全 文 ：微生物与重金属间的相互作用及其应用研究 3
陈素华1 3 3 　孙铁珩1 　周启星1 　吴国平2
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳 110016 ;2 集美大学水产学院 , 厦门 361021)
【摘要】　从多方面阐述了微生物与重金属二者间相互作用 ,指出微生物在生长代谢过程中能淋滤、吸收和
转化重金属 ,对重金属有一定的抗性和解毒作用 ;但是 ,一定浓度的重金属对微生物过程及其种群具有较
大的毒性 ,影响微生物在环境介质中的活动. 矿业工程生产工艺已充分利用微生物能淋滤、吸收和转化重
金属等特性来处理低品位难浸矿石. 环境保护领域也积极利用微生物对重金属的抗性和解毒作用来实现
工业废弃物的处理以及被重金属污染土壤的修复. 利用微生物的生物量及其活性可以评价环境中不同介
质的重金属污染水平.
关键词 　微生物 　重金属 　矿山开采 　污染评价 　环境保护
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 02 - 0239 - 04 　中图分类号 　X172 　文献标识码 　A
Interaction between microorganisms and heavy methals and its application. CHEN Suhua1 , SUN Tiehang1 ,
ZHOU Qixing1and WU Guoping2 ( 1 Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang
110016 ;2 Fisheries Depart ment , Jimei U niversity , Xiamen 361021) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (2) :239
～242.
Interactions between microorganisms and heavy metals were expatiated in many ways. Because of their resistance
and detoxification to heavy metals ,microorganisms are able to leach ,absorb and transform heavy metals ,which
has been actively applied to extract heavy metals from low2rate ore in mine exploitaion. Although heavy metals
are toxic to microorganisms population and harmful to its processes ,some special microorganisms have been ap2
plied to the treatment of industrial waste materials and the remediation of soils polluted by heavy metals. The ap2
plication of microbiological biomass and activity to evaluating the pollution situation and ecological risk of heavy
methals in environment media is also significant .
Key words 　Microorganism , Heavy metal , Mine exploitation , Pollution evaluation , Environment protection.
3 国家重点基础研究发展规划资助项目 ( G1999011808) .3 3 通讯联系人.
2001 - 08 - 21 收稿 ,2001 - 08 - 27 接受.
1 　引 　　言
微生物不仅种类繁多 ,数量极大 ,分布广泛 ,而且具有繁
殖迅速 ,个体微小 ,比表面积大 ,对环境适应能力强等特点 ,
因而成为人类最宝贵、最具开发潜力的资源库之一. 作为分
解者 ,微生物在地球生态系统的物质循环过程中起着“天然
环境卫士”的作用. 它们几乎能降解或转化环境中存在的各
种天然物质 ,一旦新的物质出现 ,也能逐步通过自发或诱导
产生新的酶系 ,具备新的代谢功能. 可以说 ,只要找到合适的
微生物并给予适宜的条件 ,所有的污染物都可以得到降解和
转化[3 ,5 ,22 ] .
众所周知 ,重金属不能被微生物降解并且对它们有毒害
作用 ,但是微生物对重金属又有一定的抗性和解毒作用 ,可
以吸附和转化重金属. 两者间相互作用的研究可为湿法冶
金、环境污染评价及生物净化提供理论依据. 近年来 ,正是基
于微生物对重金属的积累和解毒作用 ,以净化有毒金属污染
或回收有经济价值重金属为目的的生物处理技术日益成熟 ,
微生物是现代工业发展的坚强后盾. 微生物巨大的环境保护
功能 (生态毒理评价和生物修复) 显得越来越重要. 研究和
运用微生物与重金属间的相互作用将具有明显的生态效益、
社会效益和经济效益.
2 　微生物与重金属间相互作用
211 　微生物对重金属的淋滤、吸附和转化
21111 微生物的生长代谢 　除了 K、Na、Ca、Mg 等常量元素
外 ,微生物在其生长代谢过程中还需要一些具有特殊生物学
功能的微量元素 ,其中有一部分是重金属元素. 例如 Cu 是多
酚氧化酶的组分并维持羧化酶的功能 ; Zn 是乙醇脱氢酶、
RNA 和 DNA 聚合酶的组分 ; Co 参与维生素 B12 的组成及
微生物与植物的共生固氮作用 ;Mo 不仅有利于微生物固氮 ,
而且还是反硝化细菌中硝酸盐还原酶的辅助因子等 [25 ] .
