微生物处理重金属技术的研究进展

刘雪 耿兵 朱昌雄＊

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081)

微生物处理重金属技术的研究进展

刘雪 耿兵 朱昌雄＊

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081)

本文对微生物吸附法处理重金属污水的研究和应用现状进行了综合评述。介绍了常用的微生物吸附剂,比较了不同种类微生物吸附剂的差别。讨论了微生物吸附剂处理效果的影响因素和吸附机理。最后,综述了国内外有关重金属污水微生物吸附法处理技术的研究成果,提出了未来的研究方向及发展趋势。

微生物吸附 重金属污水 处理

微生物吸附法是利用微生物体吸附重金属离子达到去除水体中重金属离子的目的。近年来，微生物吸附法以高效率、无二次污染等特点成为了环境科学研究的热点。

1 微生物吸附剂的种类

近些年，国内外学者对微生物吸附剂的研究取得了很大进展，目前报道的重金属吸附剂多为细菌、真菌和藻类等，而放线菌对金属离子没有吸附性能[1]。

1.1 细菌

细菌具有种类繁多、繁殖快等特点，可以直接吸附或通过胞外分泌物影响环境中重金属的活性，还可以通过对重金属的吸附富集、协同植物吸收等作用修复水环境的重金属污染[2]。

一些种属的菌株可以吸附多种重金属离子，如枯草芽孢杆菌属(Bacillus sp.)，能够吸附Pb2+、Zn2+等重金属离子，假单胞菌属(Pseudomonas sp.)能吸附Pb2+、Cu2+等重金属离子[3]。

1.2 藻类

褐藻对各种重金属离子吸附量较高，且产量高、易成型，是藻类中研究最多的。藻类可以吸附一种或多种重金属离子，有些藻类的吸附容量可以与离子交换树脂相当[4]。虽然不同藻类对重金属吸附容量不同，但是它们对不同重金属的亲和性顺序是一样的，如节囊叶藻、黄色巨藻、黑色巨藻等亲和力顺序为Pb2+＞Cu2+＞Cd2+[5]，这说明重金属本身的离子特性在藻类生物吸附反应中也起到了重要作用。

1.3 真菌

真菌中啤酒酵母(S.erevisiae)可以吸附多种重金属离子和放射性核素[6]。酱油曲霉(Aspergillus sojae M146)对Pb2+和Cd2+的吸附率在60.64%到81.34%之间，还可以用Na2CO3和EDTA溶液将重金属从曲霉体上解吸下来[7]。黑根霉(Rhizopus nigricans)能够吸附Pb2+、Cr2O72-等几种重金属离子，经过化学改性还能不同程度地提高吸附能力[8]。

2 影响微生物吸附的因素

微生物对重金属的吸附作用取决于生物吸附剂本身的性质，如细胞壁及胞外多聚物上的活性官能团的性质，还有重金属离子自身的特性，如重金属离子所带电荷数，氧化还原能力等。

2.1 细胞状态

微生物的活性和非活性细胞都可以对重金属起到吸附作用。活性微生物的吸附包含表面吸附和主动运输两个阶段，因此，活体微生物吸附剂具有活跃的生理代谢作用，非活性微生物的表面吸附量决定了它的吸附量。

2.2 pH值

系统的pH值影响吸附剂细胞表面的吸附位点和溶液中金属离子的理化状态，是影响吸附量的主要因素。当溶液中pH值很低时，溶液中大量的H3O+会占据吸附活性位点，导致吸附量下降；pH值升高，细胞内酶活性增加，重金属离子的去除率提高。

2.3 吸附时间

微生物材料吸附重金属离子第一个阶段不依靠细胞代谢直接结合重金属，吸附在细胞表面，通常在几分钟至几小时内即达到最终吸附量的70%左右。如类产碱假单胞菌吸附Pb2+和Cu2+离子，在3分钟内可达到吸附量的75%[9]；第二个阶段是重金属与细胞发生胞内重金属新陈代谢的积累，常需要几小时到几天才能达到最终吸附量。

