新的生物治疗技术去除使用Fe（III）的重金属和放射性核素的硫酸盐和硫还原细菌外文翻译资料

 2022-11-03 19:04:01

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新的生物治疗技术去除使用Fe（III）的重金属和放射性核素的硫酸盐和硫还原细菌

  1. 介绍

微生物矿物的形成和溶解趋向于产生了新的领域，在近十年来发展的细菌与金属相互作用研究，称为地球微生物学。这个新领域试图阐明微生物的作用扮演或影响的地质过程和信息关于地球上最早的地球化学信号。而且，细菌与金属相互作用的理解提供了改进金属循环模型及其对环境的影响转型的基础。需要新的和低成本的技术去除重金属和放射性核素污染环境的知识，最近微生物与金属相互作用的机制（Lloyd等人2002; Barton等人2003; Lloyd 2003）。

铁和锰是两种最丰富的活性金属地壳，生命的起源最初与铁的能力有关，易于在Fe（III）和Fe（II）之间循环。在一些最早的地球化学中，地球上生命的信号是溶解在古生物中的Fe（II）转化到Fe（III）氧化物沉积物。这种转化可能是Fe（II）氧化微生物。

今天，Fe（III）在地球表面非常丰富，但在中性pH下非常不溶，因此需要铁来支持生长的微生物已经开发了铁载体，这是对大气中O2的出现的进化反应，并且引起Fe（II）对Fe（III）的伴随氧化。各种微生物都能够减少微生物的微生物早期形式的Fe（III）还原。 这些细菌使用分子氢，乳酸盐，丙酮酸盐或乙酸盐和Fe（III）作为电子受体。其中许多还能够使用Mn（IV）作为电子受体，将其还原成Mn（II）。

在第一组细菌中，生长与Fe（III）和Mn（IV）的还原相结合。 在第二组中，一些金属如硒和砷可用于一些细菌以支持生长，但其他重金属对细菌是有毒的和致命的，因此它们已经开发了解毒策略，其中金属的还原给出毒性较小的元素（大多数有毒重金属比氧化还原时毒性更低）。

需要修复重金属和放射性核素对地下水和土壤的广泛金属污染，刺激了越来越多的兴趣寻找新的金属抗性微生物和新的生物修复过程。事实上，实验室微生物，如大肠杆菌，在生物修复过程中不是很好的候选物，因为它们不适用于重金属被检测的环境。

本文的目的是提供技术开发的概述，使用Fe（III）- 硫酸盐和硫 - 厌氧细菌从地下水和土壤中去除重金属和准金属的活性。

  1. 通过Fe（III）还原细菌的微生物还原金属

Fe（III）还原在进化过程中被高度保守。 微生物的多样性能够减少Fe（III）或Mn（IV）。 事实上，地球菌科分为两个亚组：地球菌群和脱硫孢菌群。

2.1地杆菌

地杆菌属物种是能够以金属浓度升高的栖息地定居的微生物。 脱氧铁（III）还原是各种环境中众所周知的环境过程，如沉积物，浅层含水层和深层表面。 最近的一项研究已经清楚地表明，它可以从原始和金属污染的场所中分离出来。 地杆菌物种的持久性非常重要，因为它提供了其在重金属污染场地生物修复过程中的应用。通过趋化性访问Fe（III）氧化物。这些发现明确了Fe（III）还原细菌。地杆菌是沉积物环境中最丰富的菌落，表明它们可以被认为是一种天然的环境清洁细菌和生物修复过程的新工具。

当今已经可以分离和表征了各种地杆菌。地杆菌的表征为能够减少Mn（IV）或U（VI）等各种金属的能力。醋酸亚硫酸血红素是金属还原菌最接近的亲属。另一方面，由Caccavo等人从烃污染的沟渠中分离出的地杆菌硫磺还原菌（1994）是描述的能够将氢（或乙酸盐）氧化成Fe（III）还原的第一种细菌。最近，地球菌属嗜碱性杆菌，地衣菌和地理学家和地球菌属十一月和鹅掌楸属十一月也被分离。使用地杆菌物种作为模型，已经广泛研究了Fe（III）和Mn（IV）还原的机理。细胞色素是参与与金属还原（例如Fe（III））偶联的电子转移链中的血红素酶。金属，如金，银，被认为是电子受体的汞和铬酸盐被C型细胞色素还原。此外，劳埃德已经表明，G.金属氧化物的C型细胞色素将电子转移到可溶性Au（III）。

第一个研究报告了来自G的C型细胞色素的纯化和表征表明，小分子量周质蛋白（9.6 kDa）起着Fe（III） - 还原酶的作用。然而，另一种Fe（III）- 还原酶是与外周膜相关的分子量c型细胞色素。 研究小组的研究表明周质性9.6kDa的细胞色素C不是Fe（III）的电子穿梭。 9.6 kDa细胞色素最靠近的是来自脱硫山梨醇氧化亚油酸的三血红细胞色素C7，它是与从硫酸盐还原细菌分离的细胞色素C3同源的多元，低潜力的细胞色素C。该细胞色素在大肠杆菌中被克隆并表达，并且能够在体外减少金属离子。其结构阐明为1.45Aring;。还表征了其他C型细胞色素。 到目前为止，在基因组中可以发现超过100种C型细胞色素。研究人员报道了一种被称为PpcA的小型周质类型的生物化学和遗传分析。

