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砷对人体的危害和其微生物处理研究
【摘
要】
：
砷是一种以
有毒而著名的类金属。<
/p>
砷在化学元素周期表的位置正好位于磷的下方，
正是由于两者化学
习性相近，
所以砷很容易被细胞吸收导致中毒。
砷化合物均有毒
性。
由于
五价砷会在许多生化反应中与磷酸竞争，
因为键结的不稳定，
很快会水解而导致高能键
(
如
ATP)
的消失。砷的过量摄入会导致皮肤，肠胃道，肝，肾
脏，心血管系统，神经系统，呼
吸系统等出现病变。
如今微生物
修复技术逐渐成熟，较传统治理方法有绿色，环保，与环境
和谐相处等优点，因此微生物
修复砷技术已成为研究的热门。
关键字：
砷，微生物，微生物修复
0
引
言
砷位于化学元素周期表中位于第<
/p>
4
周期、第
VA
族，原子序数
33
，元素符号
As
，
具有两性，是广泛分布于自然界的非金属元素。无机砷的毒性强于
有机砷，另外有机砷
及无机砷中又分别分为三价砷
(As2O<
/p>
3
)
及五价砷
(
NaAsO
3
)
，
< br>在生物体内砷价数可互相转
变。其中，五价砷毒性约是三价砷毒性的
60
倍。随着社会经济和工业的发展，全球许
多国家
面临严重的砷污染威胁，砷污染已成为人们普遍关注的环境污染问题之一。据统
计，在美
国国家环保局超级基金计划的污染场地中，有
41%
的污染场
地存在砷污染问
题
[1]
在印度、孟加
拉国和中国
(
包括台湾省
),
居民饮用的地下井水中含有高浓度的无机砷
[2]
。中国也是受砷污染最为严重的国家之一，新疆、内蒙、陕西、湖南、云南、贵州、
广
西、广东、台湾等省区的砷污染均比较严重
[3]
。因此，砷的
治理已经越来越引起人民
的关注，成为了众多科研人员的研究课题。
1
砷对机体的危害
砷侵入人体后，除由
尿液、消化道、唾液、乳腺中排泄外，就蓄积于骨质疏松部、
肝、肾、脾、肌肉、头发、
指甲等部位。砷作用于神经系统、刺激造血器官，长时期的
少量侵入人体，对红血球生成
有刺激影响，长期接触砷会引发细胞中毒和毛细管中毒，
还有可能诱发恶性肿瘤。
1.1
砷对肠胃道、肝脏、肾脏的毒性
肠胃道症状通常是在食入砷或经由其它途径大量吸收砷之后发生。
最近
,
从动物试验
的结果里
,
我们发现了砷化合物分布到不同脏器内的化学形态也是不同的。
由于不同形态
的砷化合物的毒性不同
,
研究血液中砷化合物的形态分布具有更重要的意义
[4]
。例如
,
对
iAs
Ⅲ有不同抵抗性的两种动物
(
大鼠和仓鼠
)
的各器官和组织中
,
砷的化学形态明显不同
[5]
。三价砷会抑制含
-SH
的酵素，配合五价砷在许多生化反应中与磷酸竞争的作用，会
导致
ATP
的消失。机体吸收大量的砷以后肠胃
道血管的通透率会增加，造成体液的流
失以及低血压。肠胃道的年末可能机一部发炎，造
成胃穿孔。砷的暴露会观察到肝脏酵
素的上升。迄今为止已经知道砷可以抑制多种酶的活
性
[6]
，酶活性的降低和缺失是造成
器官病变的主要原因之一。
1.2
砷的致癌性
< br>最近
,
从动物试验的结果里
,<
/p>
我们发现了砷化合物分布到不同脏器内的化学形态也是不
同的。尤
其在肺和膀胱内
,
大部分砷以二甲基化砷化合物的形态存在
[7]
,
从而进一步了解到靶
脏器
(
肺和膀胱
)
的癌变也许和双甲基砷化物的累积有很大的关系。活性氧及自由基
(re
active
oxygen species, ROS)
是
人和动物体正常氧化代谢的产物。
机体产生的自由基包括有氮氧物
自由基
(NO
、
NO
2
)
和活性氧
(H
2
