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吞金、解毒、开矿……我说的是微生物

来源:科普中国
发布时间:2021-01-19
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      “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、胞外沉淀和胞内积累。

  胞外沉淀是指由细菌产生的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,阳离子会不断地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”的金属被吸入到微生物体内,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+等) 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”。

  研究发现,一些微生物在不同的土壤环境中,通过一系列的活动使As、Cr、Hg和Zn等金属元素的价态发生改变,使它们的毒性、溶解度、迁移性等性质发生改变。例如,一些嗜酸菌能通过自身的代谢活动使高毒性的六价铬(一类致癌物质)转化为低毒的且溶解性更小的三价铬,毒性降低明显。

  微生物——工业的“大威胁”

  《神异经》有云:“南方有兽焉,角足大小形状如水牛,皮毛黑如漆,食铁饮水,其粪可为兵器,其利如刚,名曰啮铁。”,这是我国关于食铁兽的记载,自然界中恰恰是微生物和植物承担了“食铁”之重任。除了相互吸引之外,一些微生物和金属在某种程度上也是世仇。

  工业设备、航天器材、远洋船只等,一直都受到微生物的威胁。因为部分微生物的生命活动间接地对金属腐蚀的电化学过程产生影响,继而加剧金融腐蚀进程,从而破坏钢铁产品,其实质是一种电化学腐蚀。

  常见的微生物腐蚀金属菌类有好氧型铁细菌、锰细菌和厌氧型的硫酸盐还原菌。其中,好养性铁细菌是从氧化二价铁过程中获得能量,将二价铁离子转变为三价铁离子,并且具备产生氢氧化铁的沉积物能力,形成了锈蚀垢,不断加剧腐蚀过程,最终破坏钢铁制造的产品。

  金属与微生物之间的关系剪不断,理还乱,目前很多作用机理还有待完善。但是人类对于微生物在金属材料领域的应用从未停止,尤其是在重金属污染处理、土壤修复、寻矿开采、金属回收利用等方面应用广泛。
知识点问答
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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。
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