有趣的是，与地杆菌高度同源的另一种C7细胞色素也被纯化和表征，表观分子量为9.5 kDa，每个分子的三聚体，与乙酰胆碱酯酶细胞色素C7同源。

其他蛋白质，如氢化酶，可能参与Tc（VII）的还原。由Fe（III）还原细菌引起的直接酶还原或Fe（II）介导的Tc（VII）还原已得到重视。尽管地杆菌能够减少金属和放射性核素，但有一些报告指出了他们对生物修复过程的潜在贡献。科学界正在开始破译地球菌属物种的生理和代谢，我们正处于生物修复过程中有力使用的发现阶段。有报道指出，电子给体的添加原位刺激了地杆菌菌落的微生物降解。目前测定了U（VI）对铀污染的亚表面沉积物的不溶性U（IV）的微生物还原。发现由于硝酸盐必须首先降低，所以沉积物的硝酸盐含量对由金属氧化物引起的Fe（III）对Fe（II）和U（VI）还原为U（IV）有负面影响。同时，用乙酸盐修饰的来自U（VI）污染的含水层沉积物和含水层本身的样品中的铀的还原明显与Fe（III）由地杆菌菌落。

最近，即使该位点是高度硝酸盐浓缩，I（V）和（Ⅶ） - 含水层被原位还原，而地杆菌被电子给体刺激。菌落不能以高盐度生长，然而，通过加入乙酸盐可以在盐水含水层沉积物中高浓度的U（VI）浓度降低。使用生物标记物监测污染含水层的地下水地球化学，使用生物标记物：微生物生物膜，包括地杆菌和硝酸盐还原微生物。基因组方法可用于生物修复过程，因为地杆菌硫磺还原已被测序。最近开发了一种遗传系统，其中地杆菌可被替代，能够通过小鼠金属蛋白融合蛋白的表达中和镉。重组非特异性土壤微生物，表达金属硫蛋白（能够结合重金属的富含半胱氨酸的蛋白质）可用于污染土壤。实际上，他们描述了能够支持和吸附土壤中高Cd2 浓度的重组菌株。

虽然地杆菌在地下环境地球化学中的重要作用已经被清楚地描述了出来，但是它们在原位或非原位生物反应配置中的潜在用途还没有开发出来。因此，生物化学（分子生物学和基因组学）和生态学方法，导致改进使用地杆菌作为生物修复剂的方法，无疑将对环境生物技术的未来产生影响。

2.2脱硫单胞菌

由于研究人员描述了乙酰氧化物的分离，因此已知能够通过将乙酸的氧化与元素硫的还原连接而生长的细菌。最近还描述了两种其他物种减硫细菌和硫还原菌。减硫细菌是一种严格厌氧，革兰氏阴性，鞭毛状和棒状的。它从硫呼吸中获得能量，并通过柠檬酸循环将乙酸酯完全氧化成二氧化碳。硫的还原产生可与重金属离子反应形成毒性较小的不溶性金属硫化物的硫化氢。此外，这些细菌还能够对这些重金属进行酶促降解和沉淀。关于硫还原菌的生物能量代谢的一些研究已经导致了各种金属蛋白的表征，多元素低潜力细胞色素，其中最丰富的是细胞色素C7。

细胞色素C7的生物学功能尚未明确，但已提出在细菌硫代谢中具有电子转移蛋白的作用，通过直接还原元素硫与硫化物作为代谢途径中的末端还原酶。还有人提出细胞色素C7可能参与Fe（Ⅲ）和Mn（IV）的异化还原，以获得这些细菌的能量生长。

这种由细胞核确定的三聚体细胞色素的三维结构磁共振显示，三种血红素组的取向与四聚体细胞色素的取向相似，但是血红素2缺乏。

三种血红素组的负氧化还原电位范围为-102至177 mV。电化学实验已经证明了多元细胞色素直接还原Fe（III），Mn（IV），V（V），而线粒体C型细胞色素没有表现出任何活性，选择Cr（VI）和细胞色素C7之间的相互作用作为由C3型细胞色素还原金属的模型，因为该细胞色素的氧化态和还原态的三维结构已被解决使用NMR研究。已经使用减少的细胞色素C7（通过催化量的氢化酶代表减少其生理配偶体所必需的最小量，C3型细胞色素）和各种量的Cr（VI）进行1 H NMR实验。图1显示了血红素IV附近的单一结合位点，还原电位最高的血红素。提出了涉及三个蛋白质链和蛋白质链的电子流，以解释对生物传感器的构建可能重要的反应。

此外，Bruschi等人已经表征了几种具有较高分子量（50,65和250kDa）的多重细胞色素C。Pereira等展示了几个领域和高热稳定性。目前正在研究的细菌的基因组序列显示出非常多数量的多发性细胞色素，如在地杆菌基因组中所观察到的。考虑到这些与多重结构域的存在和低潜在氧化还原的相似性，这些细胞色素可能与细胞色素C7相关，并且还显示出金属还原活性，并且可用于选择高性能金属还原酶细菌或开发生物传感器。

