我国不仅是世界稀土资源大国，更是稀土开采、冶炼、出口和消费大国。稀土因其广泛用于国防工业、航空、陶瓷、石油、钢铁等行业，被称为“工业维生素”。2011年，中国稀土冶炼产品产量达到9.69万t。长期以来稀土矿的非法及无序开采给周边地区生态环境安全造成了巨大隐患，对稀土矿山周围土壤及水体造成十分严重的生态破坏和污染。高志强等以包头白云鄂博稀土矿和南方离子型稀土矿为例，介绍了露天开采对周边大气、水、土壤等生态系统造成的环境影响与潜在危害；而稀土应用于农业等过程中的不当行为，如稀土肥料的过量施用，作为饲（饵）料添加剂的长期应用，也会对生态系统中的植物、动物和微生物的生长、发育、繁殖产生影响，因此引起了研究人员的重视。

 稀土共有17种元素，其中包括15种镧系元素（lanthanides,Lns）:镧（La）、铈（Ce）、 镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬(Ho)、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）,及与镧系同族的元素钇（Y）和钪（Sc）,它们因具有类似的化学性质而表现出类似的生物效应。研究表明，一定浓度的稀土元素能够提高植物的叶绿素含量，促进种子萌发、增加种子萌发率、促进幼苗生长和根系发育，还具有增强抗病、抗寒、抗旱的效应，但高浓度的稀土元素会破坏植物细胞膜的性质和结构，影响植物的抗氧化系统，扰乱植物对矿质营养元素的正常吸收和利用，诱使植物细胞发育不良、染色体畸形等。稀土元素对动物有生理激活效应，可以使动物食入的营养物质得以充分利用和吸收，也会影响动物的呼吸、生殖、神经、血液和免疫系统等。李小飞等研究了福建省长汀县稀土矿区蔬菜地土壤及主要蔬菜中稀土元素的含量，发现摄入此地蔬菜的矿区居民血液和头发中稀土元素的平均含量远高于正常人，面临着较大的健康风险。金姝兰等研究发现江西省典型稀土矿区龙南县重稀土矿区居民通过农作物和井水摄入的稀土元素远高于人体亚临床损害剂量的临界值，其中食物中小白菜和萝卜对日均摄入量的贡献率达77%。

同样，稀土元素也影响微生物菌株的生长和繁殖，对微生物具有Homesis效应。基于此，本文从稀土元素对微生物的作用入手阐述其生物效应，概括了微生物应答稀土元素的胁迫反应，微生物对稀土元素的吸收作用。以及微生物与稀土作用的可能机制等方面的研究内容，并结合已有的研究成果，展望了微生物在稀土领域的基础应用研究方向及其面临的挑战。

1 稀土作用微生物的应答反应

杨晓改等从动物和细胞层次出发，在生理条件下研究了稀土效应的可能物种，提出了“稀土离子池（rare earth ion pool）”机制模型，并探讨了稀土活性物质与细胞膜的相互作用的可能方式（图1）；在微生物水平上，稀土化合物对大多数微生物生长也具有Hormesis效应，即低浓度稀土元素对微生物的生长有刺激作用，但随着时间及稀土元素浓度的增加，促进作用减弱甚至抑制微生物的生长。陈小攀等研究了稀土元素钇对土壤中细菌、真菌和放线菌的影响，发现在低浓度下刺激生长及蛋白酶活性，高浓度下表现出抑制作用，对氧化氢酶却表现抑制作用。霍光华等研究发现钕离子低于抑菌浓度时对金黄色葡萄球菌细胞壁生长有促进作用，高于抑菌浓度时有抑制作用。另外，Hormesis效应与微生物的培养时间及菌株的特异性有关。

图1 稀土活性物质与细胞膜的相互作用的可能方式

1.1  稀土对微生物的促进作用

适当浓度的稀土元素会促进细菌生长、繁殖以及代谢产物的增加（表1）。

柴瑞娟等利用光电比浊法确定硝酸镧和硝酸铈能加快蜡状芽孢杆菌生长和繁殖速度。同时高浓度的促进作用要比低浓度时更明显；其课题组的扫描电镜结果显示，镧、铈可以促进枯草芽孢杆菌个体的生长，菌体体积比未经过处理的枯草芽孢杆菌更大。杨德俊等研究发现适量的La3+、Sm3+、Y3+等稀土离子对苏云金芽孢杆菌及其Bt蛋白产量有明显促进作用。同时，有研究通过抑菌圈法确定40～50mg/L的硝酸镧和硝酸铈均能增强细菌对9%石炭酸、0.135%升汞、8×105U/mL青霉素的抗性、硝酸铈还可以增强细菌对75%次氯酸钠的抗性，这证明有些稀土元素还可以增强微生物的抗性。阚春刚等发现微量稀土Nd和Er可以促进枯草芽孢杆菌生长，并且能够增强芽孢的抗紫外辐射能力。此外，Qchi等发现稀土一批次级代谢产物的酶。

