（微生物学专业论文）灰色链霉菌菌丝体吸附重金属的研究.pdf

灰色链霉菌菌丝体吸附重金属的研究 摘要 本课题主要对要对阿维菌素发酵产生的废菌丝体( 灰色链霉菌s t r e p t o m y c e s a v e r m i t i l i s ) 对重金属的吸附进行探索研究。阿维菌素在我国生产量大，其生产 中的副产物一菌丝体一直作废弃物处理。本文从菌丝体对c u 、z n 、m n 、c d 四 种金属吸附的影响因子、吸附机制、吸附质的预处理及再生利用、多种金属共 存时的吸附效果几个方面作了研究。探讨了将其作为一种新型的吸附材料的可 行性，也对其生物吸附的机理作了初步的研究。 首先对吸附过程中的影响因子进行了研究，实验结果表明投入吸附质的量、 金属离子的浓度、p h 值、吸附时间为主要影响因子，温度对本吸附材料影响不 大。吸附的最佳p h 值在3 5 5 5 之间，在较高的浓度下lh 内能达到吸附饱和。 在同一金属离子浓度下，溶液中金属离子的去除率随着吸附质的质量的增加而 增加，平衡时生物吸附量随着吸附质的质量的增加逐渐减少；随着金属浓度的 增大，溶液中金属离子的去除率逐渐减少，平衡时的生物吸附量随着金属浓度 的增加逐渐增加。 在吸附机制的研究中，采用l a n g m u i r 方程与f r e u d l i c h 方程对数据拟合， l a n g r n u i r 方程比f r e u d l i c h 方程更好的描述对c u 、z n 、m n 、c d 吸附平衡行为， 并得到在p h = 4 、p h = 5 时对四种金属的理论最大单位吸附量在9 3 7 2 1 m g g 4 2 7 3 5 0m g g 之间，理论最大吸附量的规律为c d c u z n m n ；吸附的过 程分为两个快速吸附和慢速吸附阶段，准二级动力学方程描述能很好的描述吸 附现象，相关系数( r 2 ) 在o 9 9 以上；通过对菌丝体与各重金属吸附前后的红 外图谱分析了解吸附金属后主要为一o h 、- n h 2 、一c h 2 一、一c o n h 2 发生相应变化。 在吸附质的预处理中选取e d t a 、n a o h 、h c l 、c a c l 2 作对菌丝体进行处理， n a o h 处理后效果较好，c u 离子的去除率达8 5 8 3 。并通过红外图谱分析经 n a o h 处理后主要为羟基发生了变化，促进其吸收。 在吸附质的再生利用的研究中，选取e d t a 、n a o h 、h c l 、c a c l 2 作为菌丝 体的洗脱剂，h c l 效果最佳。并对实际应用的试验装置进行模拟实验，采用填 充柱装柱洗脱结果较好，能连续吸附一解吸5 次以上。 最后对菌丝体在多种金属共同存在时的生物吸附的性质进行了研究，实验 条件建立在对单一金属存在时吸附特性的基础上，结果表明多种金属存在时达 吸附平衡的时间不受金属种类的影响，但其每种金属的理论最大吸附量有变化， 在混合溶液中吸附质理论最大吸附的总量在p h = 4 和p h = 5 时分别为4 4 1 6 m g g 、5 2 7 5m g g 大于单一金属存在时的理论最大吸附量。 关键词：生物吸附；阿维菌素；灰色链霉菌；金属离子 华中农业大学( 2 0 0 9 ) 硕士学位论文 a b s t r a c t o u rw o r ki st os t u d yt h eb i o s o r p t i o no fh e a v ym e t a lb yw a s t em y c e l i u mo f a v e r m e c t i n ( s t r e p t o m y c e sa v e r m i t i l i s ) t h ea m o u n to ft h ea v e r m e c t i n sp r o d u c t i o ni s g r e a t i no u rc o u n t r y , b u tt h eu t g r o w t h so ft h ep r o d u c t s m y c e l i u ma r ea l w a y s d i s p o s e d a so f f a l i nt h i s p a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fb i o s o r p t i o n ，b i o s o r p t i o n m e c h a n i s m ，t h ee f f e c t so fp r e t r e a t m e n to nb i o m a s s ，t h er e u s ee f