21112 微生物的淋滤作用 [6 ,17 ] 　花岗岩风化壳剖面中的微
生物对重金属元素的迁移和富集有重要的影响. 整个花岗岩
风化壳剖面的不同深度都有微生物存在 ,利用从中分离和培
养的微生物可以加速重金属元素从风化壳中溶出.
21113 微生物的吸附作用 　微生物本身及其代谢产物都能
吸附和转化重金属. 多种微生物可从溶液中吸附金属 ,例如
曲霉属生物体预热处理后能有效地吸附金 ;聚氨基葡萄糖生
物聚合体也可以有效地吸附各种金络合物等. 微生物的吸附
应 用 生 态 学 报 　2002 年 2 月 　第 13 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2002 ,13 (2)∶239～242
类型及其作用机制如下 : 其一、利用微生物细胞直接固定金
属离子. 在这方面 ,微生物表面结构对重金属的吸附起着重
要的作用 (其中细胞壁和粘液层能直接吸收或吸附重金
属) . 微生物的表面既带正电荷 ,又带负电荷. 大多数微生物
所带的是阴离子型基团 ,特别是羰基 ,因此在水溶液中呈负
电性. 根据 DLVO 理论 ,带电的菌体粒子与固体靠近时 ,相
互作用力 ( f )与作用势能 ( G)有如下的关系 :
f ( h) = - dG( h) / dh 　( h 为两表面间的距离)
因而微生物与重金属吸附只是一个自由能变化过程. 不
同的微生物因带电性不同、与重金属间的作用力及作用势能
变化不同而对重金属的吸附作用有异. 其中革兰氏阳性细菌
往往能固定较多的金属离子. Challey 和 Bull 曾用假单胞菌
和金色葡萄球菌的混合物进行实验 ,发现干细胞可固定 Ag
300mg·g - 1 [4 ] . 1998 年 Brierly 对一株具有吸附金属离子能
力的枯草杆菌进行加热加碱处理后制成颗粒状装入柱内 ,让
待处理的金属溶液通过 ,结果每克干物质固定了 390mg Au、
94mg Au、436mg Se 等.
其二 ,利用微生物的代谢产物固定金属离子. 微生物在
其生长过程与环境因素相互作用时会释放出许多代谢产物
(如 H2 S及有机物等) ,它们能与金属反应从而固定重金属.
有迹象表明硫酸盐还原菌的代谢产物可作为氧化铅、氧化锑
的硫化剂. 典型的还有利用细菌产生的硫化氢固定金属 ,如
硫弧菌 ( Desuif ovibrio) 和脱硫肠状菌 ( Desulf otom aculcum ) ;
另外 ,许多微生物提取物也具有键合能力 , 例如 Zoogloea
ramigera 可产生很多胞外多糖 ,这种多糖由葡萄糖、半乳糖
和丙酮酸等构成 ,具有很高的金属键合活性. 还有一些微生
物 (例如柠檬酸菌) 利用某些细胞表面的 HPO2 -4 来固定金
属[4 ] .
21114 微生物的转化作用 　微生物可通过多种渠道改变重
金属的活动性 ,使重金属在其活动相与非活动相之间转化 ,
从而影响重金属的生物有效性. 微生物转化重金属的主要方
式有以下 4 种[11 ,12 ] :1) 通过其主动与被动金属堆积作用而
使重金属转化为不活动相. 2) 通过微生物的金属转移作用 ,
如氧化2还原作用或烷基取代作用等 ,而使重金属从一种状
态转化为另一种状态. 有些微生物 ,如嗜酸铁氧化细菌 (如氧
化亚铁硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋杆菌等) 能够氧化 Fe2 + 、
还原态的 S(如 H2 S、S2O2 -3 等)和金属硫化物来获得能源 ,影
响许多金属的活动性. 除了通过氧化金属离子外 ,微生物还
可把一些重金属还原成可溶性的或挥发性的形态 (如有些微
生物可把难溶性的 Pu4 + 还原成可溶性的 Pu3 + ,把 Hg2 + 还原
成挥发性的 Hg ,铁锰氧化物的还原也可把吸附在难溶性
Fe3 + 、Mn4 + 氧化物上的重金属释放出来 ,此外 ,一些微生物
Geospi rillum arsenophilus、Geospi rillum bornseii、 Chrysio2
genes arsenatis 在厌气条件下以 As5 + 作为电子受体 ,并把其
还原成 As3 + ,这一过程可以促进 As 的淋溶) . 3) 微生物产生
影响重金属活性的物质 ,如微生物新陈代谢过程中产生的简
单有机化合物、大分子腐殖酸和富里酸或微生物渗出物等都
能络合环境中的重金属 ,实现不同重金属形态间的转化. 4)
通过微生物的活动改变环境介质中溶液的特性 (如 p H 值
等) ,从而改变环境介质对重金属的吸附特征. 最后微生物在
死亡分解时又可释放出原来固定的重金属.
