第三节微生物代谢产物的污染

第三节微生物代谢产物的污染

引：环境中的每种物质都会受一种或多种微生物的作用，产生复杂多样的代谢中间体与终产物。正常情况下，这些代谢产物不断产生，也不断转化，处于动态的平衡之中。然而，在特定条件下，有些代谢产物会大量积累，造成环境污染；有些代谢产物则是特殊的化合物，会对人类或其他生物产生不利的影响；更有甚者，有些代谢产物属于致癌、致畸、致突变物质。以上各类代谢产物长时间、低剂量地作用于人群，对人体健康构成了严重的威胁。

微生物代谢产物 一、生物毒素二、气味代谢物三、酸性矿水四、甲基汞五、含硫化合物的代谢产物六、含氮化合物的代谢产物 over

一、生物毒素 微生物毒素是一类由微生物产生的有机毒物，当它们被其他生物吸收，并进入体内之后，会破坏敏感宿主组织和干扰宿主的正常生理功能。微生物产生的毒素化学结构和化学成分十分复杂，具有抗原性质。首次发现：1988年白喉杆菌毒素（一）细菌毒素（二）真菌毒素（三）藻类毒素（四）放线菌毒素 back

（一）细菌毒素 分类（根据毒素的释放情况）1、内毒素2、外毒素：某些细菌在生长和代谢过程中，能产生一些有毒物质，并把这些有毒物质释放到周围环境中，这些毒素称为外毒素。能产生外毒素的大多数细菌为G+细菌，为蛋白质，对热和某些化学物质极为敏感。外毒素的功能是能特异地破坏机体细胞的某些成分或抑制细胞的某些代谢功能。外毒素是已知有毒物质中毒性最大的物质。某些外毒素和它们引起的疾病 back

内毒素的特点 1、在活细胞中产生，产生后并不释放到周围介质中去，只有当细胞被裂解或溶解后才释放，实际上是大多数G—细菌细胞壁外层的一种组分。 2、不是蛋白质，而是脂多糖。 3、不管什么微生物产生，引起的疾病症状均相同，包括机体发热、腹泻、出血性休克。 4、抗原性弱。 5、毒素较小。能产生内毒素的细菌有：沙门氏菌、痢疾杆菌、大肠杆菌、萘氏球菌、苏云金杆菌等。 back

沙门氏菌显色培养基-HE琼脂 沙门氏菌（可引起伤寒病）鼠伤寒沙门氏菌伤寒沙门氏菌 back

某些外毒素和它们引起的疾病 back

肉毒毒素 • 肉毒梭菌，厌氧性梭状芽孢杆菌属，具有该菌的基本特性，即为厌氧性的杆状菌，可形成芽孢，芽孢比繁殖体宽，呈梭状，新鲜培养基的革兰氏染色为阳性，产生剧烈细菌外毒素，即肉毒毒素。 • 肉毒毒素能引起人和动物的肉毒中毒，根据肉毒毒素的抗原性，肉毒梭菌至今已有A、B、C（1、2）、D、E、F、G等七个型。引起人群中毒的，主要有A、B、E三型。C、D二型毒素主要是畜、禽肉毒中毒的病原。F、G型肉毒梭菌极少分离，未见G型菌引起人群的中毒报道。

肉毒毒素的毒性极强，是最强的神经麻痹毒素之一，据称，精制毒素1微克的毒力为200，000小白鼠（20克）致死量，也就是说，1克毒素能杀死400万吨小白鼠，一个人的致死量大概1微克左右。 1899年至1990年，在美国共有2305人中毒，经检测，303人感染A型毒素，92人感染B型毒素，3人感染E型毒素，2人感染F型毒素，有2起中毒事件是由A、B二种毒素引起。F、G二种毒素，主要引起动物肉毒中毒，尚未深入得到研究。 back

金黄色葡萄球菌 金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的产毒菌株所产生的肠毒素，也会造成普遍类型的食物中毒。这类微生物在环境中广为传布，而产毒菌株出现在大约25％的人群中，带菌的食物加工工人或厨工是主要的传播媒介。处理的食品、土豆沙拉和奶制品是生长的良好培养基。引起毒血症，毒性较弱，较少致命。 back

金黄色葡萄球菌鉴定与计数琼脂 Baird Parker琼脂+RPF 金黄色葡萄球菌的扫描电镜照片革兰氏染色显微照片金黄色葡萄球菌的显微照片 back

苏云金杆菌的内毒素 • 为苏云金杆菌的伴胞晶体，广泛分布于土壤中，不会引起人和高等动物产生疾病，而只能引起某些昆虫产生疾病。 • 对100多种鳞翅目幼虫有很强的杀伤力。 • 该细菌在形成芽孢的过程中产生内毒素，在形成芽孢的后期，细胞发生解体，这时孢子和内毒素同时被释放到周围介质中。 • 利于工业化生产。 back

