第五节 金属的微生物转化

各种金属元素可由多种来源进入环境，包括燃烧燃料、施用农药、采矿、冶金等。全球每年由矿物燃料进入空气的镍近7×104t，砷约0.4×104t（Ferguson和Gavis，1971）。金属也作为地壳的天然结构成分而以多种形式存在于环境中。当今人们主要关心的元素是：汞、砷、铅、锡、锑、铜、镉、铬、镍和钒。这些元素以空气、水和土壤的污染物以及食品残渣之类各种各样的化学形态存在于环境中。

金属在一定浓度时对微生物有毒害作用。重金属在很低浓度时，对大多数微生物即有明显毒性。金属对微生物的毒性强度固然与其浓度有关，但更取决于其存在状态。例如，六价铬比三价铬毒得多；在各种汞化物中，甲基汞的毒性最强；有机锡比无机锡毒，烷基锡比芳基锡毒，三烷基锡比四烷基锡更毒。

微生物具有适应金属化合物而生长并代谢这些物质的活性。微生物的代谢活动可改变环境中金属的状态，从面改变它们的性质，包括生物效应。《三国演义》中诸葛亮四纵孟获后其部属饮哑泉水中毒之谜，即氧化亚铁硫杆菌等嗜酸菌将铜矿石中不溶于水的铜转化成硫酸铜溶于水之故。质粒携带的抗性因子与金属的微生物转化有关。利用微生物对金属的转化，可处理含重金属的工业废水。例如，用抗汞的假单胞菌株处理含总汞10mg/L的工业废水，可将废水中汞化物转化成元素汞而回收利用，水的含汞量则大大减少。中国科学院北京微生物研究所将假单胞菌的抗汞质粒转移给受体菌，使后者的抗汞水平提高4倍～8倍。吉林医学院从第二松花江表层底泥中分离、筛选出三株抗汞假单胞菌，经驯化，去除氯化汞的效率相当高，当CH3HgCl浓度为1mg/L和5mg/L时，去除率近100％，浓度为10mg/L和20mg/L时，去除率为99％。有的微生物能将金属浓集于自身细胞内，这对于减轻环境污染，维持生态平衡有重要意义。环境中微生物对金属的转化，主要是氧化还原和甲基化作用。

一、铁的氧化和还原

铁通常以两种易变的价态存在，即Fe2+和Fe3+。在自然界，铁的存在状态受环境酸碱度（pH）和氧化还原电位（Eh）影响。

（一）铁的氧化

pH＞4.5时，Fe2+可自发氧化为Fe3+并形成Fe（OH）3沉淀，当环境中pH＜4.5时，Fe2+的化学氧化极慢，在这种情况下，Fe2+的氧化主要是铁氧化菌的作用。

铁氧化菌按形态可分为三类：

1．菌体单个的细菌 氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）是最重要的铁氧化菌。该菌从氧化亚铁为高铁的过程中获得能量同化CO2，严格好氧，自养，嗜酸，pH1.4甚至更低时仍能生长，从而溶浸出矿石中的金属。在含铁的酸性水中以及含铁矿砂的土壤中常可见此菌。

2．具鞘细菌——细胞在鞘内排列成链

（1）球衣菌-纤发菌类群 鞘宽度均匀，最适生长pH5.8～8.5。在此pH值范围内，铁进行快速化学氧化，所以生物学氧化无多大生态学意义。球衣菌（Sphaerotilus）、纤发菌（Leptothrix）有很多相似之处：细胞杆状，在鞘内排列成链，游离细胞以鞭毛运动，革兰氏阴性，严格好氧，化能异养，都含有聚-β-羟基丁酸颗粒作为细胞内贮藏物质。二者主要区别见下表。

（2）泉发菌属（Crenothrix） 鞘很薄，游离端可能膨大，细胞圆柱形到盘状，在正常丝状体中以横隔分裂。在膨大了的丝状体末端顶部以横隔和纵隔分裂，细胞较小并可能成为圆形。鞘的顶端可能无色，基部嵌以铁或锰的氧化物，化能异养，发现于积滞的或流动的含有机质和铁盐的水中。这种细菌大量生长时可使池塘变成红棕色。

