重金属胁迫下的微生物代谢组学研究进展

Metabolomics of microorganisms in response to heavy metal stress

摘要

微生物的代谢活动易受到环境变化的影响，当环境中存在重金属污染时微生物会通过调节代谢降低自身所受的重金属的毒害。本文通过微生物代谢组学研究探讨重金属胁迫下微生物代谢活动的响应情况，介绍了微生物代谢组学的相关技术和方法，对其应用进行说明；基于重金属对微生物细胞的毒害作用，对重金属胁迫下微生物代谢组学的相关内容进行综述，发现在重金属胁迫下，微生物可以通过增加代谢活动进而产生更多的代谢物质来响应重金属的胁迫，其中微生物产生的胞外聚合物、草酸和柠檬酸等代谢物在微生物响应重金属胁迫中具有重要作用。微生物通过产生相应代谢物不仅使自身可以在重金属胁迫下生存，这些代谢物还可以使环境中重金属有所减少，这对于利用微生物资源修复重金属污染具有重要意义。

Abstract

The metabolic activities of microorganisms are easily affected by environmental changes. Microorganisms reduce their exposure to heavy metals through metabolic regulation when there is heavy metal pollution in the environment. In this paper， the response of microbial metabolism under heavy metal stress was studied by microbial metabolomics. Firstly， the related techniques and methods of microbial metabolomics are introduced， and its application is described. Secondly， based on the toxic effects of heavy metals on microbial cells， the relevant contents of microbial metabolomics under heavy metal stress are summarized. Microorganisms can respond to heavy metal stress by increasing metabolic activities and producing more metabolic substances， such as extracellular polymers， oxalic acid and citric acid， which play an important role in microbial response to heavy metal stress. Microorganisms not only make themselves survive the stress of heavy metals by producing corresponding metabolites， but also reduce heavy metals in the environment， which is of great significance for the remediation of heavy metal pollution by microbial resources.

Graphical abstract

关键词

微生物代谢组学 / 重金属胁迫 / 胞外聚合物 / 草酸 / 柠檬酸

Key words

microbial metabolomics / heavy metal stress / extracellular polymer / oxalic acid / citric acid

0 引 言

代谢组学是对生物体代谢产物进行定性定量分析的一门学科，通过对生物体产生的代谢物进行分析可以揭示生命活动的现象和过程。虽然代谢组学的起步比较晚，但是随着相关技术的不断发展，代谢组学的应用领域在不断扩大。因为微生物具有代谢旺盛和代谢类型较多等优点，故代谢组学在微生物各方面的应用发展较快，如在微生物种类的鉴定方面，利用核磁共振技术（nuclear magnetic resonance technology， NMR）分析代谢物，可成功地将临床病理研究和实验室来源的不同杆菌区分开^［1］；在临床诊断方面，研究者利用代谢组学等技术发现肠道梭菌属通过组氨酸代谢途径介导结直肠癌的发生，进而导致磷酰胆碱等肿瘤相关的代谢产物在肿瘤患者外周血中浓度升高，这可能是结直肠癌重要的发病机制之一^［2］；在饮食健康方面，研究者通过分析美国和土耳其的肝硬化患者的肠道微生物和血浆代谢组学发现，不同地区饮食和肠道微生物的相互作用可以影响肝硬化的恶化风险^［3］。随着代谢组学技术在微生物各方面的应用，极端环境胁迫下的微生物代谢活动和适应能力也引起学者的广泛关注，特别是重金属胁迫下的微生物。

目前，随着我国工业化进程的不断推进，污染问题也层出不穷。其中重金属物质由于不能被降解，易在环境中积累，甚至在环境中可能转为毒性更大的形态，通过食物链或者其他途径转移到人类和动物体内，严重影响人类健康，因而成为目前急需解决的一大难题^［4］。对于重金属污染的修复目前最具有前景的是利用生物方法进行修复，其中利用微生物辅助植物进行修复具有重要作用。油菜叶片中微生物某些代谢物的增加可以抑制重金属在植物中的积累，同时发现微生物数量增加有利于微生物吸附重金属，从而减少重金属对植物的迫害，这表明微生物可以辅助植物修复重金属污染^［5］。淹水状态下，具有铜含量的土壤中微生物的多酚氧化酶和过氧化物酶的活性有显著提高，这有助于了解水淹条件下土壤木本植物系统中的金属毒性，为微生物强化植物修复重金属污染提供新的参考依据^［6］。因此，微生物在重金属污染的环境中通过调节其代谢活动，不仅使其在此环境中生存，还可协助降低环境污染。本文主要对微生物响应重金属胁迫的代谢组学相关研究进行综述，深入了解微生物在重金属胁迫下代谢组学的相关情况，有利于更好地利用微生物对重金属污染进行修复，以及更好地了解微生物在极端环境胁迫下机体内发生的变化，从而更好地利用微生物造福人类。

