一、砷的微生物轉(zhuǎn)化

1.砷的環(huán)境分布及遷移

(1)砷在環(huán)境中的分布及遷移

砷是地殼上第二十種最豐富的元素，是200種以上礦物的成分。環(huán)境中的砷99%以上存在于巖石中。砷在火成巖、石灰石、砂石和頁(yè)巖中的平均濃度分別是1.5ppm、2.6ppm、4.1ppm和14.5ppm。砷廣泛存在于各種礦物中，其中硫礦沉積物中濃度尤其高，其他銅、鎳、鉛、鈷和金礦中也存在，這些礦物的冶煉過(guò)程會(huì)產(chǎn)生砷的三氧化物(As₂O₃)，產(chǎn)生的砷化合物用于工業(yè)砷化學(xué)生產(chǎn)，代表性礦物包括砷硫化鐵(FeAsS)等。FeAsS也是煤中的重要成分，礦物燃料的燃燒是砷進(jìn)入環(huán)境的重要途徑。

土壤和海洋也是砷的重要儲(chǔ)庫(kù)，地殼的平均濃度是3mg/kg，深海沉積物的砷濃度較高，大約為40mg/kg，世界范圍土壤砷中值濃度為6mg/kg，典型范圍在0.1～40mg/kg。源于硫礦沉積物的土壤砷濃度最高可達(dá)800mg/kg，然而有報(bào)告說(shuō)受砷污染的土壤其砷濃度高達(dá)30.000mg/kg。海水平均濃度是2μg/L，而淡水中是0.5μg/L。

砷可以在水體中循環(huán)與遷移。主要的化學(xué)過(guò)程是砷的甲基化和脫甲基化，以及砷酸鹽的氧化和還原;物理過(guò)程主要是吸附與沉積。

在接近中性pH值條件下，砷酸鹽可被鐵氧化物、氫氧化物以及錳、鋁化合物吸附，主要是與前二者的結(jié)合。結(jié)合砷酸鹽成為膠體和顆粒會(huì)從水柱流向沉積物，沉積物中的砷濃度通常比上層水高得多。亞砷酸鹽的吸附現(xiàn)象也發(fā)生在水體中。此外有機(jī)物也影響砷的運(yùn)動(dòng)，腐殖酸能強(qiáng)烈吸附砷(在pH5～7范圍)，而富里酸(fulvic acid)能增加它的瀝濾和運(yùn)動(dòng)。

沉積物中的氧環(huán)境對(duì)砷的遷移產(chǎn)生影響，在氧化型的環(huán)境中砷就會(huì)仍然被吸附到鐵氧化物中，然而當(dāng)大量有機(jī)碳投入到沉積物中，會(huì)導(dǎo)致氧的消耗和降低氧化還原電位，最低的氧化還原電位位于最下層。沉積物中的Fe(Ⅲ)Ox被還原成溶解的Fe(Ⅱ)，并釋放出吸附的砷到孔隙水(pore waters)中。在缺氧沉積物中大部分Fe(Ⅲ)Ox的催化還原是由微生物進(jìn)行的?？紫端猩閿U(kuò)散往上到達(dá)氧化區(qū)后可以再和FeOx再結(jié)合和再沉淀。

砷在沉積物以及充分氧化的表面區(qū)域的循環(huán)導(dǎo)致砷主要積累在表面沉積層。砷酸鹽往下擴(kuò)散到硫酸鹽還原區(qū)可以被還原成亞砷酸鹽，這樣在酸性條件下，就形成硫化砷(As₂S₃或AsS)這樣的沉淀物，使砷以還原態(tài)存在，但如果沉積物受到物理干擾而運(yùn)動(dòng)到氧化性環(huán)境，砷會(huì)被氧化再釋放到水柱中。化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)(chemolithotrophic)硫氧化細(xì)菌也有助于這個(gè)過(guò)程和促進(jìn)砷的運(yùn)動(dòng)。

(2)砷形態(tài)及其毒性

砷主要以氧化態(tài)的砷酸鹽(Ⅴ價(jià))、亞砷酸鹽(Ⅲ價(jià))、砷元素(0價(jià))和砷氣體(－Ⅲ價(jià))的形式存在。在pH 7.0的水體中，這些化合物的主要形式分別是H₂AsO、HAsO₄、HAsO₂、As和AsH₃，在氧化條件下(0.2～0.5V)，兩種負(fù)離子的砷酸鹽占優(yōu)勢(shì)，而在還原性環(huán)境中(0～0.1V)，非電荷性的砷酸鹽占優(yōu)勢(shì)。

元素砷罕見(jiàn)，僅在高還原條件下穩(wěn)定存在。砷的甲基化形式如單甲基砷酸、二甲基砷酸、單甲基亞砷酸和二甲基亞砷酸也能被微生物和浮游植物合成而存在于水體中。

