《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Humus-reducing bacteria in heavy metal bioremediation: Mechanisms, challenges, and prospects
编辑推荐：
本文综述了腐殖质还原菌（HRB）在重金属生物修复中的核心作用，系统阐述了其通过生物吸附、生物矿化、电子穿梭等多种机制，将有毒可溶态重金属（如Pb2+、Cd2+、Cr6+）转化为低毒稳定形态。文章深入剖析了HRB的代谢通路、关键菌属、影响因素，并探讨了与植物修复、纳米材料等策略联用的前景，为开发高效、可持续的环境修复技术提供了重要见解。
腐殖质还原菌：重金属污染的“自然净化师”
在全球工业化与城市化进程飞速发展的今天，重金属污染已成为威胁生态环境与人类健康的严峻挑战。传统的物理化学修复方法往往成本高昂、效率有限，且可能带来二次污染。于是，人们将目光投向了自然界中那些默默无闻的“清洁工”——微生物。其中，一类能够利用腐殖质（Humic Substances, HS）的特殊细菌，即腐殖质还原菌（Humus-reducing Bacteria, HRB），正展现出巨大的生物修复潜力。它们如同土壤中的“电子工程师”和“矿物建筑师”，通过一系列精妙的生物化学过程，将游离的有毒重金属“锁住”或“转化”，从而净化我们的环境。
腐殖质还原菌与重金属的相互作用机制
HRB之所以能成为优秀的“污染治理员”，得益于其多样化的“工作技能包”。其核心机制在于能够将腐殖质（主要是其中的醌类结构）作为终端电子受体进行还原。这一过程产生的还原态腐殖质充当了“电子 shuttle（穿梭车）”，可以将电子进一步传递给难以直接接触的重金属离子，改变其氧化态，从而降低其毒性和迁移性。
1. 生物吸附（Biosorption）
这是HRB应对重金属的“第一道防线”。细菌的细胞壁及其分泌的胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）表面富含羧基、磷酸基、羟基等官能团，它们像一只只“小手”，通过离子交换、络合、沉淀等物理化学作用，将溶液中的重金属离子（如Pb2+、Cd2+）牢牢吸附在细胞表面。例如，微球菌（Micrococcus luteus）能高效吸附铅，而假单胞菌（Pseudomonas）和芽孢杆菌（Bacillus）等属的许多HRB成员都是知名的重金属生物吸附剂。这个过程不依赖于细胞代谢活性，即便是不活跃的菌体也能发挥作用，具有快速、经济的特点。
2. 生物矿化（Biomineralization）
如果说生物吸附是“抓住”重金属，那么生物矿化就是“封印”重金属。HRB能够诱导重金属形成稳定的矿物晶体沉淀，使其长期固定。这主要通过三种途径实现：
- •
微生物诱导碳酸盐沉淀（Microbial-induced Carbonate Precipitation, MICP）：某些HRB（如巴氏芽孢八叠球菌 Sporosarcina pasteurii）能水解尿素产生碳酸根离子，与重金属离子结合形成碳酸盐矿物，如碳酸铅（PbCO3）。
- •
微生物诱导磷酸盐沉淀（Microbial-induced Phosphate Precipitation, MIPP）：这是HRB修复重金属最有效的途径之一。细菌分泌的碱性磷酸酶等能将环境中的有机磷水解为磷酸根离子，后者与Cd2+、Pb2+等离子形成极难溶解的磷酸盐矿物，例如磷酸铅（Pb3(PO4)2）。研究表明，MIPP对污染土壤中铅的去除率可达95%。
- •
微生物诱导硫化物沉淀（Microbial-induced Sulphide Precipitation, MISP）：在厌氧条件下，硫酸盐还原菌等可将硫酸盐还原为硫化物，进而与重金属形成硫化物沉淀，如硫化铅（PbS）。
3. 电子穿梭（Electron Shuttling）与还原转化