1 微生物代谢组学研究的技术方法

微生物代谢组学是通过对微生物代谢物进行定性和定量分析，进而了解微生物的生理状态。微生物代谢组学研究的技术方法如图1。

1.1 样品制备和预处理

样品的制备和预处理是微生物代谢组学研究中的一个关键步骤，根据样品的来源和研究目的不同在收集样本时要考虑采用不同的方法步骤，包括快速取样、淬灭和代谢物的提取。淬灭是在快速取样以后，迅速降低或瞬间除去细胞代谢酶的活性，使细胞内的代谢反应停止，保证样本信息的真实性^［7］。选择淬灭剂要考虑是否会破坏细胞壁或细胞膜而使胞内代谢物大量流失。目前冷甲醇灭活在大肠杆菌（E. coli）等菌种中已有不少应用^［8］，但也有学者发现更好的淬灭方法，研究者在进行苜蓿中华根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）代谢物提取时发现温度和甲醇浓度对于提取结果都有重要影响，相对来说-20 ℃的40%的甲醇淬灭细胞对胞膜损伤较小，甲醇/乙腈/水为2∶2∶1（V∶V∶V，0.1%甲酸）与50%甲醇相结合提取胞内代谢物的效率较高^［9］。用-80 ℃的生理盐水淬灭大肠杆菌时仅有6%的细胞膜被破坏，是冷甲醇淬灭引起破坏的1/10，减少了代谢物的流失^［10］。在尿液样本预处理时，考虑到生物酶的降解作用，采用尿素酶分解尿中尿素，使一些被掩盖的信息表现出来^［11］。代谢物在提取时有时单一的方法不能达到较好的效果，而多种方法相结合可以提高提取效果。研究者采用冷冻干燥、冷冻研磨和超声萃取相结合的代谢物提取方式，有效促进了细胞膜裂解，提高了代谢物提取效率^［12］。

1.2 代谢物的检测技术及应用

代谢物的检测是代谢组学研究的重要内容，核磁共振技术（NMR）是目前代谢组分析中的主要技术，可直接测定细胞中相对分子质量较小的蛋白质、核酸以及其他代谢物分子的结构，而不损伤细胞。NMR能快速对样品进行高通量分析，完成大多数的代谢物结构检测，在微生物代谢物的定性研究中具有重要作用。李兵等^［13］利用1H⁃NMR法检测到四种不同念珠菌的细胞外代谢产物具有各自的类聚关系，推测代谢组学化学物质种类的不同，可能与念珠菌菌种有关。程万里等^［14］通过NMR等技术发现多粘类芽胞杆菌（Panebacillus polymyxa）能够产一种环二肽类的代谢物，这种物质可以通过破坏线虫肠道杀死线虫。范秋苹^［15］通过NMR等技术分析依氏交替假单胞菌（Pesudoalteromonas issachenkonii）的胞外多糖，发现其糖苷键构型为α构型，多糖中含氧甲基和甲基糖，几乎不含糖醛酸和糖蛋白，并推测出了多糖的结构。

质谱技术（mass⁃spectrometric， MS）在一次分析中可提供丰富的结构信息，在众多的分析测试方法中，MS被认为同时具备高特异性和高灵敏度，可以对多个化合物同时快速分析鉴定。1992年Elmroth等^［16］首次利用GC⁃MS检测到脂肪酸、氨基酸和糖类的含量，用来评价肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）在培养过程中污染的情况，微生物代谢组学也随之产生。基于GC⁃MS对乙醇胁迫下酵母菌代谢轮廓进行比较分析，发现不同浓度乙醇胁迫后，酵母菌代谢表型发生明显变化，乙醇胁迫阻碍了三羧酸循环，这可能导致细胞能量供应不足，对碳源利用率减少，细胞生长所需某些氨基酸合成减少，进而使细胞生长缓慢^［17］。利用GC⁃MS发现名壳聚糖在小麦病原菌孢子形成过程中具有重要作用^［18］。利用HPLC⁃Q⁃TOF高分辨质谱对模式菌株白色链霉菌（Streptomyces Albus）的代谢产物进行检测，建立了基础的白色链霉菌代谢物质谱数据库^［19］。