1.2  稀土对微生物的抑制作用

稀土所具有的抑菌和杀菌作用很早就引起了研究者的注意，1906年一种名为Ceriform的外用抗菌药就已经问世，该杀菌药中含有稀土元素铈。褚海燕等的研究表明，La3+会对红壤微生物区系中的细菌、放线菌、真菌等微生物产生较强的毒害作用。杨军等利用抑菌圈法研究了14种稀土离子对2种植物细菌和4种植物真菌的抑菌作用，作用的细菌包括黄瓜角斑菌和油菜黑腐菌，真菌包括小麦赤霉菌、小麦根腐菌、番茄灰霉菌和玉米大斑菌。研究结果表明当稀土离子浓度达到一定值之后，稀土离子的抑菌作用随其浓度的增加而增加，且其抑菌作用具有选择性。

与此同时，诸多研究证明有机稀土化合物和稀土配合物具有优于同种稀土离子的抑菌活性，这使研究者开始在合成有机稀土化合物和稀土配合物方面进行研究（表2）。

张仲生等研究发现硼合山梨醇稀土化合物对白色念珠菌等真菌有较强的抑制作用。何其庄等合成了5种稀土（La、Er、Tb、Dy、Y）天冬氨酸邻菲咯啉三元配合物，抗菌实验发现对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌有较强的抑制作用；马树芝等合成的稀土（Pr）水杨醛缩苯丙氨酸盐邻菲咯啉配合物抗菌实验表明，配合物对大肠杆菌、金色葡萄球菌同样有较强的抑制作用，且两种配合物的抑菌活性均高于相应的氯化物。同时，有研究表明稀土配合物的抗菌活性存在菌株特异性，但是目前对二者提高抑菌活性的机理还少有研究。推测认为配体对生物大分子有很强的亲和性，这可能使稀土提高了对细胞膜和细胞壁的破坏作用。

2 微生物对稀土的吸附作用

稀土元素有肝毒性和神经毒性作用，但现阶段，未有稀土元素对动物致癌性的报道。然而，由于快速开发及广泛应用，越来越多的稀土元素扩散到环境中，最近有报道称在中国稀土金属矿区的儿童头皮中发现了高浓度的稀土金属，这令人们对稀土元素的传播对活生物体具有不利影响产生了关注。因此，开发安全的提纯方法从环境中去除稀土元素变得非常重要。稀土是分散性元素，不宜进行富集，且不能以单一稀土化合物的形式存在于矿物中。因此，稀土矿通常都含有所有的稀土元素，其中有一些稀土元素含量较高而另一些稀土元素含量较低。像南方离子型稀土矿为黏土矿物，不但化学成分复杂，而且由于稀土元素的物化性质比较相近，所以很难将它们分离。目前主要采用化学方法对稀土离子进行吸附、收集，此种方法虽然吸附速度快，但成本偏高，同时也会造成一定的二次污染。因此，研究者开始研究利用微生物吸附技术对稀土离子进行富集。

2.1 吸附稀土的微生物

目前，国外报道的具有稀土离子吸附性的微生物种类主要以细菌为主，包括盐碱节杆菌（Arthobacter nicotianae），枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），大肠杆菌（Escherichia coli）等（表3）。

研究发现，这些微生物吸附稀土离子的方式主要有两种：一种是通过细胞壁进行稀土离子的吸附作用，微生物菌体在pH3.5左右对镧系三价稀土离子吸附能力达到1100µmol/g。而其中枯草芽孢杆菌能够吸附15种镧系稀土元素，这是被报道最多的菌种；另一种是微生物通过细胞形成胞外矿物质进行吸附，进行此类吸附的微生物有铁锈色披毛菌（Gallionella ferruginea）,支顶孢菌KR21-2(Acremonium spstrain KR21-2)等。陈克筛等选出了2株吸附稀土离子La3+、Ce3+的菌株，经过初步鉴定分别为土壤杆菌属和诺卡氏菌属；史小利从土壤中筛选到一株能够吸附La、Yb、Lu、Ho等稀土离子的黑曲霉菌株；郑春丽发现巨大芽孢杆菌也具有吸附La3+、Ce3+的特点。

