微生物砷修復(fù)機(jī)制的研究進(jìn)展

微生物砷修復(fù)機(jī)制的研究進(jìn)展

地殼中的硫含量為20個(gè)百分點(diǎn)，是一個(gè)常見(jiàn)的非金屬元素。硫主要以氧化物的形式存在，如黃（as4s4）、黃（as2s3）和黃鐵礦（feass）。由于其特殊的金屬性和耐候性，砷主要用于與銅、鉛等金屬形成黃金。此外，砷化合物還用于防腐、染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥等藥物的生產(chǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的發(fā)展,全球許多國(guó)家面臨嚴(yán)重的砷污染威脅,砷污染已成為人們普遍關(guān)注的環(huán)境污染問(wèn)題之一.據(jù)統(tǒng)計(jì),在美國(guó)國(guó)家環(huán)保局超級(jí)基金計(jì)劃的污染場(chǎng)地中,有41%的污染場(chǎng)地存在砷污染問(wèn)題.在澳大利亞,共有超過(guò)10000多個(gè)土壤砷污染場(chǎng)地.在印巴次大陸的孟加拉國(guó),以含砷地下水澆灌的水稻田中土壤平均砷含量高達(dá)101mg/kg,超過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)3倍.中國(guó)也是受砷污染最為嚴(yán)重的國(guó)家之一,新疆、內(nèi)蒙、陜西、湖南、云南、貴州、廣西、廣東、臺(tái)灣等省區(qū)的砷污染均比較嚴(yán)重.環(huán)境中的砷污染導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低及質(zhì)量和品質(zhì)下降,直接威脅到人畜健康.目前,因砷污染引起的砷中毒事件也已成為世界關(guān)注的焦點(diǎn),地方性慢性砷中毒成為大多數(shù)國(guó)家社會(huì)公共衛(wèi)生面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn).據(jù)世界衛(wèi)生組織官員公布,目前全球至少有5000多萬(wàn)人口正面臨著地方性砷中毒的威脅.印度、孟加拉國(guó)、澳大利亞、南美、日本、中國(guó)等國(guó)家上億人長(zhǎng)期面臨飲用高砷水的危險(xiǎn).砷污染影響人民身體健康的同時(shí),也給國(guó)家經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大的損失.按1995年的GDP和人均收入計(jì)算,中國(guó)砷污染區(qū)的國(guó)家經(jīng)濟(jì)損失為181元/(人·a)-1,個(gè)人經(jīng)濟(jì)損失為164元/(人·a)-1.2008年6月發(fā)現(xiàn)的云南陽(yáng)宗海砷污染事件,在短短的幾個(gè)月中給國(guó)家?guī)?lái)了幾十億元的經(jīng)濟(jì)損失.砷污染土壤和水體的修復(fù)一直受到眾多研究者的關(guān)注,目前,傳統(tǒng)的物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)技術(shù)已取得一定成效,并形成了部分成熟的工藝流程.對(duì)于砷污染土壤的修復(fù)傳統(tǒng)方法主要采用固定技術(shù),而對(duì)水體則主要采用膜分離、離子交換、凝聚沉淀等方法去除砷,這些方法工程量大、投資費(fèi)用高,同時(shí)還可能導(dǎo)致二次污染.微生物修復(fù)是利用微生物,如細(xì)菌、真菌、放線菌和原生動(dòng)物的生命代謝活動(dòng)富集、分解或清除生長(zhǎng)介質(zhì)中的污染物.近年來(lái),微生物修復(fù)技術(shù)因其環(huán)境友好性和低投入等優(yōu)點(diǎn)得到迅速發(fā)展,大量高效降解菌株被篩選和研究,這給生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行污染修復(fù)帶來(lái)了活力與希望.