f e c t so ft h eb i o m a s s a n da d s o r p t i o ne f f e c t sw i t hs e v e r a lk i n d so fm e t a lc o e x i s t e n c ew e r es t u d i e dt o d i s c u s st h ef e a s i b i l i t yo ft h ew a s t em y c e l i u me x p l o i t a t i o na san e wa d s o r p t i o n m a t e r i a la n dl e a r ns o m em e c h n i s mo ft h i sm a t e r i a l a st h ef i r s t s t e p ，t h ea d s o r p t i o np r o p e r i t i e so fm y c e l i u mw e r ei n v e s t i g a r e du s i n g t h eb a t c hm e t h o da saf u n c t i o no fb i o s o r b e n ta m o u n tt ot h es o l u t i o n ，t h ei n i t i a l c o n c e n t r a t i o no f h e a v y m e t a li o n ，p h ，t e m p e r a t u r ea n dc o n t a c tt i m e i tw a ss h o w nt h a t t h eb i o m a s sa m o u n tt os o l u t i o n ，t h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a li o n ，p ha n d c o n t a c tt i m ea r et h em a i nf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ea b s o r p t i o n t h ei n i t i a lp hi n3 5t o 5 5a r eo p t i m a l ，a n da t t h i sr a n g e t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fw a s t em y c e l i u mo f a v e r m e c t i n sr e a c h e dt h em a x i m u ml e v e l a n di tc a nr e a c ha b s o r p t i o ns a t u r a t i o nj u s t i nlh o u ra tr e l a t i v e l yh i g hc o n c e n t r a t i o n s a tt h es a m em e t a li o nc o n c e n t r a t i o n ，t h e e f f i c i e n c yo fr e m o v i n gm e t a li o n si nt h es o l u t i o nw a si n c r e a s e dw i mt h ei n c r e a s i n g o fb i o m a s sc o n c e n t r a t i o n h o w e v e r , w h e ni tr e a c h e dt h ee q u i l i b r i u mc o n d i t i o n ，t h e q u a n t i t i e so fa d s o r b a n c ew e r eg r a d u a l l yd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fb i o m a s s c o n c e n t r a t i o n w h e nt h em e t a lc o n c e n 订a t i o nw a si n c r e a s e d ，t h ee f f i c i e n c yo f r e m o v i n gm e t a li o n si sd e c r e a s e da n dt h ee q u i l i b r i u ma b s o r b a n c