[自然科学]微生物吸附剂

活性污泥和细菌产生的胞外多糖在金属分离中发 挥作用。尽管这些聚合物主要是中性多糖,但它们 同样也含有如糖醛酸、磷酸盐等可以络合溶解金 属离子的化合物。不同微生物产生的胞外多糖组 成不同,因而不同微生物结合金属的性质也不一样。 微生物生长条件强烈影响胞外聚合物的组成,从而 也影响金属的分离。但胞外吸附金属,只有在溶液 金属浓度低时才行。
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制备生物吸附剂的一个方法是从发酵工业获 得废菌体，并用它从溶液中吸附重金属。
另一个生物吸附剂的丰富来源是海洋。
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微生物吸附 载体 剂产生菌
固定化 试剂处理 菌体
吸附作用 增强菌
微生物 吸附剂
颗粒化
固定化菌体：天然菌体机械强度低、密度低、粒 径小，且不易回收利用，需将其转化成类似其它 商用颗粒吸附剂（离子交换树脂和活性炭）的颗 粒大小（0.5～1.5mm）、强度、孔径等。方法即 细胞固定化。
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传统的处理方法：
化学沉淀法：如石灰沉 淀法，易造成二次污染
离子交换法：离子交换树 脂价格高
电解法：常用于电镀废水， 不能将金属离子浓度降到很 低
膜分离：成本高
选择性低，能耗大，运行 费用高，当水中的重金属浓 度较低时, 去除率不高。
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离子交换
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目前新兴的去除技术———生物吸附
G+
G-
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蛋白质
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芽孢杆菌属的菌株都 有强大的吸附金属的能力。 用地衣芽孢杆菌吸附Pb2+ 时，45min吸附量可达 224.8mg/g。多粘芽孢杆菌 对铜有潜在的吸附能力,吸 附量可达62.72mg/g。
用死芽孢杆菌制成了商 业用途的球状的生物吸附 剂AMT—BIO CLA IM,并 已获得了专利。
在系统中欲被分离的金属离子称为目标离子，溶 液中的其他离子和目标离子都有可能结合到吸附 位点上，这些金属离子称为竞争性阳离子。由于 竞争性阳离子对吸附位点的占据，导致目标离子 的吸附量下降。由于各竞争性阳离子与吸附位点 之间亲和力不同，对目标离子的影响能力也不同。
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④吸附剂粒径
热反应：热反应主要是改变吸附剂的化学性能, 可使吸附剂的吸附量增加3～4倍;
碎裂：使粒径较大的吸附剂通过外力破碎,使粒 径大小适宜、均匀,提高吸附效率。
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3.生物吸附的影响因素
（1）pH值:决定因素，大多数金属离子生物吸附 的最佳pH为5～9。 （2）T： （3）离子强度 （4）竞争吸附：尚无规律，开发特异性吸附剂。 （5）吸附剂粒径 （6）吸附时间
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青 霉
根 霉
曲霉（发辫状）
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对Pb2+和Cd2+ 有很好的回收作用， 还是一种很有前途 的处理核工业的放 射性废水的吸附剂。
酱油曲霉对Pb2+和 Cd2+的吸附率分别 为69.76%和 72.28%,米曲霉为 60.64%、81.34%, 无花果曲霉对铅的 吸附率可达 92.44% 。
型海藻,它们的吸附容量比其它种类生物体高得多,甚至比活
性炭、天然沸石的吸附容量还高,与离子交换树脂相当 。
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念珠藻
念珠蓝细菌属和鱼
腥蓝细菌属中的一些菌
株对重金属有良好的吸
附能力。盘状螺旋蓝细
菌能很快的从金—硫脲
溶液中去除金,并不受pH
值的影响;最大螺旋蓝细
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二、生物吸附的原理
1.生物累积与生物吸着
生物累积：微生物活细胞利用生物新陈代谢作用 产生的能量，通过主动运输等方式，把金属离子 输送到细胞内部。
生物吸着：不包括生物的新陈代谢和主动运输过 程，而是通过离子交换、络合、协同、螯合、物 理吸附、沉淀等方式去除溶液中的金属。
菌吸附镉时,最大吸附量
可达43.63mgCd/g活细胞
项
和37.00mgCd/g干细胞。
圈
利用念珠蓝细菌已经制成一种
藻
供商业用途的生物吸附剂
AlgaSORBs (使用专利载体硅胶作
