吞金、解毒、开矿……我说的是微生物

来源: 科普中国-科普融合创作与传播 日期:2021-02-26

  “敦煌壁画”为什么会褪色?航天器材为什么会害怕微生物的入侵?金属材料是如何参与到地球循环里面的?金属与微生物之间又有什么关系?

  金属看起来无坚不摧,小小的微生物又是怎么将它制服的呢?今天,就让我们一起了解微生物与金属“相爱相杀”的那些事儿。

  爱“收集”的微生物

  金属元素广泛分布于自然环境和人类社会生产中,在自然环境中,金属一般以金属矿物的形式存在于岩石圈、土壤圈等,在海洋、湖泊等水环境中一般以金属离子的形式存在。不管是在岩石圈还是在海水中,微生物都可以完成对金属的“收集”工作,乐此不疲。微生物“收集”金属,也被称为固定金属、生物浓缩或者生物吸附作用。

  微生物“收集”金属的方式是非常多样的,可以归纳为胞外吸附络合、胞外沉淀胞内积累。

  胞外沉淀是指由细菌产生某些物质和溶液中的金属发生化学反应,形成不溶的金属化合物的过程。例如某些细菌细胞表面的磷酸脂酶能裂解甘油—2磷酸脂,继而产生沉淀,可溶性金属的磷酸一氢根离子能够与锡、铅和铀等重金属生成微溶于水或者不溶于水的沉淀,继而留住了金属离子。

  

  表面吸附是指微生物表面的负电荷官能团吸附金属阳离子的过程。在重金属污水中,通常情况下金属离子为阳离子,阳离子会不断寻求机会与阴离子结合。恰恰微生物细胞壁表面存在硫基、磷酸基、羟基、羧基等官能团,使微生物表面具备“负电荷”,这些官能团能为金属离子提供配位络合的电子对,使金属被吸附在细胞壁上,如图1所示。除此之外,微生物还可通过离子交换、表面络合等方式“收集”金属。

  

  图 1微生物“收集”金属示意图

  胞吞作用(endocytosis是指微生物细胞内固定金属的过程。由于物理化学作用,金属被吸附到细胞表面,接着将所“收集”的金属吸入到微生物体内,如图2所示。例如枯草芽孢杆菌中螯合的铅有8. 5%通过物理包裹在细胞壁内。

  

  图 2胞内聚集

  (图片来源:工程科学学报)

  微生物——人类的好助手

  20世纪80年代报道了一种新的矿产勘探技术,利用微生物来对金属矿藏进行探测。一时间人们对于利用微生物“淘金”产生了极大热情,微生物成为了一名光荣的“勘探工人”。

  微生物之所以能够帮助人类完成勘探工作,是因为不同微生物对于重金属的毒害作用的敏感性是存在差异的。某些微生物可以忍耐含量较高的金属,因此这些微生物会优先生长于高含量金属地区,探测到了这种特定的微生物,也就相当于探测到了金属矿藏。

  微生物不仅仅是勘探工,还是名副其实的“矿工”,能够有效地将所需要的金属开采出来。微生物利用自身对矿物的氧化还原特性,将矿物中的金属溶解到浸矿溶液(一种溶液能够将固态的矿石转化为液态,继而获取含金属矿液,完成开采)中,或者利用微生物的代谢产物 (如柠檬酸、草酸、Fe3+) 使矿物溶解,也可利用矿物中的金属络合将矿物氧化、还原使矿物溶解,继而实现采矿目的,这也是“壁画”会失去光泽的原因之一。

  除了探测金属、开采矿藏以外,微生物还能修复土壤重金属污染。

  工业发展带来了重金属污染,被排放到自然环境中的重金属不仅危害着人类,还给各种各样的微生物带来了威胁。不过,微生物可以通过降低重金属元素的毒性来进行“自救”。

    A+
声明:本文转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表赞同其观点和对其真实性负责。