環(huán)境微生物與鈾和汞的相互作用和機(jī)理.pdf

1、微生物與放射性元素和重金屬間相互作用包括吸附吸收，絡(luò)合沉淀，氧化還原，甲基化及去甲基化等。微生物與放射性元素和重金屬之間復(fù)雜的生物物理化學(xué)反應(yīng)，必然影響放射性元素和重金屬在環(huán)境中的形態(tài)分布，遷移，轉(zhuǎn)化和循環(huán)等生物地球化學(xué)過程。因此，研究環(huán)境微生物與放射性元素及重金屬的相互作用和轉(zhuǎn)化機(jī)理對放射性廢物地質(zhì)處置的安全評估和重金屬污染環(huán)境的生物修復(fù)具有重要意義。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、褰湍妇鶶accharomyce cerevisia

2、e與鈾U(VI)相互作用。微生物對環(huán)境中放射性元素的形態(tài)分布，遷移，轉(zhuǎn)化和循環(huán)起著關(guān)鍵性作用。微生物吸附放射性元素對于高水平放射性廢物地質(zhì)處置的安全評估以及放射性元素污染地區(qū)的環(huán)境修復(fù)有著重要意義。本部分工作系統(tǒng)研究了酵母菌Saccharomyce cerevisiae與放射性元素U(VI)的相互作用。主要包括吸附動力學(xué)過程，吸附平衡態(tài)研究，考察了生物量、細(xì)胞活性和環(huán)境因子(例如pH，離子強(qiáng)度)等對吸附過程的影響。同時，利用高分辨透射電

3、鏡(HRTEM)以及傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)表征方法，對相關(guān)機(jī)理做了進(jìn)一步的探索。吸附動力學(xué)表明S. cerevisiae細(xì)胞能夠快速吸附U(VI)，吸附反應(yīng)在~15 min達(dá)到平衡。平衡態(tài)研究中發(fā)現(xiàn)，pH是影響S. cerevisiae細(xì)胞吸附U(VI)的關(guān)鍵因素，它不僅影響S. cerevisiae細(xì)胞表面官能團(tuán)的質(zhì)子化與去質(zhì)子化過程，同時影響U(VI)在溶液中的形態(tài)分布。由于細(xì)胞表面OH-的釋放，引起S. cerevisi

4、ae細(xì)胞吸附U(VI)前后體系pH的移動。通常，隨著生物量的增加，吸附位點(diǎn)增多，因此S. cerevisiae細(xì)胞對U(VI)的吸附率增加。高離子強(qiáng)度(如0.1 M NaNO3)抑制S. cerevisiae細(xì)胞吸附U(VI)，可能原因是Na+與UO22+在細(xì)胞表面的競爭反應(yīng)。相同實(shí)驗(yàn)條件下，熱處理失活細(xì)胞的吸附量比活性細(xì)胞高一個量級。作為對吸附機(jī)理的初步探索，高分辨透射電鏡分析表明活性S. cerevisiae細(xì)胞吸附的U(VI)主要

5、沉積在細(xì)胞壁的內(nèi)外表面，并呈現(xiàn)出“針狀纖維”結(jié)構(gòu)；而熱處理后，不僅在細(xì)胞壁內(nèi)外表面，在細(xì)胞外同樣發(fā)現(xiàn)了類似的鈾沉積物結(jié)構(gòu)。同時，X射線能量色散譜(EDX)觀察到S. cerevisiae細(xì)胞在吸附后U峰的出現(xiàn)。傅立葉變換紅外光譜分析證明了S. cerevisiae細(xì)胞表面官能團(tuán)：羥基(hydroxyl)，羧基(carboxyl)，磷酸基(phosphate)和氨基(amine)在S. cerevisiae細(xì)胞絡(luò)合U(VI)過程中的重要作

6、用。
　?、骅F還原菌Geobacter bemidjiensis Bem與汞Hg的相互作用和轉(zhuǎn)化機(jī)理。甲基汞(Methylmercury。MeHg)是由環(huán)境中的無機(jī)汞(Mercury。Hg)在可甲基化汞微生物協(xié)助下轉(zhuǎn)化而來，因具有很強(qiáng)的神經(jīng)毒性和生物積累效應(yīng)，在近幾十年來受到廣泛關(guān)注與研究。環(huán)境中的凈甲基汞含量是由甲基汞的生成和降解兩個競爭過程控制的。本部分工作報道了厭氧鐵還原菌Geobacter bemidjiensis Bem

7、同時協(xié)助汞的吸附吸收，氧化還原，甲基化及去甲基化多種反應(yīng)過程。該工作是對于厭氧鐵還原菌能夠甲基化汞的同時又可以降解甲基汞的首次報道。同時，我們研究了微生物的生長期以及環(huán)境因子，包括汞濃度，半胱氨酸(cysteine)，谷胱甘肽(glutathione)和可溶解有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter)對G. bemidjiensis與汞相互作用和轉(zhuǎn)化過程的影響，期望在一定程度上理解相關(guān)機(jī)理。無機(jī)汞Hg(II)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)表明

