铬污染的微生物吸附技术研究进展

铬污染的微生物吸附技术研究进展

摘要：近年来,铬在工业生产中得到了广泛的应用,随之而来的含铬污染物对周围

环境造成严重的污染和破坏,铬污染的修复已成为亟待解决的环境问题。微生物在

铬污染的生物修复中发挥着重要的作用。它因铬污染修复过程中环保有效,安全可

靠且无二次污染等优点,引起了相关学者们的广泛关注。本文首先简述了铬污染危

害及传统处理技术,重点综述了微生物作为生物吸附剂的吸附机理及影响因素,并

分别详述了典型细菌,真菌,酵母和藻类吸附Cr(VI)污染物的机理机制及相关研究进展,然后总结了微生物吸附Cr(VI)过程中铬浓度,赋存状态,微生物营养类型,培养条

件及代谢产物等的主要影响因素,最后,分析了以微生物作为生物吸附剂所存在的

问题并展望了未来的研究方向,结合基因工程和酶工程选育高效工程菌、开展多种

技术联合应用等方法提高微生物对铬污染的去除能力。

关键词：铬污染；微生物吸附技术；研究进展

引言

土壤铬污染对人类健康有严重危害，对此，本文阐述铬在土壤中的形态及土

壤中铬的标准值，介绍固化/稳定化法、电动修复法、化学淋洗法、生物修复法等多种铬污染土壤的修复方法，并展望当前土壤铬污染治理的发展趋势，为科学合

理地处理铬污染土壤修复提供方向。

1铬的简介

在大气、水体和土壤中均含有微量的铬。铬的价态很多，其中仅有三价铬与

六价铬具有生物意义。铬是人体内必须的微量元素，它与脂类新陈代代谢有密切

联系，可以增加人体内胆固醇的分解和排泄，是机体内葡萄糖能量因子中的一个

有效成分。如果食物不能够提供足够的铬，人体将会出现铬缺乏症，影响脂类和

糖类代谢。但若铬过量，则危害人体健康状态。铬价态不同，铬的吸收效率也不同，三价铬的胃肠道吸收比六价铬低，酸性条件下六价铬能恢复三价铬的胃肠道，铬的摄入会引起体内明显的积累。铬中毒主要是指六价铬。由于不同的侵入途径，临床表现不同。饮用含铬工业废水的饮用水会引起腹部不适、腹泻等中毒症状。

