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刘瑞霞等研究 Micrococcus luteus 吸附 Cu(II)过程发现,当溶液 pH 值较高时, Cu2+ 会形成氢氧化物微沉淀沉积在细胞表面。Li 等发现 Bacillus cereus 细胞壁上的生物聚合物和银离子发生复杂的化学作用,使重金属以晶体微沉淀的方式存在于细胞表面。进一步来讲,Bai 等通过 X 射线衍射分析确定了 Bacillus subtilis DBM 对 Pb(II) 的生物吸附过程中细胞表面形成了 Pb5(PO4)3OH、 Pb5(PO4)3Cl 和 Pb10(PO4)6(OH)2 等晶体微沉淀。 由此可见,无机微沉淀机制在细菌细胞表面吸附固 定重金属的过程中扮演着重要角色。
值得注意的是,静电作用也是细胞表面吸附机制之一。李辉等研究蜡状芽孢杆菌 SY 对 Cd 的 吸附过程中发现,静电吸附对 Cd 的固定起到了一定 的作用。同样,Shan 等发现 Bacillus subtilis 通过静电作用吸附 Cu、La 等重金属。
细胞内部解毒机制
细菌表面在吸附固定重金属的同时,有一部分重金属通过离子转运通道进入到细胞内,为了使自身不受重金属离子的毒害,细菌需要能量和新陈代谢系统的调控。
该过程主要分为两部分,第一部分是重金属离子的转运,即排至细胞外 ;第二部分是内部固定转化作用。
目前认为的内部解毒机制主要有 :促进重金属离子外流即外排作用 ;阻止重金属离子内流 ;重金属的转化作用 ;细胞内部的隔离作用(区域化作用)等。
这些机制的主要作用方式有外排泵、还原成低毒价态、结合金属整合肽、 金属硫蛋白等沉积在内部特定位置等。
另外,较之细胞外部和表面吸附机制,胞内机制尤为复杂,研究还不够深入,需要进一步探讨。
(1)细菌对重金属的转运
细菌需要通过减少运输、阻渗作用或外排机制来抵抗重金属的毒害,最有效的方法之一就是将重金属离子外排至细胞外。细菌中存在许多与金属离子运输有关的蛋白家族,它们大多位于细胞膜上, 起着离子泵的作用。
如铜绿假单胞菌(Pseudo-monas aerugionsa)就是通过外排泵系统 RND 超家族 (MexAB-OprM、MexCD-OprJ 和 MexEF-OprN 等 ) 将Ni、Mn 等重金属离子转运至细胞表面。
另外, 某些细菌的锌抗性基因编码蛋白 -ABC(ATP binding cassette)蛋白家族通过依赖能量的方式来实现对锌的外排。同样,Antje 等研究发现有 Zn(II) 存在时,菌体其中一个编码外排泵的基因 CzcCBA 的表达水平显著升高,并主动做出生理代谢反应, 促使 Zn 的外排。而且,有的外排系统是 ATP 酶, 如 Mycobacterium 的 Cu 抗性基因 Ctp A 编码的 P 型 ATP 酶起到 Cu2+ 通道的作用,将过高浓度的 Cu2+ 排 出细胞外。
此外,还有 Proteus mirabilis strain V7 编码谷胱甘肽转移酶的基因 gstPm-4 在 Cd2+、Cu2+、 Hg2+ 和 Pb2+ 存在的情况下表达水平上升,恶臭假单胞菌 Zn(II)抗性基因 CD2 P 型 ATP 酶基因 CadA1 在高浓度 Zn2+ 下表达水平也上升,均参与重金属离子的转运。
(2)细菌对重金属的转化作用
在细胞内部,细菌可以通过氧化还原、甲基化等作用使某些多价态重金属离子从高毒性转化为低毒产物,从而达到解毒效果。
有研究表明,Staphylococcus 和 Bacillus cereus Pj1 有 Hg 抗性基因 merA,该基因编码的汞抗性蛋白 merA 能将有毒性的 Hg2+ 还原为 Hg,再利用 Hg 本身的挥发性从细胞内部释放到体外。Enterobacter sp. DU17 有 Cr(VI)还原酶基因,在 Cr(VI)的胁迫下能编码产 生 Cr 抗性蛋白,一种 Cr(VI)还原酶,将高毒性的 Cr(VI)还原为低毒性的 Cr(III)。此外,某些 自养细菌,如硫铁杆菌类,则通过氧化作用使 Fe2+、 As5+ 和 Mo4+ 等重金属离子活性降低。有研究发现,Azospirillum sp. 的砷抗性基因 aioA 能编码砷氧化酶, 将高毒性的 As(III)氧化成低毒性的 As(V); 锑氧化菌 Comamonas sp. S44 可以将细胞内高毒 Sb(III)氧化成低毒 Sb(V)。
另外,也有研究发现假单胞菌属能使许多重金属离子发生甲基化反应, 从而将金属离子毒性大大降低,如硒的甲基化产物毒性大大减弱。以上研究表明,细菌能对一些重金属离子,如 Hg、As、Sb 和 Mo 等,进行内部转化作用,从而达到自身解毒作用。
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