丝状真菌生物富集重金属废水的研究进展

马燕 余晓斌

（江南大学生物工程学院 酿酒科学与酶技术研究中心，无锡 412122）

丝状真菌生物富集重金属废水的研究进展

马燕 余晓斌

（江南大学生物工程学院 酿酒科学与酶技术研究中心，无锡 412122）

重金属废水是对环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水之一。丝状真菌生物富集重金属是处理废水的一种重要的方法，近十几年来一直是研究热点。首先介绍了去除废水中重金属的常规方法：化学沉淀法、离子交换法和吸附法的优缺点。尤其是生物吸附法的独特优点：吸附剂材料廉价，耗费少，吸附重金属离子效率高，适用条件广，生物体吸附剂可重复使用，特别适合于微量重金属废水的处理；其次，介绍了应用到富集重金属的丝状真菌种类，如根霉（Pb2+、Cd2+、Cr5+）、毛霉（Pb2+、Ni2+、Cd2+、Zn2+）、曲霉（Pb2+）、木霉（Zn2+、Pb2+）和担子菌（Cu2+、Pb2+、Cd2+）等都在重金属废水中取得较理想的效果；介绍了生物富集重金属的机理，主要是细胞外、细胞表面和细胞内富集重金属离子的机理；最后介绍了影响生物富集重金属效果的几种因素：pH值、重金属离子初始浓度和吸附剂的比例、富集温度、共存离子，展望了丝状真菌富集重金属的研究，旨为推广丝状真菌在富集重金属废水中的应用，并为即将投入新品种的丝状真菌富集重金属的研究奠定基础。

丝状真菌；生物富集；机理；展望

丝状真菌广泛分布于土壤、水体、空气及动植物体，在潮湿的环境下，会长出肉眼可见的菌丝体。丝状真菌主要分为藻状菌纲、子囊菌纲、担子菌纲以及半知菌类。其中，担子菌就是有性孢子产生担孢子的一类真菌，大多数大型真菌都属于担子菌，像蘑菇、灵芝等。

重金属是比重大于5，原子量在63.5-200.6之间的元素［1］。随着工农业的飞速发展，越来越多的重金属废水直接或间接排放到环境中，与有机物污染不同，重金属是不可生物降解的，这导致它会在生物体内不断累积，造成环境污染，也对人体健康有害［2］。常见有毒的重金属主要包括Zn、Cu、Ni、Hg、Pb和Cd等，所以，从废水中分离出这些重金属离子对保护人体和环境很重要。

1 去除重金属的常规方法

常用的分离重金属的传统方法包括化学沉淀法、吸附法、离子交换法、电解法和膜分离技术等［3-4］。本文主要介绍化学沉淀法、离子交换法和吸附法。

1.1 化学沉淀法

化学沉淀法（Chemical precipitation）是污水处理术语，是一种在工业上有效的、应用最广的处理方法，因其相对其他方法操作简单且价格低廉［5］。在沉淀过程中，化学物质与重金属离子发生反应可以形成不溶性沉淀物，所得沉淀物可以通过沉淀或过滤从水中分离出来，将处理过的水回收［2］。

常用的化学沉淀法包括氢氧化物沉淀法和硫化物沉淀法。其中氢氧化物沉淀法使用最广泛，因其相对简单，成本低，pH值易控制。柳健等［6］等曾利用Pb（OH）2去除废水中的Pb2+。硫化物沉淀法也是去除有毒重金属离子的有效方法，金属硫化物沉淀溶解度比氢氧化物沉淀低很多。李肃宁等［7］研究过黄铁矿去除Au-Cl络合物。虽然化学沉淀法在处理废水中得到广泛利用，但其缺点是：处理过程中产生的沉淀物存在二次污染、消耗大量沉淀剂造成费用高、出水重金属离子浓度高［3，5］。

1.2 离子交换法

离子交换法（Ion exchange）具有高去除率和反应速度快等优点，被广泛用于废水中重金属的去除［2］。离子交换法是利用离子交换剂中可交换的基团与溶液中各离子的结合能力不同将它们分开，即固相中的离子与水相中的离子之间的可逆反应。常用的离子交换树脂，无论是合成的还是天然的固体树脂，都具有特定金属离子的交换位置。在离子交换过程中所用的材料，合成树脂优先选择，它们几乎可以完全去除溶液中的金属离子［8］。

离子交换树脂吸收重金离子是在特定的条件下进行，如pH值、温度、初始金属浓度和反应时间等［9］。除合成树脂，天然硅酸盐矿物等也被应用于离子交换法处理重金属废水［10］。此法广泛应用于处理水、化工、冶金、医药等领域［11］。但该法也存在对颗粒物敏感、树脂具有选择性且价格较贵等缺点［3，5］。

