微生物对环境污染物的生物富集

第三节　微生物对环境污染物的生物富集

生物从环境中吸收营养物质以满足其生长发育的同时，还会主动和被动地从环境中吸收许多非生长发育所必需的物质。人们最初在研究污染物对单个生物体的毒害作用时就发现，许多有机和无机污染物在生物体内的浓度远远大于污染物在环境中的浓度，并且只要这种污染物继续存在，生物体内的污染物浓度就会随着生物的生长发育时间的延长而增加，这就是生物富集现象。

生物富集，又叫生物浓缩(bioconcentration)，是指生物个体或处于同一营养级的许多生物种群，从周围环境中吸收并积累某种元素或难分解的化合物，导致生物体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象。

容易分解的物质(如酚类)在生物体内降解，经过代谢作用很快排出体内，因此不易积累;但有些物质(如有机氯化物、重金属等)在生物体内不容易被分解，性质稳定、脂溶性很强，可以在生物体内以原来的形态或其他的形态存在很长的时间。由于这类物质在体内的分解过程十分缓慢，吸收的数量远远大于分解的数量，结果导致这类物质在生物体内的积累。生物积累的物质可以是生物生长发育必需的物质，也可以是非生长发育需要的物质，或者是对生物的生长发育有毒的物质。在环境保护方面一般是指污染物质在生物体内的积累。

生物富集常用富集系数或浓缩系数(生物体内污染物的浓度与其生存的环境中污染物浓度的比值)来表示。

也有人用生物积累和生物放大来描述生物富集现象。生物积累是指生物在其整个代谢活跃期间通过吸收、吸附、吞食等各种过程，从周围环境中积蓄某些元素或难以分解的化合物，以至随着生长发育，浓缩系数不断增大的现象。生物放大是指在生态系统中，由于高营养级生物以低营养级生物为食物，某种元素或化合物在生物体内的浓度随着营养级的提高而渐渐增大的现象。生物放大会使食物链上高营养级生物体内的该种污染物的浓度明显超过环境浓度。生物放大和生物积累和生物富集一样，用浓缩系数表示。

人类活动加快了砷、铬、铅和汞等有毒元素的循环。在过去的一百年中，成千上万的合成化学物进入环境。一些化学物可以转化成无害的物质，但是另一些如DDT和重金属，滞留下来并随着营养联系转移到生物圈各个层次。如果这些污染物在活组织中积累又没有被排泄，它们就被动物通过生态系统中自然营养的流程扩大或积累。

富集过程从极微小的生产者如细菌和藻类开始。细菌和其他微生物与重金属表面配合基的作用引起重金属在它们体内的富集。镉、铅能在许多生物体中以磷酸镉、磷酸铅的形式在细胞边缘积累下来的。铀在塞里维辛酵母和假单胞菌属、铜绿菌属中快速积累。微生物细胞具有非常大的比表面积、很高的代谢活性，少量的微生物细胞就很容易吸附很多的重金属，有的甚至可达到细胞干重的90%。由于微生物的这种特性，使得它们成为把重金属污染及放射性污染导入食物链的最重要的载体。在中性到碱性条件下，土壤及淤泥中的各种重金属倾向于形成沉淀而被固定于矿物表面，但是由于微生物的代谢活动，产酸使pH值下降，产生金属螯合物，从而导致沉淀的重金属溶解，吸附于微生物细胞表面或被微生物细胞所吸收，含有重金属的微生物被其他生物(如浮游动物等)所吞食，就使得重金属进入食物链，形成在越高级生物中其浓度越高的积累效应。

汞在食物链中的积累就很有代表性。20世纪50年代，发生在日本的水俣湾中毒事件就是由汞引起的。汞化合物广泛用做家庭防腐剂和消毒剂，以及工农业。汞元素通过附着官能基团使蛋白质沉淀，还阻碍尿嘧啶和胸腺嘧啶的合成，但元素形式的毒性远不及有机汞如乙烷基汞或甲基汞。排放到环境中的汞在厌氧沉淀物中被甲基化，产物甲基汞很稳固并且是亲脂性的。因为亲脂的特点，使周边环境中微量的汞从水中进入微生物的脂质中，在细胞中的浓度比周边介质中增加了1～3个数量级。这些微生物被高一营养级的生物摄食，只有10%～15%的生物量转移到了高一级营养成员中，其余的在呼吸作用中消散。然而，滞留在脂质中的汞不被降解，而是转入到高营养级的生物中，使其浓度大大增加。在最高营养级的生物(如鸟类、食肉动物)体内，污染物浓度可高出环境的10⁴～10⁶倍。甚至在海洋和北美洲淡水湖中的鱼也有很高的汞含量。人食用被甲基汞污染的鱼会中毒。

对环境中的微生物而言，环境中物质浓度的大小对生物积累的影响不大，生物富集主要决定于微生物本身的特性，特别是微生物体内存在的能够和污染物结合的活性物质活性强弱和数量。微生物体内很多组分都能和污染物结合形成稳定的结合物。

如糖类物质中的葡萄糖和果糖等，其分子结构中都有醛基(果糖是酮糖，但容易变为醛糖);双糖中的麦芽糖、乳糖，多糖中的纤维素等的分子中有一个单糖有可能转变为醛式而具有还原性。在还原性的环境中，重金属离子活性降低，并容易和糖类物质结合形成不溶性的化合物。

蛋白质和氨基酸也具有和重金属及某些农药相结合的位点。在中性的环境中，蛋白质往往呈阴离子状态，容易和金属离子结合。氨基酸含有羧酸、氨基，许多氨基酸还含有巯基，这些基团都能和金属离子结合形成稳定的金属螯合物。例如金属离子同半胱氨酸的—SH基结合形成多核螯合环后，稳定性会增加。能与重金属结合的蛋白质中，最重要的是金属硫蛋白，它是生物有机体在某些金属的诱导下合成的一类脱辅基硫蛋白。

脂类含有极性酯键，这类酯键可以和金属离子结合形成络合物或螯合物，从而把重金属积累在脂肪内。

核酸是极性化合物，是两性电解质，含有磷酸基和碱性基团，在一定的pH值下能够离解而带电荷，所以可以和金属离子相结合。例如嘌呤碱基中的鸟嘌呤腺嘌呤因含N、OH等基团，就很容易和金属离子结合。

另外，微生物对复杂有机物的富集能力与其体内存在的分解该类物质的酶的活性有关。酶活性大，污染物不易富集，反之就易富集。

当然，微生物对重金属吸附和聚集作用，也有其有用的一面，人们可以利用微生物的这一特性，用于去除废水中的重金属污染(如镉、铅等)、贵重金属的回收利用(如银、镍等)、贫矿的富集(如金、铀等)等。现已有应用固定化微生物细胞进行去除和回收废水中的重金属取得成功的实例。