3．具柄细菌

（1）嘉利翁氏铁柄杆菌属（Gallionella） 细胞着生于丝状长柄的顶端，由两个丝状体的柄交织成螺旋状，长柄包裹厚厚的Fe（OH）3沉积物（可占细胞干重的90％），不沉积锰化物。化能自养，从氧化Fe2+为Fe3+的反应中获取能量同化CO2，微需氧（氧浓度约1mg/L）。在含氧量极低的环境中，铁的氧化作用是由这类细菌引起的。可在营养贫乏的天然水体冷水中生长，也有它的嗜热株分布在含亚铁的土壤和水中。常与赭色纤发菌（L．ochracea）联合在一起，并同大量氢氧化铁的沉淀有关。这些细菌的生长可引起水工程的问题。

（2）生金菌属（Metallognium） 是一类有柄而无明显细胞体的铁氧化菌，菌体形成扭曲在一起的丝状菌体团块，包有厚厚的高铁。异养，在pH3～5的范围内氧化Fe2+为Fe3+，也能氧化锰。

（3）生丝微菌属（Hyphomicrobium） 小柄生于细胞末端，能氧化铁、锰，有独特的营养特性：适宜的碳源是甲醇、甲醛、甲胺等一碳化合物。

（二）铁的还原

微生物引起铁的还原有两种情况：

1．微生物好氧代谢消耗O2，使生境中Eh下降。在缺O2情况下，某些微生物以Fe3+为电子受体，Fe3+被还原为Fe2+。因此，在缺O2环境中，如沼泽、湖底或深井中，铁以可溶的还原态存在。

2．微生物生命活动所产生的NO3－、CO32－、SO42－以及有机酸，使Fe3+→Fe2+。

另外，有些微生物可产生螯合剂，使铁变成可溶性，从而成为有效态的铁。

二、锰的氧化和还原

锰最常见的是二价和四价。Mn2+是水溶性的。pH值较高时，Mn（Ⅱ）自发氧化为四价，形成不溶性的MnO2。在pH中性的水体中，水表可溶性Mn2+氧化为不溶性的MnO2是由生长在表面的具柄细菌催化的，主要是生金菌属和生丝微菌属。真菌对于酸性土壤中锰的氧化起重要作用。

在排水管道中，铁和锰的氧化往往造成水管淤塞。

三、汞的氧化、还原和甲基化

环境中的无机汞可以下列三种形式存在：

（一）汞的氧化和还原

在有O2条件下，某些细菌，如柠檬酸细菌（Citrobacter）、枯草芽孢杆菌（B．subtilis）、巨大芽孢杆菌（B．megaterium）使元素汞氧化，Hg0→Hg2+。另外有些细菌，如铜绿假单胞菌（P．aeruginosa）、大肠埃希氏菌（E．coli）、变形杆菌（Proteus），使无机或有机汞化物中的二价汞离子还原为元素汞，Hg2+→Hg0。酵母菌也有这种还原作用，在含汞培养基上的酵母菌菌落表面呈现汞的银色金属光泽。

（二）汞的甲基化

无论在好氧或厌氧条件下，都可能存在能使汞甲基化的微生物。据报道，能形成甲基汞的细菌有产甲烷菌、匙形梭菌（Clostridium cochlearium）、荧光假单胞菌（P．fluorescens）、草分枝杆菌（Mycobacterium phlei）、大肠埃希氏菌、产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes）、巨大芽孢杆菌等，真菌中有粗糙链孢霉（Neurospora crassa）、黑曲霉（Aspergillus niger）、短柄帚霉（Scopulariopsis brevicaulis）以及酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）等。

