微生物處理重金屬技術的研究進展

劉雪 耿兵 朱昌雄＊

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,北京 100081)

微生物處理重金屬技術的研究進展

劉雪 耿兵 朱昌雄＊

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,北京 100081)

本文對微生物吸附法處理重金屬污水的研究和應用現狀進行了綜合評述。介紹了常用的微生物吸附劑,比較了不同種類微生物吸附劑的差別。討論了微生物吸附劑處理效果的影響因素和吸附機理。最后,綜述了國內外有關重金屬污水微生物吸附法處理技術的研究成果,提出了未來的研究方向及發展趨勢。

微生物吸附 重金屬污水 處理

微生物吸附法是利用微生物體吸附重金屬離子達到去除水體中重金屬離子的目的。近年來，微生物吸附法以高效率、無二次污染等特點成為了環境科學研究的熱點。

1 微生物吸附劑的種類

近些年，國內外學者對微生物吸附劑的研究取得了很大進展，目前報道的重金屬吸附劑多為細菌、真菌和藻類等，而放線菌對金屬離子沒有吸附性能[1]。

1.1 細菌

細菌具有種類繁多、繁殖快等特點，可以直接吸附或通過胞外分泌物影響環境中重金屬的活性，還可以通過對重金屬的吸附富集、協同植物吸收等作用修復水環境的重金屬污染[2]。

一些種屬的菌株可以吸附多種重金屬離子，如枯草芽孢桿菌屬(Bacillus sp.)，能夠吸附Pb2+、Zn2+等重金屬離子，假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)能吸附Pb2+、Cu2+等重金屬離子[3]。

1.2 藻類

褐藻對各種重金屬離子吸附量較高，且產量高、易成型，是藻類中研究最多的。藻類可以吸附一種或多種重金屬離子，有些藻類的吸附容量可以與離子交換樹脂相當[4]。雖然不同藻類對重金屬吸附容量不同，但是它們對不同重金屬的親和性順序是一樣的，如節囊葉藻、黃色巨藻、黑色巨藻等親和力順序為Pb2+＞Cu2+＞Cd2+[5]，這說明重金屬本身的離子特性在藻類生物吸附反應中也起到了重要作用。

1.3 真菌

真菌中啤酒酵母(S.erevisiae)可以吸附多種重金屬離子和放射性核素[6]。醬油曲霉(Aspergillus sojae M146)對Pb2+和Cd2+的吸附率在60.64%到81.34%之間，還可以用Na2CO3和EDTA溶液將重金屬從曲霉體上解吸下來[7]。黑根霉(Rhizopus nigricans)能夠吸附Pb2+、Cr2O72-等幾種重金屬離子，經過化學改性還能不同程度地提高吸附能力[8]。

2 影響微生物吸附的因素

微生物對重金屬的吸附作用取決于生物吸附劑本身的性質，如細胞壁及胞外多聚物上的活性官能團的性質，還有重金屬離子自身的特性，如重金屬離子所帶電荷數，氧化還原能力等。

2.1 細胞狀態

微生物的活性和非活性細胞都可以對重金屬起到吸附作用。活性微生物的吸附包含表面吸附和主動運輸兩個階段，因此，活體微生物吸附劑具有活躍的生理代謝作用，非活性微生物的表面吸附量決定了它的吸附量。

2.2 pH值

系統的pH值影響吸附劑細胞表面的吸附位點和溶液中金屬離子的理化狀態，是影響吸附量的主要因素。當溶液中pH值很低時，溶液中大量的H3O+會占據吸附活性位點，導致吸附量下降；pH值升高，細胞內酶活性增加，重金屬離子的去除率提高。

2.3 吸附時間

微生物材料吸附重金屬離子第一個階段不依靠細胞代謝直接結合重金屬，吸附在細胞表面，通常在幾分鐘至幾小時內即達到最終吸附量的70%左右。如類產堿假單胞菌吸附Pb2+和Cu2+離子，在3分鐘內可達到吸附量的75%[9]；第二個階段是重金屬與細胞發生胞內重金屬新陳代謝的積累，常需要幾小時到幾天才能達到最終吸附量。

3 微生物吸附重金屬的機理

目前，科研人員開展了大量重金屬與微生物的作用機理的研究工作，使人們對重金屬與微生物的作用機理有了越來越多的認識。

3.1 絡合作用

細菌、真菌和藻類的細胞壁在吸附重金屬離子的過程中發揮著重要作用。一般情況下細胞壁表面帶有負電荷，可以通過靜電吸引、絡合等方式吸附重金屬離子，如將產朊假絲酵母細胞壁從細胞上分離后，仍能有效的吸附Cu2+，而其吸附能力占到了整個細胞吸附能力的50%以上[10]。

3.2 離子交換作用

重金屬離子除了能與細胞壁上的官能團絡合外，還可以與細胞壁上的離子發生交換作用。如在酵母吸附Cu2+的試驗中伴隨著Cu2+的減少，溶液中的K+和Mg2+出現濃度上升的現象，表明離子交換作用的存在[11]。

3.3 氧化還原作用

一般，變價金屬離子的氧化還原反應需要有細胞分泌酶的參與。Ioannis等利用纖發細菌Leptothrix ochracea能化去除地下水體中的Fe2+和Mn2+，發現微生物能提高把重金屬去除速率數倍，用掃描電鏡和X射線光電子能譜對產物分析，發現微生物起到了氧化作用，Fe2+轉化為Fe3+，Mn2+形成了3價和4價的混合物[12]。

4 應用現狀和展望

微生物吸附重金屬的研究開展了近20年，雖然工業化的成果鮮見報道，但有些研究已經得到了實際的嘗試和示范。如李福德等[13]用復合功能菌為主的生物凈化回收電鍍廢水和污泥中鉻等金屬的示范工程，瞿建國等[14]從將脫硫弧菌屬高效吸附菌處理含Cr4+廢水，處理36h后，Cr4+去除率大于99.9%。

微生物吸附劑的實際應用還面臨嚴峻的挑戰，微生物對重金屬的特異選擇性，定量去除的高效性、解吸附和再生利用以及固定化研究，還有工藝的改進都是正在面臨研究的難題。這需要研究人員在機理、工程化及商業化等幾方面展開攻關，使微生物吸附重金屬的研究在環境污染防治領域上發揮更重要的作用。

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[2]徐磊輝,黃巧云,陳雯莉.環境重金屬污染的細菌修復與檢測[J].應用與環境生物學報,2004,10(2)：256-262.

[3]Ziagova M,Dimitriadis G,Aslanidou D,et al.Comparative studyof Cd(II) and Cr(VI) biosorption on Staphylococcus xylosus and Pseudomonas sp.in single and binary mixtures[J]. Bioresource Technology,2007,98(15)：2859-2865.

[4]Sheng P X,Ting Y P,Chen J P,et al.Sorption of lead, copper,cadmium,zinc and nickel by marine algal biomass： Characterization of biosorptive capacity and investigation of mechanisms[J]. J Colloid Interface Sci, 2004, 275(1)：131-141.

[5]尹平河,趙玲.海藻生物吸附廢水中鉛、銅和鎘的研究[J].海洋環境科學,2000,19(3)：11-15.

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國家水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07103-002);國家自然基金(41101474)

劉雪(1981-),女,助研。

朱昌雄,E-mail：zhcx120@163.com。