微生物在水体重金属污染治理中的应用

国外医学医学地理分册 2006年3月第27卷第1期

微生物在水体重金属污染治理中的应用

郑玉建,张杰,依不拉音

(新疆医科大学公共卫生学院,乌鲁木齐830054)

摘要:介绍重金属废水微生物处理技术的一般原理、研究现状及应用前景,指出了微生物 处理技术的特点和优越性。

关键词:微生物;重金属;废水处理

中图分类号:X172

The application of microorganismin the treatment

for heavy metal wastewater

ZHENG Yu2jian ,ZHANGJie , YI Bu2la2yin

(TheDepartment of Public Health in Xinjiang Medical University ,Urumqi 830054,China)

Abstract :Thethesis introduces the general principlesof the microorganism treatment technology for heavy metal waste2water and present research situation and application prospects. Point out the characteristic and su2 periorities of microorganism treatment techniques.

Key wor ds:microorganism;heavy metals;wastewater treatment

水中重金属的传统处理方法包括化学沉淀法、

离子交换法、活性炭和硅胶吸附法以及膜分离法等。 他们各有优缺点,但是在处理含有较低浓度的重金

属离子废水时,其操作费用和原材料成本相对较高。

而生物处理方法因其成本低、效率高、容易操作、无 二次污染等优点而成为治理水体重金属污染研究中

的一个热点。生物处理法是利用细菌、真菌(酵母)、 藻类等的生命活动过程,通过将废水中的重金属沉

淀、吸附吸收、降低其毒性从而达到治理重金属废水 的目的。国外利用藻类治理重金属方面的研究始于

70年代,已有大量的研究报道,而利用微生物处理 废水重金属到了90年代才受到重视。目前,国内在 这方面的研究尚不多见。本文就微生物处理技术在 污水重金属治理中的应用及前景做简要的概述。

1 微生物的吸附作用

微生物吸附法是利用具有吸附重金属特性的微 生物材料来吸附水溶液中的重金属。与离子交换树 脂等传统的处理方法相比,微生物吸附法具有来源

用Ca2+、Na+溶液预处理后的真菌生物材料吸附

收稿日期:2005206216

作者简介:郑玉建(1955-),男,教授,博士生导师,主要从事环 境与健康研究。

· 文献标识码:A 文章编号:100128883(2006)0120039204

丰富、成本低、处理低浓度重金属污染的废水效果好

等优点。

111 吸附作用机制 研究表明,细菌、真菌等微生物具有吸附重金属 离子的功能。微生物活细胞吸附重金属的过程由两 个阶段组成,即胞外吸附和胞内转移。首先重金属 不依靠细胞代谢直接结合在细胞表面,其速度相当 快。随后被吸附的金属被缓慢转移进入胞内,这是 一个主动的,与代谢有关的过程。而非活性的微生

物只有表面吸附〔1～5〕。王亚雄等〔6〕对产碱假单胞菌

和藤黄微球菌对Cu2+ ,Pb2+的吸附特性研究表明, 两者对Cu2+、Pb2+的吸附速度很快,3min 内细菌

对金属离子的吸附量达到总吸附量的75%,然后吸 附速度逐渐降低。

微生物细胞表面吸附主要是由金属离子与细胞 表面活性基团中的质子进行离子交换而完成的。在 密闭系统中进行的实验结果显示,用酸洗过的生物

量吸附重金属的过程中,能降低溶液的p H 值〔7〕。

Zn2+、Pb2+等重金属时,随着溶液中重金属浓度的

降低,Ca2+、Na+的浓度反而增加,而且生物材料所

·

·

吸附的Zn2+、Pb2+等离子的浓度与溶液中Ca2+和 Na+的增加量几乎相等。说明离子交换是微生物吸

附重金属的主要机制。研究显示,重金属能与微生

物细胞壁的2COOH 、2PO3-4 、2SO3H 、2NH2等官能团 相配位。真菌细胞壁的弱酸性羧基基团是构成离子 交换部位的主要基团,革兰氏阳性细菌细胞壁的肽 聚糖层中的羧基基团R2COOH 在细菌对重金属的 富集过程中也起着重要作用〔10〕。除羧基集团外,真 菌壳质(R22NH)和壳聚糖(R2NH2)中的氨基基团 在金属结合作用中起一定的作用,有研究表明,根霉

