金属对微生物的毒性效应

二、金属对微生物的毒性效应

有许多金属特别是重金属在很低浓度下就对微生物产生很强的毒性，这些金属包括Ag、Cd、Cr、Sn、Au、Hg、Tl、Pb、Al和准金属Ge、As、Sb、Se。准金属展示出与金属不同的毒性效应。因为它们有不同的化学特性。放射性金属也有毒性。有毒金属的毒性效应表现方式多样。总体上说微生物的所有的生命活动过程都可以受到金属的毒性的影响，可以在不同的生理、遗传、生长层次上表现出来，生命活动的所有过程、所有方面都可以指示金属的毒性效应。受金属影响的具体方面包括生长、抗生素抗性、孢子形成、光合作用、转录、翻译、转化、适应、与动植物的相互关系、微生物之间的相互关系等。我们也可以从不同角度表征金属的毒性效应。从生物组织层次上主要有分子水平的、细胞(个体)水平的以及群体水平的毒性效应。从生命过程来说主要有遗传、生理以及生态功能方面的毒性效应。从毒力强弱方面主要有致死和亚致死的作用。

特别要注意的是有些有毒金属在低于毒性阈值时会对微生物生长有促进作用。目前的大多数研究主要从细胞水平和群体水平研究金属的毒性效应。

1.有毒金属对微生物细胞的毒性效应

金属对细胞的毒性效应是金属毒性的基础，它们进入细胞是产生毒性的前提条件。微生物一般通过特殊的转运途径使必需的金属穿过细胞膜进入细胞质，而有毒金属也能通过扩散或其他的特定途径穿过细胞膜。如金黄色葡萄球菌能利用Mn²⁺的主动运输系统运输Cd²⁺进入细胞。运输金属进入细胞的各种机制如图11-2所示。

图11-2　金属(M)跨越细胞膜进入细胞的各种机制

(引自Simkiss and Taylor，1989)

进入细胞的金属对细胞中的各种过程的毒害作用是综合同时进行的(图11-3)，但又可从不同方面表现出来:遗传上造成的DNA损伤，抑制转录和翻译过程;抑制酶活性;造成蛋白质变性;造成细胞膜破坏以及抑制细胞分裂。对细胞毒性的外部结果是导致生长缓慢，形态异常变化和细胞分裂受到抑制等外观表现。

不同类属的微生物对金属的敏感性因其不同的生理、遗传特性而不同，同种微生物的不同发育阶段对重金属的敏感性也不同。一般细菌对金属比真菌敏感。细菌对Hg²⁺或HgCl^－

3/HgCl^2－₄混合物的敏感性顺序是草生欧文氏菌(Erwinia nerbicola)＞根癌土壤杆菌＞气单胞菌＞不动杆菌。真菌的不同发育阶段即营养菌丝、生殖组织和孢子对金属表现出不同的敏感性。

图11-3　金属对微生物细胞的普遍毒性效应

不同金属和金属的不同形态对微生物的毒性也会发生变化。金属对微生物的毒性作用主要取决于它们作为络合剂的亲和力，亲和力的大小可以作为金属的一种相对毒性。有人以分离到的土壤细菌为对象研究金属的毒性，发现其毒性次序为Hg＞Cd＞Cu＞Ni=Zn。此外同种金属的不同形态对微生物的毒性也是不同的，这可能是由于金属的不同形态进入细胞且与细胞组分结合的能力不同的缘故。以汞为例，对微生物来说无机汞的毒性最大，有机汞的毒性次之，单质汞的毒性最小。

在自然环境中微生物会受多种金属混合物的影响。金属之间会发生协同或拮抗作用。研究发现当培养基中没有镁存在时很低浓度的镍、钴、锌和锰就可抑制大肠杆菌的生长，当镁存在时，它们的毒性会明显降低，较高水平的镁可比降低细胞结合其他金属的数量。Cu²⁺和CrO^2－₄混合物产生协同作用，而Cd²⁺和CrO^2－₄的混合物是相互拮抗的。

金属对微生物的损害是多种多样的，人们从不同的角度提出多种不同的机理。综合起来主要的机理包括:①有毒金属的强烈离子特性使它们与许多如磷酸、嘌啶和核酸等细胞配位体结合，进而取代正常结合位点上原先的必需金属，从而产生毒性，例如砷能取代细胞中的磷，从而使这些配位体失去原有的功能。②有毒金属与酶(蛋白质)的硫氢基、R-SH基等基团结合，从而抑制大分子合成和酶活性，从而破坏酶所催化的一系列生理生化过程。③有毒金属与磷酸盐羟基或二硫键结合，破坏核酸、蛋白质的构象，造成这些生物大分子功能丧失，例如镉与细胞中的锌竞争并与DNA非特异性结合，这会导致DNA单链的断裂。④有毒金属作为代谢拮抗物，阻断微生物的正常代谢途径和生理过程，如影响氧化磷酸化，金属还能抑制色素的合成，影响电子传递和光合作用。⑤有毒金属取代细胞结构中的必需成分，例如有毒金属与细胞膜结合置换其中的重要元素，造成细胞膜的损毁。

2.有毒金属对微生物群体的毒性效应

有毒金属对微生物细胞的毒性效应必然反映在群体水平上，对群体的影响主要是抑制微生物的生长，减少群落中微生物的数量，改变群落的结构和功能。生长和数量是微生物所处环境条件的一种综合性指标，也是指示金属毒性的综合性指标。有人研究重金属污染物对栎树叶面微生物的影响时发现，在成熟的叶子中，受污染叶子的细菌数量较未受污染的叶子为少，而受污染的叶子上耐受性真菌比未受污染的叶子多。

微生物种群之间的相互作用是群落的基础，单种或混合有毒金属的存在对整个群体产生压迫，同时不同种群的敏感性不同，这样使群落的结构发生变化，主要表现在稳定性和多样性降低，群落组成及优势种群改变。有人把Cu、Hg或Cu+Hg加入淡水、咸水中研究它们对微生物群落的影响，发现咸水加入铜以后，菌落类型从15种减少到11种，而加入Hg或Cu+Hg时，菌落类型减少50%。经14天试验后，黄杆菌和短杆菌消失，八叠球菌、肠杆菌、无色杆菌和埃希氏菌减少或严重减少。

微生物群落的生态功能是微生物群体生理活性的外在表现。金属毒性对微生物个体生理活性的影响会表现在群体水平上。有研究者观察到3价铁(加到1～20μm)和铜(0.25mg/LCuSO₄·5H₂O)可抑制假单胞菌对CCl₄的矿化。在加入系统金属含量等同条件下，金属对矿化过程的效应还会随金属的不同而变化。