1.3 代谢组学的数据处理方法

代谢组学的数据处理和分析需要对原始数据进行预处理，然后通过不同的分析方法对检测到的代谢物进行分析，利用统计软件进行差异代谢物的筛选分析并对其进行可视化，更清楚地反映代谢物的信息，找到生物标记物及预测代谢途径等。科学家利用统计学分析软件，发现3⁃氨基异丁酸、柠檬酸和尿酸可能与氯胺酮性膀胱炎的发生发展密切相关^［20］。使用统计学分析评估颗粒原蛋白在早期发作的新生儿败血症中的诊断价值，发现颗粒原蛋白可以作为诊断早发型新生儿败血症的新型生物标志物^［21］。结合多元统计分析和代谢通路分析，得到巨噬细胞的代谢机制可能与氨基酸代谢、能量代谢及抗氧化作用密切相关^［22］。了解微生物的代谢途径不仅有利于了解代谢物之间的关系，也对基因表达、功能基因组学的研究具有重要意义^{［18，19］}。

2 重金属对微生物细胞的毒理作用

重金属对微生物细胞的毒理作用主要分两个阶段进行，第一个阶段是伴随着离子结合和电势增加的生化吸附，第二个阶段是重金属离子被吸附在随着电荷减少而发生改变的细胞表面。重金属对微生物质膜的破坏并非简单的机械损伤，而是对细胞酶系统的改变与物质合成位点的抑制，从而使菌体原生质膜发生成分与通透性的改变，然后通过扩散或其他途径穿过细胞膜，最后对微生物细胞内产生影响，主要表现在可以使细胞内的酶失活，影响细胞的正常代谢反应；影响DNA分子的正常复制和翻译；细胞膜被损伤，抑制细胞的正常分裂^［23］。研究发现Cd²⁺可对酵母菌细胞内的半胱天冬酶的表达产生影响，使细胞内功能蛋白分子被催化裂解，裂解的蛋白分子会影响细胞的生长，同时Cd²⁺也会对细胞内的线粒体膜产生影响，抑制细胞的呼吸作用^［24］；当环境中的汞进入细胞内后会与许多酶系统进行相互作用，能抑制细胞化合物的转移和色素的合成，还抑制呼吸作用的电子传递和多种酶的活性^［25］；过量的镍存在时会抑制酵母菌的乙醇脱氢酶的活性^［26］。重金属不仅会影响微生物的正常生长和繁殖等功能，而且对微生物的多样性、群落和种群也会造成影响。科学家在研究重金属对水生系统细菌群落的影响时，发现细菌菌株的密度与环境中金属的毒性水平密切相关^［27］。

3 微生物响应重金属胁迫的代谢组学研究

在重金属污染不断加剧的今天，很多生物在受到污染的环境中无法生存，但仍有生物即使在不利的环境中依然生存，其中不乏微生物的存在。微生物在重金属胁迫下会增加体内的代谢活动，并分泌多种代谢物，从简单的有机酸、醇类到细胞外聚合物、黏液等，有助于减少重金属对微生物的毒性^{［28，29］}。重金属胁迫下微生物代谢物响应机制见表1。

当环境中重金属出现或者增加时，微生物为了生存会增加其代谢物的产生。研究者利用比较代谢组学的方法分析Cu²⁺诱导前后嗜冷菌中代谢物的变化，发现经Cu²⁺诱导后代谢物明显增加，进而推测嗜冷菌的抗金属机制可能主要是通过加强代谢物的合成和增加细胞膜的稳定性来实现的^［30］；Cd污染的土壤中微生物的氨基酸、脂肪酸和核苷酸的代谢均有增加，说明微生物通过增加代谢产物加快对环境的适应性^［31］；当Pb引入时，土壤中微生物产生的酶随着重金属浓度的增加，呈现出先上升后下降的趋势，说明微生物在受到重金属胁迫时会通过增加代谢产物来维持生存^［32］；当加入重金属氧化物时，细菌体内与代谢相关的酶（如醇脱氢酶、醛脱氢酶和氢酶等）表达量都得到了快速、大幅度的增强^［33］。同时微生物的某些代谢活动和代谢物类型有利于减少土壤中重金属的含量^［34］。

很多细菌和真菌都含有大量胞外聚合物（extracellular polymeric substance， EPS），这些EPS在一定环境条件下由微生物产生并分泌于体外的聚合物，主要成分是多糖、蛋白质和核酸等。EPS具有重要的生理功能，可将环境中的营养成分富集，通过胞外酶降解成小分子后吸收到细胞内，还可以抵御杀菌剂和有毒物质对细胞的危害^［35］。因此EPS可以作为重金属的有效生物吸附剂，阻止重金属离子进入细胞^［36］。在重金属环境中，生物膜附着菌可能通过改变EPS直接对重金属胁迫做出更好的保护应激反应^［37］。研究者在嗜冷菌表面发现大量的EPS，可以隔离有毒金属化合物，起到保护细胞免受污染的作用^［38］。微生物产生的代谢物EPS通常是作为抵御重金属的第一道防线，对保护微生物细胞起着重要作用^［39］。

