重金属的生物处理技术.ppt
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生物吸附机理
• 细胞外富集/沉淀：某些微生物可以产生具有络合或 沉淀金属离子的胞外物质，如蓝细菌分泌的多糖、白 腐真菌分泌的柠檬酸或草酸
• 细胞表面吸附沉淀：金属离子通过与细胞表面特别是 与细胞壁组分（蛋白质、多糖、脂类等）中的化学基 团（如羧基、羟基、磷酰基、硫酸酯基、氨基、巯基 等）的相互作用，吸附到细胞表面，该过程可能涉及 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
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2 生物吸附剂
生物吸附剂的种类
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生物吸附剂及其吸附容量
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• 目前研究所用的生物吸附剂有实验室的培养和发酵工 业的废弃物，以及天然水体环境和活性污泥等
• 生物吸附剂的选择要考虑操作可行性和经济性
– 吸附和解析速率快 – 生产成本低、可重复使用 – 具有理想的粒度、形状、机械强度，便于在连续系统中使
用 – 与水溶液的两相分离应高效、快速、廉价 – 具有选择性 – 再生时吸附剂损失量小，经济上可行
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生物吸附剂的预处理
• 对生物吸附剂进行一些物理、化学预处理，如用酸、碱浸泡 或加热处理等，可以不同程度地改变其吸附能力
• 分析认为预处理使细胞的比表面积增大而导致了吸附量的增 加
• 碱处理可以去除细胞壁上的无定形多糖，改变葡聚糖和甲壳 质的结构，从而允许更多的金属离子吸附在其表面上
• 生物吸附法以其高效、廉价的优点受到关注
– 利用某些生物体本身的化学结构及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 离子的方法
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1 生物吸附原理
• 微生物去除重金属的机理包括生物吸附、生物转化、 沉淀等
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• 大流量低浓度有毒金属离子的去除、金属混合物中微 量有毒成分的分离、贵金属的富集以及金属生物催化 剂中污染抑制剂的消除等，需要使用具有高亲和力和 专一性的金属吸附剂。生物吸附技术可以满足此要求
• 将细胞杀死后，经过一定的处理，使其具有一定的粒 度、硬度及稳定性，以便于储存、运输和实际应用
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• 生物累积主要是利用生物新陈代谢作用产生的能量， 通过单价或二价离子的转移系统把金属离子输送到细 胞内部
• 由于有细胞内的累积，生物累积的去除效果可能比单 纯的生物吸附好
• 由于金属离子的毒性，生物的新陈代谢作用又受到温 度、pH、能源等诸多因素的影响，生物累积在实际 应用中受到很大限制
– 金属有机化合物毒性更强
– 生物富集，危及人类
– 任何方法都不能使之降解
– 低浓度也具有较强毒性
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生产和使用重金属的主要工业部门
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传Baidu Nhomakorabea的去除重金属技术的优缺点
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生物技术去除重金属污染
• 利用生物技术、即利用微生物、动植物体进行污染修 复或治理是当前重金属污染治理研究的主流方向
• 碱可以溶解细胞上一些不利于吸附的杂质，暴露出细胞上更 多的活性结合位点，使吸附量增大；此外细胞比上的H+解离 下来，导致负电性官能团增多，吸附量也会增大
• 经过预处理的微生物物理稳定性也优于未经过处理的微生物， 更适合实际操作的需要
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3 生物吸附的影响因素
• pH值：由于H+与被吸附阳离子之间的竞争吸附作用， 水溶液中的pH值是影响饱和吸附量的主要因素。当 pH值较低时，H3O+会占据大量的吸附活性位点，从 而阻止阳离子与吸附活性点的接触，从而导致吸附量 的下降。pH值过高也不利于生物吸附，很多金属离 子会生成氢氧化物沉淀，从而使生物吸附无法顺利进 行。一般认为，最佳pH范围是5-9