212 　重金属对微生物的毒害作用
微生物能吸收和转化重金属及其化合物 ,但是 ,当环境
中重金属的浓度增加到一定程度时 ,它们就会抑制微生物的
生长代谢作用甚至引起死亡. 某些非生物学意义的重金属
(如 Hg、Cd、Pb 等) 在低浓度时就有较大的毒性. 元素 Hg 有
致突变效应 ,会抑制生物大分子的合成 ,停止细胞分裂活动 ,
抑制生物氧化作用 ;Cd 也具有致突变效应 ,导致脱氧核糖核
酸链的断裂 ; Pb 可造成细胞膜损伤 ,破坏营养物质的运输 ;
土壤微生物和生物化学过程对土壤中的砷酸盐浓度反应也
相当敏感[26 ] ,若施入有机物料 ,则可以减轻 As 对微生物的
毒害作用[1 ,13 ] .
3 　两者间相互作用的应用
311 　应用微生物采矿
由于资源的枯竭及人们对矿物原料需求量的不断增加 ,
迫使人们不得不开发利用品位低、分散、难处理矿石 ,同时还
要保护环境 ,细菌冶金因此而有代替传统冶金工艺之势. 近
20 年来微生物浸矿已被广泛采用 ,从各种贫矿、废矿、尾矿
中提取回收 Au、Cu 等许多重要金属 ,既可节约资源 ,又可减
少环境污染. 美国每年 Cu 产量约 10 %是通过生物浸矿实现
的[24 ] .用微生物法处理矿石主要是依据微生物在矿物表面
的吸附作用及微生物的氧化作用来处理难浸矿石的选冶工
艺.微生物在矿物表面的吸附 ,可不同程度地改变矿物表面
的物理化学性质 ,如疏水性、表面元素的氧化2还原、溶解2沉
淀等行为. 氧化亚铁硫杆菌等菌与硫化矿物短暂接触后即引
起矿物表面性质的改变 ,常使其失去疏水性. 研究表明 [20 ] ,
细菌在其固紧器、菌毛或矿物表面粘着力的作用下 ,选择性
地吸附于硫化矿物表面的晶界、位错区及某些活性中心 ,并
利用其细胞内特有的活性酶的催化氧化作用 ,沿着金属、硫
化矿物晶界及晶体缺陷部位不断地氧化金属矿物 ,以获得自
身新陈代谢所需的能量. 氧化结果导致矿物晶格严重破坏 ,
矿物形成多孔状 ,重金属被暴露出来. 最近研究发现 ,许多场
合下 ,细胞在矿物表面大量吸附形成生物膜 ,由吸附产生的
生物膜厚度为微米量级 ,是原子或分子长度的 104 倍 ,可以
看作介于矿物表面与环境之间的一道输运屏障 ,控制着固体
表面与外界的物质迁移和交换.
活性微生物和非活性微生物 (死的) 都被使用于实验条
件下及部分生产工艺中重金属的吸附. 迄今已有 10 余个投
产或正筹建的细菌氧化提金厂. 美国新泽西州提尔哈特矿物
和化学制品有限公司发表了用真菌从废液中回收微量金属
Au、Ag、Pt 的专利 ,据称回收率达到 94 %～98 %. 据估计 ,细
菌氧化堆浸工艺的工业成本约为 4～6 美元·t - 1矿石 ,比传
统冶炼工艺低廉得多 ,所以这一工艺可以用于处理低品位难
浸金矿石[4 ] .