砷酸鹽具有強(qiáng)烈的生物毒性，可以作為一種磷酸同系物起作用，能解耦聯(lián)氧化磷酸化而抑制ATP合成。亞砷酸鹽對(duì)硫氫基(sulfhydryl groups)有強(qiáng)烈親和力，因而能抑制酶的活性。美國(guó)環(huán)保局和國(guó)際癌癥研究中心已把砷酸鹽劃為人類致癌劑。

(3)使用及其暴露的風(fēng)險(xiǎn)

砷有廣泛的利用價(jià)值，其主要用于衛(wèi)生領(lǐng)域，其次是農(nóng)業(yè)和工業(yè)部門。砷被用于農(nóng)藥、殺蟲劑、落葉劑、木材防腐劑、防污油漆、食品添加劑、半導(dǎo)體芯片。

砷化合物的廣泛使用以及含砷礦的溶出，這大大增加了環(huán)境中砷的流通量，因而也增加了對(duì)砷的暴露風(fēng)險(xiǎn)。砷暴露主要來(lái)源于食品和水源。EPA測(cè)定美國(guó)人吞食的無(wú)機(jī)砷大約14mg/天，約占全部砷吸入的20%。有機(jī)砷的吸收來(lái)源于食物。由于有機(jī)砷毒性較無(wú)機(jī)砷低，且易于快速排出，因此人們更關(guān)心對(duì)無(wú)機(jī)砷的吸收。海洋蟹、龍蝦等含10～40mg As/ kg濕重。相比較小的狗魚、鯰魚等淡水魚以及豬肉、牛肉也含砷，一般濃度＜1mgAs/kg。水中的砷濃度受到局部的地化學(xué)的影響。水源水可以受到來(lái)源于金屬硫礦(例如富砷黃鐵礦)瀝濾所產(chǎn)生的富砷鐵氧化物的影響，其濃度高的可達(dá)1000mg/L，這個(gè)濃度要比世界衛(wèi)生組織推薦的高限濃度(10mg/L)高得多。

2.砷的微生物轉(zhuǎn)化

微生物所推動(dòng)的砷轉(zhuǎn)化包括氧化、還原和甲基化等基本過(guò)程。

(1)氧化

微生物氧化砷的能力主要表現(xiàn)在把亞砷酸鹽氧化成砷酸鹽。糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenes faecalis)和砷氧化假單胞菌(Pseudomonas arsenitoxidans)已被證明具有這種能力，后者還能以化能自養(yǎng)代謝方式以亞砷酸鹽為唯一能源生長(zhǎng)。一些研究證明亞砷酸鹽的氧化是共氧化機(jī)理控制的過(guò)程，在某些情況下，亞砷酸鹽氧化可以耦聯(lián)能量的產(chǎn)生。除了水體中的亞砷酸鹽外，砷氧化假單胞菌能攻擊含砷黃鐵礦中的砷，而像氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans)這樣的細(xì)菌也能氧化含砷黃鐵礦、三硫化二砷和硫砷銅礦。

(2)還原

微生物具有還原砷化合物(主要是砷酸鹽)的能力，這種能力基于兩個(gè)方面，其一是基于抗性的把砷酸鹽還原或亞砷酸鹽，然后排出體外;其二是基于生長(zhǎng)的利用砷酸鹽作為末端電子受體來(lái)氧化有機(jī)物取得能量生長(zhǎng)。

砷酸鹽的還原廣泛存在，污水、瘤胃液(rumen fluid)、堆肥以及在各種淡水、海洋環(huán)境都存在。解乳微球菌(Micrococcus lactilyticus)的細(xì)胞抽提物和產(chǎn)氣微球菌(M.aerogenes)能以氫作為還原劑把砷酸鹽還原成亞砷酸鹽。多種假單胞菌(Pseudomonas ssp.)和產(chǎn)堿菌(Alcaligenes ssp.)能還原砷酸鹽、亞砷酸鹽成砷化三氫(H₃As)。甲烷桿菌屬(Methanobacterium)菌株M.O.H的完整細(xì)胞和細(xì)胞抽提物能從砷酸鹽產(chǎn)生二甲基砷。然而這些細(xì)菌還原砷酸鹽的能力未能為它們的生長(zhǎng)提供能量，而被認(rèn)為是代謝過(guò)程的附帶行為，是一種抗性解毒行為。兩種被廣泛研究的解毒系統(tǒng)是大腸桿菌和葡萄球菌屬細(xì)菌的解毒成分。它們還原砷酸鹽成亞砷酸鹽，并把亞砷酸鹽排出體外的系統(tǒng)的相關(guān)酶和蛋白質(zhì)是由ars操縱子編碼的。在大腸桿菌中，操縱子位于染色體和質(zhì)粒R773上，位于膜上的ATPase復(fù)合體(ArsA和ArsB)主動(dòng)輸出細(xì)胞內(nèi)的亞砷酸鹽，ArsC是一種依賴于NADPH的胞質(zhì)蛋白，其酶促砷酸鹽還原為亞砷酸鹽。金黃色葡萄球菌和木糖葡萄球菌的ars操縱子則分別位于質(zhì)粒pI258和pSX267上。銅綠假單胞菌和腸道細(xì)菌科的成員(如志賀氏菌屬、檸檬酸細(xì)菌屬、克雷伯氏菌屬、腸桿菌屬、沙門氏菌屬和歐文氏菌屬)的ars操縱子位點(diǎn)與大腸桿菌類似位于染色體上。

