趋磁细菌在重金属污水处理中的应用

王继斌

（中国环境管理干部学院，河北秦皇岛066004）

趋磁细菌在重金属污水处理中的应用

王继斌

（中国环境管理干部学院，河北秦皇岛066004）

趋磁细菌具有独特的磁场运动特性、生物学特性，其磁小体可作为生物活性物质的固定载体、磁记忆材料等，在重金属废水处理方面具有巨大潜力。介绍了趋磁细菌的发现、种类、特点及趋磁细菌在重金属废水处理中的应用，总结其应用前景及难点。

趋磁细菌；重金属；污水处理；应用

近年来，我国经济突飞猛进地发展，工业污染物的排放量呈增加趋势，特别是一些含重金属离子废水的排放量及其污染浓度在逐年增加，造成重金属污染事件保持高发态势。据统计，2009-2011年，我国已连续发生30多起重特大重金属污染事件。重金属一般指原子量在21～83之间的金属，重金属废水是指矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业生产过程中排出的含重金属的废水。重金属（如含镉、镍、汞、锌等）废水是一类对环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水，科学合理地将废水中的重金属离子去除或转化为低毒产物，是当前环境保护工作亟待解决的问题。废水中的重金属一般不能分解破坏，只能转移其存在位置和转变其物化形态。目前处理重金属离子废水的方法很多，有化学沉淀法、树脂交换法、焚烧法、化学吸附法、氧化还原法、电解法、化学萃取法等等。随着社会的进步与发展，人们对水质的要求正逐步提高，并不断探索如何降低处理成本，最大程度减少二次污染。许多高校和科研院所研究开发了一些污水处理新技术、新工艺、新设备、新材料，其中用生物法处理重金属污染废水成为研究的热点。生物处理法是利用微生物或植物的絮凝、吸收、积累、富集等方法去除废水中重金属的方法。

趋磁细菌（magnetotactic bacterium）是一类在外磁场的作用下能做定向运动并在体内形成纳米磁性颗粒——磁小体（magnetosome）的细菌，主要分布于土壤、湖泊和海洋等水底污泥中。由于趋磁细菌在外磁场的作用下可做定向运动，所以趋磁细菌还有望用于重金属废水的处理。

1 趋磁细菌的发现

首先发现趋磁细菌的是意大利Pavia大学的医学博士Salvatore Bellini。1958年，他在检测水样中的病原菌时偶然发现了某些细菌具备趋磁性。他经过5年不懈研究探索，积累了试验研究数据，撰写了关于细菌趋磁性的文章，但由于种种原因却没能成功发表，趋磁细菌的研究暂且搁浅。直到1975年，勃莱克摩（Richard P.Blakemore）在一种被称为折叠螺旋体（spirochaeta plicatilis）的趋磁细菌中发现了磁小体，并给其命名。他是在研究海洋底部污泥中的螺旋菌时，意外发现了一类细菌总是聚集在显微镜视野液滴的靠北部边缘。通过进一步研究，证实这类细菌运动方向能随着外加磁场极性的改变而改变，他将这类细菌定名为趋磁细菌。勃莱克摩是有报道的发现趋磁细菌的第一人，他首先在《Science》上报道了趋磁细菌。Blakemore发现这些细菌在显微镜下观察时总是移向载玻片的一边。如果他拿一个磁铁靠近载玻片，细菌就会向磁铁的N极移动。这些细菌之所以有这种举动，主要是因为它们产生了微小的、含铁的、具有磁性的小颗粒。每颗颗粒都具有北极和南极。这些细菌将这些小磁粒排成一条直线，形成长的磁铁，并用这种磁铁作为指南针来使小磁粒沿着地磁方向移动。像其它很多类型的细菌一样，趋磁细菌并不十分喜欢氧气。它们需要从富氧区移至贫氧或无氧区。在水性环境中，含氧量随着水深度的增加而降低，所以，趋磁细菌喜欢生活在水性环境的底部。趋磁细菌用磁性罗盘告诉它们哪个方向为下。在南半球，地磁场北极实际上是以一定角度向上的。所以，在南半球的趋磁细菌是“追南型”。在赤道区，地磁北极不是向上也不是向下的，所以趋磁细菌为“追南型”、“追北型”、“混和型”[1-2]。