ei n c r e a s e dw i t ht h e m e t a lc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g o nt h er e s e a r c ho fb i o s o r p t i o nm e c h n i s a m ，t h eb i o s o r p t i o no fc u ，z n ，m n ，c dc a n b eb e r e rd e s c r i b e db yl a n g r n u i rm o d l et h a n f r e u n d l i c hm o d l e ，t h et h e o r e t i e m a x i m u ma d s o r p t i o nc a p a b i l i t yw a sb e t w e e n9 3 7 2 1 m g ga n d4 2 7 3 5 0m g gi n p h 4 - - 一5 ，a n dt h er e g u l a t i o no ft h ec a p a b i l i t yw a sc d c u z n m n t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o c e s so fb i o s o r p t i o nc a nd e v i d e di n t ot w op h a s e ：r a p i d s o r p t i o np h a s ea n dr e l a t i v e l ys l o ws o r p t i o np h a s e t h eb i o s o r p t i o nk i n e t i c sc a nb e w e l ld e s c r i b e db yt h es e c o n d - o r d e re q u a t i o n ，t h er e l a t i v ec o e f f i c i e n to ft h ee q u a t i o n ( 彰) w a sa b o v e0 9 9 c o m p a r e df i rs c a n n i n gs p e c t r ao fi n i t i a lb i o m a s s sw i t h i o n - e x p o s e dc e l l s ，i tc a nb ek n o w nt h a tt h eb i o m a s sc o n t a i n sh y d r o x y lg r o u p ，a m i d o g r o u p ，a c y lg r o u pa n dm e t h y l e n eg r o u p ，a n dt h e s eg r o u pc h a n g e dw h e nt h eb i o m a s s a d s o r p tm e t a li o n s i i 灰色链霉菌菌丝体吸附重金属的研究 i no r d e rt oe n h a n c et h ea d s o r p t i o nc a p a b i l i t y ，t h ee f f e c to fp r e t r e a t m e n tw e r e s t u d i e d t ot r e a tt h eb i o m a s sw i t he d t a ，n a o h ，h c i ，c a c l 2 ，t h ee f f e c to fn a o hw a s b e r e rt h a no t h e r sa n dt h er e m o v a lo f t h ec uw a s8 5 8 3 f i rs c a n n i n gs p e c t r as h o w t h a tt h eh y d r o x y lc h a n g e dal o tw h e nt h eb i o m a s sw a st r e a t e dw i t hn a o h ，i t e n h a n c e dt h eb i o s o r p t i o n i nt h er e s e a r c ho ft h eb i o m a s sr e u s e ，t r e a tt h ec u a b s o r b e db i o m a s sw i t he d t a 、 n a o h 、h c l 、c a c l 2 t h ee