許多細(xì)菌能在厭氧呼吸中利用砷酸鹽作為末端電子受體生長(zhǎng)。它們的生長(zhǎng)能力和培養(yǎng)基中的砷酸鹽濃度成比例。在同樣電子供體條件下，砷酸鹽作為電子受體比硝酸鹽、Mn(Ⅳ)和Fe(Ⅲ)作為電子受體所得能量要少得多，但比硫酸鹽要多得多。發(fā)生在淡水、咸水環(huán)境中沉積物泥漿中砷酸鹽還原已被證明可以耦聯(lián)到細(xì)胞產(chǎn)生能量，呼吸抑制劑以及解耦聯(lián)劑(如二硝基酚、rotenone、2-heptyl-4-hydroxyquinoline、N-oxide)可以阻斷砷酸鹽還原。伴隨砷酸鹽還原的一般是乳酸鹽、甲酸鹽和乙酸鹽的氧化。大多砷酸鹽呼吸菌都在嚴(yán)格厭氧條件下分離出來(lái)，但許多分離菌能耐受少量氧或是微好氧的。砷酸鹽呼吸細(xì)菌的砷還原速率一般為2×10^－13～5×10^－13molAs/cell/day。

能利用砷酸鹽生長(zhǎng)的細(xì)菌在系統(tǒng)分類及生理上十分多樣。分離菌Desulfotomaculum auripigmentum、Bacillus arsenicoselenatis和Bacillus selenitireducens屬于革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌，而Sulfurospirillum arsenophilus和Sulfurospirillum barnesii屬于變形細(xì)菌(真細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育第一類群)的第五亞群(epsilon subdivision)。Chrysiogenes arsenatis是domain細(xì)菌一種更遠(yuǎn)分支的代表種。Woliella succinogenes也能利用砷酸鹽作為末端電子受體，但其在分類上與Sulfurospirilla關(guān)系密切。還原砷酸鹽的所有菌株都能利用乳酸鹽作為碳/能源，但它們能利用的可選擇的其他電子受體是不同的。Chrysiogenes arrenatis是至今分離出來(lái)的砷酸鹽還原菌中唯一能利用醋酸鹽作為碳源和電子供體的。D.auripigmentum是這類細(xì)菌中唯一能還原硫酸鹽的，在某些情況下能導(dǎo)致As₂S₃的沉積。砷酸鹽還原菌的分布不嚴(yán)格限于水環(huán)境(aqueous form)，S.arsenophilus和D.auripigmentum已被證明能生長(zhǎng)在砷酸鐵(ferric arsenate FeAsO₄·2H₂O)上。

許多研究者對(duì)幾種砷酸鹽還原菌生長(zhǎng)在砷酸鹽或其他無(wú)機(jī)氧化物上的能力(在乳酸鹽存在時(shí))進(jìn)行了分子生長(zhǎng)收獲量(YM)的實(shí)際測(cè)定和產(chǎn)生能量的計(jì)算(表11-6)。從表中可見(jiàn)砷酸鹽是這些細(xì)菌的電子受體，所達(dá)到的生長(zhǎng)和砷酸鹽作為氧化劑在呼吸反應(yīng)中得到的自由能大致上成比例。然而這些菌株利用砷酸鹽的途徑不總是同樣的，例如SES-3和OREX-4是不完全氧化，乳酸鹽被氧化成乙酸鹽。而MIT-13則能把乳酸鹽氧化成CO₂。它們從As(Ⅴ)呼吸得到的ΔG₀(耦合到不完全和完全乳酸鹽氧化)差別在2倍以上，但觀察到的生長(zhǎng)收獲量是相應(yīng)不同的。

表11-6　　幾種砷還原菌利用砷酸鹽和其他氧化劑時(shí)的生長(zhǎng)量和取得的(計(jì)算)能量

注:計(jì)算YM(g細(xì)胞/mol乳酸鹽)時(shí)假設(shè)一個(gè)細(xì)胞干重1.9×10^－10mg/細(xì)胞。計(jì)算(ΔG₀'CkJ/mol乳酸鹽)設(shè)定pH=7，P_CO2=1個(gè)大氣壓;SES-3為Sulfurospirillum barnesii的一個(gè)菌株;OREX-4為Desulfotomaculum auripigmentum的一個(gè)菌株;MIT-13為Sulfurospirillum arsenophilus的一個(gè)菌株。