苏云金杆菌Bt粉剂 苏云金杆菌Bt悬浮剂 back

（二）真菌毒素 概念：以霉菌为主的真菌代谢活动所产生的毒素。致病特点：1、中毒常与食物有关。2、发病有季节性或地区性。3、真菌毒素是小分子有机化合物，而不是高分子蛋白质，在机体中不产生抗体，也不能免疫。4、患者无传染性。5、一次性大量摄入会引起急性中毒，长期少量摄入则发生慢性中毒和致癌。

至今发现的真菌毒素达300种。 1、毒性较强的黄曲霉毒素、棕曲霉毒素、黄绿青霉毒素、红色青霉毒素B、青霉酸等。 2、能使动物致癌的黄曲霉毒素B1、黄曲霉毒素G1、黄天精、环氯素、柄曲霉素、棒曲霉素、岛青霉素等。 back

黄曲霉毒素 • 发现： 1960年伦敦附近某养鸡场，数月内发生了 10万只火鸡相继死亡的事故。食用污染了霉菌的花生粉黄曲霉菌产生的黄曲霉黄曲霉毒素是黄曲霉和寄生曲霉产生的一组代谢产物，基本结构为二呋喃环和香豆素，在紫外光下能发出荧光。黄曲霉中并非所有菌株都产毒素，但产毒菌株比例呈上升趋势。寄生曲霉中产毒菌株占100%。

毒性及危害 • 剧毒物，致癌物。 • 毒性为KCN的10倍、砒霜的68倍！ • 黄曲霉毒素B1（毒性、致癌性最强）： LD50=0.294mg/kg (LD50<1mg/kg为特剧毒物) • 主要靶器官：肝脏。 • 耐高温，在烹调加工温度下破坏较少，在水中的溶解度较低。耐酸性和中性，不耐碱性。 • 主要污染花生、花生油、玉米、大米、高粱、棉籽等粮油及其制品。

检验及去除方法 检验（生物法）小鸭：利用含毒素的食物喂养刚出生一天的小鸭作为对照，用怀疑含毒素的食物喂养同样的另一群小鸭，看是否引起相同的症状，以此检测被怀疑食物。去除方法： • 最好方法：在谷物收获贮存和加工过程中，严防污染，如保持干燥和防潮等等。 • 通常情况下，对已感染黄曲霉的谷物加热无效，但利用高压蒸汽灭菌（120℃）4h，能大大降低毒力。用热碱洗、漂白土和活性炭处理植物油，可有效去除油中残留的黄曲霉毒素。

食品中黄曲霉毒素含量标准 • 世界卫生组织 1966年 <30µg/kg 1970年 <20µg/kg 1975年 <15µg/kg • 我国玉米、花生油、花生及其制品：<20µg/kg 大米及其他食用油：<10µg/kg 其他粮食、豆类、发酵食品：<5µg/kg 婴儿代乳食品：不得检出 back

岛青霉类毒素 • 岛青霉类毒素是由岛青霉产生的代谢产物，包括黄天精、岛青霉毒素、环氯素、红天精等。 • 岛青霉素进入人体后，在2h~3h内便可引起人死亡。 • 能产生这些毒素的微生物有岛青霉、黄绿青霉、桔青霉，很容易感染刚收割的、水分较多的稻谷，从而引起米粒变黄。 • 预防方法：在稻谷收割之后，应及时晾干、脱粒、干燥保存。 back

（三）藻类毒素 概念：指藻类产生的一些对多细胞生物具有毒性的化合物。包括氨、多肽、多糖。存在于水中或水生贝壳类动物中，人和动物饮用了这些水或吃了这些鱼便会引起食物中毒。分类：1、产毒素的蓝细菌2、产毒素的真核藻类

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铜锈微囊藻 产生的毒素具有两种不同的成分。 1、快速致死因子（FDF）环状多肽。内毒素，分泌期在细胞生长的初期，当处于最适生长条件下时，某些细胞可以发生裂解和自溶，释放内毒素。通过覆膜内注射可以在30~60min内引起小白鼠死亡。 2、慢致死因子（SDF）只有与相应细菌共生时才产生，通过腹膜内注射于小白鼠体内，24~48h才会引起死亡. back

（四）放线菌毒素 是可使人中毒，甚至引起肿瘤或致癌的放线菌代谢产物。洋橄榄霉素是肝链霉菌(Streptomyces hepaticus)的产物，毒性很强，可诱发肝、肾、胃、脑、胸腺等发生肿瘤。洋橄榄霉素的结构类似苏铁苷，故认为它的致癌作用也类似于苏铁苷。苏铁苷本身不具致癌性，在动物肠道内被微生物水解后即成致癌物。 back