许多微生物的代谢物如草酸、柠檬酸等具有络合金属离子的能力，在去除重金属毒性方面发挥重要的作用。球孢白僵菌可以利用自身代谢产生的草酸将Cd、Cu、Pb和Zn转化为草酸盐^［40］；球孢白僵菌产生的草酸也可以将磷酸铜和四氧化三铅转化为草酸铜及草酸铅^［41］；细菌的代谢物草酸可以将多种金属转化成草酸盐，起到固定金属的作用^［42］。草酸具有很强的还原性，可参与到重金属价态转化过程中，并能和众多重金属离子形成草酸盐结晶，从而降低重金属离子的生物毒性及移动性，是重金属污染微生物修复的重要机制之一^［43］。科学家在研究有机酸从污水中去除重金属的效率时发现有机酸具有从污水中去除重金属的高潜力^［44］。非靶向代谢组学的鉴定分析表明，青霉在应对Pb²⁺生物毒性过程中体内的柠檬酸的分泌量显著增加，并在解毒过程中具有关键作用^［45］。柠檬酸可以降低环境中的重金属含量，使环境更有利于生物体生存^［46］；也有研究发现微生物产生的苹果酸、葡萄糖酸、乙酸能够溶解环境中的重金属^{［40，41］}；在微生物体表存在的大量负电荷有益于对重金属离子的吸附，其中对重金属起溶解作用的主要是依靠微生物产生的甲酸、乙酸等各种酸类代谢物，使金属离子转化为固定相，减少重金属对微生物的胁迫^［47］。

微生物在重金属胁迫的环境中也会产生其他的代谢物来降低胁迫，例如真菌木霉产生的金属硫蛋白与Hg、Zn等重金属有强烈的亲和性，形成无毒或低毒的络合物^［48］；微生物产生的异黄酮类代谢产物可以对Fe和Cu进行螯合或还原^［49］。研究表明，微生物的磷相关代谢物在微生物矿化重金属中具有重要作用^［50］。微生物代谢产生的脲酶可以催化尿素水解，导致周围环境的pH升高从而使环境中的Ca²⁺形成碳酸钙沉淀，减少环境中Ca的含量^［42］。微生物可以通过产生硫化物降低环境中的重金属含量，某些微生物，特别是脱硫弧菌等能产生硫化物的细菌，参与了含硫沉积物的形成^［51］。微生物也可以产生甲壳素螯合金属离子，将金属离子吸附在细胞壁上，避免金属进入细胞内^［52］。有些微生物可以通过产生谷胱甘肽、硫氧还蛋白和金属硫蛋白等代谢物来隔离重金属，使重金属对细胞无害^{［53，54］}。在高浓度Cu²⁺胁迫的培养基中，青霉菌的生长可以诱导细胞合成高浓度的甘油帮助其排出过量的铜离子^［55］。这些代谢物的存在可以降低重金属对微生物的毒害作用，使微生物可以在重金属存在的环境中生存。

目前，微生物代谢组在响应重金属离子胁迫方面的研究还有很多，如微生物产生的黑脓素可以对环境中的铀进行吸收固定^［56］。亦有研究报道，新孢霉属菌株为了响应Pb²⁺胁迫，分泌除蒽醌或萘醌以外的特定新型酚类化合物，黄曲霉菌分泌的谷氨酸、苹果酸和琥珀酸也为响应Pb²⁺胁迫而产生^［57］。利用代谢组学研究方法，会发现在受到金属胁迫时微生物体内代谢物的变化情况，并筛选出与降低重金属毒性相关的代谢物，阐明微生物的抗重金属机理，为微生物在含有重金属的环境中生存提供科学依据，同时也为重金属污染的修复奠定理论基础。通过这些研究也可发现微生物在极端环境的应答过程中代谢物的变化情况，进一步从基因表达层面解释代谢物变化的原因。

4 展 望

利用代谢组学技术研究微生物对重金属胁迫应答过程中代谢物的变化情况，以及从代谢水平途径上阐明微生物响应重金属胁迫的机理研究已逐渐受到广大学者的关注。目前相对于代谢组学在药物的研发^［58~61］、疾病的诊断^{［62，63］}以及食品安全^{［64，65］}等领域的应用，代谢组学在微生物修复重金属污染领域^{［66，67］}的研究较少。利用代谢组学研究微生物修复重金属污染的机制具有较好的应用前景。目前微生物在代谢组学研究上还存在着一些问题：①由于微生物培养条件的限制，导致了部分分析检测技术在使用上具有局限性；②微生物的代谢组学研究更多关注的是对代谢产物定性、定量研究，在相关代谢途径及机制研究上不够深入；③微生物淬灭和代谢物提取的方法不一，淬灭过程中容易引起胞内代谢物的泄漏等问题；④数据处理不方便，需要开发数据分析工具软件，实现数据处理平台自动化。这些问题的解决需要同基因组学、转录组学以及蛋白质组学等多种组学技术结合起来，将对今后更好地了解微生物在极端环境胁迫下代谢变化情况和利用微生物修复重金属污染提供重要依据^{［68，69］}。

