生物吸附法去除重金属离子的研究进展

生物吸附法去除重金属离子的研究进展

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生物吸附法去除重金属离子的研究进展

摘要：本文主要对生物吸附去除重金属离子污染的研究现状进行了综合评述。

首先，介绍了重金属污染的危害和传统去除重金属离子的技术存在的局

限性，指出生物吸附法作为新兴的处理方法的优势；然后，讨论了生物

吸附剂的来源及特点，生物吸附重金属的机理研究，影响重金属生物吸

附的因素以及重金属离子的解析；最后，展望了生物吸附在去除重金属

离子的前景，也提出了其存在的局限性。

1前言

重金属一般指密度大于克每立方厘米的金属，如铅(Pb)、砷(As)、镉(Cd)、汞(Hg)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)等。这些难降解的重金属随工业废水的超量排放对环境构成威胁,通过食物链在生物体内富集,破坏生物体正常代谢活动,危害人体健康。自从日本发生轰动世界的水俣病(汞中毒)和痛疼病(镉中毒)后,如何治理重金属废水,已经受到科学家们的普遍关注[1]。因此，有效地处理重金属废水、回收贵重金属已经成为当今环保领域和食品安全领域中重要的课题。

目前处理含重金属废水的方法主要有化学沉淀、溶解、渗析、电解、反渗透、蒸馏、树脂离子交换与活性炭吸附等。各种方法的优缺点如表一所示.

表1 去除重金属离子传统技术[2]

Table 1 Conventional technologies for heavy metal removal 处理方法优点缺点

化学沉淀和

过滤简单、便宜对于高浓度的废水,分离困难效果较差,会产

生污泥

氧化和还原无机化

需要化学试剂生物系统速率慢

电化学处理可以回收金属价格较贵

反渗透出水好,可以回用

需要高压膜容易堵塞价格较贵

离子交换处理效果好,金属可以回

收

对颗粒物敏感

树脂价格较贵

吸附可以利用传统的吸附剂

(活性炭)

对某些金属不适用

蒸发出水好,可以回用

能耗高价格较贵产生污泥

这些方法中,有些处理效果不好,难以满足越来越严格的废水排放标准,另

一方面,有些在经济上不可行,很大程度上限制了它们的实际应用价值。而且由于污染的危害性或金属本身稀有性,我们在选择处理方法时应尽可能考虑其回收利用。

生物吸附法作为一种新兴的处理技术,特别是在处理低浓度的重金属废水方面,有着极为广阔的前景。所谓生物吸附法就是利用某些生物体本身的化学结构与成分特性来吸附溶于水中的金属离子,再通过固液分离去除水溶液中金属离子的一种方法[3]。与非生物处理方法相比,生物吸附法的原材料来源丰富,品种多,成本低,不仅吸附设备简单、易操作,而且具有速度快、吸附量大、选择性好等优点,尤其在处理1一100ppm的重金属水溶液时特别有效。在后处理方面,用一般的化学方法就可以解吸生物量上吸附的金属离子,且解吸后的生物量可再次吸附重金属[4]。

生物吸附重金属是一个新兴的研究领域。国外的研究开始于20世纪80年代，90年代发展较快，21世纪以来，我国也开始重视这项研究，但真正应用于实践的还比较少。生物吸附法回收重金属由于其效率高,成本低,能耗少,不产生二次污染等众多优点,成为最具前景的技术之一。

2 生物吸附剂来源及特点

生物吸附是指用生物质对金属离子进行被动吸附或者配合的技术。也就是指利用具体特性的生物质(活的、死的或者衍生物)的配体和金属离子之间发生

离子交换、配合、协同和鳌合等作用[5]。

与传统的重金属废水治理技术(如化学沉淀法,电解法,上浮法,离子交换法)相比,生物吸附法的吸附材料来源广泛,其中原核微生物中的细菌、放线菌,真核微生物中的酵母菌、霉菌都具有吸附重金属的能力，某些海藻如褐藻、绿藻、

红藻也表现出极强的吸附重金属能力[6]。表2列出了国内外已报道的用于重金

属吸附的生物吸附剂。

表2 吸附贵金属的主要生物吸附剂[7]

Table 2 The main biosorbents used to adsorp precious metal

种类生物吸附剂

细菌赤链霉菌、螺旋藻、脱硫弧菌、脱硫艾叶、青霉、枯草芽孢杆菌等

真菌酿酒酵母、孢枝孢菌、黑曲霉、少根根霉、聚乙烯醇固定化生物、粗

糙链孢菌等

藻类普通小球藻、马尾藻、泡叶藻、马尾藻苔、交联CaCl2 /Ca(OH)2的藻

酸盐等

蛋白质母鸡蛋壳膜(ESM)、溶解酵素、牛血清蛋白(BSA)、卵清蛋白等

苜蓿苜蓿、浓缩单宁凝胶、杨梅单宁固定胶原纤维膜、戊二醛交联壳聚糖、壳聚糖硫/硫脲、二硫代草酰胺衍生物、壳聚糖衍生物等

生物吸附剂与传统的吸附剂相比，具有以下的特点：(1)适应性广，能在不同的pH、温度及加工过程下操作；(2)选择性高，能从溶液中吸附重金属离子而不受碱金属离子的干扰；(3)金属离子浓度影响小，在低浓度（＜10mgL-1)和高浓度（＞100 mgL-1）下，都有良好的吸附金属的能力；(4)对有机物耐受性好，有机物污染(≤5000 mgL-1)不影响金属离子的吸附；（5）再生能力强、

步骤简单，再生后吸附能力无明显降低[8]。

3 生物吸附重金属机理研究

生物体吸收金属离子的过程主要有两个阶段。第一个阶段是金属离子在细胞表面的吸附，即细胞外多聚物#细胞壁上的官能基团与金属离子结合的被动吸附；另一阶段是活体细胞的主动吸附，即细胞表面吸附的金属离子与细胞表面的某些酶相结合而转移至细胞内，包括传输和积累。由于细胞本身结构组成的

复杂性，目前吸附机理还没有形成完整的理论[9]。生物吸附利用微生物体本身的化学结构及其成分特性来吸附溶于水中的金属离子,再通过固液两相分离来去除水溶液中金属离子[10]。如图1所示

图1 微生物吸附金属的流程示意图

Fig 1 Process of heavy metal adsorption by microbe 生物吸附金属的机理较复杂,按是否消耗能量可分为活细胞吸附与死细胞吸附2 种。活细胞吸附分2 个阶段[11]。第1 阶段与代谢无关,为生物吸附过程,

进行较快,在此过程中,金属离子可通过配位、螯合与离子交换、物理吸附及微沉淀等作用中的一种或几种复合至细胞表面;第2 阶段为生物积累过程,进行较慢,在此过程中,金属被运送至细胞内。目前,国内外已提出的金属运行机制有细胞质过氧化、主动运输、载体协助运输、复合物渗透、被动扩散及软硬酸碱理