微生物如何應(yīng)對(duì)環(huán)境中的重金屬污染

重金屬對(duì)生物具有一定的毒性，當(dāng)它們出現(xiàn)在環(huán)境中，會(huì)對(duì)生物體造成嚴(yán)重傷害，但是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)部分細(xì)菌已經(jīng)有了對(duì)付這種毒性的方法。

微生物是體型微小的生物體，在地球環(huán)境中無處不在，從土壤、巖石到海洋，從最高山脈到最深的海溝，從最熾熱的熱液噴口到最冰冷的冰川，任何角落都有微生物，它們甚至存在于植物、動(dòng)物和人類身體之中。微生物可以在任何區(qū)域頑強(qiáng)地生存下來，然而，微生物的快速生長是具有一定先決條件的，其中包括含有碳源、氮源、維生素和礦物質(zhì)的營養(yǎng)物質(zhì)，它們還需要水分、適當(dāng)?shù)膒H值、適當(dāng)?shù)柠}濃度和氧氣條件。

什么是重金屬？

重金屬是一種無機(jī)元素，當(dāng)其濃度超過某一特定環(huán)境的閾值限制時(shí)，可能會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生毒性。但不要混淆礦物質(zhì)和金屬，雖然許多礦物質(zhì)就是含量較低的金屬，但并非所有的金屬都是礦物質(zhì)。

細(xì)菌和病毒存在于含有分解樹葉的土壤中

礦物質(zhì)是具有一定結(jié)構(gòu)和組成的無機(jī)復(fù)合物，這兩個(gè)因素對(duì)細(xì)菌的生長都是至關(guān)重要的，從本質(zhì)上講，礦物質(zhì)可以是金屬，例如：鉀、鎂、鈣和鐵，也可以是非金屬，例如：磷、硫和氯，礦物質(zhì)在生物體機(jī)能中經(jīng)常發(fā)揮著生物學(xué)作用。

大多數(shù)礦物質(zhì)缺乏生物學(xué)作用，當(dāng)超過一定的閾值濃度時(shí)，可能被證明對(duì)生物體是有毒的，例如：鉛、鉻、銅、鎘、砷、鋅、汞、鎳，我們能從食物中攝入礦物質(zhì)，但是重金屬來源何處呢？

重金屬在環(huán)境中沉積的來源有農(nóng)業(yè)、工業(yè)或者家庭，農(nóng)業(yè)來源包括無機(jī)肥料、殺蟲劑、殺菌劑和污水廢物的使用；工業(yè)來源包括煉油廠、金屬礦石開采、煤炭開采、石油化工溢出和火力發(fā)電；家庭來源包括家庭焚燒生物量、有機(jī)和無機(jī)生活垃圾、使用過的電池和過濾器等生活垃圾也是導(dǎo)致環(huán)境中重金屬沉積的來源之一。

這些累積的重金屬在土壤中存留時(shí)間比有機(jī)污染物更長，由于土壤是重金屬沉積的主要方式，以土壤為家的生命形式將面臨危險(xiǎn)，土壤微生物群落多樣性最高，微生物負(fù)荷也最高，土壤微生物受重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)較大。

重金屬對(duì)微生物有什么影響？

礦物質(zhì)是由對(duì)生物體有營養(yǎng)價(jià)值的微量元素和大量元素組成。

土壤中重金屬積累對(duì)微生物的危害遠(yuǎn)大于有機(jī)污染物，主要原因是有機(jī)污染物具有瀝濾屬性，隨著時(shí)間的推移，其危害性將逐漸降低，而重金屬在土壤中存留時(shí)間會(huì)更長，重金屬既不能被破壞，也不能被分解成更小的結(jié)構(gòu)。

重金屬將影響土壤微生物活性和土壤微生物群落構(gòu)成，讓我們了解一下該進(jìn)程是如何發(fā)生的。

金屬對(duì)微生物活性的影響

重金屬阻礙了微生物的多種功能，例如：土壤結(jié)構(gòu)的維持、土壤有機(jī)質(zhì)的形成、生物地球化學(xué)循環(huán)的維持和有毒化合物的分解，從長遠(yuǎn)角度來看，這些功能可能威脅土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能。