参考文献

[1] Bundy J G, Willey T L, Castell R S, et al. Discrimination of pathogenic clinical isolates and laboratory strains of Bacillus cereus by NMR⁃based metabolomic profiling [J]. FEMS Microbiology Letters, 2005, 242(1): 127⁃136.

[2] 黄裕.基于多组学研究肠道菌群在结直肠癌发病机制中的作用及其临床诊断价值[D].上海:中国人民解放军海军军医大学, 2019.

[3] Huang Y. The role of intestinal microbiota in the pathogenesis of colorectal cancer and its diagnostic value: based on multi⁃omics[D]. Shanghai: PLA Navy Medical University, 2019.

[4] Cox I J, Idilman R, Fagan A, et al. Metabolomics and microbial composition increase insight into the impact of dietary differences in cirrhosis [J]. Liver Int, 2020, 40(2): 416⁃427.

[5] Oliva S R, Espinosa A J F. Monitoring of heavy metals in topsoils, atmospheric particles and plant leaves to identify possible contamination sources [J]. Microchem J, 2007, 86(1): 131⁃139.

[6] Xiao L, Zhang C, Wang G, et al. Influencing pathways of soil microbial attributes on accumulation of heavy metals in brassica (Brassica campestris L. ssp. chinensis var. utilis Tsen et Lee) leaves [J]. Environ Pollut, 2020, 262: 114215.

[7] Cao Y N, Ma C X, Chen H J, et al. Copper stress in flooded soil: impact on enzyme activities, microbial community composition and diversity in the rhizosphere of Salix integra [J]. Sci Total Environ, 2020, 704:135350.

[8] Zhang Q Q, Zheng X M, Wang Y, et al. Comprehensive optimization of the metabolomic methodology for metabolite profiling of Corynebacterium glutamicum [J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2018, 102(16): 7113⁃7121.

[9] Spura J, Christian Reimer L, Wieloch P, et al. A method for enzyme quenching in microbial metabolome analysis successfully applied to Gram⁃positive and Gram⁃negative bacteria and yeast [J]. Anal Biochem, 2009, 394(2): 192⁃201.

[10] 张田,张志丹,刘蛟,等.苜蓿中华根瘤菌代谢组学样品制备方法的研究[J].工业微生物, 2019, 49(4): 1⁃7.

[11] Zhang T, Zhang Z D, Liu J, et al. Research of metabolome sample preparation method of Sinorhizobium melilotiIndustrial [J]. Ind Microbiol, 2019, 49(4): 1⁃7.

[12] Wang X, Xie Y, Gao P, et al. A metabolomics⁃based method for studying the effect of yfcC gene in Escherichia coli on metabolism [J]. Anal Biochem, 2014, 451(8): 48⁃55.

[13] Kind T, Tolstikov V, Fiehn O, et al. A comprehensive urinary metabolomic approach for identifying kidney cancer [J]. Anal Biochem, 2007, 363(2): 185⁃195.

[14] 李阳,王继彤,刘晓露,等.大肠杆菌胞内代谢物组学分析样品前处理条件优化[J].分析化学, 2019, 47(9): 1402⁃1410.

[15] Li Y, Wang J T, Liu X L, et al. Optimization of sample preparation method for intracellular metabolites metabonomics analysis of Escherichia coli [J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2019, 47(9): 1402⁃1410.

[16] 李兵,牛文辉,李淼,等.1H⁃NMR法用于口腔念珠菌菌种鉴定及代谢产物分析[J].现代口腔医学杂志, 2013, 27(3): 154⁃158.

[17] Li B, Niu W H, Li M, et al. Identification and preliminary metabolic profiling of oral Candidal species based on 1H⁃NMR [J]. Modern Stomatol, 2013, 27(3): 154⁃158.

[18] 程万里,陈珍,杨雪,等.多粘类芽胞杆菌KM2501⁃1杀南方根结线虫活性产物研究[J].微生物学报, 2020, 60(8): 1629⁃1637.