这是HRB最具特色的“专长”。腐殖质中的醌基团可以被HRB（如地杆菌 Geobacter、希瓦氏菌 Shewanella）还原。还原态的腐殖质作为可移动的电子载体，能将电子传递给高毒性、高迁移性的重金属离子，将其还原为低毒、难溶形态。例如，将致癌的六价铬（Cr6+）还原为毒性较低的三价铬（Cr3+），或将可溶性的六价铀（U6+）还原为不溶性的四价铀（U4+）沉淀。这个过程就像建立了一条“电子高速公路”，即使细菌与污染物不直接接触，也能实现远程修复。
4. 其他防御策略
除了上述主要机制，HRB还拥有一套完整的“生存工具箱”：
- •
生物氧化（Biological Oxidation）：有些细菌能将某些重金属氧化，改变其形态。例如，将毒性更强的三价砷（As(III)）氧化为毒性较弱、更易吸附的五价砷（As(V)）。
- •
应激酶系统（Stress Enzyme）：面对重金属胁迫产生的活性氧（ROS），HRB会启动抗氧化酶系统（如超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT）进行防御，保护自身细胞结构。
- •
外排系统（Efflux System）：HRB的细胞膜上存在特异性的外排泵蛋白，能像“水泵”一样将进入细胞的重金属离子主动排出，维持细胞内环境稳定。
菌群协作：高效修复的“团队力量”
在真实环境中，HRB很少单独行动，它们通常以“菌群联盟”的形式协同工作。在这个联盟里，不同菌种各司其职：有的（如Geobacter）是“发电站”，专司腐殖质还原，提供电子流；有的（如Bacillus）是“建筑师”，分泌大量EPS，形成生物膜“粘合”并固定重金属矿物；还有的（如Cupriavidus）是“清道夫”，专门外排特定重金属。它们之间通过腐殖质介导的种间电子转移（Interspecies Electron Transfer, IET）和代谢互养关系紧密联系，这种功能互补与分工协作，使得菌群能够同时处理多种重金属混合污染，修复效率和稳定性远高于单一菌株。
腐殖质还原菌生物修复的优势与挑战
显著优势
HRB技术之所以备受瞩目，源于其多重绿色优势：它是环境友好且可持续的过程，依赖于自然界的微生物和腐殖质；能够将有毒金属转化为无害或低毒形态，从根本上降低风险；在厌氧或低氧环境中依然能高效工作，适用于地下水、沉积物等修复场景；一些菌株（如Geobacter）具备多金属同步修复能力；并且，该技术能支持生态系统自然恢复，改善土壤健康和微生物多样性。
面临挑战
然而，将HRB技术推向大规模应用仍面临诸多挑战。其修复效果高度依赖于环境的氧化还原电位（Redox potential），一旦体系从还原态转为氧化态，已被固定的重金属可能重新活化迁移。环境中复杂的微生物群落动态、温度、pH、共存离子等因素都会显著影响HRB的活性与功能。此外，修复过程可能缺乏对特定重金属的绝对选择性，监控和评估原位修复进程也较为复杂。如何确保引入的HRB菌群能够定殖并稳定发挥作用，同时不干扰本地微生物群落和养分循环，也是需要深入研究的课题。
未来展望：迈向智能化与集成化的修复
面对挑战，未来的研究将聚焦于多个前沿方向。利用合成生物学和基因工程技术，改造或设计具有更强腐殖质还原能力、更高重金属耐受性和特异性的工程菌株，是一个充满潜力的方向。优化不同来源腐殖质（胡敏酸、富里酸等）与HRB的组合配方，以最大化修复效率并最小化副作用，是另一关键。此外，将HRB修复与植物修复（Phytoremediation）或纳米材料技术耦合，形成“微生物-植物”或“微生物-纳米材料”联合修复体系，有望发挥协同效应，实现更彻底、更快速的场地修复。最后，开展长期的野外试验和监测，评估HRB技术在真实复杂环境中的稳定性、有效性及生态安全性，是推动其从实验室走向工程应用的必由之路。
总之，腐殖质还原菌作为自然界馈赠的宝贵资源，在重金属污染治理领域展现出独特的魅力和广阔的应用前景。随着对其中微观机制认识的不断深入和跨学科技术的融合创新，这些土壤中的“微观清洁工”必将在建设清洁美丽世界的过程中扮演愈发重要的角色。