f f e c to fh c lw a st h eb e s t a n dc a r r i e so nt h em o d e l l i n gt o a p p l i c a t i o ne q u i p m e n t ，t h ep a c k i n gc o l u m nu s e dt ob eg o o d , c a nc o n t i n u o u s l y a d s o r p t i o n - d e s o r p t i o nf o ra b o u t5t i m e s f i n a l l y , b a s e do nt h er e s u l t so ft h ec h a r a c t e r i s t i c e sg a i n e df r o ms i n g l em e t a l e x i s t e ds o l u t i o n ，s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c e so ff o u rm e t a lc o e x i s t e ds o l u t i o n i tw a sn o t s h o w nt h a tt h ek i n d so ft h em e t a li n f l u e n c et h ec o n t a c tt i m et oa b s o r p t i o n s a t u r a t i o n t h et h e o r e t i em a x i m u ma d s o r p t i o nc a p a b i l i t yo fe a c hm e t a lc h a n g e dal o t i na d m i x t u r e ，b u tt h et o t l ea d s o r p t i o nc a p a b i l i t yw a si n c r e a s e d k e yw o r d s ： b i o s o r p t i o n ；a v e r m e c t i n ；s t r e p t o m y c e sa v e r m i t i l i s ；h e a v ym e t a li o n s i i i 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 名 如需保密，解密时间年月日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研牲鲐净唧 帆沙7 年莎月夕日 签名日期：切口1 1 年占月7 日 签名日期： 撕刁年移为如日 注：淆：悔本表亢接装订在学何论文的扉页和目录之问 灰色链霉菌菌丝体吸附重金属的研究 1 前言 1 1 研究背景 水乃生命之源，它在自然界和人类社会的存在和发展中有着不可替代的作 用。水环境主要包括河流、湖泊、水库、海洋以及经人类加工的工业用水、排 放水和生活饮用水等水体环境。随着经济和社会的发展，使得人类对水资源的 需求猛增。过去5 0 年来，人类对淡水资源的消耗量增加了4 倍多。而由此产生 的大量废未经处理由种渠道进入水环境，造成水环境的严重污染和水资源的严 重短缺。全世界每年约有4 2 0 0 多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了5 5 万 亿立方米的淡水，这相当于全球径流总量的1 4 以上。在我国多年平均水资源 量为2 8 1 2 4 亿m 3 , 人均占有量只有2 6 3 0m 3 ，已被联合国列入贫水国之一，而每 年约有1 3 的工业废水和9 0 以上的生活污水未经处理就排入水域。全国有监 测的1 2 0 0 多条河流中，目前8 5 0 多条受到污染，9 0 以上的城市水域也遭到污 染，致使许多河段鱼虾绝迹，符合国家一级和二级水质标准的河流仅占3 2 2 。 据环境部门监测，全国七大水系中一半以上河段水质受到污染，全国1 3 的水 体不适于鱼类生存，1 4 的水体不适于灌溉，9 0 的城市水域污染严重，5 0 的 城镇水源不符合饮用水标准，4 0 的水源已不能饮用( 熊正为，2 0 0 0 ) 。我们 能够饮用和使用的水正在不知不觉地减少。 1 9 8 4 年颁布的中华人民共和国水污染防治法对“水污染下了明确的 定义，即水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方 面特征的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造 成水质恶化的现象称为水污染。 