[19] Cheng W L, Chen Z, Yang X, et al. Inhibition of Meloidogyne incognita by active compound from Panebacillus polymyxa KM2501⁃1 [J]. Acta Microbiologica Sinica, 2020, 60(8): 1629⁃1637.

[20] 范秋苹.一株依氏交替假单胞菌HZ胞外多糖的研究[D].济南:齐鲁工业大学, 2016.

[21] Fan Q P. The research of exopolysaccharide produced by Pesudoalteromonas issachenkonii HZ [D]. Jinan: Qilu University of Technology, 2016.

[22] Elmroth I, Sundin P, Valeur A, et al. Evaluation of chromatographic methods for the detection of bacterial contamination in biotechnical processes [J]. J Microbiol Methods, 1992, 15(3): 215⁃228.

[23] 明明.基于GC⁃MS代谢组学方法的建立及对酿酒酵母乙醇耐受性机制研究[D].吉林:吉林化工学院, 2019.

[24] Ming M. Development of metabolomics method based on GC⁃MS and its application for studying mechanism of ethanol tolerance in Sacchromyces cerevisiae [D]. Jinlin: Jilin University of Chemical Technology, 2019.

[25] Lowe R G T, Lord M, Rybak K, et al. Trehalose biosynthesis is involved in sporulation of Stagonospora nodorum [J]. Fungal Genet Biol, 2009, 46(5): 381⁃389.

[26] 杨越.基于LC⁃MS的白色链霉菌代谢物差异分析及其应用研究[D].武汉:华中农业大学, 2018.

[27] Yang Y. Study and application on metabolomic profiling of Streptomyces albus based on LC⁃MS [D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2018.

[28] 吴知桂,殷文贤,罗宏丽,等.基于代谢组学探索氯胺酮膀胱毒性相关的尿液差异代谢物[J].药学学报, 2020, 55(8): 1849⁃1854.

[29] Wu Z G, Yin W X, Luo H L, et al. Metabolic abnormalities associated with ketamine⁃associated bladder toxicity based on metabolomics [J]. Acta Pharmaceutica Sinica, 2020, 55(8): 1849⁃1854.

[30] Rao L B, Song Z X, Yu X Y, et al. Progranulin as a novel biomarker in diagnosis of early⁃onset neonatal sepsis [J]. Cytokine, 2020, 128: 155.

[31] 李树颖,李科,秦雪梅,等.基于LC⁃MS代谢组学技术的注射用黄芪多糖活性成分调控巨噬细胞代谢研究[J].中草药, 2020, 51(6): 1575⁃1585.

[32] Li S Y, Li K, Qin X M, et al. Study on active constituents of Astragalus polysaccharides for injection to regulate metabolism of macrophages based on LC⁃MS metabolomics [J]. Chinese Traditional and Herbal Drugs, 2020, 51(6): 1575⁃1585.

[33] 张甲耀,宋碧玉,陈兰州,等.环境微生物学[M].武汉:武汉大学出版社, 2008: 127⁃128.

[34] Zhang J Y, Song B Y, Chen L Z, et al. Environmental microbiology [M]. Wuhan: Wuhan University Press, 2008: 127⁃128.

[35] Nargund A M, Avery S V, Houghton J E. Cadmium induces a heterogeneous and caspase⁃dependent apoptotic response in Saccharomyces cerevisiae [J]. Apoptosis: Int J Program Cell Death, 2008, 13(6): 811⁃821.

[36] Stratton G W, Corke C T. The effect of nickel on the growth, photosynthesis, and nitrogenase activity of Anabaena inaequalis [J]. Can J Microbiol, 1979, 25(9): 1094⁃1099.

[37] Belliveau B H, Starodub M E, Cotter C . et al. Metal resistance and accumulation in bacteria [J]. Biotechnol Adv, 1987, 5(1): 101⁃127.

[38] Houba C, Remacle J. Composition of the saprophytic bacterial communities in freshwater systems contaminated by heavy metals [J]. Microb Ecol, 1980, 6(1): 55⁃69.

[39] Fomina M, Gadd G M. Biosorption: current perspectives on concept, definition and application [J]. Bioresour Technol, 2014, 160: 3⁃14.

[40] Wu G, Kang H B, Zhang X Y, et al. A critical review on the bio⁃removal of hazardous heavy metals from contaminated soils: issues, progress, eco⁃environmental concerns and opportunities [J]. J Hazard Mater, 2010, 174(3): 1–8.

[41] 王敏.嗜冷微生物对Cu²⁺胁迫的应答及其代谢组学研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2012.

[42] Wang M. Stress responses and metabolomics under Cu²⁺ in psychrophilic microorganism [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2012.

[43] Feng G, Xie T, Wang X, et al. Metagenomic analysis of microbial community and function involved in Cd⁃contaminated soil [J]. BMC Microbiol, 2018, 18(1): 1⁃13.