  1. 硫酸盐还原细菌与有毒金属的微生物相互作用

与其中金属用作代谢中的末端受体的第一组细菌相反，硫酸盐还原细菌（SRB）不能使用金属来支持生长。SRB是严格的厌氧菌，需要氧化还原电位小于-200mV，并且天然存在于水和土壤中。 这些微生物存在于被金属，准金属和污染物污染的各个部位，对其他细菌致死。 第一个分离的SRB是在1895年。 20世纪80年代末，SRB对锝生物修复的作用得到了强调。现在，SRB的经济和工业重要性越来越高，从欧洲的标准来看，关于在环境中有害的重金属，SRB尤其重要，降解有关使其金属毒性降低的能力是生物修复的潜在有用过程。

SRB能够将有机化合物或H2的氧化与硫酸盐的还原作为电子受体相结合。在这个过程中，异硫酸盐还原，导致H2S的生成，其被分解成环境并且可以减少重金属。 SRB除了由于生成H 2 S的化学间接还原外，还可以通过涉及C3型细胞色素的酶途径还原金属。脱硫抗病毒剂不仅可以将U（VI）的可溶性毒性形式降解为不溶性U（IV），还可以降低Cr（VI），Mo（VI），Se（VI） （Tucker等人1998），Pd（Lloyd等人1998）和Tc（VII）（Lloyd等人，1999a，b）。在几种重金属如U（VI），Cr（VI），Fe（III）（Lovley等，1993b; Lovley和Phillips 1994; Lojou et al）的情况下，C3细胞色素的金属还原酶活性已被描述（Lloyd et al，1998）和Tc（Lloyd et al，1999a，b）。所有这些最近的研究强调了与细胞色素C3相关的SRB中的广泛的金属还原活性，其是周质蛋白。当暴露于重金属离子时，在高Cr（VI）浓度存在下生长的细菌在其细胞表面积累三价铬的沉淀物（图2）（Goulhen等人，2005）。这些发现与通过细胞色素和氢化酶（周质蛋白）直接电子转移到金属是一致的。

在不存在Cr（VI）（图A））或250℃Cr（VI）（图B）存在下生长的寻常性黑麦草的未染色制剂的电子显微照片如上所示。

为了开发潜在的新生物修复过程，需要选择最有效和重金属抗性菌株。因此，从各种污染场地选择菌株并评估其有效活性是非常重要的。然而，受污染场地的SRB菌落（关于适应）记录不良，必须进行评估，以破译SRB在不断变化的环境中的反应。

最近一项研究重点关注地下水铀污染场地中SRB的多样性和特征（Chang等，2001）。 脱硫酵母菌在这个研究中，能从显示较低铀浓度的包裹中分离（Chang等人2001）。当前要开发能够预测SRB对重金属的活性的模型，例如铜在SRB上比锌具有更多的抑制作用（Utgikar等人，2001; Utgikar等，2003）。有趣的是，培养在Cu（II）和Hg（II）存在下，不同寻常的增加了滞后期和最终的生物量产量。有毒金属适应似乎是ATP依赖性机制的作用。

最近孤立了一种对铜高度耐受的脱硫弧菌菌株（约10倍正常水平）。众所周知，在铜耐性中起重要作用的pco基因存在于可用作有趣的生物修复工具的特定菌株的质粒上（Karnachuk等，2003）。各种SRB，包括脱硫弧菌和脱硫铽物种，评估了它们的酶还原Cr（VI）。与其他几种菌株相比，脱硫弧菌的完整细胞显示出最好的Cr（VI）还原活性（高达500mu;MCr（VI）），分离的BRGM菌株从一个金矿（法国）和从黑色吸烟者（太平洋）分离的新菌株（Michel et al。2001; Michel et al。2003a）。 Cr（VI）作为高浓度的应激剂，导致细菌细胞的脆弱性增加，因为细菌变长（细胞分裂缺省），C型细胞色素可以在培养上清液中发现（Michel et al.2001 ; Bruschi等人2003）。使用等温显微比色法监测Cr（VI）对生物能量代谢的影响（Chardin等，2002）。在高Cr（VI）浓度的存在下，可以观察到滞后生长期的延伸和乳酸菌细菌代谢的深度变化。

随着能量生产的增加，生长受到抑制，这表明乳酸酯被分解代谢以降低氧化还原电位，以维持硫酸盐还原细菌的生存条件。实际上，Cr（VI）的还原是保护细菌环境有利的保护性逃逸（Chardin et al.2002; Bruschi et al.2003）。微量热法可能是评估金属浓度对细菌的影响和选择的有力标准需要去除污染环境的最好的菌株（Bruschi et a.2003）。

由于还可以通过酶促实现金属还原，研究了纯化的细胞色素C3和氢化酶的金属还原酶活性。基于氨基酸序列和多元细胞色素的三维比较，以比西替丁轴向铁配位和低

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