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(1)离子交换机制
离子交换机制指微生物细胞表面含有的一些离子与环境中重金属离子发生交换作用,从而吸附固定重金属离子。
李辉等、 刘瑞霞等研究发现 Bacillus cereus、Micrococcus luteus 对 Cd(II)和 Cu(II)吸附过程中,伴随着 K+、Ca2+、Na+ 和 Mg2+等阳离子的大量释放,表明离子交换作用促进了这 两种细菌对 Cd 和 Cu 的吸附固定 ;Ye 等发现细菌 Stenotrophomonas maltophilia 对 Cu(II)进行生物 积累的同时,伴随着 K+、Mg2+ 和 Ca2+ 的释放。嗜麦芽窄食单胞菌在吸附 Cu(II)和 Cd(II)的同时, 伴随着 Cl-、PO43-、SO42-、Na+、NH4+、K+ 和 Ca2+ 等离子释放。
以上这些研究表明,离子交换机制是细菌表面吸附主要机制之一(图 1),其中有些离子, 如 K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、PO43-、SO42- 和 NH4+等在细菌吸附重金属的过程中起到了一定的作用。
(2)表面络合机制
重金属离子与微生物表面蛋白质、多糖、脂类等物质上的化学基团(如羧基、羟基、磷酰基、酰 胺基、硫酸脂基、氨基和巯基等)相互作用,形成金属络合物,被吸附固定在细胞表面。
刘红娟等探讨蜡状芽孢杆菌 RC 积累 Cd(II)前后细胞壁表面化学基团的变化情况发现,RC 的细胞壁上参与络合作用的化学官能团主要有 -OH、-NH、-CO 和 -COOH。Bahari 等用蜡状芽孢杆菌 SZ2 对 As(III)进行吸附固定的实验,则发现只有 -OH 和 -NH参与了 As(III)的生物吸附过程。
此外,不同的细菌吸附不同的重金属参与络合的官能团不尽相同。 杨洲平等在粗毛栓菌吸附 Pb(II)过程中,发现起吸附作用的官能团主要是 -OH、-COOH、-SH 和 -PO4。Joo 等发现绿脓假单胞菌 ASU 6a 参与 Zn(II)的生物吸附的官能团主要是 -OH、-NH、-CO 和 -COOH。而 Bai 等则发现枯草芽孢杆菌 DBM 细胞表面的 -OH、-NH、-CO、-COOH 和 -PO4 与 Pb(II)发生络合作用。
这些研究表明,-OH、-NH、-CO、-COOH、-SH 和 -PO4 等细胞表面官能团在细菌吸附重金属的过程中起到了重要作用。
(3)氧化还原机制
氧化还原机制主要发生在一些多价态的重金属离子上。重金属胁迫下细菌对外界做出反应,如分泌一些氧化还原酶等,使重金属离子从高毒转化为低毒的价态并固定在细胞表面,从而保护自身,维持细胞正常的生理代谢。
如恶臭芽孢杆菌通过分泌 Cr- 还原酶到细胞表面,将细胞表面高毒性的 Cr(VI)还原为低毒性的 Cr(III)。有研究指出 锰还原细菌可以将 Mn4+ 还原成为 Mn3+ 等,并固定在细胞表面,从而降低重金属对菌体的毒害。此外, Valenzuela 等和 Fan 等从高砷污染河流的沉积物中分离出砷氧化菌,并发现这些菌株能将细胞表面的 As(III)氧化为更加稳定的 As(V)。
以上研究表明,在面对 Cr、Mn 和 As 等多价态重金属的胁迫下,细菌往往会通过氧化还原机制来缓解重金属的毒害作用。
(4)无机微沉淀机制
无机微沉淀机制主要指微生物使重金属离子形成无机晶体沉淀,并积累在其细胞表面上,从而吸附固定重金属。
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