微生物絮凝剂是指由微生物产生的具有絮凝作用的次
042 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
生代谢产物. 程金平[4 ]等已从活性污泥中筛选到具有絮凝活
性的菌种 ,并对其絮凝活性进行了研究. 美国 Smith 等 [21 ]研
究表明 ,草分枝杆菌 ( Mycobacterium phlei) 是一种表面高度
负电而又高度疏水的微生物 ,其表面具有多种基团 ,可用作
煤、磷矿、硫化金矿的选择性絮凝剂.
此外 ,微生物及其代谢物可直接用作浮选药剂或用来处
理传统的浮选药剂. 在利用微生物浸出矿石的研究中 ,人们
早就注意到随着浸出过程的进行 ,某些矿物的可浮性发生改
变 ,这给人们一种启示 :可利用微生物来调整矿物的可浮性 ,
从而实现两种或多种矿物之间的分离. 微生物及其代谢产物
能降解有机物 ,这一性质可以用来改善常规浮选药剂的性能
或处理其它有机物 ,使之具有选矿药剂的功效. L yalikova 用
青霉菌 Expanum 698 处理绿藻 ,获得了一种有选择性的氧化
铋矿浸出剂. 将脱脂藻 250mg·L - 1浸出某铋矿石后 ,再进行
离子浮选 ,铋精矿品位由直接浮选的 0. 32 %提高到 0. 76 % ,
回收率可由 42. 1 %提高到 92. 9 % ;用胶质芽泡杆菌处理水
玻璃溶液 ,可以代替高价金属离子 ,以达到提高其抑制效果
的目的.
312 　重金属污染的微生物学评价 [2 ,12 ,19 ]
微生物法是环境介质污染毒性研究的一种常用方法 ,微
生物常被应用于探讨污染物不同暴露强度下 ,对生态系统在
个体、群体和系统水平的结构、功能的损伤. 重金属污染物的
生态毒理诊断指标体系的建立对环境监测有重要意义 ,但只
有通过微生物毒性试验、遗传毒性试验 (微核试验、致突变
试验、代谢研究和 DNA 加合物研究等) ,才可部分地实现环
境健康质量描述的指标量化 ,为环境重金属污染危害的预防
及治理提供科学依据.
Houba 等[8 ]认为一些细菌能在高浓度 Cd 污染环境中生
长 ,其密度与环境毒性水平密切相关. 张春桂等 [28 ]在研究高
浓度重金属污染水域中微生物生态时指出 ,微生物的类群与
重金属的毒性对微生物富集重金属有很大影响.
在研究土壤重金属对微生物的数量与群落效应时 ,发现
重金属在低浓度下有促进作用 ,高浓度有抑制作用 ,并且不
同类群的微生物敏感程度不同 ,通常是放线菌 > 细菌 > 真
菌 ;另外 ,重金属可导致土壤中高等真菌种群下降 ,瑞典的
Natural 研究发现对照土壤中 (Cu < 100mg·L - 1 ) 有 35 种真
菌 ,而中等污染土壤中 (1000mg·L - 1) 有 25 种 ,高度污染土
壤中 (10000mg·L - 1)只有 13 种[7 ,23 ] .
313 　微生物在环境保护中的作用
31311 　矿物工程等工业废物的微生物处理 　利用氧化亚铁
硫杆菌 ( T . f e)对金属硫化物的氧化作用来除去固体废物中
的硫化物 ,降低固体废弃物对环境的污染. 尽管小范围的微
生物吸附方法治理矿区废弃物已经使用 ,但迄今为止微生物
吸附主要作为治理废水的方法而引起关注. 为了减少甚至消
除矿山废弃物造成的污染 ,从矿山废水中分离出来氧化铁硫
杆菌和氧化硫杆菌等菌体 ,利用硫化矿物在细菌作用下溶出
的机理 ,控制硫酸还原菌 ,抑制重金属的溶出来处理矿坑酸
性废水. 另一方面 ,有目的地利用微生物具有吸附或沉积各
种离子于其表面的亲和力处理废水 ,加速金属的溶出 ,回收
溶出液 ,提取重金属. 再者 ,利用微生物细胞和其它材料制成
的生物制品来消除废水中有毒金属离子.