2 已知的趋磁细菌

经过试验研究和观察，趋磁细菌的形态和种类很多，目前还没有对其进行专业性的详细分类。通过对一些单一培养及复合培养出来的趋磁细菌进行对比分析可以发现，趋磁细菌在生物系统进化阶段和细菌域4个主要特定类群相关，分别属于硝化螺旋菌门（nitrospira）、变形菌门（proteobacteria）的α变形菌（alphaproteobacteria）、δ变形菌纲（deltaproteobacteria）、γ变形菌纲（gammaproteobacetria）。通过16 SrRNA序列测定、荧光标记、单细胞水平原位杂交等方法研究的趋磁细菌大约有40余株。其中，属于硝化螺旋菌门的趋磁细菌非常特殊，有些能在体内矿化合成数百至上千个呈多链排列的子弹头状磁小体；在湖泊沉积物的特定层位中，其数量可以达到该层位微生物总数的30%。因此，该类趋磁细菌在沉积物磁性以及铁、氮和硫循环中发挥重要作用，成为生物地磁学和生物地球化学研究的热点。但是，由于硝化螺旋菌门趋磁细菌尚不能在实验室纯培养，目前对这些趋磁细菌的多样性、生理生化特性以及系统进化所知甚少。现已发现的趋磁细菌有球菌、杆菌、弧菌、螺旋菌和多细胞聚集体[3]。

目前所知的趋磁细菌主要为水生螺菌属（aquaspirillum）和嗜胆球菌属（bilophococcus）。这些细胞中含有大小均匀、数目不等的磁小体，其主要成分为Fe3O4和Fe3S4。目前磁小体来自活体细胞，不会产生任何毒性，且因其颗粒小而均匀（20～100 nm），具有较大的表面积与体积比，且磁小体外有一层磷脂、蛋白或糖蛋白生物膜包被，为单磁畴晶体，颗粒间不聚集，也没有细胞毒性，每个细胞内有2～10颗。形状为平截八面体、平行六面体或六棱柱体等。其功能是导向作用，即借鞭毛游向对该菌最有力的泥、水界面微氧环境处生活，因而将在许多领域有潜在的不可估量的应用价值[4]。

3 趋磁细菌在重金属污染废水处理中的应用

实验证明，在外加磁场作用下，趋磁细菌会沿一定的磁场方向游动。趋磁细菌与重金属离子存在相互吸引作用，污水中的金属离子如果是顺磁性的，它们就会不断地被趋磁微生物细胞或细胞团所吸引，并在其外部富集，溶液中的金属离子浓度很快降低。被离子包裹的微生物细胞变成了新磁性复合物颗粒，在外加磁场的作用下，这些有机颗粒就会沿着规定的方向迁移，沉淀在容器的底部。通过高梯度磁分离技术可以成功将废水中的重金属离子分离出去。

趋磁细菌体内含有的磁小体，在磁场下很容易被去除，它是一种对重金属有着很强吸附性的细菌。一些重金属如Fe、Ni、Mg、Cu等，还能被趋磁细菌吸收，并用于细菌自身的繁殖代谢。自从发现以来，国外就开始了利用趋磁细菌处理重金属废水的研究，如南安普敦大学的Bahaj教授等研究了不同重金属离子对趋磁细菌的活性的影响，发现Cu、Co、Cd、Zn等离子能抑制趋磁细菌的活性，而Fe、Mg、Mn、Al、Cr等则能被有效吸附和去除，所以可用来处理特定的重金属废水。研究发现，趋磁细菌对上述离子的去除效率很高，一般情况下能将浓度由（10～100）×10-6mg/L降至（10～100）×10-9mg/L，从而远远低于国际上的排放标准。在利用趋磁细菌处理重金属废水的过程中，只要让废水流过一个固定的磁场，就可以将重金属离子去除，不需要额外的动力，也不需要加入其它的药品。因此，可以大大减少废水处理的费用，在经济可行性上独占优势。在能源紧缺的现今社会，大力倡导低碳经济，人们节能意识普遍增强，这种方法有着光明的应用前景[5-7]。目前国外研究者已经对在磁场作用下游离态的趋磁细菌对重金属离子的去除过程进行了大量的实验研究，在证明其高效性和广谱性的基础上，还对趋磁细菌的连续培养、循环利用和再生过程进行了探讨。而国内利用趋磁细菌处理重金属废水的相关报道还比较鲜见，只有天津大学孙津生、任茂明、王艳红等对趋磁细菌的培养和处理不同重金属的操作条件等方面进行了研究。天津大学任茂明等研究了pH值、温度、时间以及微生物量等因素对趋磁细菌吸附Cr3+的影响，并选择出其符合的吸附模型，趋磁细菌对Cr3+去除率可达80%以上。天津大学武振华等以趋磁细茵MTB作为吸附剂，研究了吸附溶液中的Pd2+的去除率及最佳吸附条件。