为固定化载体)近年来被用于从工业
废水或污染的地下水中回收重金属。
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2.生物吸附剂的制备 根据要处理的金属不同选择相应的吸附剂产生菌
吸附剂粒径太大或太小都不利于吸附处理。这与 金属离子在吸附剂中的内扩散及吸附剂内表面积 的利用状况有关。
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⑤吸附时间
吸附时间是影响重金属吸附效率的重要因素，足 够长的吸附时间才能够使吸附达到平衡，从而有 效地去除重金属离子，但时间的增加意味着污水 处理时池体需要相应加大，这在经济上是不划算 的。一般而言，生物吸附需要2～4h或更长的时间 才能达到理想的效果。
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4、生物吸附剂的开发及应用
①使用具有吸附金属离子能力的活性污泥或生物 膜可在某种程度上从含有重金属离子的工业废 水中收集和回收重金属离子。
由于重金属离子对活的微生物具有毒性，影响 了微生物的生长与繁殖，因此活细胞的应用受 到了一定的限制。
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大多数生物吸附材料是使用具有特殊结合金属离 子能力的死亡菌体制成的。这些生物吸附材料既 可以在低浓度的重金属废水中回收重金属，也可 以在较高的金属离子浓度下操作。由于菌体的繁 殖和重金属吸附操作是分开进行的，这些生物吸 附材料可以处理对活细胞有毒的高浓度金属离子。 将金属离子洗脱之后，生物吸附材料还可以再生。
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③氧化还原
变价金属离子在具有还原能力的生物体上吸附, 有可能发生氧化还原反应,
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④无机微沉淀作用
通常,易水解而形成聚合水解产物的金属离子 在细胞表面易形成无机沉淀物。
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三、生物吸附剂
1.吸附剂的选择：只有与金属结合能力强和选择 性高的生物材料才能应用于实际 （1）种类种类： （2）选择原则：p350
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④目前，国外已经有使用死的微生物制成生物吸附 剂去除水中重金属的专利, 在美国已有两个科研机构提 供商业用途的生物吸附剂，一个是以含微生物的废弃物 为对象，另一个是以藻类为对象。
⑤在国内，比较成功的进行工业化处理重金属工业 废水的是中国科学院成都生物研究所，自1986年以来， 该所从电镀污泥、废水及下水道铁管内分离筛选出35株 菌株，从中获得高效净化Cr6＋及其它重金属的SR系列 复合功能菌。在锦江电机厂、红光实业股份有限公司、 中国人民解放军第5701工厂、西南航空飞机维修公司等 厂应用，获得了显著的环境和经济效益.
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b.真菌：几丁质是许多真菌细胞壁的结构物质, 其它的
葡聚糖,如甘露聚糖等可替代几丁质存在于某些真菌的细 胞壁中,真菌的细胞壁通常含80%～90%的多糖。在重金 属的吸附过程中,起主要作用的是几丁质和葡聚糖。
酿酒厂的废菌体啤酒酵 母,它可以吸附多种重金属离 子和放射性元素,而且水中的 一些常见的离子K+、Na+、 Ca2+、Mg2+及盐度对吸附的 影响很小或不影响。
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②离子交换
离子交换是与细胞物质结合的金属离子被另一些结 合能力更强的金属离子代替的过程。有毒的重金 属离子与细胞物质具有很强的结合能力，因此， 离子交换在重金属废水的处理中具有特别重要的 意义。
➢ 例如，多糖是褐藻和红藻的结构成分，大多数天 然存在的海藻多糖是以Na+、K+ 、Ca2+ 、Mg2+离 子的盐形式存在。二价金属离子能够与这些多糖 的阳离子发生离子交换。
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②T
对活体吸附剂而言，T的变化对吸附量略有影响， 但总体而言，温度对生物吸附的影响不如pH值明显； 且由于升温会增加运行成本，因此，在生物吸附过 程中不宜采用升温操作。
对于非活体生物吸附，T的影响不明显。
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④竞争吸附
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细胞壁在细胞吸附重金属离子的同时,伴随有其 它阳离子被释放。
以海藻酸盐NaAlg为例来说明二价金属离子 (Me2+)与多糖之间的离子交换：
2NaAlg + Me2+ — Me(Alg)2 十 2Na+