黄曲霉毒素B1 Aspergillus flavus seen under an electron microscope.Aflatoxin B1 and ochratoxin A are toxic metabolites produced by certain fungi (Aspergillus and Penicillium species) in/on foods and feeds, as such cereals, coffee, beans, cocoa, dried fruit,…. all over the world. These mycotoxins possess carninogenic, nephrotoxic, teratogenic, immunotoxic and possibly neurotoxic properties. back

Electron Micrograph of Clostridium botulinum Back

二、气味代谢物 气味是影响环境质量的重要因子。在环境污染中，它有早期预警的作用。闻到气味说明污染物可能已达有害浓度。气味物质不仅污染大气和水体，造成感官不悦，而且还可被水生生物吸收并蓄积于体内，影响水产品（如淡水鱼）的品质。

土腥素（或土臭味素）：从放线菌产生的土腥味物质中分离到的一种透明的中性油，嗅阈值极低（<0.2 mg/L）。具有土腥味的鱼肉中可检出土腥素。其他引起环境污染的微生物气味代谢物有氨、胺、硫化氢、硫醇、（甲基）吲哚、粪臭素、脂肪酸、醛、醇、酯等。 back

三、酸性矿水 一些黄铁矿、斑铜矿等无机矿床内含有硫化铁。经化学氧化，矿水变酸，一般pH在4.5-2.5。这种酸性条件促进了耐酸细菌的繁殖。氧化硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）把硫氧化为硫酸；氧化硫亚铁杆菌（Ferrobacillus sulfooxidans）和氧化亚铁亚铁杆菌（Ferrobacillus ferrooxidans）把硫酸亚铁氧化为硫酸铁。通过这些细菌的作用，加剧了矿水的酸化，有时pH能降至0.5。

黄铁矿、斑铜矿等无机矿床内都含有硫化铁，硫化铁暴露在空气中会发生自然氧化产生FeSO4和H2SO4。黄铁矿、斑铜矿等无机矿床内都含有硫化铁，硫化铁暴露在空气中会发生自然氧化产生FeSO4和H2SO4。 • 缺水时：FeS2 + 3O2→ FeSO4 + SO2 • 有水时：2FeS2 + 7O2 + 2H2O → 2FeSO4 + 2H2SO4 • 通过氧化硫亚铁杆菌（Ferrobacillus sulfooxidans）和氧化亚铁亚铁杆菌（F. ferrooxidans）等铁氧化细菌的作用，使硫酸亚铁氧化成硫酸高铁。 • 4FeSO4 + 2H2SO4 + O2→ 2Fe(SO4)3 + 2H2O

硫酸高铁是强氧化剂，它与黄铁矿继续作用，产生更多的H2SO4和FeSO4。硫酸高铁是强氧化剂，它与黄铁矿继续作用，产生更多的H2SO4和FeSO4。 • FeS2 + 7Fe(SO4)3 + 8H2O→ 15FeSO4 + 8H2SO4 +2S 产生的元素硫在氧化硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）作用下生成硫酸。 2S + 3O2 + 3H2O → 2H2SO4 通过上述生物氧化和化学氧化的相继反复作用，形成大量硫酸，使矿水极度酸化。酸化的矿水渗漏入附近的河道，对鱼类和其他高等生物都是有毒的。

控制酸矿水的方法 1、加入石灰提高pH值。 2、利用硫酸盐还原菌作用于矿物使硫还原成硫化物。 3、在矿山中加入杀毒剂或抑菌剂，杀死产酸细菌或抑制产酸细菌的活动。 4、利用酸矿水进行细菌浸矿，提取有用金属。

细菌冶金技术 • 有人设想，对上述反应加以综合利用，以回收细菌所产生的酸，及用于细菌冶金。 • 因为耐酸细菌能氧化亚铁为高铁以获得能量，而所形成的硫酸亚铁又能作为强氧化剂与铜矿石作用，把矿石中的铜以硫酸铜形式溶解出来： • Cu2S+2Fe2(SO4)3 2CuSO4+4FeSO4+S • 铁在酸性条件下与硫酸铜作用，又能把金属铜从硫酸铜中沉淀出来： • Fe+CuSO4 FeSO4+Cu back

四、甲基汞 在微生物作用下，汞、砷、镉、碲、硒、锡和铅等重金属离子，均可被甲基化而生成毒性很大的甲基化合物。因为震惊世界的日本水俣病以及瑞典马群的大量死亡均为甲基汞中毒所致，所以人们印象最深的应该是甲基汞化合物。汞经过一系列生物化学反应形成甲基汞，毒性增强，使汞的危害也大大加剧。