汞的生物甲基化往往与甲基钴氨素有关。甲基钴氨素是钴氨素的衍生物，钴氨素即维生素VB12，是一种辅酶，许多微生物细胞都含有。甲基钴氨素中的甲基是活性基团，易被亲电子的汞离子夺取而形成甲基汞。汞的甲基化有两步。甲基钴氨素（或许还有其他产甲基的媒介物）把甲基转移给汞等重金属离子后，本身成为还原态（B12-r）：

鱼体表面粘液中有许多含甲基钴氨素的微生物，把无机汞加入这种粘液，检测到无机汞被甲基化了。大鼠肠道里的微生物也含有甲基钴氨素。把大鼠盲肠的内容物放在试管里与HgCl2混合，然后用薄层层析法检测，结果表明HgCl2转变成了氯化甲基汞（CH3HgCl）。从大鼠肠道里分离出的细菌中，大肠杆菌的甲基化作用最强。从人粪便中分离到的各种细菌，大多也能使无机汞甲基化。

汞的甲基化过程也可在还原环境中自发进行。

某些微生物能进行甲基汞降解作用。能降解甲基汞的微生物包括需氧菌、兼性厌氧菌和专性厌氧菌。

在自然界，形成甲基汞的同时进行着脱甲基作用。在天然水体的淤积物中，甲基化和脱甲基化过程保持动态平衡。因此，在一般情况下，环境中甲基汞浓度维持在最低水平。但是，在有机污染严重、pH值较低的环境中，容易形成和释放甲基汞，对生物的危害也大。一甲基汞溶于水，为鱼贝吸收而浓缩；二甲基汞逸出水体，进入大气，污染扩大。

汞的生物循环见图6-6。

四、砷的氧化、还原和甲基化

砷是介于金属和非金属之间的两性元素，秉性非常活跃，俗称类金属。它又是高等动物维持生命所必需的微量元素。与其他微量元素一样，砷有严格的剂量效应关系，低浓度砷有利机体生长和繁殖，过量则有毒性并致癌。元素砷不溶于水和强酸，所以几乎无毒。砷的有机、无机化合物有毒，As3+毒性＞As5+。俗称砒霜的是三价砷化物As2O3。

（一）砷的氧化和还原

假单胞菌、黄单胞菌、节杆菌、产碱菌等细菌氧化亚砷酸盐为砷酸盐，使之毒性减弱。微生物的这种活性是湖泊中亚砷酸盐氧化为砷酸盐的主要原因。土壤中也进行着砷的氧化作用。当土壤中施入亚砷酸盐后，三价砷逐渐消失而产生五价砷。而另外有些细菌如微球菌以及某些酵母菌、小球藻等可使砷酸盐还原为更毒的亚砷酸盐，海洋细菌也有这种还原作用。所以尽管As5+被认为是热力学上最稳定的形式，而实际上海水中三价砷的氧化作用很缓慢。

（二）砷的甲基化

砷化物加到颜料中可使色彩特别鲜艳，因而早被采用。然而许多年前，在用含砷颜色纸糊墙壁的房间里，人发生中毒。后经研究，弄清楚致命因子不是颜料本身，而是在墙壁纸上生长的霉菌的代谢产物——三甲基胂——一种挥发性的、有大蒜气味的剧毒物质。近代研究表明，这也是致拿破仑死亡的真凶。土壤里也会发生这种砷的转化和挥发作用，所以在用砷化物作为杀虫剂和除草剂的系统里，对那里的工作人员存在着潜在危害。

细菌如甲烷杆菌（Methanobacterium）和脱硫弧菌（Desulfovibrio）、酵母菌如假丝酵母（Candida），尤其霉菌如镰刀霉（Fusarium）、曲霉（Aspergillus）、帚霉（Scopulariopsis）、拟青霉（Paecilomyces）都能转化无机砷为甲基胂。砷生物甲基化中的甲基供体也是甲基钴氨素。