然而交换下来的离子总量只占金属离子的总吸 附量的一小部分，说明离子交换并非主要吸附机理。
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②目前,北美洲至少有3家开发商品化生物吸附 剂产品的公司，分别是：
Ⅰ、 B．V．SOR-BEX有限公司(加拿大，蒙特 利尔市)， 从事开发经营微生物菌体生物吸附剂， 开发了一系列用于金属离子去除和回收的生物吸附 剂，既有能吸附各种金属离子的广谱生物吸附剂， 也有只吸附单一金属离子的特殊生物吸附剂。
生物吸附——利用生物体及其衍生物来吸附水 中重金属的过程。
(1)在低浓度下（1～100mg/L）,金属可以被选择 性的去除; (2)节能、处理效率高; (3)操作时的pH值和温度条件范围宽pH=3～9， T=4 ～90℃; (4)易于分离回收重金属; (5)其原材料来源丰富,吸附剂易再生利用。
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斜生栅藻对UO22+吸附是一个快速而不需要能量的过程,
最c.藻大吸类附藻容量类达的7细5m胞g/g壁干在物多质,数能情够使况铀下浓是度由从纤5.0维mg素/L降 至也形很0成.0小5的m。g网绿/Ｌ状微, U结藻O在构22+悬构与浮C成状u,2含+态、下有N,i丰活2+、细富Z胞的n对2+多、C糖rC的d,2最+多之大糖间吸带的附竞负量争为 1电2.6,可7ｍ以ｇ通/ｇ过干静物电质,引干力细胞与为许1多3.1金2m属g/ｇ离干子物相质结；合一。些大
微生物吸附剂
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放重
一、重金属毒性物质
大金 作属
用会
危通
重不金能属为与微一生般物耗所氧降的解有，机只物能不产同生，各在种水形害 人 类体态过 食 物中之
间的相互转化以及分散和富集，这个过健程链称
之为重金属的迁移。
康的 生
物
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骨痛病
微量、痕量的重金属即具 有潜在的危险性：震惊世界 的水俣病、骨痛病事件。闻 名世界的日本环境污染事件： 集体发疯事件（锰 中毒）、 水俣病事件（甲基汞）、痛 痛病事件（镉中毒）
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试剂处理：酸洗、碱洗或加热处理
主要目的：
(1)使吸附剂表面去质子化,活化吸附位点; (2)改善吸附剂化学性能。 主要方法：
酸碱处理：一般而言，酸处理作用不明显,有时 还会降低吸附性能；而碱处理主要使吸附剂表面去 质子化，减小重金属离子与Ｈ+产生的斥力。
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①细胞壁表面络合
络合作用是金属离子与几个配基以配位键相结合 形成的复杂离子或分子的过程。
当生物体暴露在金属溶液中时,金属离子与细胞壁 里的蛋白质、多糖及脂类中带负电的官能团如氨 基、酰氨基、羧基、羟基、磷酰基和硫酸盐等络 合而形成络合物，其中氮、氧、磷、硫作为配位 原子与金属离子配位络合。
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Ⅱ、生物回收系统有限公司(北美，拉斯维加斯) ， 从事硅胶Leabharlann Baidu聚丙烯酰胺凝胶固定淡水藻菌体，开 发生物吸附剂;
Ⅲ、美国犹他州盐湖城高级矿产技术有限公司,从事 开发以芽孢杆菌为基础的广谱生物吸附剂。
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③用生物吸附法从工业废水中去除重金属的研究， 美国等国家已初见成效。美国国家标准局的研究 人员还分别同美国海军、空军协作，探讨用微生 物作吸附剂从冶炼厂废液中回收战略金属铬、钴、 镍等。美国一些科研小组还试验从照相废液中回 收银，从采矿废水中回收铀。
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2.生物吸附的机理
（1）胞外富集/沉淀 (2)细胞壁表面发生吸附或络合反应 ①细胞壁表面络合 ②离子交换 ③氧化还原作用 ④无机微沉淀作用 （3）酶促(胞内吸附/沉淀/转化）：活性生物细 胞对金属的吸附与细胞上某种酶的活性有关；
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胞外富集
Francis发现有些细菌在生长过程中释放出的蛋白 质能使溶液中的Cd2+,Hg2+,Cu2+,Zn2+形成不溶 性的沉淀而被除去。
2.生物吸附剂的制备:酸、碱、加热等预处理
3.生物吸附的影响因素
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a.细菌:革兰氏阳性菌中,细胞壁90%由肽聚糖组成,另一组分
为磷壁酸。磷壁酸是一种酸性多糖;在革兰氏阴性菌中, 除肽 聚糖外还有另一层壁物质脂多糖组成。
细菌与重金属的吸附作用位点是细胞壁上的羧基和氨基 或结构蛋白上的N，P，O等原子。