微生物对重金属 的去除

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Au0。

1.1.3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），