吞金、解毒、開(kāi)礦，我說(shuō)的是微生物

出品：科普中國(guó)

制作：張小東（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

“敦煌壁畫(huà)”為什么會(huì)褪色？航天器材為什么會(huì)害怕微生物的入侵？金屬材料是如何參與到地球循環(huán)里面的？金屬與微生物之間又有什么關(guān)系？

金屬看起來(lái)無(wú)堅(jiān)不摧，小小的微生物又是怎么將它制服的呢？今天，就讓我們一起了解微生物與金屬“相愛(ài)相殺”的那些事兒。

愛(ài)“收集”的微生物

金屬元素廣泛分布于自然環(huán)境和人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)中，在自然環(huán)境中，金屬一般以金屬礦物的形式存在于巖石圈、土壤圈等，在海洋、湖泊等水環(huán)境中一般以金屬離子的形式存在。不管是在巖石圈還是在海水中，微生物都可以完成對(duì)金屬的“收集”工作，樂(lè)此不疲。微生物“收集”金屬，也被稱(chēng)為固定金屬、生物濃縮或者生物吸附作用。

微生物“收集”金屬的方式是非常多樣的，可以歸納為胞外吸附絡(luò)合、胞外沉淀和胞內(nèi)積累。

胞外沉淀是指由細(xì)菌產(chǎn)生的某些物質(zhì)和溶液中的金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成不溶的金屬化合物的過(guò)程。例如某些細(xì)菌細(xì)胞表面的磷酸脂酶能裂解甘油—2磷酸脂，繼而產(chǎn)生沉淀，可溶性金屬的磷酸一氫根離子能夠與錫、鉛和鈾等重金屬生成微溶于水或者不溶于水的沉淀，繼而留住了金屬離子。

表面吸附是指微生物表面的負(fù)電荷官能團(tuán)吸附金屬陽(yáng)離子的過(guò)程。在重金屬污水中，通常情況下金屬離子為陽(yáng)離子，陽(yáng)離子會(huì)不斷地尋求機(jī)會(huì)與陰離子結(jié)合。恰恰微生物細(xì)胞壁表面存在硫基、磷酸基、羥基、羧基等官能團(tuán)，使微生物表面具備“負(fù)電荷”，這些官能團(tuán)能為金屬離子提供配位絡(luò)合的電子對(duì)，使金屬被吸附在細(xì)胞壁上，如圖1所示。除此之外，微生物還可通過(guò)離子交換、表面絡(luò)合等方式“收集”金屬。

圖 1微生物“收集”金屬示意圖

胞吞作用（endocytosis）是指微生物細(xì)胞內(nèi)固定金屬的過(guò)程。由于物理化學(xué)作用，金屬被吸附到細(xì)胞表面，接著將所“收集”的金屬被吸入到微生物體內(nèi)，如圖2所示。例如枯草芽孢桿菌中螯合的鉛有8. 5%通過(guò)物理包裹在細(xì)胞壁內(nèi)。

圖 2胞內(nèi)聚集

（圖片來(lái)源：工程科學(xué)學(xué)報(bào)）

微生物——人類(lèi)的好助手

20世紀(jì)80年代報(bào)道了一種新的礦產(chǎn)勘探技術(shù)，利用微生物來(lái)對(duì)金屬礦藏進(jìn)行探測(cè)。一時(shí)間人們對(duì)于利用微生物“淘金”產(chǎn)生了極大熱情，微生物成為了一名光榮的“勘探工人”。

微生物之所以能夠幫助人類(lèi)完成勘探工作，是因?yàn)椴煌⑸飳?duì)于重金屬的毒害作用的敏感性是存在差異的。某些微生物可以忍耐含量較高的金屬，因此這些微生物會(huì)優(yōu)先生長(zhǎng)于高含量金屬地區(qū)，探測(cè)到了這種特定的微生物，也就相當(dāng)于探測(cè)到了金屬礦藏。

微生物不僅僅是勘探工，還是名副其實(shí)的“礦工”，能夠有效地將所需要的金屬開(kāi)采出來(lái)。微生物利用自身對(duì)礦物的氧化還原特性，將礦物中的金屬溶解到浸礦溶液（一種溶液能夠?qū)⒐虘B(tài)的礦石轉(zhuǎn)化為液態(tài)，繼而獲取含金屬礦液，完成開(kāi)采）中，或者利用微生物的代謝產(chǎn)物 (如檸檬酸、草酸、Fe3+等) 使礦物溶解，也可利用礦物中的金屬絡(luò)合將礦物氧化、還原使礦物溶解，繼而實(shí)現(xiàn)采礦目的，這也是“壁畫(huà)”會(huì)失去光澤的原因之一。

除了探測(cè)金屬、開(kāi)采礦藏以外，微生物還能修復(fù)土壤重金屬污染。

工業(yè)發(fā)展帶來(lái)了重金屬污染，被排放到自然環(huán)境中的重金屬不僅危害著人類(lèi)，還給各種各樣的微生物帶來(lái)了威脅。不過(guò)，微生物可以通過(guò)降低重金屬元素的毒性來(lái)進(jìn)行“自救”。

研究發(fā)現(xiàn)，一些微生物在不同的土壤環(huán)境中，通過(guò)一系列的活動(dòng)使As、Cr、Hg和Zn等金屬元素的價(jià)態(tài)發(fā)生改變，使它們的毒性、溶解度、遷移性等性質(zhì)發(fā)生改變。例如，一些嗜酸菌能通過(guò)自身的代謝活動(dòng)使高毒性的六價(jià)鉻（一類(lèi)致癌物質(zhì)）轉(zhuǎn)化為低毒的且溶解性更小的三價(jià)鉻，毒性降低明顯。

微生物——工業(yè)的“大威脅”

《神異經(jīng)》有云：“南方有獸焉，角足大小形狀如水牛，皮毛黑如漆，食鐵飲水，其糞可為兵器，其利如剛，名曰嚙鐵。”，這是我國(guó)關(guān)于食鐵獸的記載，自然界中恰恰是微生物和植物承擔(dān)了“食鐵”之重任。除了相互吸引之外，一些微生物和金屬在某種程度上也是世仇。

工業(yè)設(shè)備、航天器材、遠(yuǎn)洋船只等，一直都受到微生物的威脅。因?yàn)椴糠治⑸锏纳顒?dòng)間接地對(duì)金屬腐蝕的電化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生影響，繼而加劇金融腐蝕進(jìn)程，從而破壞鋼鐵產(chǎn)品，其實(shí)質(zhì)是一種電化學(xué)腐蝕。

常見(jiàn)的微生物腐蝕金屬菌類(lèi)有好氧型鐵細(xì)菌、錳細(xì)菌和厭氧型的硫酸鹽還原菌。其中，好養(yǎng)性鐵細(xì)菌是從氧化二價(jià)鐵過(guò)程中獲得能量，將二價(jià)鐵離子轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r(jià)鐵離子，并且具備產(chǎn)生氫氧化鐵的沉積物能力，形成了銹蝕垢，不斷加劇腐蝕過(guò)程，最終破壞鋼鐵制造的產(chǎn)品。

金屬與微生物之間的關(guān)系剪不斷，理還亂，目前很多作用機(jī)理還有待完善。但是人類(lèi)對(duì)于微生物在金屬材料領(lǐng)域的應(yīng)用從未停止，尤其是在重金屬污染處理、土壤修復(fù)、尋礦開(kāi)采、金屬回收利用等方面應(yīng)用廣泛。