哪些重金屬會(huì)影響微生物代謝機(jī)制？

重金屬積累的一些來源是地殼中金屬的浸出、工業(yè)廢物的排放以及農(nóng)業(yè)中化肥和農(nóng)藥的使用。

研究表明，汞、鎘和鉛會(huì)抑制細(xì)胞分裂、酶活性和編輯、蛋白質(zhì)變性、誘導(dǎo)DNA損傷，并通過離子失衡損傷細(xì)胞膜，當(dāng)重金屬替代細(xì)胞膜上的重要礦物質(zhì)時(shí)，就會(huì)發(fā)生離子不平衡。此外，汞還會(huì)抑制DNA轉(zhuǎn)錄，而砷會(huì)導(dǎo)致DNA受損，銅、鎳和鋅抑制酶活性，導(dǎo)致離子失衡。重金屬還能抑制超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶的酶活性，同時(shí)，重金屬還能促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生和誘導(dǎo)氧化損傷。因此，重金屬極大地影響微生物的形態(tài)、代謝、生長和繁衍。

重金屬對(duì)微生物群落的影響

土壤中積累的重金屬會(huì)改變土壤養(yǎng)分質(zhì)量，如果養(yǎng)分質(zhì)量持續(xù)惡化，土壤中健康的微生物數(shù)量也會(huì)減少，這種減少將限制土壤中二氧化碳釋放，從而影響生活在土壤中微生物群落，這是一個(gè)自然生態(tài)循環(huán)。

只有那些能夠忍受重金屬的細(xì)菌，即耐金屬細(xì)菌，才能存活下來，這將最終導(dǎo)致土壤微生物群落的改變。

微生物對(duì)重金屬的耐受機(jī)制是怎樣的？

部分微生物已進(jìn)化發(fā)展出相應(yīng)的機(jī)制來對(duì)抗或者耐受環(huán)境中逐漸增多的重金屬，微生物對(duì)重金屬耐受性存在多種機(jī)制，第一種機(jī)制是最直接的——防止重金屬進(jìn)入細(xì)胞，它可以通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)，其一是阻斷轉(zhuǎn)運(yùn)體（允許分子出入細(xì)胞的通道），這對(duì)重金屬從細(xì)胞外運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)非常重要；其二是在細(xì)胞外制造黏液化合物，用于捕獲金屬并阻止它們進(jìn)入細(xì)胞。

如果微生物無法抑制對(duì)重金屬的吸收，它們可以嘗試將這些金屬踢出細(xì)胞，盡管該過程會(huì)消耗能量，但與金屬對(duì)微生物的諸多負(fù)面影響相比，該方法無疑是可行的。

微生物可能試圖與重金屬結(jié)合形成不可溶解的復(fù)合物，也被稱為隔離或者積聚過程，這樣它們就不會(huì)產(chǎn)生有害的影響，該進(jìn)程可以在細(xì)胞內(nèi)或者細(xì)胞外進(jìn)行，而實(shí)現(xiàn)這一功能的機(jī)制因微生物而異。

部分微生物甚至?xí)糜卸局亟饘侔l(fā)電，這將帶來雙重益處，不僅使金屬無毒，也從中獲得了能量。

你能相信微生物有多聰明嗎？它們不僅進(jìn)化出對(duì)抗金屬毒性的機(jī)制，甚至還使用相同的有毒金屬發(fā)電！

伴隨著地球不斷增加的人類活動(dòng)，導(dǎo)致重金屬等污染物在土壤中過度積累，它們的持久性、毒性和生物不可降解性不僅使土壤質(zhì)量惡化，而且使其微生物豐富度逐漸下降。微生物對(duì)環(huán)境脅迫性更為敏感，現(xiàn)已成為土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。重金屬的持續(xù)增多將導(dǎo)致微生物進(jìn)化出適應(yīng)機(jī)制，幫助它們?cè)谥亟饘侪h(huán)境下生存。