呼吸As(Ⅴ)還原的生化基礎(chǔ)也得到研究，呼吸砷酸鹽還原酶功能組成上也不同于大腸桿菌、金黃色葡萄球菌中抗砷酸鹽的酶(ArsC)。S.barnesii的呼吸砷酸鹽還原酶是多亞基內(nèi)在膜蛋白，天然復(fù)合物的分子量超過(guò)100kU，C.arsenatis的酶是一種周質(zhì)異質(zhì)二聚體，二聚體由兩種亞基組成，二者的分子量是87kU(ArrA)和29kU(ArrB)。S.barnesii的Km接近0.2mmol/L，C.arsenatic的Km是0.3mmol/L。二者的砷酸鹽還原酶看來(lái)是利用輔因子(如鉬、鐵、酸不穩(wěn)定硫(acidlabile fulfur))和鋅轉(zhuǎn)移電子到砷酸鹽。S.barnesii在利用砷酸鹽生長(zhǎng)時(shí)存在b型細(xì)胞色素，這種色素也參與電子轉(zhuǎn)移。呼吸砷酸鹽還原酶也不能利用硝酸鹽、硫酸鹽、硒酸鹽和延胡索酸作為電子受體，同時(shí)酶的合成受到砷酸鹽存在的調(diào)控。相反ArsC酶是周質(zhì)單體，其分子量大約為15kU，酶利用被還原的雙硫醇(dithiols)轉(zhuǎn)移電子，并有明顯較高的Km。金黃色葡萄球菌有一個(gè)2mmol/L的Km，而大腸桿菌的Km是8mmol/L。

(3)甲基化

在用含砷顏料希爾綠著色紙糊的房間里曾發(fā)生了人的中毒事件。后來(lái)研究表明是由于墻壁上真菌生長(zhǎng)，砷化物在這些微生物的作用下，釋放出一種大蒜氣味的揮發(fā)性毒物——三甲基砷所致。許多真菌能參與三甲基砷的形成，包括鐮孢霉屬、曲霉屬、擬青霉屬、帚霉屬、青霉屬、紅色發(fā)癬菌、土生假絲酵母、粉紅黏帚霉等。此外許多細(xì)菌也能把砷酸鹽、亞砷酸鹽轉(zhuǎn)變成甲基砷。無(wú)色桿菌屬、腸桿菌屬的許多菌株能把砷酸鹽轉(zhuǎn)化成單甲基砷和二甲基砷。氣單胞菌屬、諾卡氏菌屬的許多菌株可以把砷酸鹽轉(zhuǎn)變成單甲基砷、二甲基砷和三甲基砷。另一方面許多微生物還能進(jìn)行脫甲基化過(guò)程，重新產(chǎn)生As(Ⅴ)。

和汞甲基化一樣，甲基鈷胺素是砷生物甲基化中的甲基供體。

(4)砷轉(zhuǎn)化過(guò)程在修復(fù)砷污染環(huán)境中的應(yīng)用

人類生產(chǎn)、生活活動(dòng)的加劇造成大量的砷進(jìn)入流通狀態(tài)，從而對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成巨大的壓力，砷污染生態(tài)環(huán)境的情況也常常發(fā)生。微生物對(duì)砷化合物的轉(zhuǎn)化能力可以在砷污染環(huán)境的修復(fù)中發(fā)揮作用。有研究報(bào)道在受砷污染的湖泊沉積物中用最大概率數(shù)法(MPN)測(cè)定可培養(yǎng)砷還原細(xì)菌的密度接近10⁴細(xì)胞/g濕重沉積物。而且這些沉積物的微宇宙也能在加入有機(jī)酸促進(jìn)時(shí)還原加入的砷酸鹽達(dá)50%以上。這種砷還原菌被證明能把砷從土壤轉(zhuǎn)移到水體，從而有助于砷污染土壤的修復(fù)。而在異位生物反應(yīng)器中則可以轉(zhuǎn)化污染土壤中的砷，釋放出來(lái)的亞砷酸鹽然后和硫酸鹽結(jié)合形成沉積物(如As₂S₃)，或者再氧化(通過(guò)生物學(xué)或化學(xué)的)重新形成砷酸鹽，形成的砷酸鹽通過(guò)吸附到三價(jià)鐵(ferric iron)上得到去除。對(duì)砷轉(zhuǎn)化微生物的生理學(xué)、生物化學(xué)、生態(tài)學(xué)的深入研究將使我們理解在什么程度和什么條件下可以影響環(huán)境中的砷循環(huán)，從而有助于提出利用這些微生物修復(fù)污染的生態(tài)環(huán)境。