1.3 吸附法

吸附法（Adsorption）是指将水样里一种或多种成分附着到有多孔性的固体吸附剂表面，是目前公认的一种有效、经济的重金属废水处理方法，在设计和操作实验时，吸附法具有灵活性，可以得到高质量处理过的废水。另外，吸附法某些情况下是可逆的，所以吸附剂可以通过适当解吸过程再生［2］。

吸附具有成本低、操作简便、对有毒物质不敏感等特点，对处理废水有明显优势，吸附方法包括物理、化学和生物吸附法。而生物吸附法是利用微生物的化学活动对溶液中金属进行吸附，微生物体及其衍生物对重金属的吸附是处理重金属污染的新型方法，它的主要优点是吸附剂材料来源广，种类多；成本低，吸附量大，处理效率高；反应的pH和温度范围广；生物体解吸后可再次使用，特别适合于低浓度重金属废水的处理。生物吸附剂主要来源于细菌、真菌、藻类等有机体，已有的大部分研究都集中于细菌、藻类和丝状真菌［3，12］。

2 应用在生物富集中的丝状真菌

霉菌（Mold）是对丝状真菌的通称，是在发酵过程中的一类重要菌，应用广泛，具有可形成菌丝球、富集能力强、固液分离效果好及可回收利用等特点，在重金属去除应用中前景广阔。

2.1 根霉菌

根霉菌（Rhicopus）对几种重金属富集能力顺序为：Zn2+＞Cu2+＞Pb2+＞Uo2+＞Cd2+。黑根根霉菌（Rhicopus nigricans）对Pb2+、Cd2+、Cr5+的富集量能最大达到37.073 mg/g、52 mg/g 和 14 mg/g［13］。

2.2 毛霉属

经NaOH处理的鲁氏毛霉菌（Mucor rouxii）对金属 Pb2+、Ni2+、Cd2+和 Zn2+的富集量可以达到53.75、53.85、20.31 和 20.49 mg/g［13］。

2.3 曲霉属

曲霉（Aspergillus）在重金属废水处理中应用较多。梁峙等研究米曲霉（Aspergillus oryzae）菌丝球对Pb2+的吸附作用的实验结果表明，在球径为1.7 mm-1.8 mm的条件下吸附率最高为67.7%［3］。

2.4 木霉属

木霉（Trichoderma）主要在微生物农药中运用较多。刘永霞等［14］研究发现，绿色木霉（Trichoderma viride）生物富集重金属Zn2+、Pb2+吸附量较高。

2.5 担子菌

担子菌（Basidiomycota）包括食用菌、毒菌和药用菌等。Chen等［15］研究丝状白腐菌黄抱原毛平革菌富集Cd（II），Cu（II）和Zn（II）时最佳条件：pH 5.5-6.5，温度37℃和时间为602 h。研究硬田头菇（Agrocybe dura）和平菇（Pleurotus ostreatus）菌丝体在富集Pb2+、Cd2+时发现，菌丝体对Pb2+的富集有促进作用，对Cd2+的富集有抑制作用［16］。

2.6 其他丝状真菌

白腐菌（Phanerochaete chrysosporium）具较大能力富集重金属，李清彪等研究了形成白腐真菌菌丝球的条件对铅的吸附发现，黄泡展齿革菌形成的菌丝球，具有一定机械强度，并对铅离子有较好的吸附能力［3］。

综上所述，对于不同的丝状真菌富集重金属离子的种类也不一样，但是纵观大部分丝状真菌，对富集铅离子都是可行的。

3 生物吸附法富集重金属的机理

生物吸附法的吸附机理，受吸附剂自身生理结构以及外界环境因素的复合影响，相当复杂，现无明确完整的定论。但近十几年国内外研究发现，生物吸附法机理可分为细胞外累积、细胞表面吸附和细胞内累积，而细胞外累积仅限于活生物细胞［17］。

3.1 细胞外富集机理

丝状真菌菌丝在重金属的胁迫下可以增强分泌低分子量的有机酸等有机物的能力，利用有机物质进行螯合和沉淀金属离子，影响重金属离子的生物有效性。草酸是研究得最多的低分子量有机酸，Clausen等［18］利用Cu离子能促进褐腐菌和白腐菌的胞外产酸，所产生的草酸能螯合重金属离子，形成不溶于水的晶体沉淀，并研究了丝状真菌对重金属的耐受能力。一些微生物可以在胞外分泌诸如糖蛋白和脂多糖等细胞外多聚糖（EPS），这些多聚糖都含有一定数量的能够吸附重金属的负电荷基团［19］。大部分利用EPS吸附重金属的研究集中于原核微生物，对于真核微生物十分有限。Breierova等［20］研究得到重金属离子Cd2+和Ni2+促进出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）分泌EPS的量，并提高了出芽短梗霉对金属离子的耐受性。