Rhizopus arrhizus 主要通过细胞壁的壳质和壳聚糖

吸附重金属,细胞壁对锌的最大吸附能力达213 μmol/ 112 影响吸附作用的因素

微生物吸附重金属的能力受到作用体系p H

值、温度、金属离子浓度、光和共存离子等因素的影

响。活细胞所受的外界环境影响因素较多,而非活

性的生物质(dead biomass)吸附重金属一般受p H 值影响较大,其他因素影响小。徐容等〔9〕研究固定

化产黄青霉废菌体对Pb2+的吸附和脱附平衡的结 果表明,该生物量在p H 值为2～5时,吸附量随p H 值的增大而呈线性增加,p H 值大于5以后,逐渐趋 于最大值,吸附Pb2+的最佳p H 值为5～515。温度 对吸附的影响则很小,发酵工业的废生物质肉桂链 轮生菌(streptoverticillium cinnamoneum)菌丝体被 制成颗粒,进行Pb 和Zn 的吸附实验结果显示,用 沸水预处理15min ,能提高菌丝体对Pb 和Zn 的吸 附量分别为52%和41%〔10〕。

113 固定技术及脱附剂的应用

由于微生物细胞太小,与水溶液的分离较难,容 易造成二次污染。而用固定化技术处理废水的固液

分离效果好、可提高生物反应器内的微生物浓度,增 强其稳定性、延长使用周期。微生物细胞的固定化 对其重金属富集特点有一定的影响。McEl2

downey 〔11〕比较了固定在玻璃表面的和自由悬浮荧

光素H2假单胞菌(pseudomonas fluorescens H2)对 镉的富集作用。结果显示虽然两者均通过两个阶段 富集镉,但达到饱和状态所需时间存在差异,Zn2+ 影响悬浮细胞对Cd2+的富集,而不影响固定化细 胞,代谢抑制剂羧氰基2间氯苯腙(carbomyl cyanide

m2chlorophenyl2hydrazone) 使自由悬浮细胞的 Cd2+吸收量减少40%,固定化细胞的吸收量减少 25%。此外,固定化的生物质少孢子根霉(rhizopus oligosporus)对镉的吸附量也比非固定化的生物量

· 高。

微生物吸附剂通过脱附剂洗脱,可以反复使用。 不同的脱附剂脱附能力有所差异,一般常用酸碱溶

液和EDTA 作为脱附剂。链球菌属生物质肉桂链 轮生菌(streptoverticillium cinnamoneum)对Pb 的 最高吸附量为5715 mg/g 对Zn 的最高吸附量为

2113mg/g ,用碳酸钠洗脱后,其吸附容量减少14%

～37%。而用EDTA 洗脱后吸附Pb 的细菌生物质

的脱附率可达100%〔12〕。

目前普遍应用的生物吸附材料大多是工业发酵 过程中产生的废弃菌丝体,其来源丰富、价廉、吸附 能力强且便于回收重金属。微生物吸附处理法作为 g(干重)〔8〕。

应用前景。

2 微生物的沉淀作用

许多微生物通过还原反应使重金属离子转变成 不易溶解的沉淀状态或降低其毒性。细菌的上述代 谢特点被用来治理废水中重金属〔12,13〕。柠檬酸利 用菌株铜绿假单孢菌(pseudomonas aeruginosa)和 恶臭假单孢菌(pseudomonas putida)可将Cd 、Zn 、

Cu 、Fe 、Co 、Ni 等重金属磷酸化而沉淀〔14〕;一种海洋

光合作用菌在L2苹果酸存在的厌氧状态下能将

Ni2+离子还原成Ni 元素〔15〕。目前常用的生物治理

技术是利用硫酸还原细菌在厌氧状态下形成的硫化 氢,使重金属离子与硫化氢结合成硫化金属沉淀物, 从而达到分离重金属离子的目的。多数嗜温Fe3+ 还原菌能使水溶液中的有毒金属离子沉淀,这在治 理高温工业重金属污水方面有重要的意义,这些嗜 温菌在较高温度下通过自身的代谢特点将废水中重 金属离子转变成难溶性沉淀状态,有利于金属离子 的分离。一种发酵微生物在65℃下将Cr6+还原成

难溶的低毒的Cr3+状态〔16〕。Kazem Kashefi 和De2

rek R. Lovley 对一种高度嗜热酸硫杆菌(P.island2 icum)的研究显示,在100℃高温状态下该细菌能将 Cr(VI),Co (III),Mn (IV),U (VI)和 Tc (VII)还

原〔17〕。深入了解细菌的这种特殊的代谢机制,将有 助于治理环境重金属污染。

3 生物工程技术在该领域的应用

随着现代生物工程技术的发展,使细菌上表达 异源型蛋白质成为了可能。该技术在免疫学,疫苗 学和生物工程学方面已被广泛应用〔18,19〕。自然存 在的生物材料对重金属的吸附能力和特异性都比较 低。利用生物工程技术,在微生物细胞上表达金属 结合蛋白或金属结合肽,从而制备全细胞工具

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重金属生物吸附法的主要组成部分,具有更广阔的