然而，这些微生物并非都具有吸附每种稀土元素的能力，而是极具选择性（表3）。枯草芽孢杆菌能够强力吸附铥、镱、镥等稀土离子于细胞壁上。而大肠杆菌细胞壁却能够富集了其他种类的稀土离子。此外，微生物自身所产生的有机酸，如亚氨基乙酸、次氮基三乙酸和乙二胺四乙酸等也会影响细菌对稀土离子的吸附能力。窦传伟等发现一株座壳孢属真菌菌株真菌不但菌丝体中富Ce贫Eu，菌体对Ce有强烈的吸附作用，而且其生长的酸性环境、代谢产物的络合作用等对稀土元素富集起着重要作用。

2.2 微生物的稀土吸附过程

陈克等发现菌株对稀土离子的吸附可分为两个阶段：首先是一个快速的吸附过程，在开始吸附的15min内，吸附速度快，吸附量大幅增加；第二个阶段则是从15min到45min，吸附量的增加速度很慢，并在45min时吸附达到平衡。郑春丽等对巨大芽孢杆菌对稀土离子的吸附作用进行研究也发现了相同的结论，巨大芽孢杆菌对La3+和Ce3+的吸附率分别为29.2%、30.2%，最大吸附量为75mg/L、30mg/L，二者均能在30min内进行快速吸附，60min内达到吸附平衡，且最适生长温度范围内吸附温度对吸附过程无明显影响。

研究表明吸附的两个阶段是独立的，第一阶段由表面吸附起主导作用，可能是稀土稀土离子与细胞表面的配位基团发生配合反应，反应速度快；第二阶段配合反应达到平衡，稀土离子开始缓慢由细胞表面向细胞内部迁移，速度较慢。徐淑霞等探索了黄孢原毛平革菌对La3+的最大吸附量，在最适合条件下可达（141.5±4.72）mg/g，且经盐酸预处理的菌体吸附能力更强；同时，该研究还发现黄孢原毛平革菌对单一稀土离子的吸附能力差异较大，但对混合稀土离子具有一定的富集、分离作用，通过扫描电镜发现La3+可能主要以盐的形式沉积在菌体表面上。Mullen等也通过电镜观察吸附La3+后的Pseudomonas aeruginosa菌的形态发现La3+主要是以针状的晶体沉寂在细胞表面上。

3  稀土元素与微生物作用的可能机制

有关稀土元素对微生物的生物效应可能的机制推测认为，由于稀土离子与钙离子的半径比较接近，因此稀土离子的生物效应表现与钙离子相似，所以稀土离子在生物体内被认为可能占据或取代钙的位置。利用扩展X射线吸收精细结构（Extended x-ray absorption fine strueture,EXAFS）谱仪探测系统发现，当稀土离子浓度较低时，主要是通过与细菌细胞壁上的磷酸基团的结合作用，形成的配合物使肽聚糖或磷壁酸的部分构象改变，其中磷壁酸是细菌多糖，由甘油磷酸和核糖醇磷酸组成（图2（a））。它的存在形式有两种，分别为脂磷壁酸与壁磷壁酸（图2（b））。通过这种方式促进营养物质吸收或稀土离子进入细胞内，然后激活某些酶促进细胞生长；随着浓度增加，稀土离子使细胞壁构想完全改变，通透性的增加使内含物外泄，促进大量稀土离子进入细胞，与胞内大分子如DNA、酶、蛋白质等相互作用，阻碍细胞代谢从而抑制生长。霍春芳等在分子水平上确定了稀土离子在芽孢中的结合位点，并提出稀土对芽孢菌的抑菌机理为稀土离子取代了芽孢中2，6-吡啶二羧酸钙（DPA-Ca2+）的Ca2+，形成了2，6-吡啶二羧酸与稀土离子的配合物。这使大量的Ca2+流失。芽孢菌的抗性降低，进而使芽孢菌的活性受到抑制，甚至引起芽孢菌死亡。