3.2 细胞表面富集机理

丝状真菌富集废水中的重金属时，重金属暴露遇到第一屏障是细胞壁，其主要成分包括肽聚糖、蛋白质等。林晓燕等［21］探究铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）吸附镉的机理发现，镉处理后的菌体表面粗糙，有不规则凸起及有大量沉淀物。从其分子结构看，细胞壁含有很多能与重金属离子进行配位络合的官能团，像咪唑基、巯基、PO43-、-NH2、R-CHO、C=O 等。王鹤［22］利用红外光谱和扫描电镜发现节杆菌属（Arthrobacter sp.）在吸附Zn2+过程中，菌体表面的活性基团参与反应。通常认为，丝状真菌细胞壁上的-OH和C=O等化学官能团是结合重金属的主要位点［23］。

细胞表面富集机理具体包括配位络合、离子交换、氧化还原及无机微沉淀等［24］。黑曲霉菌株被发现富集Cu离子是利用多糖类集团上的P作为配位原子与Cu配位络合造成［25］。

3.3 细胞内富集机理

丝状真菌可以利用细胞外富集和细胞表面富集机理吸附废水中重金属离子，阻止其进入细胞内，但是仍有部分进入细胞内。细胞内富集是依赖于活体新城代谢消耗能量的过程，属于主动吸附模式，由活体丝状真菌起吸附剂作用［24］。

对丝状真菌细胞内重金属排出的研究很少，吴优等［26］发现供试菌株DN-1经镉离子处理后胞内出现黑色颗粒物，其结构发生变化，有些细胞胞内物质外流。相比于植物重金属离子转运蛋白，丝状真菌的研究很少［21］。除了排出细胞内的金属离子，细胞内的富集机理还包括螯合重金属作用，研究报道过的细胞内螯合重金属的物质主要是金属硫蛋白、植物络合素等。金属硫蛋白是对金属离子有亲和力的蛋白质，其作用是结合重金属离子，使其以螯合物形式存在，这也是大型真菌重金属富集能力比植物强的关键［16］。Jaeckel等［27］研究过 Cd离子可以诱导某水生丝孢菌（Heliscus lugdunensis）产生特殊金属硫蛋白，每分子该蛋白可以结合两个Cd离子。

4 影响丝状真菌富集重金属的因素

4.1 pH值

在酸性条件下，金属离子以游离状态存在，会与细胞壁上的质子竞争结合位点，Luo等［28］发现pH＜2时，Cd2+和H3O+竞争结合位点导致不能很好地富集Cd金属离子；碱性条件下，pH超过金属离子形成微沉淀的极限，金属离子会沉淀为不溶性的氢氧化物或氧化物，从而影响富集过程。最佳富集pH值对于不同的吸附剂和重金属离子也是不同的，刘永霞等［14］研究发现，绿色木霉（Trichoderma viride）生物富集重金属Zn2+、Pb2+时，最佳富集pH为7.5，吸附量最高。Chen等［15］研究丝状白腐菌黄孢原毛平革菌富集 Cd（II），Cu（II）和 Zn（II）时最佳条件：pH 5.5-6.5。

4.2 重金属离子初始浓度和吸附剂的比例

菌丝物质累积金属是一个化学平衡的可饱和机制，只要富集位点没有饱和，富集量就会随着金属的初始浓度增加而递增［15］。保持吸附剂的投加量不变时，吸附剂的富集能力随着金属离子浓度的增加而增大，但是其富集率会下降［24，15］。刘永霞等［14］研究发现，绿色木霉（Trichoderma viride）生物富集重金属Zn2+、Pb2+时，金属离子初始浓度为300 mg/L，富集率最高。程林洁等［29］在研究拟康宁木霉（Trichoderma koningiopsis）富集Cr（Ⅵ）时，得到在初始浓度为2 mg/L且吸附剂用量为2.5g/L的最佳实验条件下，对Cr（Ⅵ）的吸附率达到80.37%。邹炎等［4］研究黑曲霉（Aspergillus niger）富集水溶液中Pb2+，菌体吸附率最高时初始浓度为80 mg/L，吸附率达到89.5%。