本文回顧了近年來(lái)砷污染土壤和水體的微生物修復(fù)研究,對(duì)微生物修復(fù)砷污染的機(jī)制進(jìn)行總結(jié)并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行預(yù)測(cè).1活性膠體組微生物是自然界中形體微小、單細(xì)胞或個(gè)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多細(xì)胞、甚至無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的低等生物的通稱(chēng).作為土壤中重要的活性膠體組分,微生物數(shù)量眾多,比表面積大,帶電荷多,且代謝旺盛;同時(shí),土壤中的微生物與重金屬(砷)間存在吸收和富集、溶解和沉淀、氧化和還原等作用的動(dòng)態(tài)平衡[13~15],這對(duì)重金屬包括砷的化學(xué)行為和生物有效性都會(huì)產(chǎn)生深刻的影響.1.1菌藻共生體的砷凈化存在于微生物表面的多種極性官能團(tuán)能夠通過(guò)與重金屬,包括砷離子發(fā)生定量化合反應(yīng)(如離子交換、配位結(jié)合或絡(luò)合等)而達(dá)到固定重金屬的目的.如微生物細(xì)胞壁表面的—COOH、—NH2、—PO43-、—SH等基團(tuán)都是結(jié)合重金屬離子的重要結(jié)合位點(diǎn).研究發(fā)現(xiàn),死菌也可以吸附重金屬,主要是由于細(xì)胞壁表面一些化學(xué)基團(tuán)的絡(luò)合、配位作用與金屬離子形成離子鍵、共價(jià)鍵.Takeuchi等研究發(fā)現(xiàn),生長(zhǎng)在含有5mg/LAs(Ⅴ)的培養(yǎng)基中的Marinomonascommunis,其吸附砷可達(dá)2290mg/kg(干重).廖敏用菌藻共生體去除廢水中砷的研究表明,菌藻共生體能夠很好地吸附砷,積累砷可以達(dá)7.47g/kg(干重),對(duì)于無(wú)營(yíng)養(yǎng)源的含As(Ⅲ)、As(Ⅴ)的廢水砷吸附率達(dá)80%以上;對(duì)于含營(yíng)養(yǎng)源的含砷的廢水As(Ⅲ)和As(Ⅴ)吸附率也分別在50%和70%以上.研究者認(rèn)為這主要是由于藻類(lèi)和細(xì)菌表面存在許多功能團(tuán),如羥基、氨基、羧基等.這些功能團(tuán)可與水中砷共價(jià)結(jié)合,從而將砷吸附在菌藻共生體上.在砷污染廢水的治理中,活性污泥法是比較常用的一種方法,采用污泥濃度MLSS(mixedliquorsuspendedsolids)為100mg/L,停留時(shí)間為10h的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)處理72h后,污泥(干重)的砷吸附量分別為18.64mg/g和76.91mg/g.研究認(rèn)為,在微生物吸附砷的過(guò)程中,pH、砷的原始濃度、磷酸根濃度及預(yù)處理技術(shù)等都會(huì)影響微生物對(duì)砷的吸附效率[21~22].當(dāng)溶液中磷酸根的濃度為0.5mg/L時(shí)有利于砷的吸附,>10mg/L會(huì)抑制微生物對(duì)砷的吸附.Murugesan等將1種從茶樹(shù)(Melaleucaalternifolia)上分離得到的真菌(teafungus)用FeCl3(15mg/L)浸泡30min,然后用于對(duì)砷的生物吸附實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),溶液中砷的去除率接近100%,較對(duì)照組高出40%.說(shuō)明經(jīng)過(guò)化學(xué)預(yù)處理,可以顯著提高真菌對(duì)砷的吸附能力.1.2砷氧化菌及化能自養(yǎng)型菌株水體中的砷,通常以無(wú)機(jī)態(tài)的三價(jià)砷[As(Ⅲ)]和五價(jià)砷[As(Ⅴ)]2種化學(xué)價(jià)態(tài)存在.土壤中砷的形態(tài)復(fù)雜,既有無(wú)機(jī)砷也有有機(jī)砷,其中大多為無(wú)機(jī)砷,包括三價(jià)砷[As(Ⅲ)]和五價(jià)砷[As(Ⅴ)],又以As(Ⅴ)為主.As(Ⅲ)和As(Ⅴ)之間可以通過(guò)氧化-還原反應(yīng)而發(fā)生價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變,二者之間保持著動(dòng)態(tài)平衡;有機(jī)砷主要包括一甲基砷酸(鹽)(MMAA或MMA)和二甲基砷酸(鹽)(DMAA或DMA),占土壤總砷的比率極低.As(Ⅴ)較As(Ⅲ)的附著能力強(qiáng),移動(dòng)性弱,毒性相對(duì)較小.