[44] 张旭.基于宏基因组技术研究Pb胁迫下黄酮醇对植物的抗逆机制[D].济南:山东大学, 2019.

[45] Zhang X. Research on mechanism of flavonols in plant resistance to Pb based on metagenomics [D]. Jinan: Shandong University,2019.

[46] Elreedy A, Fujii M, Koyama M, et al. Enhanced fermentative hydrogen production from industrial wastewater using mixed culture bacteria incorporated with iron, nickel, and zinc⁃based nanoparticles [J]. Water Res, 2019, 151: 349⁃361.

[47] Dong Z Y, Huang W H, Xing D F, et al. Remediation of soil co⁃contaminated with petroleum and heavy metals by the integration of electrokinetics and biostimulation [J]. J Hazard Mater, 2013, 260(15): 399⁃408.

[48] van Hamme J D, Singh A, Ward O P. Physiological aspects: Part 1 in a series of papers devoted to surfactants in microbiology and biotechnology [J]. Biotechnol Adv, 2006, 24(6): 604⁃620.

[49] 施晓东,常学秀.重金属污染土壤的微生物响应[J].生态环境学报, 2003, 12(4): 498⁃499.

[50] Shi X D, Chang X X. Microbial responses to heavy metal pollution in soils [J]. Ecology and Environment, 2003, 12(4): 498⁃499.

[51] Booth S C, Workentine M L, Wen J, et al. Differences in metabolism between the biofilm and planktonic response to metal stress [J]. J Proteome Res, 2011, 10(7): 3190⁃3199.

[52] Caruso C, Rizzo C, Mangano S, et al. Isolation, characterization and optimization of EPSs produced by a cold⁃adapted Marinobacter isolate from Antarctic seawater [J]. Antarct Sci, 2019, 31(2): 69⁃79.

[53] Li W W, Yu H Q. Insight into the roles of microbial extracellular polymer substances in metal biosorption [J]. Bioresour Technol, 2014, 160: 15⁃23.

[54] Fomina M, Hillier S, Chamnock J M, al et, Role of oxalic acid overexcretion in transformations of toxic metal minerals by Beauveria caledonica [J]. Appl Environ Microbiol, 2005, 71(1): 371⁃381.

[55] Gadd G M, Bahriesfahani J, Li Q, et al. Oxalate production by fungi: significance in geomycology, biodeterioration and bioremediation [J]. Fungal Biol Rev, 2014, 28(2): 36⁃55.

[56] Ullah A, Heng S, Munis M F H, et al. Phytoremediation of heavy metals assisted by plant growth promoting (PGP) bacteria: a review [J]. Environ Exp Bot, 2015, 117: 28⁃40.

[57] Qian X Y, Fang C L, Huang M S, et al. Characterization of fungal⁃mediated carbonate precipitation in the biomineralization of chromate and lead from an aqueous solution and soil [J]. J Clean Prod, 2017, 164(15): 198⁃208.

[58] Naznin M, Choi J, Shin W S, et al. Removal of metal ions from electrochemical decontamination solution using organic acids [J]. Sep Sci Technol, 2017, 52(18): 2888⁃2898.

[59] 叶斌晖.草酸青霉Penicillium oxalicum SL2对Pb²⁺的生物固定化、形态转化及分子机制研究[D].杭州:浙江大学, 2018.

[60] Ye B H. Study on the bioimmobilization, speciation transformation and molecular mechanism of Pb²⁺ by Penicillium oxalicum SL2 [D]. Hangzhou: Zhejiang university, 2018.

[61] Ma D G, Su M Z, Qian J J, et al. Heavy metal removal from sewage sludge under citric acid and electroosmotic leaching processes [J]. Sep Purif Technol, 2020, 242: 116822.

[62] 朱一民,魏德洲. Mycobacterium phlei菌对重金属Pb²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺的吸附规律[J].东北大学学报(自然科学版), 2003, 24(1): 91⁃93.

[63] Zhu Y M, Wei D Z. Biosorption of Mycobacterium phlei to the heavy metal ions Pb²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺and Cu²⁺ [J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2003, 24(1): 91⁃93.

[64] Ledin M, Krantz⁃Rülcker C, Allard B. Zn, Cd and Hg accumulation by microorganisms, organic and inorganic soil components in multi⁃compartment systems [J]. Soil Biol Biochem, 1996, 28(6): 791⁃799.

[65] Migkos T, Applová L, Horký P, et al. The influence of microbial isoflavonoid specific metabolites on platelets and transition metals iron and copper [J]. Phytomedicine, 2019, 62: 152974.