O
2
、
HO
·
、
RO·
、
ROO
·
、
ROOH
、
HOCl)
等。
由于生物体内同时存
在着抗氧化防御体系
,
在生理状态下二者维持动态平衡
,
从而保护细胞
不被损伤。最近
,
有学者提出砷的致癌机理主要与
ROS
的生成有关
,
认为无机砷在体内发生
甲基化反应的时候可以产生
ROS,
而且它以破坏抑癌
基因或增加原癌基因
(Pro-Onc)
使正常
细胞变为癌细胞
[8]
。有资料显示
< br>,
长期暴露于高砷环境可诱导
ROS(
< br>包括活性氧和自由基
)
的
产生<
/p>
,
导致细胞膜上的磷脂分子所富含的多不饱和脂肪酸生成脂质过氧
化物
,
诱发脂质过氧
化反应。而且自由
基
(HO#)
可直接损伤细胞核内的
D
NA
导致
DNA
单链断裂或双链断裂<
/p>
,
引
起缺失突变
[9]
。
2
砷的微生物处理
< br>与传统物理化学方法相比，用微生物法处理含砷废水具有经济、高效且无害化等优点，
已成为公认最具发展前途的方法。
微生物修复是砷污染修复的重要技术，
本文对微生物对砷
的专性吸附，微生物对砷的形态转化及含砷化合物的降解
和挥发和微生物
-
根系互作对土壤
砷污
染的影响以及微生物砷修复的分子生物学四方面进行微生物砷修复机制的阐述。
2.1
微生物对砷的专性吸附
存在于微生物表面的多种极性官能团能够通过与重金属，
包括砷离子发
生定量化合反应
(
如离子交换
配位结合或络合等
)
而达到固定重金属的目的
G.
研究发
现，死菌也可以吸附
重金属，
主要是由于细胞壁表面一些化学基
团的络合
配位作用与金属离子形成离子键
共价
键
[10]
.
研究认为，在微生物吸附砷的过程中，
PH
、砷的原始浓度，磷酸根浓度及预处理技术
［
］<
/p>
等都会影响微生物对砷的吸附效率
11-12
，
当溶液中磷酸根的浓度
,0.5mg/L
时有利于砷的
吸附，
>10mg/L,
会抑制微生物对砷的吸附
.
2.2<
/p>
微生物对砷的形态转化及含砷化合物的降解
水体中的砷，
通常以无机态的三价砷和五价砷
2
种化学价态存在
.
土壤中砷的形态复杂，
既有无机砷也有有机砷
[13]
.
五价砷较三价砷附着能力强，移动性弱，毒性相对较小。相对于
土壤动物和微
生物而言，有机砷的毒性要小于无机砷。
[14]
研究表明，在土壤和水体中砷的
形态转化中，
微生
物发挥了重要作用
.
张雪霞
[15]
等从一处有砷污染历史的冶炼厂废址采集土
壤样品，在厌氧环境
中对其中的微生物进行富集培养，观察其对砷的还原能力，发现在
21h
之内
,
五价砷就被完全转化为三价砷。在生物修复的
过程中，可通过松土、保温、使用石灰
调节
PH
值等农艺措施来改善土壤状况，提高微生物修复效率
。
Hassler
等
[16]
的研究显示在
好氧条件下土壤的挥发量要高于厌氧条件
< br>
另外，砷的生物挥发速率也受到土壤含水量的影
［
］
响，过高或过低的含水量都不利于土壤中砷生物挥发的进行
17
2.3
微生物
-
根系互作对土壤砷污染的影响
微生物
在根际微生态系统中，对养分
重金属的转化吸收和植物的生长有
其独特影响
.
［
］
< br>冯莉等
18
通过盆栽试验研究发现，
用荧光假单胞菌处理烟草根际土壤后，
烟草根系生长和
根干
重明显增加，侧根数量增多，根系发达，根长而粗，根系活力显著提高
另外，微生物
还能促进植物的生长，
有利于植物对重金
属的吸收
.
在自然界中植物根系和真菌共生的现象
十分普遍，陆地植物中大约有
90%
存在共生菌根
的现象
.
植物向真菌提供糖类，而真菌向植
［
］
物提供矿质营养素
尤
其
是
P
元
素
19
.