8、G. bemidjiensis細(xì)胞呈指數(shù)變化快速甲基化汞，隨著時間推移，生物生成的甲基汞又同時可被該菌降解。甲基汞MeHg降解實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了G. bemidjiensis去甲基化的能力。同時，金屬汞Hg(0)作為主要的降解產(chǎn)物，以及G. bemidjiensis序列中含有編碼有機(jī)汞裂解酶(MerB)和汞還原酶(MerA)的基因，我們推測mer操縱子協(xié)助的還原性去甲基化(reductive demethylation)途徑在該過程的主要

9、作用。汞形態(tài)分布和轉(zhuǎn)化研究表明，G. bemidjiensis細(xì)胞能夠強(qiáng)烈吸附吸收無機(jī)汞和甲基汞，并且可以還原二價汞以及氧化金屬汞。隨著時間變化，G. bemidjiensis影響著汞各種形態(tài)的分布以及之間的相互轉(zhuǎn)化。不同生長期影響G. bemidjiensis對汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化：相對平衡期細(xì)胞，對數(shù)期細(xì)胞降解甲基汞的能力更強(qiáng)，同時產(chǎn)生甲基汞的濃度反而降低。隨著汞濃度的增加，G. bemidjiensis細(xì)胞甲基化和去甲基化汞能力提高；然而

10、過高汞濃度對細(xì)胞產(chǎn)生毒性，降低了反應(yīng)速率。因此，汞的微生物甲基化和去甲基化可能是微生物受到有毒金屬汞脅迫時的一種解毒機(jī)理。依賴于反應(yīng)時間和半胱氨酸濃度，半胱氨酸在 G. bemidjiensis對汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化中起到復(fù)雜的影響。在一定濃度范圍(10-500μM)，半胱氨酸能提高G. bemidjiensis甲基化汞能力而抑制甲基汞的降解。谷胱甘肽同時抑制G. bemidjiensis細(xì)胞甲基化汞和對甲基汞的降解。由于可溶解有機(jī)質(zhì)與汞形成穩(wěn)

11、定的絡(luò)合物，影響汞的生物可利用性，因此可溶解有機(jī)質(zhì)的加入抑制G. bemidjiensis細(xì)胞對汞的甲基化和去甲基化。
　　㈢甲烷氧化菌Methanotrophs與汞Hg的相互作用和轉(zhuǎn)化機(jī)理。甲烷氧化菌(Methanotrophs)是將甲烷(methane)作為唯一碳源和能源的一大類微生物，廣泛分布于環(huán)境中。環(huán)境中的凈甲基汞含量是由甲基汞的生成和降解兩個競爭過程決定的。鑒于甲烷氧化菌單碳新陳代謝的途徑(C1-metabolic p

12、athway)，本部分內(nèi)容研究了兩株典型的甲烷氧化菌 Methylosinus trichosporium OB3b和Methylococcus capsulatus Bath對甲基汞的相互作用及其轉(zhuǎn)化過程。由于不同生長條件(例如銅Cu2+、鈰Ce3+金屬離子的加入)影響甲烷氧化菌的甲烷單氧酶(MMO)和甲醇脫氫酶(MeDHs)的表達(dá)，我們考察了不同生長條件對其相互作用和轉(zhuǎn)化的影響。同時，通過不同濃度的競爭碳源甲醇(methanol)對

13、M. trichosporium OB3b吸收和降解甲基汞的影響，我們推測氧化性去甲基化途徑(oxidative demethylation)起主要作用。通過對幾株基因敲除突變體(mbnA,?mbnA-N,?mbnT,?mxaF)的研究，進(jìn)一步探索了M. trichosporium OB3b降解甲基汞的可能途徑和機(jī)理。M.trichosporium OB3b和M. capsulatus Bath都能夠快速大量吸附甲基汞，并且很大比例甲基

14、汞能被細(xì)胞吸收而進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)。更為關(guān)鍵的是。M. trichosporium OB3b同時能夠降解甲基汞，而M. capsulatus Bath在不同生長條件、不同甲基汞濃度下均不能降解甲基汞。這可能與不同種類甲烷氧化菌的細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)以及生物化學(xué)代謝途徑的差異有關(guān)。甲基汞濃度影響M. trichosporium OB3b對其降解的速率和降解量，在一定濃度范圍(5-75 nM)，M. trichosporium OB3b降解甲基汞的速率和

15、降解量隨著甲基汞濃度的增加而增加。甲醇作為可能的單碳競爭底物，當(dāng)其濃度為5 mM時能夠完全抑制M. trichosporium OB3b對甲基汞的降解，這主要是因?yàn)榧状嫉募尤朐趯. trichosporium OB3b突變體?mbnA,?mbnA-N的進(jìn)一步研究表明，對一段可能合成 methanobactin基因的敲除導(dǎo)致該菌無法降解甲基汞。而對吸收methanobactin基因的敲除(?mbnT)，提高了該菌對甲基汞降解的速率。這些