砷的生物循环见图6-7。

由于挥发性甲基胂有许多生物来源，而这种化合物在一般情况下与大气氧反应缓慢，容易累积到危险浓度，因此对于环境中胂的迁移转化，应加强关注。

五、硒的氧化、还原和甲基化

硒是细菌、温血动物及人的必需元素，但它又是剧毒元素，需要量与中毒水平之间的安全幅度很小。在植物含硒丰富的地方，牛、羊、猪、马等家畜常发生中毒，甚至死亡。微生物具有代谢硒化物的能力，因此而发生的转化作用可改变元素硒的毒性或利用价值。紫色硫细菌把元素硒氧化为硒酸盐，毒性增强。氧化亚铁硫杆菌代谢CuSe，生成元素硒，毒性减弱。土壤中大部分细菌、放线菌和真菌都能还原硒酸盐和亚硒酸盐为元素态。微生物还能把元素硒和无机或有机硒化物转化成二甲基硒化物，毒性明显降低。有这种作用的真菌有：群交裂裥菌（Schizophyllum commune）、黑曲霉、短柄帚霉、青霉等，细菌有棒杆菌（Corynebacterium sp．）、气单胞菌（Aeromonas sp．）、黄杆菌，还有假单胞菌属等。

六、其他重金属的微生物转化

（一）铅

从铅矿表面分离到在那里生长的节杆菌和生丝微菌。从煤渣中分离出来的一株梭状芽孢杆菌可溶解PbO和PbSO4，由铅含量和细菌生物量的关系，可知铅对该菌有生物活性。铅也可以被细菌甲基化。从安大略湖分离到的假单胞菌、产碱杆菌、黄杆菌和气单胞菌的纯培养物，在化学成分限定的培养基中可以由三甲基醋酸铅生成四甲基铅。湖泊的水-沉积物系统在厌氧条件下，也可由微生物生成四甲基铅。

（二）锡

锡与有机基团结合时，毒性明显增强。微生物对（CH3）2SnCl2比对SnCl4·5H2O更为敏感。

锡能被生物甲基化。一株能由醋酸苯汞生成元素汞的假单胞菌，极能耐受Sn4+而不耐Sn2+，存在Sn4+时，生成挥发性的甲基锡。这些被生物甲基化了的锡，又能通过非生物途径使Hg2+甲基化而生成甲基汞：

在严重污染Sn4+和Hg2+的水环境中，存在这种交替形成甲基汞的机制。

（三）镉

某些细菌和真菌在有Cd2+的情况下生长时，能积累大量镉。微生物也能使镉甲基化。一株能使锡甲基化的假单胞菌在有VB12时，由无机Cd2+生成微量挥发性镉化物，后者把甲基非生物地转移给Hg2+，结果生成甲基汞。

（四）锑

从锑矿中分离到一种能氧化锑并以此作为能源的专性好氧细菌。该菌在含锑的液体培养基中生成五氧化锑胶体；在含三氧化锑的固体培养基上形成不规则的菌落，菌落中央有五价锑的结晶。

此外，钚的金属有机络合物、甲基钯和二甲基钯、以及二甲基金等也都有报道。

编者在研究重金属的毒性时，发现微生物也能转化钒，大肠杆菌等纯培养及土壤混合菌都能使五价钒转化成四价或三价。在转化过程中，培养液颜色发生明显的变化，由无色变为蓝色或绿色，最后变为黄色（不同价态的钒溶液呈色不同）。以标准平板计数法测五价钒及其经微生物转化后产物对细菌存活的影响，表明后者毒性明显大于前者（见表6-2）。

七、重金属微生物转化的环境效应

微生物通过分泌或呼吸作用以排出所形成的有机金属，可能是微生物具有的使有毒金属解毒的一种方式；但被排出的金属化合物，可能比其原形态对高等生物具更大的危害性。

另一方面，微生物可以把化合态金属还原成单质，例如汞。单质汞具有足够的蒸气压，形成汞蒸气从所在水体扩散至空间。这种转移方式可暂时或永久地使金属从生物接触的环境中清除出去。