微生物对重金属的去除.doc

微生物处理重金属废水的常规研究进展 2010-8-23 来源：谷腾水网 点击：37 重金属 废水的常规处理方法主要包括：化学沉淀法、离子交换法、蒸发浓缩法、电解法、活性炭 和硅胶吸附法和膜分离法等，但这些方法存在去除不彻底、费用昂贵、产生有毒污泥或其 他废料等缺点因此，人们一直致力于研究与开发高效环保型的重金属废水处理技术和工 艺微生物处理法是利用细菌、真菌（酵母） 、藻类等生物材料及其生命代谢活动去除和 （或）积累废水中的重金属，并通过一定的方法使金属离子从微生物体内释放出来，从而 降低废水中重金属离子的浓度近年来，国际上在微生物处理重金属废水的研究中取得了 较多成果，该技术在投资、运行、操作管理和金属回收、废水回用等方面优越于传统的治 理方法，展现出广阔的应用前景我国在微生物处理废水重金属这方面的研究尚处于起步 阶段，因此，本文就微生物处理重金属废水的机理及其影响因素做一概述，以期促进国内 该领域的研究1 微生物处理重金属废水的机理1.1 微生物对重金属的吸附作用微生物的吸附作用是指利用某些微生物本身的化学成分和结构特性来吸附废水中的重 金属离子，通过固液两相分离达到去除废水中的重金属离子的目的。

生物吸附剂为自然界 中丰富的生物资源，如藻类、地衣、真菌和细菌等微生物结构的复杂性以及同一微生物 和不同金属间亲和力的差别决定了微生物吸附金属的机理非常复杂，至今尚未得到统一认 识根据被吸附重金属离子在微生物细胞中的分布，一般将微生物对金属离子的吸附分为 胞外吸附、细胞表面吸附和胞内吸附1.1.1 胞外吸附一些微生物可以分泌多聚糖，糖蛋白，脂多糖，可溶性氨基酸等胞外聚合物质 （extracellularpolymericsubstances，EPS） ，EPS 具有络合或沉淀金属离子作用如蓝细菌能 分泌多糖等胞外聚合物，一些白腐真菌可以分泌柠檬酸（金属螯合剂）或草酸（与金属形 成草酸盐沉淀） Suh 等研究发现，当茁芽短梗霉（Aureobasidiumpullulans）分泌 EPS 时， Pb2 便积累于整个细胞的表面，且随着细胞的存活时间增长，EPS 的分泌量增多，积累于 细胞表面的 Pb2 水平就越高，从最初的 56.9 上升到 215.6mg/g（干重） ；当把细胞分泌的 EPS 提取出来后，Pb2 便会渗透到细胞内，但 Pb2 的积累量显著减少（最高量仅为 35.8mg/g 干重） 。

1.1.2 细胞表面吸附细胞表面吸附是指金属离子通过与细胞表面，特别是细胞壁组分（蛋白质、多糖、脂 类等）中的化学基团（如羧基、羟基、磷酰基、酰胺基、硫酸脂基、氨基、巯基等）的相 互作用，吸附到细胞表面如将酵母细胞壁上氨基，羧基，羟基等化学基团进行封闭，则 会减少其对 Cu2 的吸收量，表明这些基团在结合 Cu2 方面具有重要的作用，这也间接证 明了细胞壁上蛋白质和糖类在生物吸附中的作用金属离子被细胞表面吸附的机制包括离子交换、表面络合、物理吸附（如范德华力、 静电作用） 、氧化还原或无机微沉淀等不同的微生物对不同金属的吸附作用机制不同（表 1） Kratochvil 等认为，离子交换是许多非活性真菌和藻类吸附金属离子的主要机理，主要 是细胞表面的羧基，其次是硫酸脂基和氨基在生物吸附中发挥了重要作用Davis 等也认 为离子交换是褐藻吸附金属离子的主要机制，特别是以前被认为的物理和化学的结合机制 都可以用离子交换来解释细胞表面功能基团中的氮、氧、硫、磷等原子，可以作为配位 原子与金属离子配位络合例如 Zn、Pb 可以与产黄青霉（P.chrysogenum）表面的磷酰基 和羧基形成络合物，溶液中的阴离子（EDTA、SO42-、Cl-、PO33-等）可以与细胞竞争重 金属阳离子，形成络合物，从而降低产黄青霉对 Zn、Pb 的吸附量，这也间接地说明细胞 表面对金属离子的吸附确实存在络合机制。