相對(duì)于土壤動(dòng)物和微生物而言,有機(jī)砷的毒性要小于無(wú)機(jī)砷.研究表明,在土壤和水體中砷的形態(tài)轉(zhuǎn)化中,微生物發(fā)揮了重要作用.早在1918年,Green等就從畜牧廢水中分離得到了第1株As(Ⅲ)氧化菌,證明了微生物對(duì)砷形態(tài)的轉(zhuǎn)化能夠產(chǎn)生作用.張雪霞等從一處有砷污染歷史的冶煉廠廢址采集土壤樣品,在厭氧環(huán)境中對(duì)其中的微生物進(jìn)行富集培養(yǎng),觀察其對(duì)砷的還原能力,發(fā)現(xiàn)在21h之內(nèi),As(Ⅴ)就被完全轉(zhuǎn)化為As(Ⅲ).Valenzuela等也從智利北部一條高砷污染河流(As≥1100μg/L)的沉積物中分離得到9種假單胞菌株,并且證實(shí)這些菌株能將As(Ⅲ)氧化為更加穩(wěn)定的As(Ⅴ).Fan等也從沉積物中分離得到了砷氧化菌和砷還原菌,而且他們發(fā)現(xiàn)砷氧化菌分布在從地表到7m深的地下水中,而砷還原菌分布在0~41m的區(qū)域.目前發(fā)現(xiàn)能夠氧化As(Ⅲ)的菌株主要有兩大類(lèi):化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型(Chemolithoautotroph)和化能有機(jī)異養(yǎng)型(Chemoorganoheterotrophic).這2種菌都均有解毒作用,其中化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型菌株在生長(zhǎng)中還能將As(Ⅲ)作為電子供體.研究較多的化能自養(yǎng)型As(Ⅲ)氧化菌主要是Rhizobiumsp.NT-26;Thiomonassp.3As.異養(yǎng)型As(Ⅲ)氧化菌主要有:Alcaligenesfaecalis、Cenibacteriumarsenoxidans(ULPAsl)、Agrobacteriumalbertimagni、ThermusthermophilusHB8和Pseudomonasputida.本課題組通過(guò)對(duì)蜈蚣草-微生物聯(lián)合修復(fù)土壤砷的研究也發(fā)現(xiàn)微生物能夠顯著影響砷的形態(tài),從而影響砷的有效性.其中砷酸還原菌Delftiasp.Ts33和Streptomyceslividans能夠顯著增加鐵結(jié)合態(tài)砷的含量,同時(shí)減少閉蓄態(tài)砷的含量.另外Comamonassp.Ts37和Delftiasp.Ts41也能顯著減少閉蓄態(tài)砷的含量.菌根Acaulosporamellea、Glomusetunicatum、Glomushoi、Glomustortuosum和Glomuscoronatum都能夠顯著提高土壤有效砷的含量.無(wú)機(jī)砷化物在微生物的作用下,可以被轉(zhuǎn)化為毒性較低的一甲基砷酸(鹽)(MMAA或MMA)、二甲基砷酸(鹽)(DMAA或DMA)和三甲基砷氧(TMAO)以及無(wú)毒的芳香族化合物砷膽堿(AsC)和砷甜菜堿(AsB),而甲基砷酸可以在某些微生物的作用下將甲基(CH3)取代AsO(OH)3中的羥基而形成砷化氫的甲基化衍生物MMA、DMA和TMA.吳劍等分離到了1株芽孢桿菌屬的細(xì)菌,能將DMAA轉(zhuǎn)為氣態(tài)砷.但是這種細(xì)菌不能揮發(fā)亞砷酸鹽,因此他們推測(cè)微生物可能通過(guò)共代謝的方式對(duì)砷的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生作用.有些微生物利用亞砷酸鹽作為甲基受體,把亞砷酸鹽轉(zhuǎn)化為二甲基砷酸鹽,然后再由芽孢桿菌轉(zhuǎn)化為各類(lèi)甲基胂.甲基胂的沸點(diǎn)較低,很容易揮發(fā)進(jìn)入到大氣中.MacKenzie等估計(jì)因微生物作用而揮發(fā)到大氣中的As每年有2.1×107kg.目前,已發(fā)現(xiàn)具有揮發(fā)As功能的細(xì)菌和真菌非常多,如甲烷桿菌(Methanobacterium)、假單胞菌(Pseudomonassp.)