– 表面络合机制：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；酵母与金 属离子形成络合物的证据较少
– 氧化还原机制：贵金属离子可以被还原为相应的零价金属 颗粒
– 无机微沉淀机制：易水解金属的吸附机理，溶液体系的pH 升高导致金属形成沉淀
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• 胞内吸附/沉淀/转化：活细胞新陈代谢能量将金属离 子输送到细胞内部并沉积或转化，涉及金属离子的运 输机制和内部解毒机制，过量金属离子存在时，活细 胞可通过减少运输、阻渗等作用来降低金属在胞内的 积累；金属离子进入细胞后，通过区域化作用分布在 细胞内的不同部位，可将有毒金属离子封闭或与热稳 定蛋白结合，转变成为低毒形式；微生物还能通过氧 化还原、甲基化和去甲基化等作用转化重金属，构成 了某些金属还原菌对重金属的抗性和解毒机制
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– 细胞表面组分的作用：蛋白质对金属离子具有强烈亲合力， 葡聚糖、甘露聚糖及几丁质有较高的吸附容量
– 离子交换机制：一价金属主要因质子交换机理被吸附，二 价金属的吸附量高于单价金属，吸附机理不限于质子交换； 是许多非活性真菌和藻类吸附金属离子的主要机理，羧基、 硫酸酯基和氨基发挥了重要作用
• 通过生物分子在微生物表面的展示，不仅可增进微生 物对金属的富集，而且菌体周围金属浓度的提高有利 于金属离子与其他细菌结构成分（脂多糖、细胞质及 外周胞质等）的作用，增加不同系统中金属与微生物 的结合
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• 大量研究结果表明，一些微生物如细菌、真菌、酵母 和藻类等对金属有很强的吸附能力
• 通常所说的生物吸附仅指时或微生物的吸附作用，而 微生物活细胞去除金属离子的作用一般成为生物累积。 因此生物吸附过程不包括生物的新陈代谢作用和物质 的主动运输过程。生物活细胞作吸附剂时，这些作用 可能会同时发生
• 一般认为生物具有的吸附能力与其细胞壁的结构、成 分密切相关
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• 生物吸附主要是生物体细胞壁表面的一些具有金属络 合、配位能力的基团起作用，如巯基、羧基、羟基等， 这些基团与吸附的金属离子形成离子键或共价键
• 金属可能通过沉淀或晶体化作用沉积于细胞表面，某 些难溶性金属也可能被胞外分泌物或细胞壁的腔洞捕 获而沉积
第11讲 重金属的生物处理技术
1
概述
• 重金属通常指相对密度大于4-4.5的元素
– 有毒重金属，Pb、Cd、Hg、Zn、Cu、Ni等 – 贵金属，如Pd、Pt、Ag、Au等 – 放射性核素，如Co、Sr、Cs、U、Th、Ra、Am等
• 重金属污染环境，危害健康，如“水俣病”，“骨痛 病”
– 毒性可长期存在
生物吸附机理
• 细胞外富集/沉淀：某些微生物可以产生具有络合或 沉淀金属离子的胞外物质，如蓝细菌分泌的多糖、白 腐真菌分泌的柠檬酸或草酸
• 细胞表面吸附沉淀：金属离子通过与细胞表面特别是 与细胞壁组分（蛋白质、多糖、脂类等）中的化学基 团（如羧基、羟基、磷酰基、硫酸酯基、氨基、巯基 等）的相互作用，吸附到细胞表面，该过程可能涉及 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
13/27
2 生物吸附剂
生物吸附剂的种类
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生物吸附剂及其吸附容量
15/27
• 目前研究所用的生物吸附剂有实验室的培养和发酵工 业的废弃物，以及天然水体环境和活性污泥等
• 生物吸附剂的选择要考虑操作可行性和经济性
– 吸附和解析速率快 – 生产成本低、可重复使用 – 具有理想的粒度、形状、机械强度，便于在连续系统中使
用 – 与水溶液的两相分离应高效、快速、廉价 – 具有选择性 – 再生时吸附剂损失量小，经济上可行
16/27
生物吸附剂的预处理
• 对生物吸附剂进行一些物理、化学预处理，如用酸、碱浸泡 或加热处理等，可以不同程度地改变其吸附能力
• 分析认为预处理使细胞的比表面积增大而导致了吸附量的增 加
• 碱处理可以去除细胞壁上的无定形多糖，改变葡聚糖和甲壳 质的结构，从而允许更多的金属离子吸附在其表面上
• 生物吸附法以其高效、廉价的优点受到关注
– 利用某些生物体本身的化学结构及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 离子的方法
