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随着工业化和城市化的快速发展,农业土壤和水体中的重金属污染已经日趋严重。由于其高毒性,镉(Cd2+)在土壤中是最受关注的,因此急需采取科学的修复策略,以清除或固定受Cd污染土壤和水体中的有毒Cd2+离子。微生物生物修复是一种治理重金属污染土壤的高效低成本且环境友好的有前途的技术。因此,本研究聚焦于利用微生物修复镉污染的土壤和水体。本研究从中国广州重金属污染土壤中分离获得了两株抗镉细菌X13和H375。菌株X13为革兰氏阴性,球状,无荚膜,直径小于0.5μm,可以产生吲哚乙酸和硫化氢。H375是一种短杆状革兰氏阴性细菌,无荚膜,大小为0.5μmx2μm,不产吲哚乙酸和硫化氢。基于生理学特征和16S r DNA序列同源性分析,菌株X13鉴定为拉乌尔菌Raoultella sp.,菌株H375鉴定为假单胞菌Pseudomonas sp.。细菌X13和H375都具有多种重金属耐受性和抗生素抗性。在液体LB中,X13可以在8 m M Cd2+中存活,菌株H375对Cd2+的最小抑制浓度（MIC）为6 m M。两株菌株对Cd2+的生物吸附特性及其生物吸附机制存在差异。不同参数对两种细菌吸附Cd2+的影响结果显示,初始p H,接触时间和初始Cd2+浓度都会影响两株菌株Cd2+吸附特性。对于X13吸附剂,活菌生物量对Cd2+的吸附过程符合Langmuir等温线模型,死菌生物量对Cd2+的吸附过程符合Freundlich等温模型。然而,根据H375活菌和死菌生物量获得的Cd2+吸附数据显示H375活菌符合Freundlich等温模型,死菌符合Langmuir等温线模型。X13活菌生物量和死菌生物量吸附Cd2+的最大值(qmax)分别为52.35 mg g-1和25.55 mg g-1,375活菌生物量和死菌生物量吸附Cd2+的最大值(qmax)都明显大于X13相对应的Cd2+吸附最大值,分别为92.59 mg g-1和63.29 mg g-1。两株细菌获得的Cd2+吸附数据都符合假二级动力学模型（pseudo-second-order kinetic models）。两株细菌都通过物理捕获、离子交换、官能团和细胞内吸收等机制结合Cd2+。FTIR分析表明官能团-CH2、-SO3、C=O、N-H、C-N、-COO、磷酸盐和硫酸盐参与了镉离子的吸附。植物促生特性结果显示X13具有溶解无机磷、产吲哚乙酸及铁载体的促生能力。通过接种X13到Cd2+污染土壤进行原位修复的试验表明,施加菌剂X13到Cd2+污染土壤中显著促进了白菜生长并提高了产量,并且X13显著降低了小白菜对Cd2+生物利用度。结果表明生物可利用的高毒性Cd2+主要转化为低毒性的无机结合态。细菌X13能分别以硝酸镉[Cd（NO3）2]和L-半胱氨酸作为Cd和硫源在细胞外和细胞内合成Cd S量子点（QDs）。合成的Cd S QDs呈现出面心立方（FCC）晶体结构。通过改变L-半胱氨酸的浓度可以控制产生的Cd S QDs的大小、稳定性和一致性。半胱氨酸脱巯基酶在Cd S QDs的生物合成中起重要作用。全基因组测序结果显示细菌X13存在五个开放阅读框编码半胱氨酸脱巯基酶,分别是CYS713、CYS737、CYS4373、CYS4651和CYS4422。实时荧光定量聚合酶链反应（q RT-PCR）分析结果表明这5个基因都可能参与了X13合成Cd S QDs。为进一步分析镉抗性机理,测定了镉胁迫下细菌X13无机不稳定硫化物和富巯基蛋白的含量、抗氧化相关酶活性和非酶活性物质含量,并且通过q RT-PCR分析了涉及镉转运和修复细胞损伤的一些基因。结果表明,Cd2+胁迫增加了无机不稳定硫化物和富含硫醇的蛋白质水平,分别增加了9.43倍和1.68倍。Cd2+应激也改变了谷胱甘肽（GSH）含量,增加了149%。Cd2+毒性使细胞中产生大量活性氧。与此同时,超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性显著增强,分别增加了7.55倍和2.05倍。q RT-PCR分析显示,X13暴露于2m M Cd2+2h后,镉离子外排和阳离子转运相关基因Znt A,Fie F和Czc X表达上调了1.89-7.24倍;细胞分裂相关的基因fts Z表达上调了2.92倍,DNA损伤修复相关基因mut H表达上调了1.83倍,与错误折叠蛋白质修复相关基因clp B和dna K表达水平分别上调了15.2和10.27倍。这些结果表明在Cd2+胁迫下X13可能将毒性可溶性Cd2+转化为无毒、不溶性Cd S。同时由镉诱导的金属结合蛋白也可能参与金属离子的螯合。此外,X13可通过镉离子或阳离子外排和转运系统降低细胞内Cd2+浓度以适应环境。微生物作为生物吸附剂具有高生物吸附能力、快速达到稳态且工艺简单成本低廉等优点,但它们通常存在密度低、机械强度差和对环境因素敏感等若干缺点。因此我们尝试开发了新型微生物材料用于镉污染水体的修复,一种是基于钙交联的藻酸盐包裹细菌X13的生物材料,命名为Ca A-X13;另一种是基于金属有机框架（Metal–Organic Framework,MOF）包被的无色杆菌Achromobacter sp.380的新型吸附剂,命名为MOF-380。结果显示在额外提供L-半胱氨酸条件下,Ca A-X13通过生物合成Cd S纳米粒子和吸附作用能高效去除水溶液中的Cd2+离子。在此过程中产生了尺寸为5-8nm、具有良好结晶度的Cd S纳米颗粒。重复使用实验表明Ca A-X13在重复使用四次后,对镉的去除率依然高达91%。此外,Ca A-X13催化活性至少保持2周。生物材料MOF-380是通过在细菌380细胞悬浮液中加入2-甲基咪唑和乙酸锌温育形成的。裸露的380细胞表面存在诸如-OH,R-COOH,-CO-NH,-NH2和–NH的官能团,表明其表面具有一系列锚定位点以稳定各种金属,这为形成MOF涂层提供了基础。MOF涂层可以显著提高包被细菌380的位点浓度。实验结果表明MOF包被的MOF-380对Cd2+的吸附能力明显高于裸露的380细胞。在用2 m M Cd2+处理MOF包被的MOF-380和裸露380细胞24 h后,MOF-380对Cd2+的吸附能力为84.5 mg g-1,与未包被的380细胞相比,增加了5.57倍。因此Ca A-X13和MOF-380为镉污染水体的修复提供了新型且高效的微生物材料。