3 微生物吸附重金属的机理

目前，科研人员开展了大量重金属与微生物的作用机理的研究工作，使人们对重金属与微生物的作用机理有了越来越多的认识。

3.1 络合作用

细菌、真菌和藻类的细胞壁在吸附重金属离子的过程中发挥着重要作用。一般情况下细胞壁表面带有负电荷，可以通过静电吸引、络合等方式吸附重金属离子，如将产朊假丝酵母细胞壁从细胞上分离后，仍能有效的吸附Cu2+，而其吸附能力占到了整个细胞吸附能力的50%以上[10]。

3.2 离子交换作用

重金属离子除了能与细胞壁上的官能团络合外，还可以与细胞壁上的离子发生交换作用。如在酵母吸附Cu2+的试验中伴随着Cu2+的减少，溶液中的K+和Mg2+出现浓度上升的现象，表明离子交换作用的存在[11]。

3.3 氧化还原作用

一般，变价金属离子的氧化还原反应需要有细胞分泌酶的参与。Ioannis等利用纤发细菌Leptothrix ochracea能化去除地下水体中的Fe2+和Mn2+，发现微生物能提高把重金属去除速率数倍，用扫描电镜和X射线光电子能谱对产物分析，发现微生物起到了氧化作用，Fe2+转化为Fe3+，Mn2+形成了3价和4价的混合物[12]。

4 应用现状和展望

微生物吸附重金属的研究开展了近20年，虽然工业化的成果鲜见报道，但有些研究已经得到了实际的尝试和示范。如李福德等[13]用复合功能菌为主的生物净化回收电镀废水和污泥中铬等金属的示范工程，瞿建国等[14]从将脱硫弧菌属高效吸附菌处理含Cr4+废水，处理36h后，Cr4+去除率大于99.9%。

微生物吸附剂的实际应用还面临严峻的挑战，微生物对重金属的特异选择性，定量去除的高效性、解吸附和再生利用以及固定化研究，还有工艺的改进都是正在面临研究的难题。这需要研究人员在机理、工程化及商业化等几方面展开攻关，使微生物吸附重金属的研究在环境污染防治领域上发挥更重要的作用。

[1]陈明,赵永红.微生物吸附重金属离子的试验研究[J].南方冶金学院学报,2001,22(3)：168-184.

[2]徐磊辉,黄巧云,陈雯莉.环境重金属污染的细菌修复与检测[J].应用与环境生物学报,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,赵玲.海藻生物吸附废水中铅、铜和镉的研究[J].海洋环境科学,2000,19(3)：11-15.

[6]廖家莉,杨远友,罗顺忠等.固定化啤酒酵母对241Am溶液吸附特性的研究[J].环境科学学报,2003, 23(4)： 552-554.7

[7]黄民生,施华丽,郑乐平.曲霉对水中重金属的吸附去除[J].上海环境科学,2002,21(2)：89-92.

[8]屠娟,张利,赵力等.非活性黑根霉对废水中重金属立足的吸附[J].环境科学,1994,16(1)：12-15.

[9]程东祥.新型生物吸附剂的制备及净化重金属污染水体的应用研究[D].吉林大学,2008.李峰,张西平,黄昆,等.产朊假丝酵母Candida utilis细胞壁对铜离子吸附位点的研究[J]. 应用与环境生物学报,2000,6(1)：93-95.

[10]Brady D, Duncan J R. Cation loss during accumulation of heavy metal cations by Saccharomyces-cerevisiae[J]. Biotechnol Lett, 1994, 16(5)： 543-548.

[11]Ioannis A K, Anastasios I Z. Biological treatment of Mn(II)and Fe(II) containing groundwater：kinetic considerations and product characterization[J]. Water Research 2004, 38：1922-1932.

[12]李昕吴,乾菁,赵晓红等.微生物法治理电镀废水新技术[J].给水排水,1997,123(6)：25-29.

[13]瞿建国,申如香,徐伯兴等.微生物法处理含铬废水的研究[J].化工环保,2005,25(1)：1-4.

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07103-002);国家自然基金(41101474)

刘雪(1981-),女,助研。

朱昌雄,E-mail：zhcx120@163.com。