浅谈砷氧化菌的研究进展

浅谈砷氧化菌的研究进展

作者：曾琳

来源：《环境》2014年第13期

摘要：了解生物法治理砷污染的应用前景，介绍砷氧化菌研究现状及氧化机理，并针对存在的问题进行讨论。

关键词：砷污染、砷氧化菌、砷氧化机理

砷污染目前已成为一个全球性问题，长期饮用高砷水会导致慢性砷中毒和癌症等疾病[1]。砷以四种氧化价态存在：As（-III），As（0），As（III）和As（V），其中元素砷很少存在。As（III）的毒性最强，是As（V）的25～60倍，并且在多数的环境条件下较As（V）更难以被矿物质吸附[2]。微生物作用在环境中砷迁移转化的过程中起到重要的作用。因此，在砷污染治理过程中，微生物法也占据很重要的地位，是最具发展潜力的方法。

一、砷污染现状

砷主要通过火山爆发、海洋沉积岩、热液矿床、地热水等自然来源与燃煤、采矿、冶炼、药品、农药、海产品、添加剂及微电子材料等人为途径进入人类的生活环境[2]，并通过食物链和饮水等进入人体，严重威胁着人类的健康。目前世界上的砷污染主要是在孟加拉国、印度和中国，以砷污染地下水为主。我国的很多省市都存在着不同程度的砷污染情况[1]。

二、砷污染治理

砷污染治理方法主要包括离子交换法，共沉淀，反渗透，吸附法，生物法等[3]。微生物对砷的适应性极强，甚至有的微生物以砷作为其生长的能源[1]。微生物的生物转化对地下水砷的迁移、转化、固定等地球化学行为的影响起关键作用，微生物参与自然水体中砷的不同形式之间的转化过程，主要是As（V）和A（III）之间的氧化还原作用。砷氧化菌也可被用于处理富含三价砷的水体及重贵金属的浸出，具有潜在的应用价值。因而生物处理作为一种廉价、高效、污染较小的处理方法，具有良好的应用前景。

三、砷氧化菌研究现状

目前，国内对这方面的研究较少。宋卫锋等[4]（2011）从肇庆市鼎湖山自然保护区土壤中分离、鉴定出具有氧化砷功能的产碱杆菌和土壤杆菌菌株。王薇等[5]（2006）从活性污泥中筛选了2株具有As（III）氧化能力的菌株，经鉴定为恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）。莫于婷[6]等（2009）从土壤中分离出2株砷氧化细菌，其氧化率可达99%。汪耀[7]等（2010）从沉积物中筛选分离出一株新型亚砷酸氧化菌，并对其进行鉴定表明该菌Sinorhizobium属，并分离及分析了亚砷酸氧化酶基因aoxAB。

而国外在这方面已有了较大的发展。在真菌和细菌中，都发现对As（III）和As（V）有耐受能力，包括革兰氏阳性菌和阴性菌。截止2001年，已发现了至少9个属的30多个菌株可以氧化砷，它们大多是异养砷氧化菌，也有小部分是自养砷氧化菌[8]。主要包括Achromobacter属，Pseudomonas属，Alcaligenes属，Rhizobium属，Sinorhizobium属，Bordetella属and Agrobacterium属，Thermus属，Herminiimonas属，Variovorax属，Thiomonas 属等。其中，首例As（III）氧化细菌（Bacillus arsenoxidans）报道于1918年[9]。在自然界中，砷氧化细菌的赋存十分丰富。

四、砷氧化机理

As（III）通过一种甘油转运膜蛋白质GlpF（Aquaglyceroporins）进行转运，这种蛋白是水通道蛋白（Aqua-porins）家族的一员，能够转运多种营养物质，如甘油、尿素等[10]。

目前酶学研究得最清楚的是NCBI（National Centre for Biotechnology Information， USA）8687的氧化酶，其晶体结构表明氧化酶由大小两个亚基组成，一个是以[3Fe-4S]和钥蝶呤为核心的大亚基（α亚基），另一个是以[2Fe-2S]为中心的小亚基亚（β亚基）。编码砷氧化酶的操纵子为asoAB或aoxABCD基因组，分别发现于Alcaligenes faecalis和Cenibacterium arsenoxidans。虽然名称不同，但其基因产物在氨基酸层次上具有比较高的相似性。aox系统包括aoxA，aoxB，aoxS，aoxR[11]。As（III）氧化活性是由As（III）氧化酶（Arsenite oxidase）催化的，此酶属于二甲基亚砜（DMSO）还原酶家族。As（III）氧化酶基因的表达受As（III）氧化酶操纵子（aox operon）控制，As（III）氧化酶结构基因（aoxAB）的表达受上游编码组氨酸激酶基因（aoxS）和反应调控子基因（aoxR）的双组分系统调控，用组氨酸激酶AoxS接收As（III）等周质信号后，由反应调控子AoxR传递信号并调控aox operon的表达。下游辅助基因包括编码细胞色素c基因（aoxC）和钼生物合成辅因子基因（aoxD）[11]。

五、存在的问题与展望

微生物可以通过生物体对砷的累积而将砷“固定”，进而降低土壤环境中砷的毒性，从目前的研究情况来看，虽然已有不少具有生物累积和挥发砷能力的微生物被分离，但具有强作用能力的微生物报道的还不多，更多的研究报道还主要集中在实验室内研究阶段，而对于砷污染土壤微生物修复的大田试验鲜有报道。由于微生物生长需要一定的条件，这实际上也限制了其大面积的推广与应用，使其应用于生产实践依然存在较大的挑战，因此还需筛选高降解能力的菌株，同时摸索其生长条件使其能用于实践。

参考文献：

[1] CULLEN W R，REIMER K J. Arsenic speciation in the

environment[J]. Chemical Reviews，1989，89： 713-764.

[2] SMEDLEY P L，KINNIBURGH D G. A review of the source，

behavior and distribution of arsenic in natural waters[J].Applied Geochemistry，2002，17：517-568.

[3]冯克亮. 水质砷污染及除砷新技术[J]. 海洋环境科学，

1994，13（ 1）： 78-81.

[4]宋卫锋等. 广东鼎湖山土壤中砷氧化菌的分离与鉴定[J]. 安徽农业科学，2011，39（5）：2715-2717，2893.

[5]王薇，王君琴，杨洁，等. 三价砷氧化菌株的筛选及其培养条件初探[J]. 中国地方病学杂志. 2006， 25（1）： 96-98.

[6]莫于婷，宋卫锋，孙国萍，等. 土壤中砷氧化细菌的分离及其培养条件研究[J]. 广西轻工业. 2009， 25（2）： 83-84.

[7]汪耀，涂书新，王革娇. 亚砷酸氧化菌 Sinorhizobium sp. GW3 的鉴定与亚砷酸氧化酶基因的分离[J]. 湖北农业科学. 2010（1）： 5-9.

[8] Gihring T M， Banfield J F. Arsenite oxidation and arsenate respiration by a new Thermus isolate[J]. FEMS microbiology letters. 2001， 204（2）： 335-340.

[9] Green H H. Description of a bacterium which oxidizes arsenite to arsenate， and of one which reduces arsenate to arsenite， isolated from a cattle-dipping tank[J]. S. Afr. J. Sci. 1918， 14：465-467.

[10] Meharg A A， Jardine L. Arsenite transport into paddy rice （Oryza sativa） roots[J]. New Phytologist. 2003， 157（1）： 39-44.

[11] Kashyap D R， Botero L M， Franck W L， et al. Complex regulation of arsenite oxidation in Agrobacterium tumefaciens[J]. Journal of bacteriology. 2006， 188（3）： 1081-1088.