微生物如何處理環境中的有毒重金屬?

2021年07月30日08:34

  7月30日消息,重金屬對生物具有一定的毒性,當它們出現在環境中,會對生物體造成嚴重傷害,但是科學家發現部分細菌已經有了對付這種毒性的方法。

  微生物是體型微小的生物體,在地球環境中無處不在,從土壤、岩石到海洋,從最高山脈到最深的海溝,從最熾熱的熱液噴口到最冰冷的冰川,任何角落都有微生物,它們甚至存在於植物、動物和人類身體之中。微生物朝氣蓬勃,可以在任何區域頑強地生存下來,然而,微生物如此快速的生長是具有一定的先決條件的,其中包括含有碳源、氮源、維生素和礦物質的營養物質,它們還需要水分、適當的pH值、適當的鹽濃度和氧氣條件。

  什麼是重金屬?

細菌和病毒存在於含有分解樹葉的土壤中
細菌和病毒存在於含有分解樹葉的土壤中

  重金屬是一種無機元素,當其濃度超過某一特定環境的閾值限製時,可能會對生物體產生毒性。但不要混淆礦物質和金屬,雖然許多礦物質就是含量較低的金屬,但並非所有的金屬都是礦物質。

  礦物質是具有一定結構和組成的無機復合物,這兩個因素對細菌的生長都是至關重要的,從本質上講,礦物質可以是金屬,例如:鉀、鎂、鈣和鐵,也可以是非金屬,例如:磷、硫和氯,礦物質在生物體機能中經常發揮著生物學作用。

  大多數礦物質缺乏生物學作用,當超過一定的閾值濃度時,可能被證明對生物體是有毒的,例如:鉛、鉻、銅、鎘、砷、鋅、汞、鎳,我們能從食物中攝入礦物質,但是重金屬來源何處呢?

  重金屬在環境中沉積的來源有農業、工業或者家庭,農業來源包括:無機肥料、殺蟲劑、殺菌劑和污水廢物的使用;工業來源包括:煉油廠、金屬礦石開採、煤炭開採、石油化工溢出和火力發電;家庭來源包括:家庭焚燒生物量、有機和無機生活垃圾、使用過的電池和過濾器等生活垃圾也是導致環境中重金屬沉積的來源之一。

  這些累積的重金屬在土壤中存留時間比有機汙染物更長,由於土壤是重金屬沉積的主要方式,以土壤為家的生命形式將面臨著危險,土壤微生物群落多樣性最高,微生物負荷也最高,土壤微生物受重金屬汙染的風險較大。

  重金屬對微生物有什麼影響?

礦物質是由對生物體有營養價值的微量元素和大量元素組成
礦物質是由對生物體有營養價值的微量元素和大量元素組成

  土壤中重金屬積累對微生物的危害遠大於有機汙染物,主要原因是有機汙染物具有瀝濾屬性,隨著時間的推移,其危害性將逐漸降低,而重金屬在土壤中存留時間會更長,重金屬既不能被破壞,也不能被分解成更小的結構。

  重金屬將影響土壤微生物活性和土壤微生物群落構成,讓我們瞭解一下該進程是如何發生的:

  金屬對微生物活性的影響

  重金屬阻礙了微生物的多種功能,例如:土壤結構的維持、土壤有機質的形成、生物地球化學循環的維持和有毒化合物的分解,從長遠角度來看,這些功能可能威脅土壤生態系統的功能。

  哪些重金屬會影響微生物代謝機製?

重金屬積累的一些來源是地殼中金屬的浸出、工業廢物的排放以及農業中化肥和農藥的使用
重金屬積累的一些來源是地殼中金屬的浸出、工業廢物的排放以及農業中化肥和農藥的使用

  研究表明,汞、鎘和鉛會抑製細胞分裂、酶活性和編輯、蛋白質變性、誘導DNA損傷、並通過離子失衡損傷細胞膜,當重金屬替代細胞膜上的重要礦物質時,就會發生離子不平衡。此外,汞還會抑製DNA轉錄,而砷會導致DNA受損,銅、鎳和鋅抑製酶活性,導致離子失衡。重金屬還能抑製超氧化物歧化酶、過氧化氫 酶、抗壞血酸過氧化物酶的酶活性,同時,重金屬還能促進活性氧的產生和誘導氧化損傷。因此,重金屬極大地影響微生物的形態、代謝、生長和繁衍。

  重金屬對微生物群落的影響

  土壤中積累的重金屬會改變土壤養分質量,如果養分質量持續惡化,土壤中健康的微生物數量也會減少,這種減少將限製土壤中二氧化碳釋放,從而影響生活在土壤中微生物群落,這是一個自然生態循環。

  只有那些能夠忍受重金屬的細菌,即耐金屬細菌,才能存活下來,這將最終導致土壤微生物群落的改變。

  微生物對重金屬的耐受機製是怎樣的?

  部分微生物已進化發展出相應的機製來對抗或者耐受環境中逐漸增多的重金屬,微生物對重金屬耐受性存在多種機製,第一種機製是最直接的——防止重金屬進入細胞,它可以通過兩種方式來實現,其一是阻斷轉運體(允許分子出入細胞的通道),這對重金屬從細胞外運輸到細胞內非常重要;其二是在細胞外製造黏液化合物,用於捕獲金屬並阻止它們進入細胞。

  如果微生物無法抑製對重金屬的吸收,它們可以嚐試將這些金屬踢出細胞,儘管該過程會消耗能量,但與金屬對微生物的眾多負面影響相比,該方法是可行的。

  微生物可能試圖與重金屬結合形成不可溶解的復合物,也被稱為隔離或者積聚過程,這樣它們就不會產生有害的影響,該進程可以在細胞內或者細胞外進行,而實現這一功能的機製因微生物而異。

  部分微生物甚至會利用有毒重金屬發電,這將帶來雙重益處,不僅使金屬無毒,也從中獲得了能量。

  你能相信微生物有多聰明嗎?它們不僅進化出對抗金屬毒性的機製,甚至還使用相同的有毒金屬發電!

  總結

  伴隨著地球不斷增加的人類活動,導致重金屬等汙染物在土壤中過度積累,它們的持久性、毒性和生物不可降解性不僅使土壤質量惡化,而且使其微生物豐富度逐漸下降。微生物對環境脅迫性更為敏感,現已成為土壤質量的一個重要指標。重金屬對微生物的持續暴露將導致微生物進化出適應機製,幫助它們在重金屬環境下生存。(葉傾城)

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