微生物固定重金属铅的微观机制及其环境效应

The key scientific problem of the project is the micro-mechanism of immobilization of heavy metal lead by microbes and its environmental effect. In this project, the main ways and mechanism of immobilization of lead ions in aqueous solution by different lead-tolerant microbes and the occurrence states and forming rules of lead-containing solid phases in the cell inside and outside will be studied by means of research methods of mineralogy, geochemistry, biochemistry and microbiology. The micro-mechanism of immobilization lead by different microbes and the mineralogical features of lead-containing solid phases will be confirmed in this project..The main research contents of the project include studying lead-tolerant microbial phenotypic, physiological biochemical and system taxonomy features, and determining the best lead-fixing microbes; analyzing the primary influencing factors of oxidation and reduction of lead by microbes, and optimizing experimental conditions of immobilization lead by microbes; characterizing the presence modes of lead in the microbial cells inside and outside, and the morphology, size, structure and chemical composition of lead-containing solid phases, ascertaining the typomorphic features of lead minerals in the microbial cells inside and outside; analyzing and studying the surface features of microbial cells, the characteristics of microbial metabolites and extracellular electronic transfer modes and processes, and expounding the primary way and micro-mechanism of oxidation and reduction of lead by microbes; proposing the new idea and technology for preventing and controlling lead contamination.

本项目围绕微生物固定重金属铅的微观机制及其环境效应这一关键科学问题，针对不同耐受铅微生物对水溶液重金属铅离子的固定途径和机制以及含铅固相在细胞内外的赋存形式和形成规律等具体问题，开展矿物学、微生物学、生物化学、地球化学等多学科交叉研究，旨在查明不同微生物固定铅离子的微观机制以及含铅固相的矿物学特征。系统研究耐受铅微生物的表型、生理生化和系统分类学特征，确定最佳固铅微生物；分析影响微生物固定铅的主要因素，优化微生物固定铅的实验条件。研究铅在微生物细胞内外的赋存形式以及含铅固相的形貌、大小、结构和化学组成等矿物学特征，确定胞内和胞外含铅矿物的标型特征，揭示含铅物相的形成规律和分布特点；分析和研究微生物的细胞表面特征、代谢产物组成以及胞外电子的传递方式和过程，揭示微生物氧化和还原铅的主要途径和机制，提出防治铅污染的新思路和新技术。

随着工农业的发展，重金属对环境的污染日益严重，如何修复和治理重金属污染是当前亟待解决的关键问题。本项目结合国家需求研究了微生物固定重金属铅的微观机制及其环境效应。到目前为止，研究工作已顺利完成，并取得了一些创新性成果。主要成果包括：（1）分离和筛选了固定和转化铅离子的微生物12株，研究了不同微生物的生长和生理生化特征以及分子生物学特性，查明了铅离子对微生物生长和代谢的影响机制。（2）研究了多种真菌在不同环境条件下对铅离子的吸附和固定作用，证明了不同真菌对铅离子都具有较强的固定作用，固定率都可以达到90%以上；外加电流和半导体光电子能够促进微生物对铅离子的吸附和固定。（3）利用多种表征方法研究了铅在细胞内外的赋存形式以及含铅固相的矿物学特征，阐明了铅离子在胞外的分布形式主要是草酸铅；在胞壁的分布形式主要是PbS、[Pb5(PO4)3Cl]、有机铅；铅离子在胞内的分布形式主要是单质铅和铅的氧化物。（4）借助于多种分析测试方法研究了界面微环境电子载体与铅离子的作用方式以及真菌蛋白组学特性，揭示了微生物固定和转化铅离子的微观机制主要是吸附、氧化和还原作用。本课题将有力地促进微生物修复重金属污染技术和理论的研究，为防治和修复重金属污染提供绿色环保的新技术和新方法。在本项目的支持下发表论文11篇，申请专利5项，参加国际和国内会议8次，开展了国际合作与交流。