬的親和力，或增強(qiáng)其原本的親和能力。如：通過(guò)多肽上的親和能力。如：通過(guò)多肽上的組氨酸和半胱氨酸組氨酸和半胱氨酸等氨基酸等氨基酸殘基，實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的親和吸附。殘基，實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的親和吸附。 微生物表面展示技術(shù)微生物表面展示技術(shù)重金屬結(jié)合多肽可以是從抗性菌株中獲得的天然多肽，也可以是人工改造的更高效的合成多肽。組氨酸組氨酸histidine (圖左）圖左）半胱氨酸（圖右）：與半胱氨酸（圖右）：與ag+，hg+，cu+等金屬離子可形等金屬離子可形成不溶性的硫醇鹽。即成不溶性的硫醇鹽。即rs

9、m， rsmsr（m， m各為各為1價(jià)、價(jià)、2價(jià)金屬）。價(jià)金屬）。細(xì)菌表面展示技術(shù) 目前 ,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出幾個(gè)以外膜蛋白、外膜蛋白、 纖毛和纖毛和鞭毛鞭毛為基礎(chǔ)的細(xì)菌展示系統(tǒng) ,纖毛與其他載體分子相比有某些優(yōu)點(diǎn) ,它大量呈現(xiàn)在細(xì)菌表面 ,與環(huán)境持續(xù)接觸。 構(gòu)建重復(fù)多肽，如六聚組氨酸多肽、162 個(gè)氨基酸的多聚組氨酸等，可以通過(guò)細(xì)菌表面展示用于重金屬降解修復(fù)?？梢蕴岣呖剐跃N對(duì)某一重金屬的結(jié)合能力，而且往往成倍提高。酵母表面展示技術(shù)l作為生物吸附劑的表面工程酵母菌 ,其特性依賴(lài)于展示蛋白結(jié)合金屬離子的能力 ,細(xì)胞表面對(duì)重金屬離子的吸附在細(xì)胞對(duì)金屬離子毒性的抗性能力方面起主要作用。噬菌體表面展示技術(shù)

10、將外源將外源dna片段插入噬菌體編碼蛋白的基因片段插入噬菌體編碼蛋白的基因p或或p中，使外源中，使外源dna片段對(duì)應(yīng)的表達(dá)產(chǎn)物融合在噬片段對(duì)應(yīng)的表達(dá)產(chǎn)物融合在噬菌體的外殼蛋白中形成融合蛋白，呈現(xiàn)在噬菌體表菌體的外殼蛋白中形成融合蛋白，呈現(xiàn)在噬菌體表面。面。 該技術(shù)將蛋白質(zhì)分子的表型和基因型巧妙地結(jié)合于噬菌體這樣一個(gè)便于對(duì)其進(jìn)行一系列生化和遺傳操作的載體上，從而大大簡(jiǎn)化了蛋白質(zhì)分子表達(dá)文庫(kù)的篩選和鑒定。噬菌體隨機(jī)肽庫(kù)展示技術(shù)方法：1、合成多組一定長(zhǎng)度的隨機(jī)寡核苷酸的片段隨機(jī)寡核苷酸的片段，并插入到噬菌體內(nèi)與其表面蛋白基因表面蛋白基因融合。2、噬菌體大量復(fù)制，并表達(dá)形成融合蛋白而展示出來(lái)。3、通過(guò)

11、與靶分子（重金屬）結(jié)合，篩選具有目的多肽的特異重組噬菌體。肽庫(kù)：即由大量帶有不同肽段的單個(gè)噬菌體組成的重組噬菌體庫(kù)。該技術(shù)的主要特點(diǎn)該技術(shù)的主要特點(diǎn)：1、將特定分子的基因型和表型統(tǒng)一基因型和表型統(tǒng)一在同一病毒顆粒內(nèi)，即在噬菌體表面展示特定蛋白質(zhì)，而在噬菌體核心dna中則含有該蛋白的結(jié)構(gòu)基因。2、這項(xiàng)技術(shù)把基因表達(dá)產(chǎn)物與親和篩選結(jié)合基因表達(dá)產(chǎn)物與親和篩選結(jié)合起來(lái)，可以利用適當(dāng)?shù)陌械鞍讓⒛康牡鞍谆蚨嚯奶暨x出來(lái)。3、篩選獲得的多肽基因可導(dǎo)入工程菌細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，增強(qiáng)其對(duì)某一重金屬的降解，或增加其可降解的重金屬種類(lèi)。植物菌根修復(fù)技術(shù)植物菌根修復(fù)技術(shù) 利用微生物對(duì)重金屬各種降解機(jī)制、植物忍耐和超利用微生物對(duì)