4 趋磁细菌应用研究展望

日本学者Mrtsunaga早在1991年就预测趋磁细菌的磁小体在未来10年中将是高新技术应用中的一种新的生物资源。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著不同，大块的纯铁矫顽力约为80 A/m，而当颗粒尺寸减小到2×10-2μm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6×10-3μm时，其矫顽力反而降低到0，呈现出超顺磁性。利用其高矫顽力的特性，磁性超微颗粒已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。同样在医疗领域，目前也普遍认为趋磁菌有一定的实用前景，包括生产磁性定向药物或抗体，以及制造生物传感器等。趋磁细菌属微好氧细菌，生长速率低，培养产物不稳定，因而目前对它研究的深度远不及某些好氧细菌，如芽孢杆菌等。可见，从特殊环境中分离趋磁细菌，并对其培养特征和磁小体进行研究具有重要意义。另外，将趋磁细菌接种于硅藻土中，形成生物组件，并用于重金属污水的处理，将具有很好的前景。

[1]韩磊，常津.趋磁性细菌与磁小体的研究与应用[J].天津生物医学工程，2006（S1）：17-18.

[2]FRANKEL B.The discovery of magnetotactic/magnetosensitiv bacteria[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2009，27（1）：1-2.

[3]GEORGEM，GARRITY，JULIAA，etal.Lilburn，Taxonomicoutline of the prokaryotes bergey's manual of systematic bacteriology[M].New York：Berlin Heidelberg，2004：35.

[4]陈明杰，卫杨保.趋磁细菌及磁小体研究的回顾和展望[J].微生物学杂志，1995，15（1）：53-57.

[5]SCHILERD.Formation of magne to somes in magne to tactic bacteria[J].Microbiology，1999，1（1）：79-86.

[6]FRANKEL RB，BAZYLINSKI DA，JOHONSON MS，et al.Biomineralization of magnetic iron minerals inmagne to tactic bacterium[J].Biophys，1997，79：994-1000.

[7]刘珺，周培国.趋磁细菌应用于重金属废水处理的研究进展[J].环境科技，2008，21（6）：60-63，66.

[8]陈艳，曾卫民.趋磁细菌特性及其应用前景[J].畜牧与饲料科学，2009，30（6）：22-23.

The Application of Magnetotactic Bacteria in Heavy Metal Sewage Treatment

Wang Jibin
（Environmental Management College of China，Qinhuangdao Hebei 066004，China）

Magnetotactic bacteria have specifically magnetic athletic and biological property,and magnetosomes can be used as materials of fixed vector and memory.Its discovery,types and characteristics were described,and its applications in wastewater treatment containing heavy metals was introduced in the paper,the prospects and difficulties of its application were summed up.

magnetotactic bacteria；heavy metal；wastewater treatment；application

X703

A

1008-813X（2011）05-0054-03

10.3969/j.issn.1008-813X.2011.05.016

2011-09-07

2011年河北省科技支撑计划项目《改性硅藻土磁生物膜载体污水处理技术研究》（11276707D）

王继斌（1962-），男，辽宁鞍山人，毕业于燕山大学环境工程专业，硕士，正高级工程师，主要从事环境污染控制技术教学与研究工作。