、黃桿菌(Flavobacteriumsp.)、變形桿菌(Proteussp.)、大腸桿菌(Escherichiacoli)、無(wú)色菌(Achromobactersp.)、氣單孢菌(Aeromonassp.)、脫硫弧菌(Desulfovibrio)、假絲酵母(Candida)、曲霉(Asper-gillu)、鐮刀霉(Fusarium)、帚霉(Sxopulariopsis)、擬青霉(Paecilomyces)、土生假絲酵母(CandidaHumicola)、粉紅粘帚霉(Gliocladiumroseum)和青霉菌(Penicilliumsp.)等[38~41].在利用微生物揮發(fā)土壤中砷的時(shí)候,比較關(guān)注的是氣態(tài)砷的毒性.有研究表明,甲基胂的毒性比砷酸鹽或As2O3小得多,TMA的LD50為8000mg/kg,而Na3AsO4和As2O3的LD50分別為14~18mg/kg和34.5mg/kg.而且如果產(chǎn)生的甲基胂數(shù)量比較大,還可以通過(guò)覆蓋薄膜的方式回收砷.雖然在產(chǎn)生有機(jī)砷的過(guò)程中,還可能產(chǎn)生一定數(shù)量有毒氣態(tài)污染物砷化氫,但是其相當(dāng)不穩(wěn)定,容易被氧化,在大氣中不易積累到對(duì)環(huán)境構(gòu)成危害的程度.研究表明,As甲基化不僅存在于土壤中,也存在于底泥和水體中.另外土壤環(huán)境中還存在著脫甲基的微生物,它們把甲基化的砷氧化分解,脫甲基形成無(wú)機(jī)砷.甲基胂也可以脫甲基轉(zhuǎn)化為砷化氫.因此,在一般情況下,砷的甲基化和脫甲基化過(guò)程保持動(dòng)態(tài)平衡.從目前的研究進(jìn)展看,微生物揮發(fā)As的能力還較弱,能夠被揮發(fā)出來(lái)的As的比率也較低,普遍在10%以?xún)?nèi).研究認(rèn)為,許多環(huán)境條件都影響土壤中As的揮發(fā),如氧氣條件、氧化還原電位、pH、含水率、溫度和重金屬離子等.對(duì)氨基苯胂酸(阿散酸)和3-硝基-4-羥基苯胂酸(洛克沙胂)等有機(jī)胂制劑有促生長(zhǎng)的作用,又因價(jià)格低廉被廣泛運(yùn)用于畜禽的飼養(yǎng).進(jìn)入動(dòng)物機(jī)體的有機(jī)胂主要以原形從糞便排出.而現(xiàn)階段我國(guó)大多數(shù)的畜禽糞便未經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理就直接進(jìn)入環(huán)境,對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染.Garbarino等在使用過(guò)洛克沙胂的農(nóng)場(chǎng)污水溝中檢測(cè)到較高濃度的亞砷酸離子,因此推測(cè)在缺氧的條件下,細(xì)菌能將砷酸鹽還原為亞砷酸鹽或甲基化為DMAA.文獻(xiàn)對(duì)家禽糞便在堆肥過(guò)程中洛克沙胂的降解變化進(jìn)行了研究.結(jié)果顯示洛克沙胂在干糞便中是穩(wěn)定的,但進(jìn)行堆肥后,在30d中洛克沙胂主要轉(zhuǎn)變?yōu)樯樗猁}.降解反應(yīng)直接與培養(yǎng)溫度成比例,且高熱殺菌后降解被抑制,更加說(shuō)明了降解反應(yīng)屬于生物反應(yīng),微生物具有降解含砷制劑的作用.而生物降解可能的途經(jīng)有氧化、甲基化/去甲基化和光降解等反應(yīng).微生物的生長(zhǎng)代謝過(guò)程中需要C、N、P、K等元素,在適當(dāng)?shù)乃謼l件下,通過(guò)添加營(yíng)養(yǎng)元素等外在條件刺激土著降解性微生物的作用可以強(qiáng)化修復(fù)效果.Akins等的實(shí)驗(yàn)證實(shí),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間厭氧培養(yǎng)的土壤(添加100mg/kgMMAA),未添加有機(jī)質(zhì)時(shí)砷揮發(fā)了8.1%,而添加有機(jī)質(zhì)處理時(shí)砷揮發(fā)了11%.宋紅波等研究了不同環(huán)境條件對(duì)砷污染土壤生物揮發(fā)的影響,結(jié)果表明施加生物有機(jī)肥能促進(jìn)砷的生物揮發(fā).