铬是皮肤异常反应的过敏原，引起过敏性皮炎或湿疹。湿疹的特点大多是小的、

裸的，表现出红斑、浸润、渗出、脱皮和一长时间的病程，并不能随着时间的推

移而痊愈。通过呼吸进入，它可以刺激和腐蚀呼吸道，引起鼻炎、咽炎、支气管炎，甚至在严重的病例中甚至穿孔。

2铬污染的迁移转换及检测方法

天然水中的铬的质量浓度一般在1～40?g/L之间，主要以Cr3+、CrO2-、

CrO42-、Cr2O72-4种离子形态存在，水中的铬主要由三价铬和六价铬组成。铬的

存在直接影响其迁移转化规律。大多数三价铬被底部的泥浆吸收进入固相。六价

铬在碱性水中稳定，在溶液状态下具有很强的迁移能力。因此，如果三价铬在水

中的优势，可以在中性和弱碱性水解的水中，产生不溶的铬氢氧化物和水解或悬

浮颗粒物质强吸附在沉淀物中。如果六价铬占优势，它大部分可溶于水。六价铬

通常是三价铬毒性的100倍，但六价铬可以减少到三价铬，减少强度主要取决于

做BOD5、COD、DO的值，DO的值越小，BOD5和COD值越高，还原性越强。因此，水中的六价铬可以先由有机物分解为三价铬，然后通过强吸附悬浮物质沉淀

到底层颗粒中，这是水中六价铬的主要净化机制之一。

水体中铬的存在包括溶解态和颗粒态。水样以0.45μm滤膜过滤酸化后测定

可得溶解态铬总量，其中，过滤后的水样未经酸化直接测得的具有电活性的游离

及简单无机络离子称为很不稳定态，另一部分被称为配位状态，包括有机物质和

胶体内络合弱介质不稳定状态，络合强慢不稳定状态而与水中有机物或胶体物强

烈结合的是惰性状态。采用化学萃取法及其改进方法可将粒子状态铬的存在分为

交换吸附在粘土矿物氢氧化铁、氢氧化锰或腐殖质组成，对环境变化最敏感的、

有效的、最容易被生物体吸收的离子交换状态：在乙酸中溶解，环境变化特别是

当pH值变化更容易释放回水中重金属碳酸盐即碳酸盐结合态；当与水合氧化铁

和氧化锰结合时，它们中的一些会在环境发生变化时释放。重金属不能在水中被

微生物降解，但只能在形态上进行转化、分散和富集。水中铬的迁移过程是水解、沉淀、络合、吸附和氧化还原。

3优化措施分析

3.1菌体表面吸附与络合效应

络合作用是重金属离子与菌体细胞壁的某些成分以配位键形成复合物的过程，螯合作用是1个配基与2个或者2个以上的配位原子与重金属结合形成具有环状

络合物的过程。络合作用和螯合作用是微生物吸附剂与重金属离子重要的结合方式。微生物菌体细胞与重金属离子接触的过程中，首先接触的是细胞壁，细胞壁

的化学成分及结构非常关键，决定与重金属离子相互作用的特性。大量研究表明，某些微生物的细胞壁表面富含可以与重金属离子成键的活性基团，如羧基、羟基、羰基等，其中氧、氮、磷、硫可作为配位原子与重金属离子配位络合。有研究结

果表明，从枯草芽孢杆菌分离出来的细胞壁，可以从低浓度的水溶液中络合大量

的Fe3+、Mg2+、Cu2+和少量的Pb2+、Ag+。利用1株筛选分离获得的盐单胞菌

处理电子工业中富含Cd2+废水，结果表明，细胞表面的羟基、氨基和羧基是菌体

吸附重金属的主要官能团，且通过多种生化技术分析发现，金属离子结合到菌体

表面后，同时也改变细胞表面的微观形态。另外，也有文献报道，指状青霉（Penicillumdigitatum）对铀的吸附不受外界pH的影响，显然铀是以较为专性吸

附的方式吸附在菌丝表面，通过X射线衍射及扫描电子显微镜观察发现，铀主要

吸附在根霉的细胞壁上，而大量铀结合的化合物主要存在于青霉的细胞壁，或者

在与细胞膜的孔隙中。

3.2离子交换型吸附

重金属离子与微生物菌体之间相互作用，除了与细胞表面的活性基团形成共

价键、静电作用外，还可以以离子交换的方式吸附于菌体表面。离子交换是指微

生物菌体内的阳离子与溶液中的重金属离子发生交换，促使重金属离子被吸附运

输或者结合到细胞上的过程，最后达到除去或者提取溶液中重金属离子的目的。

菌体细胞与重金属离子之间的交换作用机理可通过菌体细胞吸附重金属离子过程

中的交换规律而得到证实。离子交换规律根据不同菌种和生长条件而变化，生长

条件改变可影响细胞上磷酸基和羧基的比例，从而影响微生物对不同金属离子的

吸收，一般过渡金属优先被吸附。如根霉对Co2+的生物吸附就是Co2+、Ca2+和

H+发生离子交换的结果。研究发现，在Hg2+和Pb2+单独存在的单一体系中，酿

酒酵母对二者的吸附量几乎相等，只是达到平衡的时间不同。Hg2+和Pb2+共存的体系中，Pb2+的吸附受Hg2+影响很大。

3.3氧化还原

氧化还原反应存在于微生物菌体吸附过程中，这种作用机理主要与某些菌株

所分泌的酶有关，在酶的催化下，菌体可以发生一些变价重金属的氧化还原反应，使重金属的溶解度降低或者毒性降低。如从恶臭假单胞菌MK1中分离并纯化的可溶性Cr6+还原酶ChrR，在还原Cr6+的过程中，先催化一个电子转运，形成中间