曾琳

摘 要：了解生物法治理砷污染的應(yīng)用前景，介紹砷氧化菌研究現(xiàn)狀及氧化機(jī)理，并針對(duì)存在的問題進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：砷污染、砷氧化菌、砷氧化機(jī)理

砷污染目前已成為一個(gè)全球性問題，長(zhǎng)期飲用高砷水會(huì)導(dǎo)致慢性砷中毒和癌癥等疾病[1]。砷以四種氧化價(jià)態(tài)存在：As（-III），As（0），As（III）和As（V），其中元素砷很少存在。As（III）的毒性最強(qiáng)，是As（V）的25～60倍，并且在多數(shù)的環(huán)境條件下較As（V）更難以被礦物質(zhì)吸附[2]。微生物作用在環(huán)境中砷遷移轉(zhuǎn)化的過程中起到重要的作用。因此，在砷污染治理過程中，微生物法也占據(jù)很重要的地位，是最具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ā?/p>

一、砷污染現(xiàn)狀

砷主要通過火山爆發(fā)、海洋沉積巖、熱液礦床、地?zé)崴茸匀粊碓磁c燃煤、采礦、冶煉、藥品、農(nóng)藥、海產(chǎn)品、添加劑及微電子材料等人為途徑進(jìn)入人類的生活環(huán)境[2]，并通過食物鏈和飲水等進(jìn)入人體，嚴(yán)重威脅著人類的健康。目前世界上的砷污染主要是在孟加拉國(guó)、印度和中國(guó)，以砷污染地下水為主。我國(guó)的很多省市都存在著不同程度的砷污染情況[1]。

二、砷污染治理

砷污染治理方法主要包括離子交換法，共沉淀，反滲透，吸附法，生物法等[3]。微生物對(duì)砷的適應(yīng)性極強(qiáng)，甚至有的微生物以砷作為其生長(zhǎng)的能源[1]。微生物的生物轉(zhuǎn)化對(duì)地下水砷的遷移、轉(zhuǎn)化、固定等地球化學(xué)行為的影響起關(guān)鍵作用，微生物參與自然水體中砷的不同形式之間的轉(zhuǎn)化過程，主要是As（V）和A（III）之間的氧化還原作用。砷氧化菌也可被用于處理富含三價(jià)砷的水體及重貴金屬的浸出，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。因而生物處理作為一種廉價(jià)、高效、污染較小的處理方法，具有良好的應(yīng)用前景。

三、砷氧化菌研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究較少。宋衛(wèi)鋒等[4]（2011）從肇慶市鼎湖山自然保護(hù)區(qū)土壤中分離、鑒定出具有氧化砷功能的產(chǎn)堿桿菌和土壤桿菌菌株。王薇等[5]（2006）從活性污泥中篩選了2株具有As（III）氧化能力的菌株，經(jīng)鑒定為惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）。莫于婷[6]等（2009）從土壤中分離出2株砷氧化細(xì)菌，其氧化率可達(dá)99%。汪耀[7]等（2010）從沉積物中篩選分離出一株新型亞砷酸氧化菌，并對(duì)其進(jìn)行鑒定表明該菌Sinorhizobium屬，并分離及分析了亞砷酸氧化酶基因aoxAB。

而國(guó)外在這方面已有了較大的發(fā)展。在真菌和細(xì)菌中，都發(fā)現(xiàn)對(duì)As（III）和As（V）有耐受能力，包括革蘭氏陽性菌和陰性菌。截止2001年，已發(fā)現(xiàn)了至少9個(gè)屬的30多個(gè)菌株可以氧化砷，它們大多是異養(yǎng)砷氧化菌，也有小部分是自養(yǎng)砷氧化菌[8]。主要包括Achromobacter屬，Pseudomonas屬，Alcaligenes屬，Rhizobium屬，Sinorhizobium屬，Bordetella屬and Agrobacterium屬，Thermus屬，Herminiimonas屬，Variovorax屬，Thiomonas屬等。其中，首例As（III）氧化細(xì)菌（Bacillus arsenoxidans）報(bào)道于1918年[9]。在自然界中，砷氧化細(xì)菌的賦存十分豐富。

四、砷氧化機(jī)理

As（III）通過一種甘油轉(zhuǎn)運(yùn)膜蛋白質(zhì)GlpF（Aquaglyceroporins）進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，這種蛋白是水通道蛋白（Aqua-porins）家族的一員，能夠轉(zhuǎn)運(yùn)多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如甘油、尿素等[10]。

目前酶學(xué)研究得最清楚的是NCBI（National Centre for Biotechnology Information， USA）8687的氧化酶，其晶體結(jié)構(gòu)表明氧化酶由大小兩個(gè)亞基組成，一個(gè)是以[3Fe-4S]和鑰蝶呤為核心的大亞基（α亞基），另一個(gè)是以[2Fe-2S]為中心的小亞基亞（β亞基）。編碼砷氧化酶的操縱子為asoAB或aoxABCD基因組，分別發(fā)現(xiàn)于Alcaligenes faecalis和Cenibacterium arsenoxidans。雖然名稱不同，但其基因產(chǎn)物在氨基酸層次上具有比較高的相似性。aox系統(tǒng)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，此酶屬于二甲基亞砜（DMSO）還原酶家族。As（III）氧化酶基因的表達(dá)受As（III）氧化酶操縱子（aox operon）控制，As（III）氧化酶結(jié)構(gòu)基因（aoxAB）的表達(dá)受上游編碼組氨酸激酶基因（aoxS）和反應(yīng)調(diào)控子基因（aoxR）的雙組分系統(tǒng)調(diào)控，用組氨酸激酶AoxS接收As（III）等周質(zhì)信號(hào)后，由反應(yīng)調(diào)控子AoxR傳遞信號(hào)并調(diào)控aox operon的表達(dá)。下游輔助基因包括編碼細(xì)胞色素c基因（aoxC）和鉬生物合成輔因子基因（aoxD）[11]。

五、存在的問題與展望

微生物可以通過生物體對(duì)砷的累積而將砷“固定”，進(jìn)而降低土壤環(huán)境中砷的毒性，從目前的研究情況來看，雖然已有不少具有生物累積和揮發(fā)砷能力的微生物被分離，但具有強(qiáng)作用能力的微生物報(bào)道的還不多，更多的研究報(bào)道還主要集中在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究階段，而對(duì)于砷污染土壤微生物修復(fù)的大田試驗(yàn)鮮有報(bào)道。由于微生物生長(zhǎng)需要一定的條件，這實(shí)際上也限制了其大面積的推廣與應(yīng)用，使其應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐依然存在較大的挑戰(zhàn)，因此還需篩選高降解能力的菌株，同時(shí)摸索其生長(zhǎng)條件使其能用于實(shí)踐。

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