1、微生物與放射性元素和重金屬間相互作用包括吸附吸收，絡(luò)合沉淀，氧化還原，甲基化及去甲基化等。微生物與放射性元素和重金屬之間復(fù)雜的生物物理化學(xué)反應(yīng)，必然影響放射性元素和重金屬在環(huán)境中的形態(tài)分布，遷移，轉(zhuǎn)化和循環(huán)等生物地球化學(xué)過(guò)程。因此，研究環(huán)境微生物與放射性元素及重金屬的相互作用和轉(zhuǎn)化機(jī)理對(duì)放射性廢物地質(zhì)處置的安全評(píng)估和重金屬污染環(huán)境的生物修復(fù)具有重要意義。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、褰湍妇鶶accharomyce cerevisia

2、e與鈾U(VI)相互作用。微生物對(duì)環(huán)境中放射性元素的形態(tài)分布，遷移，轉(zhuǎn)化和循環(huán)起著關(guān)鍵性作用。微生物吸附放射性元素對(duì)于高水平放射性廢物地質(zhì)處置的安全評(píng)估以及放射性元素污染地區(qū)的環(huán)境修復(fù)有著重要意義。本部分工作系統(tǒng)研究了酵母菌Saccharomyce cerevisiae與放射性元素U(VI)的相互作用。主要包括吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程，吸附平衡態(tài)研究，考察了生物量、細(xì)胞活性和環(huán)境因子(例如pH，離子強(qiáng)度)等對(duì)吸附過(guò)程的影響。同時(shí)，利用高分辨透射電

3、鏡(HRTEM)以及傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)表征方法，對(duì)相關(guān)機(jī)理做了進(jìn)一步的探索。吸附動(dòng)力學(xué)表明S. cerevisiae細(xì)胞能夠快速吸附U(VI)，吸附反應(yīng)在~15 min達(dá)到平衡。平衡態(tài)研究中發(fā)現(xiàn)，pH是影響S. cerevisiae細(xì)胞吸附U(VI)的關(guān)鍵因素，它不僅影響S. cerevisiae細(xì)胞表面官能團(tuán)的質(zhì)子化與去質(zhì)子化過(guò)程，同時(shí)影響U(VI)在溶液中的形態(tài)分布。由于細(xì)胞表面OH-的釋放，引起S. cerevisi

4、ae細(xì)胞吸附U(VI)前后體系pH的移動(dòng)。通常，隨著生物量的增加，吸附位點(diǎn)增多，因此S. cerevisiae細(xì)胞對(duì)U(VI)的吸附率增加。高離子強(qiáng)度(如0.1 M NaNO3)抑制S. cerevisiae細(xì)胞吸附U(VI)，可能原因是Na+與UO22+在細(xì)胞表面的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。相同實(shí)驗(yàn)條件下，熱處理失活細(xì)胞的吸附量比活性細(xì)胞高一個(gè)量級(jí)。作為對(duì)吸附機(jī)理的初步探索，高分辨透射電鏡分析表明活性S. cerevisiae細(xì)胞吸附的U(VI)主要

5、沉積在細(xì)胞壁的內(nèi)外表面，并呈現(xiàn)出“針狀纖維”結(jié)構(gòu)；而熱處理后，不僅在細(xì)胞壁內(nèi)外表面，在細(xì)胞外同樣發(fā)現(xiàn)了類似的鈾沉積物結(jié)構(gòu)。同時(shí)，X射線能量色散譜(EDX)觀察到S. cerevisiae細(xì)胞在吸附后U峰的出現(xiàn)。傅立葉變換紅外光譜分析證明了S. cerevisiae細(xì)胞表面官能團(tuán)：羥基(hydroxyl)，羧基(carboxyl)，磷酸基(phosphate)和氨基(amine)在S. cerevisiae細(xì)胞絡(luò)合U(VI)過(guò)程中的重要作

6、用。
　?、骅F還原菌Geobacter bemidjiensis Bem與汞Hg的相互作用和轉(zhuǎn)化機(jī)理。甲基汞(Methylmercury。MeHg)是由環(huán)境中的無(wú)機(jī)汞(Mercury。Hg)在可甲基化汞微生物協(xié)助下轉(zhuǎn)化而來(lái)，因具有很強(qiáng)的神經(jīng)毒性和生物積累效應(yīng)，在近幾十年來(lái)受到廣泛關(guān)注與研究。環(huán)境中的凈甲基汞含量是由甲基汞的生成和降解兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程控制的。本部分工作報(bào)道了厭氧鐵還原菌Geobacter bemidjiensis Bem

7、同時(shí)協(xié)助汞的吸附吸收，氧化還原，甲基化及去甲基化多種反應(yīng)過(guò)程。該工作是對(duì)于厭氧鐵還原菌能夠甲基化汞的同時(shí)又可以降解甲基汞的首次報(bào)道。同時(shí)，我們研究了微生物的生長(zhǎng)期以及環(huán)境因子，包括汞濃度，半胱氨酸(cysteine)，谷胱甘肽(glutathione)和可溶解有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter)對(duì)G. bemidjiensis與汞相互作用和轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響，期望在一定程度上理解相關(guān)機(jī)理。無(wú)機(jī)汞Hg(II)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)表明