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1 生物吸附原理
• 微生物去除重金属的机理包括生物吸附、生物转化、 沉淀等
6/27
• 大流量低浓度有毒金属离子的去除、金属混合物中微 量有毒成分的分离、贵金属的富集以及金属生物催化 剂中污染抑制剂的消除等，需要使用具有高亲和力和 专一性的金属吸附剂。生物吸附技术可以满足此要求
• 将细胞杀死后，经过一定的处理，使其具有一定的粒 度、硬度及稳定性，以便于储存、运输和实际应用
9/27
• 生物累积主要是利用生物新陈代谢作用产生的能量， 通过单价或二价离子的转移系统把金属离子输送到细 胞内部
• 由于有细胞内的累积，生物累积的去除效果可能比单 纯的生物吸附好
• 由于金属离子的毒性，生物的新陈代谢作用又受到温 度、pH、能源等诸多因素的影响，生物累积在实际 应用中受到很大限制
– 金属有机化合物毒性更强
– 生物富集，危及人类
– 任何方法都不能使之降解
– 低浓度也具有较强毒性
2/27
生产和使用重金属的主要工业部门
3/27
传Baidu Nhomakorabea的去除重金属技术的优缺点
4/27
生物技术去除重金属污染
• 利用生物技术、即利用微生物、动植物体进行污染修 复或治理是当前重金属污染治理研究的主流方向
• 碱可以溶解细胞上一些不利于吸附的杂质，暴露出细胞上更 多的活性结合位点，使吸附量增大；此外细胞比上的H+解离 下来，导致负电性官能团增多，吸附量也会增大
• 经过预处理的微生物物理稳定性也优于未经过处理的微生物， 更适合实际操作的需要
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3 生物吸附的影响因素
• pH值：由于H+与被吸附阳离子之间的竞争吸附作用， 水溶液中的pH值是影响饱和吸附量的主要因素。当 pH值较低时，H3O+会占据大量的吸附活性位点，从 而阻止阳离子与吸附活性点的接触，从而导致吸附量 的下降。pH值过高也不利于生物吸附，很多金属离 子会生成氢氧化物沉淀，从而使生物吸附无法顺利进 行。一般认为，最佳pH范围是5-9
– 表面络合机制：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；酵母与金 属离子形成络合物的证据较少
– 氧化还原机制：贵金属离子可以被还原为相应的零价金属 颗粒
– 无机微沉淀机制：易水解金属的吸附机理，溶液体系的pH 升高导致金属形成沉淀
12/27
• 胞内吸附/沉淀/转化：活细胞新陈代谢能量将金属离 子输送到细胞内部并沉积或转化，涉及金属离子的运 输机制和内部解毒机制，过量金属离子存在时，活细 胞可通过减少运输、阻渗等作用来降低金属在胞内的 积累；金属离子进入细胞后，通过区域化作用分布在 细胞内的不同部位，可将有毒金属离子封闭或与热稳 定蛋白结合，转变成为低毒形式；微生物还能通过氧 化还原、甲基化和去甲基化等作用转化重金属，构成 了某些金属还原菌对重金属的抗性和解毒机制
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– 细胞表面组分的作用：蛋白质对金属离子具有强烈亲合力， 葡聚糖、甘露聚糖及几丁质有较高的吸附容量
– 离子交换机制：一价金属主要因质子交换机理被吸附，二 价金属的吸附量高于单价金属，吸附机理不限于质子交换； 是许多非活性真菌和藻类吸附金属离子的主要机理，羧基、 硫酸酯基和氨基发挥了重要作用
• 通过生物分子在微生物表面的展示，不仅可增进微生 物对金属的富集，而且菌体周围金属浓度的提高有利 于金属离子与其他细菌结构成分（脂多糖、细胞质及 外周胞质等）的作用，增加不同系统中金属与微生物 的结合
7/27
• 大量研究结果表明，一些微生物如细菌、真菌、酵母 和藻类等对金属有很强的吸附能力
• 通常所说的生物吸附仅指时或微生物的吸附作用，而 微生物活细胞去除金属离子的作用一般成为生物累积。 因此生物吸附过程不包括生物的新陈代谢作用和物质 的主动运输过程。生物活细胞作吸附剂时，这些作用 可能会同时发生
• 一般认为生物具有的吸附能力与其细胞壁的结构、成 分密切相关
8/27
• 生物吸附主要是生物体细胞壁表面的一些具有金属络 合、配位能力的基团起作用，如巯基、羧基、羟基等， 这些基团与吸附的金属离子形成离子键或共价键
• 金属可能通过沉淀或晶体化作用沉积于细胞表面，某 些难溶性金属也可能被胞外分泌物或细胞壁的腔洞捕 获而沉积
第11讲 重金属的生物处理技术
1
概述
• 重金属通常指相对密度大于4-4.5的元素
– 有毒重金属，Pb、Cd、Hg、Zn、Cu、Ni等 – 贵金属，如Pd、Pt、Ag、Au等 – 放射性核素，如Co、Sr、Cs、U、Th、Ra、Am等
• 重金属污染环境，危害健康，如“水俣病”，“骨痛 病”
– 毒性可长期存在