关于氧化还原和无机微沉淀的机制也有少量报道如 Lin 采用 X 射线衍射（XRD） 、红外光谱（IR）以及光电子能谱（XPS）技术，研 究了废弃酵母吸附 Au3 的过程，发现还原性糖（细胞壁肽聚糖层的多糖水解产物）半缩醛 基团中的自由醛基，可以作为电子供体，将 Au3 原位还原为 Au01.1.3 胞内吸附与转化一些金属离子能透过细胞膜，进入细胞内金属离子进入细胞后，微生物可通过区域 化作用（compartmentalization）将其分布于代谢不活跃的区域（如液泡） ，或将金属离子与 热稳定蛋白结合，转变成为低毒的形式如活酵母吸收的 Sr、Co 离子积累于液泡中，而 Cd 和 Cu 离子位于酵母的可溶性部分（solublefraction） ；同时液泡缺陷型酵母对 Zn、Mn、Co、Ni 离子的敏感性增加，吸附量降低；但其对 Cu 和 Cd 离子的吸附与野生型 则没有明显的区别Vijver 认为细胞的区域化作用主要有两种类型：形成明显的包含体和 重金属与热稳定蛋白结合，后者主要指金属硫蛋白（metallothioneins，简称 MT） 金属硫 蛋白的分子量低（2000~10000kDa） ，富含半胱氨酸，可被金属 Cd、Cu、Hg、Co、Zn 等诱 导，并与这些金属结合。

此外，谷胱甘肽（GSH） 、植物凝集素（phytochelatins）和不稳定 硫化物（labilesulfide）也具有储备、调节和解毒胞内金属离子作用GSH 是典型的低分子 量硫醇，富含半胱氨酸残基和组氨酸残基，是对金属离子有高度的亲和力的肽链，因此具 备金属解毒功能目前，利用生物工程技术，在微生物细胞内表达金属结合蛋白或金属结 合肽，从而制备全细胞工具（wholecelltools）来分离废水中重金属方面的研究日益受到关 注1.2 微生物对重金属的沉淀作用微生物对重金属离子的沉淀作用，一般认为是由于微生物对金属离子的异化还原作用 或是由于微生物自身新陈代谢的结果一方面，一些微生物可分泌特异的氧化还原酶，催 化一些变价金属元素发生氧化还原反应，或者其代谢产物或细胞自身的某些还原物直接将 毒性强的氧化态的金属离子还原为无毒性或低毒性的离子；另一方面，一些微生物的代谢 产物（硫离子、磷酸根离子）与金属离子发生沉淀反应，使有毒有害的金属元素转化为无 毒或低毒金属沉淀物（表 2） 1.2.1 还原作用一些微生物在其生长代谢过程中，可分泌特异的氧化还原酶，催化一些变价金属元素 发生氧化还原反应，使金属离子的溶解度或毒性降低（表 2） 。

例如，许多好氧和厌氧微生 物能将如 Cr6 还原为 Cr3 ，在好氧条件下，Cr6 的生物还原作用主要受可溶性酶催化，但 嗜麦芽假单胞菌（Pseudomonasmaltophilia）O-2 和巨大芽孢杆菌 TKW3 除外，其催化 Cr6 还原为 Cr3 的酶为膜结合还原酶近年来，分别已从恶臭假单胞菌 MK1 和大肠杆菌纯化 了 ChrR 和 YieF 两种可溶性 Cr6 还原酶，其中 ChrR 催化一个电子转运，形成中间产物 Cr5 和（或）Cr4 ，进一步转运两个电子，形成 Cr3 ；而 YieF 转运四个电子，直接将 Cr6 还原为 Cr3 研究者也已从巨大芽孢杆菌 TKW3 中分离出膜结合的 Cr6 还原酶，但对其 还原动力学过程还不清楚在厌氧条件下，可溶性酶和膜结合还原酶均可催化 Cr6 还原为 Cr3 ，Cr6 作为电子转运链中的电子受体，且细胞色素（如细胞色素 a 和细胞色素 b）参 与此氧化还原过程同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档另外，一些微生物的代谢产物或细胞自身的某些还原物将毒性强的氧化态的金属离子 还原为无毒性或低毒性的离子例如，在硫酸盐还原菌体系中，Fe2 和 S2-产物能间接地 将 Cr6 还原为 Cr3 。

