微生物对金属的抗性和解毒机制

三、微生物对金属的抗性和解毒机制

对立统一是事物发展变化的根本规律，金属会应对微生物的毒性刺激而产生出对金属的抗性和解毒机制。近百年的工业化进程，大气、表层土壤、地表水和地下水中的金属浓度都在不断上升，微生物对金属污染环境作出快速反应并获得对金属的抗性。实际上地球上的微生物一出现就暴露在金属毒性压迫之下，近期的进化和历史传承相结合使现在的许多微生物具有对金属的巨大抗性潜力。微生物的抗性潜力已在利用微生物修复金属污染环境，处理含金属污水中展现广泛的应用前景。

微生物对金属的抗性和解毒机制从微生物方面来说有微生物不同生理状态所表现出来的对金属的非特异性抗性和由微生物的特定抗性遗传因子所决定的特异性抗性。从金属角度抗性机制包括:①不依赖于金属压力的普遍性抗性;②依赖于金属的特异性抗性。各种抗性和解毒机制如图11-4所示。

1.不依赖于金属压力的普遍性抗性

这种抗性是对所有金属都适用的普遍性抗性作用，其最基本的原理是通过对金属的固定，降低金属的迁移能力，阻碍金属进入细胞，降低金属的生物可利用性，因而降低金属毒性，从而转换成生物抗性。金属的结合可以有胞外结合和胞内结合，都可以发挥抗性作用。胞外结合是把金属结合到胞外物质上固定并阻止金属进入细胞(图11-4中的胞外多聚物吸收及外膜或细胞壁结合都属于此类)。包括镉、铅、锌和铁在内的大量阳离子金属能结合到带阴离子的细胞表面。胞外结合的载体主要是胞外的黏液层、外多聚物、载铁体，生物表面活性剂及其他生物多聚物。黏液层或外多聚物主要由碳水化合物、多糖组成，有时还含有核酸和脂肪酸。微生物的外多聚物对结合诸如铅、镉和铀这样的重金属特别有效。外多聚物功能基团通常是带负电子的，因此金属-外多聚物的有效性是依赖于pH值的。由于外多聚物固定金属，阻止其进入细胞从而解除毒性。铅被外多聚物固定已在许多细菌中得到证实，包括金黄色葡萄球菌、藤黄微球菌和固氮菌的一些种，实际上胞外多聚物结合金属是对铅的最普遍抗性机制。微生物产生的能络合金属的胞外分子是载铁体，载铁体是络合铁的低相对分子质量有机化合物。它的生物学功能是浓缩环境中的低浓度铁并促进其转运进入的细胞。载铁体还能与化学性质与铁相近的金属相互作用，如铅、镓、铬(它们的三价离子大小与铁相近)。用络合金属的方法，载铁体能降低金属的生物可利用性并由此降低金属的毒性。研究证明蓝细菌产生的载铁体的络合作用能降低铜的毒性。生物表面活性剂是许多微生物的次生代谢产物，并能分泌到体外。最近的研究表明生物表面活性剂能结合镉、铅、锌这样的金属。生物表面活性剂实际上能显著提高金属的溶解性，但被生物表面活性剂络合的金属对细胞是无毒的。近来的证据表明在金属污染环境中分离出的产表面活性剂微生物要比从未受污染的环境中分离的有高的多样性。

11-4　许多微生物发展出对有毒金属具有独特抗性和解毒机制来应对金属毒性。这些抗性机制可能是在胞内或胞外，可能只针对一种特殊的金属或能与各种金属相互作用。

胞内结合是微生物生命活动过程中的代谢产物与金属的结合，从而降低金属的生物可利用性，减低生物毒性。图11-4中的胞内吸收和以金属盐形式沉淀属于胞内结合的例证。胞内产生的生物多聚物如多糖、生物表面活性剂等都具有结合能力。此外某些代谢产物，如硫酸盐和磷酸盐与金属结合形成金属盐沉淀。例如在好氧条件下，柠檬酸杆菌属的一些种能产生磷酸盐并导致铅和铜的沉淀。在厌氧条件下，脱硫弧菌的一些种如硫酸盐还原菌产生的高浓度H₂S导致金属沉淀。

2.依赖于金属的特异性抗性

这种抗性的特点是要受金属离子激活，并具有特异性。这种抗性最重要方面包括:①金属硫蛋白或类似蛋白对金属的络合和分隔;②质粒编码的依赖能量的金属输出系统从细胞中排除金属;③金属甲基化等生物转化的减毒作用。

金属硫蛋白是低分子量富含胱氨酸的蛋白质，对镉、锌、铜、银和汞金属有高亲和力。它们的产生受金属诱导，而且它们的主要功能就是对金属的解毒。金属硫蛋白已经从很多细菌中分离出来，有人试图开发金属蛋白作为药品，清除金属污染对人体健康的损害。金属硫蛋白结合金属使其在细胞内积累，在细胞质中形成可见的电子密集区。微生物吸收和排出金属离子具有专一性输送系统，由质粒编码的依赖于能量的金属输出系统和其他的化学渗透离子/质子泵都能把金属从细胞中排出。具体是通过主动运输(ATPase泵)或扩散(化学渗透的离子/质子泵)将进入细胞的有毒离子排出。砷酸盐、铬、镉是与这种输出抗性相关的最常见的3种金属。显示砷输出系统的砷抗性如图11-5。砷酸盐通过一种特殊的磷酸盐转运途径进入细胞，进入细胞的砷酸盐被还原为亚砷酸盐，然后被质粒控制的亚砷盐输出系统排出。需要注意的是砷酸盐毒性大于亚砷酸盐，因此发生在细胞内的转化并不能完全消除毒性，排出亚砷酸盐才能完全去除毒性。

图11-5　通过输出砷的砷抗性示意图

微生物把高毒性的形态金属转化为低毒性形态金属也是微生物抗性的一种表现形式。金属的甲基化和还原作用就是其中的例证。以金属汞为例，Hg²⁺因其与蛋白质硫醇基的强亲和力而显示强毒性。汞的甲基化以及有机汞还原成单质汞的过程(见下节汞的微生物转化)是一种明显的解毒过程，具有把Hg²⁺还原为单质汞能力的微生物被称为抗汞微生物。