水环境中重金属污染，是指排入水体中的重金属超过了水的自净能力，使 水的组成及其性质发生变化，从而使水环境中生物生长条件恶化，并使人类生 活和健康受到不良影响的行为。随着现代化工业的发展和人类自身活动的增加， 大量带有重金属的废水排入江河湖海中。这些重金属通过食物链富集，对生物 生长和人体健康造成严重威胁。各类水环境中重金属的污染日趋加剧己成为不 争的事实。为了最大限度的避免重金属污染对生态系统造成的严重影响，寻求 处理重金属污染废水的新技术成为目前刻不容缓的事情。 1 1 1 我国重金属污染状况 重金属一般指密度4 5g c m 3 以上的金属，原子量在2 1 - 8 3 之间，工业废 华中农业大学( 2 0 0 9 ) 硕士学位论文 水中含的主要有h g 、c d 、c r 、m n 、c u 、z n 等的几类。矿山坑道排水、废石场 淋滤水、选矿尾矿排水、有色金属冶炼厂、电镀厂、钢铁厂、农药、医药、油 漆、染料等企业排出的废水含有各种各样不同形态的重金属，成为水源中金属 污染的主要来源( 表1 1 ) 。其它的来源也包括城市污水、农药化肥地表径流和 地下水。 表1 1 重金属金属来源和浓度范围 t a b1 1t h er e s o u r s eo fh e a v ym e t a la n dt h er a n g eo ft h ec o n c e n t r a t i o n 我国作为饮用水水源的地表水主要为河流、湖泊及水库。早期调查发现在 金沙江、湘江、蓟运河、锦州湾等许多水体均有不同程度的重金属污染，其中严 重地段的水相重金属浓度高达几百p p b ，沉积物中重金属浓度达上千p p m ( 李然， 1 9 9 7 ) 。徐小清等( 1 9 9 9 a ，1 9 9 9 b ) 研究报道，三峡库区江段沉积物中重金属元 素含量主要受上游泥沙以及沿江城市和工厂“三废排放的影响，已受到不同 程度的污染。据戴秀丽和孙成( 2 0 0 1 ) 报道，太湖沉积物中重金属污染物中c u 的污染及其严重。吴国元( 1 9 9 4 ) 报道由于上海西区污水干线石洞口污水排放 口岸边排放上海工业废水和生活污水的影响，石洞口排放口附近潮滩表层底质 的重金属污染已十分严重，污染的程度依次为铅、铜、锡、锌、铬。由此可见，重 金属污染的情况在我国各种水体中都存在，根据我国的实际情况有关职能部门 已制定了一系列水环境重金属污染指标，如g h z b l 1 9 9 9 地表水环境质量标 准、g b t 1 4 8 4 8 9 3 地下水质量标准、g b 3 0 9 7 1 9 9 7 海洋水质标准、 ( ( g b 5 7 4 9 2 8 5 生活饮用水卫生标准、g b l1 6 0 7 2 8 9 渔业水质标准等一系列 水环境质量标准( 刁维萍，2 0 0 4 ) ，而在实际操作中应严格按要求重视与控制重 金属污染。 1 1 2 水体中重金属污染的危害 在天然水体中只要有微量重金属，即可产生毒性反应，重金属的毒性具有 2 灰色链霉菌菌丝体吸附重金属的研究 长期持续性，高危害性和难治理性，其毒性和稳定性取决于它的存在形态。重 金属可经生物可大量富集，这种生物富集的特性是重金属废水污染的突出特点。 有的重金属富集倍数可达成千上万倍，然后通过食物链，在人体器官中积累造 成慢性中毒，破坏正常的生理代谢活动甚至产生“三致”( 致癌、致畸、致突变) 作用，严重危害人体健康( 李洪强，2 0 0 6 ) 。如日本的水俣病，就是因为烧碱制 造工业排放的废水中含有汞，在经生物作用变成有机汞后造成的；又如痛病， 是由炼锌工业和镉电镀工业所排放的镉所致。某些重金属虽只有微量浓度，但 可在微生物作用下，转化为毒性更强的有机化合物。如无机汞在天然水体中可 被微生物转化为毒性更强的甲基汞。重金属无论采用何种处理方法或微生物都 不能降解，只不过改变其化合价和化合物种类。如与阴离子配体形成配合物或 鳌合物，使重金属在水中的浓度增大，也可以使沉入水底中的重金属又释放出 来( 李然，1 9 9 7 ) 。由此可见，重金属污染是相当惊人的，重金属污染已经成为 当今世界上最严重的环境问题之一。 1 2 重金属的去除方法与评价 目前已开发应用的废水处理方法较多，按照金属离子去除的机理可分为分 离法和转化法。按照处理手段分类可分为物理法( 蒸发浓缩、反渗透膜分离等) 、 化学法( 中和法、硫化法、特殊试剂法等) 、物理化学法( 电解法、液膜分离、 离子浮选法、电渗析法等、活性炭吸附、蒸发、蒸馏、结晶、离子交换、电渗 析、电解法、高梯度磁分离法等) 、生物法( 活性污泥法、生物膜法、植物法等) ， 以废治废法等( 孙津生，2 0 0 5 ) 。 