4.3 富集温度

通常在20-35℃范围内不会影响生物吸附。在某一范围内，温度升高可以增加富集位点对金属的亲和性，或增加某些材料的富集位点数目。但是温度过高，可能会使细胞表面的富集位点发生形变导致金属富集能力下降［15］。邹炎等［4］研究黑曲霉（Aspergillus niger）富集水溶液Pb2+时，菌体吸附率最高时温度为30℃。Chen等［15］研究丝状白腐菌黄抱原毛平革菌富集 Cd（II），Cu（II）和 Zn（II）时最佳温度为37℃。闫建芳等［30］研究龟裂链霉菌GQ-17（Streptomyces rimosus GQ-17）对 Pb2+吸附性时发现，富集温度为48℃，吸附量最大。

4.4 共存离子

同浓度的不同金属离子共存时，可能会影响丝状真菌对金属离子的富集。Cd2+、Pb2+、Hg2+和As3+共存时，变灰青霉对单种金属离子的富集能力降低，但富集金属离子的总量稍微增加，富集量大小顺序为 Pb2+＞Cd2+＞Hg2+＞As3+［15］。但是对于拟康宁木霉富集Cr（Ⅵ）的研究，Cu2+对其富集有促进作用［29］。

5 结语

生物吸附剂富集重金属的研究在近十几年迅速发展，得到了很多经验和成果。而且丝状真菌在生态系统中随处可见，将其很好地运用到重金属污染处理中有重要的意义。虽然丝状真菌富集重金属的研究已经得到重视，而且也进行了很多研究，但还是有很多问题亟待解决。（1）丝状真菌对重金属离子的生物富集的机理没有确切的认识。胞外分泌的物质用何种方式与金属离子进行螯合作用，并且这些螯合物的结构如何均未知。这些对于开发高效的生物吸附剂具有重要的研究价值。（2）对于重金属离子富集的影响因素中，其具体的影响机理尚未完全弄明白，如果能找到最佳的影响因素数据，对于高效处理重金属污染将会大大减轻工作量。（3）并非每种丝状真菌都对重金属的富集有效，所以还需要加强各种丝状真菌的研究。虽然目前正在研究的虎乳灵芝的富集效果暂时无法得知，但是对于丝状真菌大家族对富集重金属离子的研究效果，相信其在未来在富集某重金属离子的研究中会有一席之地。

综上所述，丝状真菌的生物富集对于环境污染处理有很大的帮助，有广阔的应用前景。

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Research Progress on Bioaccumulation of Heavy Metals in Wastewater by Filamentous Fungi

MA Yan YU Xiao-bin
（School of Biotechnology，Jiangnan University，Wuxi 214122）

Wastewater containing heavy metals is the one that most seriously pollutes environment and damages human health.Bioaccumulation of heavy metals by filamentous fungi is an important mean for processing heavy metal wastewater，and it has been a hot research topic in recent years. Firstly，the advantages and disadvantages of conventional methods of removing heavy metals from wastewater were reviewed，including chemical precipitation，ion exchange and adsorption. Among them，biosorption owns special advantages，such as low price and low consumption of biosorbents，its high effectiveness in absorbing the heavy metal ions，wide application and biosorbents reusable，thus biosorption is particularly suitable for the treatment of trace heavy metal wastewater. Secondly，the types of filamentous fungi that were applied to the removal of heavy metals were introduced，such as Rhicopus（Pb2+，Cd2+，and Cr5+），Mucor（Pb2+，Ni2+，Cd2+，and Zn2+），Aspergillus（Pb2+），Trichoderma（Zn2+and Pb2+），and Basidiomycota（Cu2+，Pb2+，and Cd2+）；they all presented ideal results in removing heavy metals. Thirdly，the mechanisms of bioaccumulation were summarized，mainly about extracellular，cell surface，and intracellular absorption of heavy metals. Lastly，the several factors affecting the efficiency of removing heavy metals（pH，initial concentration of heavy metal ions，proportion of adsorbent，temperature，and coexisted ions）were discussed，as well as the future of studying filamentous fungi was prospected. It is aimed at expanding the application of filamentous fungi in the heavy metal accumulation from wastewater and laying a foundation for initiating new types of filamentous fungi in accumulating heavy metal from wastewater.

filamentous fungi；bioaccumulation；mechanisms；prospect

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017-0516

2017-06-21

马燕，女，硕士研究生，研究方向：发酵法生产功能食品；E-mail：919589845@qq.com

余晓斌，男，博士后，教授，研究方向：发酵法生产功能食品/因子，酶技术；E-mail：xbyu@jiangnan.edu.cn

（责任编辑 狄艳红）