最近 ,Cantafio 等发现微生物 Thauera selenatis 可除去
污水中 98 %以上的 Se ,同时经反硝化作用除去 NO -3 [9 ] . 铁
还原细菌如 Geobacter metalli reducens 和 S hew anella put ref a2
ciens 可把高水溶性的 Tc7 + 还原成难溶性的形态. 另一些
Fe3 + 还原细菌可以把 Co3 + 2EDTA 中的 Co3 + 还原成 Co2 + .
这有较大的实用价值 :因为放射性 Co3 + 2EDTA 的水溶性很
高 ,而 Co2 + 与 EDTA 结合较弱 ,可使 Co 的移动性降低.
31312 　重金属污染土壤的微生物修复技术 　微生物修复是
土壤重金属污染的重要整治手段之一. 与土壤有机污染物的
微生物修复相比 ,关于土壤重金属污染的微生物修复研究和
应用较少 ,仅在最近几年才引起重视. 重金属污染的微生物
修复包含两方面的技术 : 生物吸附和生物氧化还原. 前者是
重金属被活的或死的生物体所吸附的过程 ;后者则是利用微
生物改变重金属离子的氧化还原状态来降低环境和水体中
的重金属水平.
在有毒重金属离子中 ,以 Cr 污染的微生物修复研究较
多. 在好气或厌气条件下 ,已知有许多微生物催化 Cr6 + 还原
为 Cr3 + 的反应. 许多研究还显示有机污染物如芳香族化合
物可以作为 Cr6 + 还原的电子供体. 这一结果表明微生物可
同时修复有机物和 Cr 的污染. 同样 ,U6 + 还原微生物在还原
U6 + 的同时还能把有机物氧化成 CO2 . 微生物还可以通过产
生还原性产物如 Fe2 + 和硫化物间接促进 Cr6 + 的还原[14 ] .
此外 ,重金属污染土壤的微生物修复另一重要方面就是
菌根的使用. 菌根是植物根系和真菌形成的一种共生体. 菌
根与土壤的交互作用形成菌根际 ,它是由有生命的真菌、植
物和非生命的土壤形成的微生态系统. 对根际的研究表明 ,
根际的环境状况直接影响重金属在土壤2植物系统中的迁移
和转化 ,而重金属形态与金属的迁移、转化和生物有效性有
着密切的关系[15 ,16 ,18 ,27 ] . 微生物与菌根对重金属生物有效
性的影响是多方面的 ,利用它们可提高植物提取修复的效
率[14 ] .
4 　研究前景
基于上述研究基础 ,研究者可根据不同的侧重点 ,对重
金属和微生物间的相互作用及其机理作更为深入地研究和
探讨 ,以期在以下几个方面取得突破 ,从而进一步提高微生
物在工业中的利用价值 ,充分发挥微生物在环境保护中的作
用.
发现更多的微生物种 ,深入了解微生物的组成结构、代
谢工程、遗传表达等内容 ,例如揭示细菌表面的立体化学性
质 (表面有机分子的拓扑结构、有机官能团的类型及空间分
布等) ,阐明细菌在固体表面的特性吸附机理. 筛选具有专
一吸附能力的微生物和降低微生物培育的成本. 研究提高微
生物吸附特定重金属离子能力及收集被吸附金属方法. 加强
极端微生物 ,尤其是海洋微生物的研究应用. 极端微生物是
1422 期 　　　　　　　　　　　　陈素华等 :微生物与重金属间的相互作用及其应用研究 　　　　　　　　
指那些在一般生物不能生存的条件下 (如高温、低温、高酸、
高碱、高盐等) 能生存的生物 ,由于其特殊的生理机制 ,在环
境保护中具有极大的应用价值.
利用有代谢活性的细菌作为金属离子的生物吸附剂 ,如
何保证在废水化学组成和浓度不断变化情况下 ,怎样维持细
菌的吸附活性.
加强土壤重金属污染对微生物的毒理学研究 ,从研究土
壤重金属污染的毒理效应 ,风险评价及其诊断指标的建立入
手 ,建立土壤质量指标体系. 同时 ,应解决如何通过对环境介
质各生态因子的有机调控 ,充分发挥微生物净化功能 ,实现
微生物生态修复的更大功效.
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作者简介 　陈素华 ,女 ,1974 年生 ,博士生. 主要从事重金属
污染生态学研究 ,已发表论文 8 篇. E2mail : trensuhua @163.
net
242 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