1 2 1 传统的重金属去除方法 常用的方法有沉淀法、离子交换法、电解法、活性炭吸附、稀释换水法。 以上方法各有利弊。 1 2 1 1 沉淀法 目前常用重金属废水处理方法就是中和沉淀法。升高水体p h 值能使大多数 重金属生成氢氧化物沉淀。而某些金属离子也能与一些特定的阴离子结合形成沉 淀。通常在含金属浓度较高的废水中加石灰、碳酸钙等物质沉淀法能处理高浓度 的金属废水，但要将含重金属离子的废水处理到国家排放的标准，并不十分有效。 水体里面除重金属外的其他杂质，如有机物、络合剂、碱土金属等，会减低重金 属离子的去除效率。重金属沉淀或絮凝后会产生大量泥浆，这些泥浆存在渣量大、 华中农业大学( 2 0 0 9 ) 硕士学位论文 含水率高、脱水困难等缺点，而且处理成本昂贵，易造成二次污染。 1 2 1 2 离子交换法 离子交换法是在离子交换器中进行，交换器中装有不同类型的离子交换树 脂，当含重金属的废水通过交换树脂时，金属离子与树脂上的阳离子发生交换 作用转移到离子交换树脂上，以去除废水中重金属。也可以用洗脱试剂如酸碱 或螯合剂对离子交换柱进行洗脱，回收贵重金属。这种方法处理速率快，浓度 底，但材料价格高，树脂适用范围有限，不适合大量体积的含重金污水的处理。 1 2 1 3 电解法 电解法是利用重金属的电化学性质使重金属离子在电解时能够从相对高浓 度的溶液中分离出来，达到去除废水中重金属离子的目的。主要用于电镀废水 的处理，可以处理含重金属离子的工业废水，回收重金属。这种方法的缺点在 于水中的重金属离子浓度不能降得很低，所以不适于处理较低浓度的含重金属 离子的废水。同时设备复杂，运行费用高，限制了其应用。 1 2 1 4 活性炭吸附 采用活性炭进行物理吸附是一种效率较高的方法。活性炭是一种很细小的 炭粒，有很大的表面积，而且炭粒中还有更细小的孔一毛细管。这种毛细管具有很 强的吸附能力，由于炭粒的表面积很大，所以能与金属充分接触，当这些金属离子 在其颗粒表面形成一层平衡的表面浓度，再通过毛细管吸附到活性炭颗粒内， 使用初期的吸附效果很高。但时间一长，活性炭的吸附能力会不同程度地减弱， 吸附效果也随之下降。但活性炭价格贵，重复使用工艺繁琐，不适合在大型水 处理上使用。 1 2 1 5 稀释换水法 将重金属污染的水混入为污染的水体中，从而降低水体中金属的浓度此法 适用于轻度重金属污染水体的治理。河流，湖泊以及海洋等水体在一定范围内 能承受重金属污染并不会对水体中的生物产生影响。将含重金属污染物的污水 排入河流、湖泊或海洋之中，使大量的重金属污染物充分稀释，但当重金属污 染物在这些水体中的浓度达到一定程度时，生活在其中的生物就会受到重金属 的影响，发生病变和死亡。早鱼塘或其他的小型水体受到污染时可采用换水法， 将受污染的水体换上未受污染的水。此种方法只适用于小范围的治理。 4 灰色链霉菌菌丝体吸附蕈金属的研究 1 2 2 生物吸附法 所谓生物吸附法就是利用某些生物体本身的化学结构和成分特性，吸附水 中的金属离子，通过固液两相分离来去除溶液中金属离子的方法。自从r u c h h o f t 提出生物吸附法去除水中的p u 后( d a v i dk r a t o c h v i l ，1 9 9 8 ) ，国内外对此进行 了广泛的研究。在近一、二十年在应用将它们视为去除和回收金属的一类可供 选择的材料，生物吸附技术也因此在近年来日益蓬勃的发展起来。生物吸附法 作为一种新兴的处理技术，与传统方法相比具有以下优势：在低浓度下，金属 可以被选择性地去除；节能，处理效率高；操作时的p h 值和温度条件范围 宽；易于分离回收重金属；吸附剂易再生利用；对钙、镁等离子吸附量少； 投资小，运行费用低，无二次污染( 张洪玲，2 0 0 3 ) 。生物吸附技术在处理重金属 污染和回收贵重金属方面有着广阔的前景，深入进行这方面的研究，具有较好 的经济价值和社会效益( t s e z o s ，2 0 0 1 ) 。 1 3 生物吸附的材料 生物吸附依据吸附剂的原料来源可分为微生物、植物、动物吸附材料。目 前已研究的可应用于吸附材料有多种，如细菌、真菌、酵母、藻类、高等植物 以及从这些有机体得到的衍生物产品等，都具有良好的选择吸附性。关于自然 环境中的生物吸附剂主要来源于菌体和藻类。 1 3 1 细菌 细菌对某些碱士金属，过渡金属有较高的分离能力。细菌是地球上最丰富 的微生物，繁殖能力很强。细菌很早就被发现可以在细胞外部沉积铁、锰的氧 化物和氢氧化物。这类吸附剂对金属的吸附作用，一般认为是菌体细胞壁起作 用。根据它们的结构和组成，细菌细胞壁带有负电荷，使得细菌表面具有阴离 子的性质。金属离子与细胞表面结构材料上的羧基阴离子和磷酸根离子发生相 互作用而被固定。