土壤的理化性質(zhì),如質(zhì)地、濕度、溫度、pH、氧化還原電位等的變化對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖和代謝活動(dòng)有深刻的影響.在生物修復(fù)的過(guò)程中,可通過(guò)松土、保溫、使用石灰調(diào)節(jié)pH值等農(nóng)藝措施來(lái)改善土壤狀況,提高微生物修復(fù)效率.Hassler等的研究顯示在好氧條件下土壤的揮發(fā)量要高于厭氧條件.另外,砷的生物揮發(fā)速率也受到土壤含水量的影響,過(guò)高或過(guò)低的含水量都不利于土壤中砷生物揮發(fā)的進(jìn)行.1.3am菌根與三葉草的關(guān)系微生物在根際微生態(tài)系統(tǒng)中,對(duì)養(yǎng)分、重金屬的轉(zhuǎn)化吸收和植物的生長(zhǎng)有其獨(dú)特影響.馮莉等通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),用熒光假單胞菌處理煙草根際土壤后,煙草根系生長(zhǎng)和根干重明顯增加,側(cè)根數(shù)量增多,根系發(fā)達(dá),根長(zhǎng)而粗,根系活力顯著提高.另外,微生物還能促進(jìn)植物的生長(zhǎng),有利于植物對(duì)重金屬的吸收.Yang等的研究發(fā)現(xiàn),在砷超富集植物蜈蚣草根際施用砷酸還原菌(Ts1、Ts33、Ts37、Ts41和PSQ22)能夠顯著促進(jìn)蜈蚣草的生長(zhǎng),與對(duì)照相比,加Ts1、Ts33、Ts37處理的效果尤其明顯,蜈蚣草羽葉干重增加了148%~153%.同時(shí),蜈蚣草羽葉中砷濃度也顯著升高,與對(duì)照相比增加了6%~44%,其中施用Ts33的蜈蚣草羽葉中砷的濃度是對(duì)照(886.47mg/kg)的144%.在自然界中植物根系和真菌共生的現(xiàn)象十分普遍,陸地植物中大約有90%存在共生菌根的現(xiàn)象.植物向真菌提供糖類(lèi),而真菌向植物提供礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)素尤其是P元素.叢枝菌根(arbuscularmycorrhizae,AM)是自然界中分布最廣的一類(lèi)菌根,因此在砷的相關(guān)研究中,受關(guān)注較多的是叢枝菌根共生植物,包括喬木、灌木和草本植物.大量研究表明,在砷污染土壤中存在著AM菌根,進(jìn)而與植物形成共生體.煙草盆栽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在G.versiforme處理下,葉子和植物的總干重比對(duì)照要高很多.Liu等研究了AM菌根對(duì)蜈蚣草根際的影響,結(jié)果表明,AM菌根使蜈蚣草根的長(zhǎng)度增加了50%,砷的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)提高了43%.在As濃度為75mg/kg時(shí),有菌根侵染的番茄的根和葉的生物量與對(duì)照的番茄至少要高30%.菌根的這種對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用主要是與其能促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收有關(guān).眾所周知,外生菌絲作為菌根的主要吸收器官,可穿過(guò)根際范圍的“貧磷區(qū)”,深達(dá)貧磷區(qū)以外的其它土壤中吸收P素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),供植物生長(zhǎng)利用.有研究表明,未接種菌根的植物每盆只能吸收P素36.3mg,而接種菌根的植物每盆吸收P素257mg.另外,菌絲體在土壤中的壽命超過(guò)根毛,外生菌絲數(shù)量上也超過(guò)根毛,更加顯著地提高了植物根系的吸收面積.接種AM菌根不但可以提高植物地上部生物量,而且還能增加植物地上部對(duì)As的吸收量[60,64,65,66,67,68].Leung等研究發(fā)現(xiàn)接種AM菌根能促進(jìn)蜈蚣草對(duì)砷的富集,在砷濃度為50mg/kg和100mg/kg的處理中,接種AM菌根的植物富集砷分別為58.3mg/kg和88.1mg/kg,而未接種AM菌根的對(duì)照植物富集砷分別為42.5mg/kg和60.4mg/kg.