[66] Rhee Y J, Hillier S, Pendlowski H, et al. Fungal transformation of metallic lead to pyromorphite in liquid medium [J]. Chemosphere, 2014, 113: 17⁃21.

[67] Eccles H. Treatment of metal⁃contaminated wastes: why select a biological process? [J]. Trends Biotechnol, 1999, 17(12): 462⁃465.

[68] Gupta V K, Nayak A, Agarwal S. Bioadsorbents for remediation of heavy metals: current status and their future prospects [J]. Environ Eng Res, 2015, 20(1): 1⁃18.

[69] Sigel H, Sigel A, Sigel R K O. Metallothioneins and related chelators [J]. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2009, 5: 7966–7967.

[70] Hrynkiewicz K, Złoch M, Kowalkowski T, et al. Efficiency of microbially assisted phytoremediation of heavy⁃metal contaminated soils [J]. Environ Rev, 2018, 26(3): 316–332.

[71] 杨元根, Paterson E, Campbell C. 重金属Cu的土壤微生物毒性研究[J].土壤通报, 2002, 33(2): 58⁃62.

[72] Yang Y G, Paterson E, Campbell C. Study on microbial toxicity of heavy metal copper [J]. Chinese Journal of Soil Science, 2002, 33(2): 58⁃62.

[73] Turick C E, Knox A S, Leverette C L, et al. In situ uranium stabilization by microbial metabolites [J]. J Environ Radioact, 2008, 99(6): 890⁃899.

[74] Salazar⁃Ramírez G, Flores⁃Vallejo R D C, Rivera⁃Leyva J C, et al. Characterization of fungal endophytes isolated from the metal hyperaccumulator plant Vachellia farnesiana growing in mine tailings [J]. Microorganisms, 2020, 8(2): 226.

[75] Sinha R, Sharma B, Dangi A K, et al. Recent metabolomics and gene editing approaches for synthesis of microbial secondary metabolites for drug discovery and development [J]. World J Microbiol Biotechnol, 2019, 35(11): 166.

[76] Li J, Yang H, Meng S, et al. Metabonomic profiles reveal dose⁃dependent effects of Bu⁃Shen⁃Gu⁃Chi⁃Wan on the serum in experimental periodontitis of rat model [J]. J Ethnopharmacol, 2016, 193: 248⁃254.

[77] Everett J R. Pharmacometabonomics: the prediction of drug effects using metabolic profiling [J]. Handb Exp Pharmacol, 2019: 263⁃299.

[78] Cuperlovic⁃Culf M, Culf A S. Applied metabolomics in drug discovery [J]. Expert Opin Drug Discov, 2016, 11(8): 759⁃770.

[79] Upadhyay D, Sharma U, Makharia G K, et al. Role of NMR metabonomics in celiac disease (CeD) [J]. Biomed Spectrosc Imaging, 2017, 5(1): 27⁃40.

[80] Sridharan G, Ramani P, Patankar S, et al. Evaluation of salivary metabolomics in oral leukoplakia and oral squamous cell carcinoma [J]. J Oral Pathol Med, 2019, 48(4): 299⁃306.

[81] Qi X Z, Chen S Y, Sheng Y, et al. Safety assessment of genetically modified rice expressing human serum albumin from urine metabonomics and fecal bacterial profile [J]. Food Chem Toxicol, 2015, 76: 1⁃10.

[82] Yao J W, Zong X Y, Cui C, et al. Metabonomics analysis of nonvolatile small molecules of beers during forced ageing [J]. Int J Food Sci Technol, 2018, 53(7): 1698⁃1704.

[83] Alhasawi A, Costanzi J, Auger C, et al. Metabolic reconfigurations aimed at the detoxification of a multi⁃metal stress in Pseudomonas fluorescens: implications for the bioremediation of metal pollutants [J]. J Biotechnol, 2015, 200: 38⁃43.

[84] Patel P R, Shaikh S S, Sayyed R Z, et al. Dynamism of PGPR in bioremediation and plant growth promotion in heavy metal contaminated soil [J]. Indian J Exp Biol, 2016, 54(4): 286⁃290.

[85] 王珂佳,邱树毅.微生物代谢组学及其在白酒酿造中的应用研究进展[J].中国酿造, 2019, 38(9): 225⁃230.

[86] Wang K J, Qiu S Y. Advances in microbial metabolomics and its application in Baijiu brewing [J]. China Brewing, 2019, 38(9): 225⁃230.

[87] Zhao J C, Wang G, Chu J, et al. Harnessing microbial metabolomics for industrial applications [J]. World J Microbiol Biotechnol, 2020, 36(1): 1⁃18.

基金资助

新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2016D01A054)