8、G. bemidjiensis細(xì)胞呈指數(shù)變化快速甲基化汞，隨著時(shí)間推移，生物生成的甲基汞又同時(shí)可被該菌降解。甲基汞MeHg降解實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了G. bemidjiensis去甲基化的能力。同時(shí)，金屬汞Hg(0)作為主要的降解產(chǎn)物，以及G. bemidjiensis序列中含有編碼有機(jī)汞裂解酶(MerB)和汞還原酶(MerA)的基因，我們推測(cè)mer操縱子協(xié)助的還原性去甲基化(reductive demethylation)途徑在該過(guò)程的主要

9、作用。汞形態(tài)分布和轉(zhuǎn)化研究表明，G. bemidjiensis細(xì)胞能夠強(qiáng)烈吸附吸收無(wú)機(jī)汞和甲基汞，并且可以還原二價(jià)汞以及氧化金屬汞。隨著時(shí)間變化，G. bemidjiensis影響著汞各種形態(tài)的分布以及之間的相互轉(zhuǎn)化。不同生長(zhǎng)期影響G. bemidjiensis對(duì)汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化：相對(duì)平衡期細(xì)胞，對(duì)數(shù)期細(xì)胞降解甲基汞的能力更強(qiáng)，同時(shí)產(chǎn)生甲基汞的濃度反而降低。隨著汞濃度的增加，G. bemidjiensis細(xì)胞甲基化和去甲基化汞能力提高；然而

10、過(guò)高汞濃度對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性，降低了反應(yīng)速率。因此，汞的微生物甲基化和去甲基化可能是微生物受到有毒金屬汞脅迫時(shí)的一種解毒機(jī)理。依賴于反應(yīng)時(shí)間和半胱氨酸濃度，半胱氨酸在 G. bemidjiensis對(duì)汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化中起到復(fù)雜的影響。在一定濃度范圍(10-500μM)，半胱氨酸能提高G. bemidjiensis甲基化汞能力而抑制甲基汞的降解。谷胱甘肽同時(shí)抑制G. bemidjiensis細(xì)胞甲基化汞和對(duì)甲基汞的降解。由于可溶解有機(jī)質(zhì)與汞形成穩(wěn)

11、定的絡(luò)合物，影響汞的生物可利用性，因此可溶解有機(jī)質(zhì)的加入抑制G. bemidjiensis細(xì)胞對(duì)汞的甲基化和去甲基化。
　　㈢甲烷氧化菌Methanotrophs與汞Hg的相互作用和轉(zhuǎn)化機(jī)理。甲烷氧化菌(Methanotrophs)是將甲烷(methane)作為唯一碳源和能源的一大類微生物，廣泛分布于環(huán)境中。環(huán)境中的凈甲基汞含量是由甲基汞的生成和降解兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程決定的。鑒于甲烷氧化菌單碳新陳代謝的途徑(C1-metabolic p

12、athway)，本部分內(nèi)容研究了兩株典型的甲烷氧化菌 Methylosinus trichosporium OB3b和Methylococcus capsulatus Bath對(duì)甲基汞的相互作用及其轉(zhuǎn)化過(guò)程。由于不同生長(zhǎng)條件(例如銅Cu2+、鈰Ce3+金屬離子的加入)影響甲烷氧化菌的甲烷單氧酶(MMO)和甲醇脫氫酶(MeDHs)的表達(dá)，我們考察了不同生長(zhǎng)條件對(duì)其相互作用和轉(zhuǎn)化的影響。同時(shí)，通過(guò)不同濃度的競(jìng)爭(zhēng)碳源甲醇(methanol)對(duì)

13、M. trichosporium OB3b吸收和降解甲基汞的影響，我們推測(cè)氧化性去甲基化途徑(oxidative demethylation)起主要作用。通過(guò)對(duì)幾株基因敲除突變體(mbnA,?mbnA-N,?mbnT,?mxaF)的研究，進(jìn)一步探索了M. trichosporium OB3b降解甲基汞的可能途徑和機(jī)理。M.trichosporium OB3b和M. capsulatus Bath都能夠快速大量吸附甲基汞，并且很大比例甲基

14、汞能被細(xì)胞吸收而進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)。更為關(guān)鍵的是。M. trichosporium OB3b同時(shí)能夠降解甲基汞，而M. capsulatus Bath在不同生長(zhǎng)條件、不同甲基汞濃度下均不能降解甲基汞。這可能與不同種類甲烷氧化菌的細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)以及生物化學(xué)代謝途徑的差異有關(guān)。甲基汞濃度影響M. trichosporium OB3b對(duì)其降解的速率和降解量，在一定濃度范圍(5-75 nM)，M. trichosporium OB3b降解甲基汞的速率和

15、降解量隨著甲基汞濃度的增加而增加。甲醇作為可能的單碳競(jìng)爭(zhēng)底物，當(dāng)其濃度為5 mM時(shí)能夠完全抑制M. trichosporium OB3b對(duì)甲基汞的降解，這主要是因?yàn)榧状嫉募尤朐趯?duì)M. trichosporium OB3b突變體?mbnA,?mbnA-N的進(jìn)一步研究表明，對(duì)一段可能合成 methanobactin基因的敲除導(dǎo)致該菌無(wú)法降解甲基汞。而對(duì)吸收methanobactin基因的敲除(?mbnT)，提高了該菌對(duì)甲基汞降解的速率。這些