12、重金屬各種降解機(jī)制、植物忍耐和超量積累重金屬的特性，將重金屬污染物降解或轉(zhuǎn)移量積累重金屬的特性，將重金屬污染物降解或轉(zhuǎn)移的方法。的方法。 微生物死亡分解或環(huán)境條件改變，會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌固定的重金屬部分活化而重新釋放到環(huán)境中。 植物及其根際微生物體系，協(xié)調(diào)形成菌根，將重金屬積累到超富集植物體中，從而徹底從環(huán)境中清除出去。兩者結(jié)合，能使兩者對(duì)重金屬的耐受能力同時(shí)增強(qiáng) 。 其技術(shù)核心在于篩選有較強(qiáng)降解能力的菌種和適宜的共生植物,從而得到有效的菌根。根菌對(duì)重金屬修復(fù)的作用 1、通過(guò)菌類(lèi)分泌特殊的分泌物改變植物根際環(huán)境 。改變重金屬的存在狀態(tài) ,降低重金屬毒性。 2、影響植物對(duì)重金屬的積累和分配 。使植物體內(nèi)

13、重金屬積累量增加 ,提高植物的富集效果。 3、向植物傳遞營(yíng)養(yǎng) ,使幼苗成活率提高 ,抗逆性增強(qiáng)、生長(zhǎng)加快 。間接地促進(jìn)對(duì)重金屬的修復(fù)作用。異位修復(fù)技術(shù) 異位修復(fù)技術(shù)：將受污染的土壤挖出后用化學(xué)物理方法清洗、焚燒處理、熱處理及生物反應(yīng)器等多種方法治理, 這是早期常用的方法。 生物反應(yīng)器：將預(yù)處理的土壤調(diào)和至泥漿狀，放入帶有機(jī)械攪動(dòng)裝置的反應(yīng)器內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度和ph值，補(bǔ)充必要的營(yíng)養(yǎng)和氧氣,使污染物達(dá)到最大程度降解。 由于需要對(duì)污染的土壤進(jìn)行大范圍的擾動(dòng)，缺點(diǎn): 處理成本高; 很難治理深度大的污染區(qū); 破壞原土壤結(jié)構(gòu)及生態(tài)環(huán)境等。原位修復(fù)技術(shù) 原位修復(fù)技術(shù):在不破壞土壤基本結(jié)構(gòu)的情況下的微生物修復(fù)技術(shù)

14、。 有投菌法、 生物培養(yǎng)法和生物通氣法等。 1、投菌法：直接向污染土壤中接入高效降解菌,同時(shí)提供給這些微生物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)的過(guò)程。 2、生物培養(yǎng)法：定期向受污染土壤中加入營(yíng)養(yǎng)和氧或 h2o2 作為微生物氧化的電子受體,以滿(mǎn)足污染環(huán)境中已經(jīng)存在的降解菌的需要。 3、生物通氣法：采用真空梯度井等方法把空氣注入污染土壤以達(dá)到氧氣的再補(bǔ)給,可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水則經(jīng)垂直井或表面滲入的方法予以補(bǔ)充?？捎糜谑臀廴镜男迯?fù)。微生物修復(fù)技術(shù)的局限性(1)一種微生物只能降解特定一種或幾種重金屬，而非所有重金屬。(2)特定的微生物只降解特定類(lèi)型的化學(xué)物質(zhì),狀態(tài)稍有變化的化合物就可能不會(huì)被同一微生物酶所破壞。(3) 特定污染地點(diǎn)或污染物可能限制