【文献精选】重金属污染土壤“清洁师”——锰(II)氧化细菌

原文标题：Discovery of a novel native bacterium of Providencia sp. with high biosorption and oxidation ability of manganese for bioleaching of heavy metal contaminated soils
中文翻译：一种对重金属污染土壤具有高吸附和氧化能力的天然新细菌----Providencia sp.原文作者：Ding Li, et al.
期刊来源：Chemosphere
影响因子：  IF=5.78 （JCR 1区）
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.125039

随着我国工业化的飞速发展，土壤环境状况不容乐观，尤其是重金属的污染，使土壤环境质量颇为堪忧。研究者在陆地土壤中发现的锰(II)氧化细菌具有较强的对Mn(II)的生物吸附能力，并通过多种表征方法探究该细菌对Mn(II)的“清洁”过程。让我们一起来快速提取本篇文献的重要信息，揭开锰(II)氧化细菌的神秘面纱！
背景介绍


微生物产生的生物氧化锰(BioMnO_x)凭借其具有大的表面-体积多孔结构而被认为是一种很有前途的清除水体和土壤中有毒金属和有机物的药剂。
在某些情况下，生物氧化物和金属之间的不同相互作用性质使得某些金属优于其他金属的吸附。除了强大的吸附能力，BioMnO_x被认为是环境中最强的氧化剂之一，不仅可以氧化不同的有机物质(如抗生素、染料、杀菌剂和内分泌干扰物)，而且还可以转化高毒性金属（比如As(III), Cr(III) 和 U(VI)）。
锰(II)氧化微生物，特别是细菌，在加速自然界锰生物矿化速率方面发挥着主导作用，氧化速率比非生物途径快几个数量级。以往的研究显示,只有几个海洋或淡水来源的锰(II)氧化细菌通常可以吸附金属和降解有机物。
最近，一些研究发现了陆地土壤中也存在锰(II)氧化细菌。然而，土壤环境中的锰(II)氧化细菌在环境修复中的应用仍然有限。因此，扩大其在环境问题上的实际应用，丰富锰(II)氧化菌在环境保护中的应用领域是十分有必要的。
全文速览


本文详细研究了一种新型土壤源菌对锰(II)的生物吸附/氧化机理及其对土壤重金属的生物浸出效率。本研究从重金属污染土壤中发现、分离并鉴定了一株新的高耐锰菌株Providencia sp. LLDRA6。
其次，该菌株在水溶液中表现出了较高的对Mn(II)的生物吸附能力。研究认为新菌株LLDRA6对Mn(II)的吸附很大程度上是由于(i) Mn(II)在细胞表面的沉淀；(ii) Mn(II)在细胞表面的生物氧化；(iii)细胞内不溶性MnCO₃的积累的协同作用。
最后，该研究提出了利用Providencia sp.和其形成的生物膜联合生物浸出技术来修复严重重金属污染的土壤。生物浸出测试表明在Providencia sp. LLDRA6和生物氧化锰（BioMnO_x）的协同作用下在受污染的土壤中表现出绝佳的重金属铅、铬、镉、铜、锰和锌等的去除效率，比Providencia sp. LLDRA6单菌去除效果增加了1.68%-26.4%。
此外，细菌渗滤液促进了残余金属组分在土壤中转化为易迁移的组分。这些研究结果表明，LLDRA6菌株具有较高的吸附能力，可以去除污染土壤中的重金属，为环境生物修复提供了一种很有前途的生物吸附剂。
方法解读


1. 取样、细菌筛选与鉴定从湖南株洲冶炼厂附近采取土壤样品进行筛菌。土壤样品稀释预处理后，在添加不同浓度Mn的LB琼脂培养基上进行细菌筛选和纯化。最终得到一个耐Mn的菌落LLDRA6。经过16S rDNA序列相似性大于99%鉴定为Providencia sp并构建系统发育树，属于一个新型细菌（图1）。

图1 （B）不同浓度Mn条件下的细菌生长曲线（C）构建的系统发育树
2. 锰处理条件下细菌细胞的形态特征借助扫描电子显微镜（SEM）对无锰培养条件下细菌的形态观察如图2A。Providencia sp. LLDRA6的形貌呈棒状，平均直径约为1μm，符合Providencia sp的典型特征。在添加了50 mM Mn(II)的LB培养基中，细胞表面形成片状物质（图2B）。随着Mn(II)浓度从50mM增加到200mM，在图2C中可以观察到细胞表面沉积的分层物质和细胞间网状丝。能量色散x射线能谱仪(EDS)结果显示，作为对照，在无Mn(II)培养基中培养的细菌细胞在正常细胞表面出现了几个典型的C、N、O、Na、P和K的峰（图2D）。当50 mM Mn(II)与细胞共培养时，出现了两个新的Mn峰（图2 E），证实了LLDRA6在细胞表面吸附锰的特性。图2F则利用傅里叶红外光谱分析（FT-IR）确认了LLDRA6可以吸附Mn(II)。
图2 （A）正常细胞的SEM图像。(B)细胞在添加了50 mM Mn的LB液体培养基中生长的SEM图像(II)。(C)细胞在200mM Mn(II) LB培养基中生长的SEM图像。(D)未被Mn(II)生物吸附的正常细胞EDS谱。(E) 50 mM Mn生物吸附后的细菌细胞EDS谱(II)。(F) (a)被生物吸附50 mM Mn的细胞(II)和(b)未被生物吸附的正常细胞的FT-IR光谱。
3. 那么如何来证实不同价态的锰是吸附于细胞表面呢作者利用X射线光电子能谱学（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）来进行了验证 （图3）。
图3 (A)对照细胞的XPS谱。(B) 50 mM Mn(II)生物吸附后细胞的XPS光谱。(C)锰2p的XPS光谱。(D)不同处理条件下锰氧化的定量检测。(E)7天内含有25-200 mM 的Mn(II)的LB液体培养基的细胞产生的BioMnOx的定量分析。(F)7天内在不同浓度锰(II)条件下的细胞生长情况。
4. 那么，锰是否会在细菌的胞内进行聚集呢作者进一步采用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）来验证。用透射电镜检测LLDRA6细胞内Mn的积累。图4A显示了不含Mn(II)的LB培养基中的正常细胞形态。
相比之下，在50或200 mM Mn(II)溶液中培养的细菌细胞比正常的细胞颜色更深(图4B和C)，说明细胞内积累了大量的Mn。此外，生物氧化物在细胞表面结晶和聚集。通过对比对照组细胞和经50 mM Mn(II)处理的细胞，作者进一步应用X射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）检测细胞中可能存在的Mn形态。在图4D中，对于任何类型的Mn，对照组的XRD都没有特征峰。
图4 不同处理条件下的菌体TEM图像及XRD图谱
5. 此外，该研究还探究了不同影响因素（固液比，图5A；处理时间，图5B；单菌与加入生物氧化锰，图5C）对金属的不同的去除效果，进一步比较了实验条件对去除率的影响。
图5 不同处理条件对金属去除率的影响。
总结


总的来说，这项工作提出了一种新的土壤源性锰(II)氧化菌株，可以有效地和经济地去除污染土壤中的重金属，显示了它在环境应用方面的巨大潜在前景。
看完以上介绍是不是对土壤源性锰(II)氧化菌株这位“清洁大师”刮目相看呢？微生物修复技术是未来土壤修复技术的发展趋势，具有很大的发展空间和潜力，更多“清洁”菌株还在等着你来发现，让我们一起为土壤修复助力！
更多信息请看原文：https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.125039
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