同時(shí),AM菌根還能對(duì)砷從土壤到根、從根到葉的遷移和形態(tài)變化過(guò)程以及植物中砷酸鹽還原酶和抗氧化酶的活性產(chǎn)生影響.Yu等的盆栽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)G.mosseae接種處理能夠降低玉米根和地上部分中總砷的濃度,減少玉米根中As(Ⅲ)的濃度和比例,減少根際土壤和根中MMA和AsB的濃度和比例,提高葉中DMA的濃度和比例.同時(shí)接種處理降低了高濃度As處理的玉米根中砷酸鹽還原酶(arsenatereductase)活性,降低了根和地上部分POD酶和SOD酶的活性.目前有關(guān)于微生物在植物修復(fù)砷污染機(jī)制方面詳盡和深入的研究和報(bào)道還比較少,而其他非特定的微生物與植物方面的研究開(kāi)展較多.不少研究證實(shí),微生物本身能夠產(chǎn)生生長(zhǎng)素、赤霉素等植物激素,促進(jìn)植物的生長(zhǎng).連翠飛等發(fā)現(xiàn)一假單胞菌屬的菌株能同時(shí)產(chǎn)生生長(zhǎng)素和赤霉素,使小麥平均苗高增加10.54%、干重增加17.29%、鮮重增加19.81%.同時(shí),微生物能夠改變植物根系分泌有機(jī)酸的種類(lèi)和含量.用AM真菌侵染三葉草根系,發(fā)現(xiàn)根系分泌的有機(jī)酸組分和含量都有改變,表現(xiàn)出菌根化三葉草分泌的有機(jī)酸總量低于非菌根化三葉草的趨勢(shì).Phillips等的研究也表明菌根侵染能改變植物根系分泌物,他們的研究發(fā)現(xiàn)Pseudomonasbacteria和Fusariumfungi可顯著加強(qiáng)苜蓿、玉米、小麥根系氨基酸的分泌,而在無(wú)菌條件下,上述植物根系對(duì)氨基酸的攝取量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其分泌量.參考這些研究成果,筆者認(rèn)為在提高植物修復(fù)土壤重金屬污染方面,微生物-根系互作可能主要是通過(guò)下面3個(gè)方面產(chǎn)生影響:(1)借助改變根形態(tài)等方式,增加植物與土壤的接觸面積,不僅促進(jìn)植物吸收土壤養(yǎng)分,而且有益于植物吸收重金屬.(2)微生物通過(guò)產(chǎn)生一些次生代謝產(chǎn)物或促進(jìn)有機(jī)物形成腐植酸,對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育發(fā)揮刺激作用.(3)通過(guò)改變根細(xì)胞膜透性和根的代謝活動(dòng)改變根系分泌物種類(lèi)和數(shù)量.1.4微生物對(duì)砷污染的調(diào)控高濃度的砷對(duì)微生物具有毒害效應(yīng),砷污染土壤中微生物數(shù)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),并且有研究顯示,砷污染土壤中的微生物數(shù)量與砷濃度呈顯著負(fù)相關(guān),砷污染也能影響土壤微生物多樣性,改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),Turpeinen等采用磷酸脂肪酸分析(PLFA)法和16SrRNA末端限制性片段多態(tài)性分析(t-RFLP)法研究了砷、鉻、銅復(fù)合污染土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)微生物多樣性降低,群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,一些具有較強(qiáng)抗性的種群如Acinetobacter、Edwardsiella、Enterobacter、Pseudomonas、Salmonella和Serratia的數(shù)量和活性增強(qiáng).長(zhǎng)期生活在砷脅迫環(huán)境下的微生物通常具有砷抗性.