一些 Fe（III）同化微生物（如 Geobactermetallireducens）可将 U（VI）还原为 U（IV） ，使 U 的溶解度降低，从而可达到去除废水中 U 的目的1.2.2 金属硫化物沉淀在 pH 值为中性、一定的基质浓度和厌氧条件下，硫酸还原菌（SRB）能将硫酸根离 子还原成硫离子，S2-与废水中的的 Zn2 ，Cd2 ，Pb2 ，Cu2 等发生沉淀反应，形成不溶性的金属硫化物，从而实现废水的净化处理SRB 广泛分布于自然界，典型的代表有脱硫 弧菌（Desulfovibrio） ，脱硫微菌（Desulfomicrobium） ，脱硫杆菌（Desulfobacter） ，脱硫八 叠菌（Desulfosarcina） ，脱硫肠菌（Desulfotomaculum） ，热脱硫杆菌 （Thermodesulfobacterium） ，古球菌（Archaeoglobus）等SRB 能在厌氧条件下将金属离子转化为硫化物沉淀，这对处理高浓度重金属废水有着 非常重要的意义，而且利用共生的混合 SRB 菌株要比单一 SRB 菌株处理含重金属废水更 有效率然而，通常低浓度（20~200μm）的 Cd2 、Zn2 、Ni2 等会对 SRB 产生毒害作用， 从而限制了 SRB 的广泛应用。

通过基因过程手段，可将 SRB 中的硫酸还原酶转移到其他 环境菌中，使转化菌具有形成金属硫化物沉淀的能力在这方面的首次努力的是将肠沙门 氏菌（Salmonellaenterica）体内的硫酸盐还原酶基因在大肠杆菌体内表达，表达后的大肠 杆菌 DH5α 能够比控制在好氧或厌氧条件下的普通大肠杆菌产生更多的金属硫化物沉淀， 且重组菌在厌氧条件下对高浓度水平（200mmol/L）Cd2 的去除率达到 98%1.2.3 金属磷酸盐沉淀磷酸盐是合成核酸、ATP 等重要生物分子所必需，通常生命体并不释放过量的磷酸盐 然而微生物可通过两条途径释放无机磷酸盐：一些柠檬酸杆菌能分泌酸性磷酸酶，催化 2- 磷酸甘油水解，释放无机磷酸盐，从而在细胞表面积累大量的磷酸盐，并与废水中的金属 发生沉淀反应，形成金属磷酸盐沉淀酸性磷酸酶催化的过程是与外膜和胞外的脂多糖 （LPS）相偶联的，因为金属磷酸盐矿物的启动是从 LPS 中的磷酸基团的核晶过程开始的， 随着有机磷不断被酸性磷酸酶水解，释放出无机磷酸盐，金属磷酸盐晶体不断增大 Finlay 等研究发现，将柠檬酸菌细胞固定于生物膜反应器通过化学耦合可以去除>90%的金 属 U（以 HUO2PO4 形式沉淀） ；一些细菌释放无机磷酸盐并不依赖有机磷酸盐供体，而是 加速细菌体内的磷酸盐循环，如约氏不动杆菌（Acinetobacterjohnsonii） 。

在好氧条件下， 细菌不断合成多磷酸盐，并作为其生长代谢的能源物质；在厌氧条件下，多磷酸盐被降解 产生 ATP，同时产生金属磷酸盐的沉淀而且，一些金属离子（如 Cd、UO22 ）能促进多 磷酸盐的降解，产生更多的无机 Pi如通过控制大肠杆菌（E.coli）体内编码多磷酸盐激酶 （polyphosphatekinase，ppk）和多磷酸盐酶（polyphosphatase，ppx）的基因的共同表达， 能降低细胞内多磷酸盐的水平和促进磷酸盐的分泌，从而增加大肠杆菌对金属的耐性2 影响微生物修复的因素2.1 微生物的影响2.1.1 微生物的种类在微生物处理重金属废水过程中，不同微生物对同一种金属离子的去除效率不同如 表 3 所示，不同微生物对同一种金属离子的吸附量的差异显著 2.1.2 微生物的预处理微生物的预处理是指在处理重金属废水之前，采用干燥、强酸和强碱溶液浸泡等物理 或化学方法处理细胞通常，预处理可提高微生物对重金属离子的去除能力和微生物的稳 定性如 Cihangir 等发现，干燥处理后的真菌凤尾菇（PleurotusSajorcaju）对废水中 Cd2 的去除能力显著提高，且冷冻干燥的效果比烘箱干燥好。

经过乙醇处理的废弃酵母细胞对 废水中 Cd2 和 Pb2 的吸附量分别达 15.63 和 17.49mg/g（干重） ，分别比对照增加。