自然条件下，汞可发生非酶促甲基化和酶促甲基化。自然条件下，汞可发生非酶促甲基化和酶促甲基化。 1、汞的非酶促甲基化在中性水溶液中，以甲基钴胺素作为甲基供体，汞可被转化为甲基汞。是一种纯化学反应的转化，快速、定量。2、汞的酶促甲基化汞的酶促甲基化主要在微生物的作用下进行。微生物作用分为直接作用和间接作用。直接作用是指在微生物酶的催化下发生的甲基化过程。间接作用是指在微生物体外发生的甲基化过程。

环境因素对微生物形成甲基汞的影响 1、培养基成分在鱼体表面粘液中存在的微生物形成甲基汞的能力对培养基有选择作用。在含有鱼浸提液的培养基中，能合成；在肉汤培养基中，不能合成。 2、O2 对必须在好氧条件下才能合成甲基汞的微生物来说，需要，否则相反。 3、硫化物缺氧时，硫化物阻碍甲基化；氧气充足时，硫化物也会使甲基化速度慢得多。 4、pH值较高时，主要导致（CH3）2Hg的形成；较低时，主要导致CH3Hg+的形成。 5、沉积泥中动物的活动动物搅动给污泥提供O2。

鱼类体内甲基汞的形成机理 1、鱼直接从水中吸收甲基汞2、鱼从水中吸收无机汞，在鱼体内，细菌将其转化为甲基汞3、鱼从水中吸收无机汞，自身将无机汞转化为甲基汞4、细菌产生甲基汞，经食物链传递，鱼从食物中获得甲基汞 back

五、含硫化合物的代谢产物 （一）管道锈蚀与管道堵塞 1、管道锈蚀：埋于地下的铁管常因环境中缺氧程度很高而在管内形成细菌锈蚀细胞，使铁管被锈蚀。必须在厌气中进行，又称厌气锈蚀作用。该过程必须有硫酸盐存在，且借助于反硫化弧菌完成。 4Fe2++SO42-+4H2O FeS+3Fe(OH)2+2OH- • 反应物被水冲走后，在管壁上留下一个个凹陷。 • 细菌锈蚀只发生在10~30℃，pH5.5以上的条件下。

2、管道堵塞 • 在给水管道和排水管道内，常有氧化锰和铁的细菌，尤其是具柄铁细菌和具鞘铁细菌的大量繁殖。由于大量的锰和铁的氧化产物与大量增生的菌体粘合在一起，造成了管道堵塞，使管内水压显著下降。当水的pH为中性时，具鞘铁细菌使管道表面的可溶性Mn2+氧化为不可溶的Mn4+。 • 防治方法：定期清除锰铁沉积物，例如在主要干线管道用高压水冲洗，以除去铁、锰在管表的沉积物等。

（二）H2S 通过两种方式形成： 1、脱硫弧菌还原硫酸根产生硫化氢。该菌广泛分布于污泥、沼泽地和供氧不足的土壤中。 2、微生物通过分解有机物产生硫化氢。包括好氧菌和厌氧菌、嗜冷菌和嗜热菌、放线菌和真菌。（三）有机硫化合物有许多微生物（如假单胞菌、放线菌等）能合成甲基硫醇，该物质有难闻臭味，并对植物有毒性。

（四）二氧化硫和氧硫化碳 某些细菌可使胱氨酸形成二亚砜和胱氨酸硫酸，其中胱氨酸硫酸是形成SO2的一个关键中间产物。许多细菌在厌氧条件下，可产生氧硫化碳（S=C=O），此物对真菌和哺乳动物的神经系统具有毒性。有些农药，如代森纳在土壤中，经微生物降解也会产生氧硫化碳。 back

六、含氮化合物的代谢产物 （一）NH3 在土壤中，有机氮化合物被微生物分解的过程中和尿素被微生物水解的过程中，都可产生NH3。（二）NO3- 有机氮化合物微生物 NH3 硝化细菌氧化 NO3- （三）NO2- 自养菌亚硝化作用和NO3-还原成NH3的一个中间产物。

（四）羟胺 强诱变剂，在无氧条件下，微生物可以合成羟胺。 NH4+结合在有机物上羟基酰胺分解羟胺（五）亚硝酸胺 • 浓度达到1×10-6g/L时，具三致性。 • 农药中的胺类化合物受微生物作用被亚硝化，形成亚硝胺。 • 肠道中，如果存在NO3-或NO2-，就可能形成亚硝胺。在酸性、中性，有时在碱性条件下，都可以从NO2-中形成亚硝胺，微生物的作用在于产生一个适合于亚硝化作用的酸性条件。 back

第三节 微生物代谢产物的污染