图2 磷壁酸的分子结构及尊在形式

有研究者在蛋白质水平上对稀土离子与微生物作用的机理进行了探索，认为稀土离子会影响微生物产生差异蛋白。从而控制微生物的生长、繁殖以及新陈代谢。陈克发现La3+、Ce3+影响土壤杆菌属R菌和诺卡氏菌属782菌的蛋白表达，造成蛋白表达量差异。尤其对R菌的影响较大。台培东课题组对三价稀土离子钆胁迫根瘤菌的研究发现，根瘤菌蛋白质发生变化，且变化与钆离子浓度有关，差异蛋白主要包括转运蛋白、胁迫相关蛋白、代谢相关蛋白等；韩威威通过研究费氏中华根瘤菌对稀土元素钆的胁迫应答反应发现，经1mmol/L硝酸钆处理12h后，费氏中华根瘤菌中22个蛋白质表达有差异，有13个蛋白质表达量增加，9个蛋白质表达量下降，其中，膜蛋白在差异蛋白中占有很大比重。柴瑞娟等研究发现稀土离子促进微生物繁殖的作用会被氯丙嗪抑制。表明镧、铈促进细菌生长的机理可能与钙调蛋白有关。因此，微生物对稀土元素的胁迫应答可能与蛋白质的差异表达有关，但是引起差异的机理还需要进一步的探讨。

4 研究展望

随着对稀土的开发及应用所造成的环境问题的重视，国内外学者在稀土对微生物的生物效应方面有了相关研究，但许多问题还尚未发现亟待解决：①在研究对象方面，大部分稀土微生物水平上的研究仅限于模式菌株，而很少涉及野生菌株；②在抑菌作用方面，大部分研究只停留在合成高效稀土抑菌剂方面，而在相关的机理方面研究很少，同时也不清楚施用高效稀土抑菌剂后是否会对其他生物造成影响。对17种稀土元素的抑菌作用有何特点也未见系统报道，而且对稀土元素生物效应的研究多限于轻稀土元素，缺乏对中、重稀土元素在微生物细胞及分子水平上的研究；③在吸附作用方面，由于细菌吸附稀土元素成本偏高，所以难以作为稀土元素吸附剂。这就需要开发微生物解吸附剂，是稀土元素回收其作为可再利用的资源。

 综上所述，稀土与微生物作用的研究趋势主要有：

（1）加强对稀土矿山环境下微生物生态学的研究。虽然国内外研究发现无论革兰氏阳性菌还是阴性菌都能吸附稀土元素，而且低浓度稀土通常通过刺激微生物酶活而促进生长，高浓度稀土则通过与DNA结合阻碍其正常复制而抑制生长。但是鲜有对从稀土矿区-特别是离子型稀土矿-分离到微生物的研究报道。微生物是土壤生态系统风向标，对野外分离的菌株进行探索，有利于搞清楚稀土矿区高浓度稀土环境下，微生物应答胁迫的作用机制，从而为进一步研究矿区微生物生态学提供理论基础。

（2）多角度研究稀土对微生物的Homesis效应。从细胞及分子水平研究稀土对细菌细胞结构及大分子物质的影响，比如稀土与细胞壁磷壁酸、生物膜与受体蛋白相互作用，以及稀土进入胞内后引起核酸及蛋白质等大分子的变化。通过基因组学、蛋白质组学等手段弄清参与稀土调控微生物生长过程中的蛋白质表达量的变化，找出关键代谢途径，有利于探讨稀土对微生物的Homesis效应，揭示稀土与微生物相互作用的可能机制。

（3）筛选或构建高效吸附稀土离子的微生物菌株。微生物吸附法具有高吸附率、高选择性、绿色环保无污染等优点，因此在未来的研究中考虑从稀土矿山环境中分离微生物，筛选出具有高效吸附尾矿中稀土元素能力的菌株。亦或通过分子生物学手段构建有高选择性或独特吸附能力的突变菌株，进一步研究更高效的细菌作为稀土元素吸附剂用于从环境中分离稀土元素，以期更好拓展微生物在稀土尾矿及稀土废弃资源二次回收中的应用。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（31500421）；江西省自然科学基金资助项目（20151BAB213022）

来源：《江西理工大学学报》2017年第3期

作者：李丝雨，傅惠鹃，董伟