重金属可以被微生物降解吗

微生物与环境保护

如果你希望成功，当以恒心为良友，以经验为参谋，以当心为兄弟，以希望为哨兵。

——爱迪生

现代工业给人们的生活带来极大的方便及舒适，但也不可避免地影响着环境及环境中的微生物。例如，为了追求粮食产量，现在世界各国都大量使用化肥和农药（杀虫剂、除草剂），而化学肥料和农药的大量使用就容易改变土壤酸碱度及成分，造成土壤中各类微生物的种类和组成发生变化，严重的可导致土壤板结，使土壤肥力降低。而农药通常不仅杀死有害昆虫等，田间的有益生物也在劫难逃。而且有的农药极难被降解，在环境中的残留时间很长，一代代积累，对环境造成极大的破坏。

微生物个体微小、繁殖迅速、数量巨大、代谢能力强速度快、易于突变，它们较其他生物更易适应环境。当环境条件发生变化，例如有新的化合物存在时，某些微生物能逐步发生改变以适应环境的变化。它们可能通过自然突变形成新的突变种，也可能通过在细胞内产生新的功能而适应新环境。因此微生物对环境中污染物具有非凡的耐受力，它们可以分解这些污染物，甚至利用分解形成的产物作为生长的营养物。这些特征使得微生物成为降解环境中污染物的主力军。

白色污染

当前已知的环境污染物质达数百万种，其中包括有机污染物，如塑料、尼龙、农药（杀虫剂、除草剂）、染料等，抗生素类，石油及石化产品类等等；无机污染物有氨、硝酸盐、汞、砷等等。这些化合物大部分是自然界原来没有的人工合成的化合物。它们不仅会伤害各种生物，而且多数会危害人类的健康，不少还是强致癌物，或者引起孕妇产出畸胎。所以它们在环境中的积累会破坏原有生态系统的平衡。在自然条件下，许多人工合成的大分子化合物，例如大多数塑料薄膜，各种染料和农药不能被微生物分解，即使能降解，速度也很慢，可能要上百年，甚至几百年才能分解光。当今，无数废弃的塑料给环境增添了一道令人厌烦的景观，被称做“白色污染”。因为这些难分解的人造化合物不仅影响环境的美观，更重要的，是它们进入土壤中，会严重影响土壤的透气性，破坏微生物生态系统的功能，阻断了微生物生态系统中的正常的物质、能量和信息的流动与转化，使种植的庄稼大幅度减产，如果被动物吃进消化道，很可能会送命。

利用细菌做冰场

要消除这些污染物，要靠全社会各行业共同做长期的努力。环境微生物学家从几十年前就开始利用各种微生物来治理环境，恢复被破坏了平衡的生态系统。他们选择到了各种能分解污染物的微生物，已经在治理环境中发挥着重要作用。现在人们通过生物技术，把有各种分解能力的微生物的基因组合到某种微生物中，构建出形形色色的“工程菌”，这些“人造的微生物”比天然的微生物有高得多的分解效率，从而为治理环境污染物提供了重要的工具。

微生物在与环境污染物的相互作用中不是完全被动的，很多微生物在与环境的相互作用有积极主动的一面。例如微生物对严重污染环境的金属铬，镉、汞（水银）等产生抗性，就像不少致病性细菌对盘尼西林具有抗药性一样。微生物为什么能抵抗重金属毒性呢？一般来说原因不外乎下面几种：

第一，减少吸收，使微生物细胞内的重金属含量保持在很低的水平而不产生对细胞的毒害作用。如一种金黄色葡萄球菌对镉的抗性就是如此。

第二，增加排出，有些微生物可以通过主动的方式把细胞内的重金属离子排出细胞外，从而维持细胞内的低含量水平。如一种芽孢杆菌对铜的抗性。

第三，氧化还原作用，很多微生物可以通过氧化作用或还原作用（多数情况）把重金属从毒性较高的价态转变成为毒性较低的价态，从而解除了重金属的毒性。例如对汞的抗性即是如此，自然界中有很多微生物（大肠杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等等）可以把高毒性的阳离子汞还原成为低毒的元素汞，形成沉积或挥发到大气中。另外，自然界还有些微生物（大肠杆菌、芽孢杆菌等）可以将高毒的铬还原成为低毒的铬，从而达到解毒的作用。这一原理被应用于电镀废水的生化处理。第四，在细胞外产生可以结合（包括细胞表面吸附）有毒重金属离子的结合物，从而减少环境中毒性重金属的浓度，达到解毒的目的。如大肠杆菌的抗铜作用即是如此，它可以分泌能结合铜离子的蛋白质，从而降低了环境中铜离子的有效浓度。另外，很多微生物还可以产生硫化氢，而这种化合物可以和各种重金属离子结合。例如有一类可以把硫酸盐还原成硫化氢的硫酸盐还原菌，它们产生的硫化氢可以把环境中的铁离子固定起来，从而减少对环境的危害。

肺炎克氏杆菌对镉的吸附

第五，吸附作用，很多微生物的细胞表面有特殊结构，这些结构可以吸附重金属离子，从而达到减少溶液中重金属离子的浓度。例如有些酵母菌可以吸附如铅、金、银、镍、铀等很多重金属，或它们的离子，吸附的重金属之多，甚至可以相当于细胞重量的90%。科学家已经应用微生物的这一特性，成功地从各种含有重金属的废液中回收银、金、铀等贵重金属，既治理了环境，而且变废为宝。

许多有机污染物本来是作为杀虫剂、杀菌剂、除草剂、防腐剂等等而被开发出来，并大量生产和广泛使用的。它们也是人工合成的本来在自然界不存在的化合物，被称为“生物外源性物质”。一般来说，它们都是有毒的。它们的使用给工农业生产带来丰收的同时，也广泛地污染着环境。它们可以杀菌或防腐，说明它们对微生物也是有毒有害的，主要表现在以下几个方面的作用：

（1）造成微生物细胞的裂解，如洗涤剂等表面活性剂；

（2）破坏微生物细胞的能量代谢作用，许多农药有此作用；

（3）抑制微生物细胞各种酶的活性，导致微生物死亡，许多农药有此作用；

（4）作为蛋白质变性剂使微生物细胞中的蛋白质变性而死亡，许多洗衣粉和农药有此作用；

（5）破坏微生物细胞中金属蛋白和金属酶的功能，金属螯合剂有此作用；

（6）破坏微生物细胞的遗传物质，许多强化学诱变剂如硝基类化合物等有此作用；

（7）抑制微生物细胞合成功能蛋白，如许多农药可以干扰或破坏细胞内的蛋白质合成。

细菌抗汞模型示意图

相对于生物的进化历史来说，有些有机污染物被释放到环境中的时间是非常短暂的，微生物与之相互作用的时间就更短了。但是农药等生物外源性物质的广泛使用和对环境的污染，增加了微生物生存环境中的不利因素，用科学术语来说，就是增加了微生物进化的选择压力。这起到了促进微生物的物种发生改变和进化的作用，因为“适者生存”，只有那些发生了对微生物本身存活有利的突变（如抗药性、转化能力、降解活性）的微生物，才能继续存在于自然界中。人类最感兴趣和有可能加以利用的微生物的新特性，正是它们对生物外源性物质的转化和降解作用。