目前,從高砷環(huán)境中分離抗性種和抗性基因的多態(tài)性研究也成為一個(gè)熱點(diǎn).Achour等從2個(gè)土壤樣品中篩選出41個(gè)砷抗性種并克隆出其亞砷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子基因片段,其中,70.7%的抗性種包含arsB或ACR3基因,系統(tǒng)發(fā)生學(xué)分析顯示,arsB基因主要出現(xiàn)在Firmicutes和Gammaproteobacteria中,而ACR3則主要出現(xiàn)在Actinobacteria和Alphaproteobacteria中.Anderson研究了新西蘭2個(gè)砷污染場(chǎng)地土壤中的微生物群落并從中分離出了17個(gè)抗性種,16SrDNA序列分析發(fā)現(xiàn),這些種分屬于Exiguobacterium、Aeromonas、Bacillus、Pseudomonas、Escherichia和Acinetobacter.在微生物修復(fù)砷污染方面的研究,在機(jī)制上也越來(lái)越深入.微生物對(duì)砷氧化過(guò)程常被認(rèn)為是一種解毒機(jī)制,近年來(lái),對(duì)砷氧化酶和相關(guān)編碼基因的研究也已取得了一定的成績(jī).目前,對(duì)于NCIB8687的As(Ⅲ)氧化酶研究比較透徹,其是由一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量約85×103的Mo-蛋白大亞基和一個(gè)小的Rieske亞基組成的異形二聚體(α1β1),屬于二甲基亞砜(DMSO)還原酶家族.RhizobiumNT-26的砷氧化酶是由AsoA和AsoB構(gòu)成的異形四聚體(α2β2).另外,還有異形六聚體(α3β3)結(jié)構(gòu)的砷氧化酶.As(Ⅲ)氧化酶基因的表達(dá)不僅受由結(jié)構(gòu)基因和上下游基因組成的As(Ⅲ)氧化酶操縱子的控制,而且還受到密度感應(yīng)系統(tǒng)的影響.在微生物體內(nèi)廣泛地存在As(Ⅴ)的還原,主要有2種形式:①非特異性地由細(xì)胞內(nèi)的谷胱甘肽(GSH)以非酶促反應(yīng)形式還原;②通過(guò)砷酸鹽還原酶,以GSH作為電子源,通過(guò)酶促反應(yīng)特異性地還原.后者是微生物體內(nèi)As(V)的主要還原形式.目前發(fā)現(xiàn)的砷還原酶有3類(lèi):①ArsC,是Ars操縱子中結(jié)構(gòu)基因ArsC編碼的蛋白,成熟蛋白是一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量約16×103的單體,以谷胱甘肽和谷氧還蛋白作為電子供體.這類(lèi)還原酶首先是在E.coli773質(zhì)粒中的Ars操縱子上發(fā)現(xiàn)的.②ArsC,與第一類(lèi)同名,是P1258質(zhì)粒Ars操縱子結(jié)構(gòu)基因ArsC的蛋白,成熟蛋白也是和第一類(lèi)差不多大小的單體,以硫氧還蛋白作為電子供體.這類(lèi)還原酶首先是在StaphycococcusaureusP1258質(zhì)粒中發(fā)現(xiàn)的.③Acr2P,位于啤酒酵母第16號(hào)染色體上,成熟蛋白是一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量約34×103的同型二聚體,以谷胱甘肽和谷氧還蛋白作為電子供體.As(Ⅲ)的甲基化也是微生物對(duì)環(huán)境中砷的一種重要的解毒機(jī)制.近年來(lái)對(duì)砷的微生物甲基化遺傳學(xué)基礎(chǔ)的研究正在逐步展開(kāi).研究發(fā)現(xiàn)As(Ⅲ)甲基化細(xì)菌RhodopseudomonaspalustrisCGA009的As(Ⅲ)甲基化活性是由轉(zhuǎn)甲基酶(methyltransferase,ArsM)催化的,最終產(chǎn)生氣態(tài)的三甲基砷氣體[trimethylarsine,(CH3)3As].研究者從細(xì)菌Rhodopseudomonaspalustris中克隆了位于arsRM操縱子上的砷甲基化相關(guān)基因arsM,整合到砷敏感的E.coli基因組中后,發(fā)現(xiàn)ArsM能賦予As(Ⅲ)敏感菌株砷抗性.arsM基因編碼一個(gè)約29656的蛋白質(zhì)酶腺苷甲硫氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶[As(Ⅲ)-S-adenosylmethionine],可以連續(xù)地甲基化As(Ⅲ),同時(shí)它的表達(dá)受arsRM操縱子