细菌细胞外膜上的结构成份很容易与金属发生反应，因而金 属很容易结合到细胞的表面( 李洪强，2 0 0 6 ) 。如枯草芽孢杆菌( b a c c i l l u s s t u b t i l t s ) 细胞壁上的肽聚糖可以从水溶液中络合大量的金属离子，特别是大多 数的过渡金属( n i u ，1 9 9 9 ) 。t e x i e r 用铜绿假单胞菌( p s u d o m o n a sa e r u g i n o s a ) 吸附镧系金属l a 3 + 、e u 3 + 、y b 3 + 。刘月英等( 2 0 0 0 ) 进行了固定化地衣芽孢杆 菌r 0 8 吸附p b 2 + 的研究。 华中农业大学( 2 0 0 9 ) 硕士学位论文 1 3 2 真菌 真菌类微生物由于菌丝体粗大，吸附后易于分离，吸附量大等特点，它们 吸附金属的研究比较深人，它们可以吸附t h 、p b 、c r 、r a 、c d 、c u 等多种金 属离子( t s e z o s ，1 9 9 0 ) 。霉菌和酵母能够吸附和积累重金属，这一特征既有以 代谢为目的地主动金属离子吸附，也有细胞及其组成成分的化学补偿而引起的 被动吸附和结合m z u r i c i o 等人( 2 0 0 0 ) 报道用m o n o r a p h i d ms p i r i l l u m ，b a i c e r y e a s t ，p e n i c i l l i u ms p i r i l l u m 从酸性溶液中回收钕。傅锦坤等人( 2 0 0 0 ) 用乳酸 杆菌a 0 9 吸附a 矿。小型真菌( m i c r o m y c e t e s ) ( 1 9 9 9 ) 可吸附多种重金属离子， 其不同的种属均可从a g n 0 3 溶液中回收银。酿酒酵母( s a c c h a r o m y c e s c e r e v i s i a e ) 可以吸附重金属如p b 2 + 、z n 2 + 、c d 2 + 和金银等贵重金属。 1 3 3 藻类 世界范围类内广阔的海洋生物资源，也为发展藻类生物吸附剂提供了基础。 海藻类微生物是生物吸附剂的一大组成部分，它们可以吸附多种金属离子，如 c o 、c d 、a g 、c u 、z n 、m n 、p b 、a u 等，而且吸附量往往很高( h o l a n z e ，1 9 9 3 ) 。 藻类的细胞壁主要由多糖、蛋白质和脂类组成，具有粘性，带一定的负电荷，可 提供许多能与离子结合官能团。如绿藻的细胞壁含的多糖、蛋白质、糖醛酸，它 们可提供氨基、酞胺基、羧基、醛基、羟基、硫醇、硫醚、咪唑、磷酸根及硫酸 根等官能团与金属离子结合，此外细胞膜是具有高度选择性的半透过性膜，这些 特点决定了藻类可以富集许多离子。藻类细胞壁结构及离子种类的不同，决定了 富集的效率与选择性，这可能与静电引力及离子或水合离子的半径有关。褐藻 d u r v i u a e a 、l a m i n a r i a 、e c h k l o n i a ，h o m o s i r a ( f i g u e i r a ，2 0 0 0 ) 对c d 的吸附是 c a 、k 、m g 的两倍。颤藻( o a n g u i s t i s s i m a ) 对z n 的吸附表现出高的吸附性能。 9 种海洋巨藻( y uq m ，1 9 9 9 ) 体能吸附重金属( 镉、铜、铅) ，每克干物质最大 吸附量比其它类型的藻体高。泥炭藓( s p h a g n a c e a es p i r i l l u m ) 可去除水中的f e 、 灿、p b 、c u 、c d 、z n 等金属离子。m a r ks p i n t i 等( 1 9 9 5 ) 用聚合砜固定泥炭藓 制成固定化菌体，其球状小粒机械强度高、化学稳定性好、容易再生、不膨胀收 缩该固定化藻体已成功地用于从酸性矿井水中去除z n 、c d 、m g 等金属。 1 3 3 其他生物吸附剂 植物修复法是利用自然生长植物或遗传工程培育植物修复金属污染环境的 技术总称，这类用于重金属污染水体修复的水生植物被称为重金属超积累水生 6 灰色链霉菌菌丝体吸附重金属的研究 植物。植物修复法利用超积累植物吸取水体中的重金属，富集装运到植物体内， 然后通过收割植物将重金属从水体中清除出去。通常用于水体修复的植物有芦 苇、香蒲、凤眼莲、水芹、菱等。 用植物材料制备吸附剂也有人报道。g a r d e a ，t o r r e s d e y 等人( 2 0 0 0 ) 取洗 净的苜蓿( 彳物t f a ) 茎和叶9 0 烘干，研磨，过1 0 0 目筛制得苜蓿颗粒作为实 验材料，从水溶液中回收c u 、c r 、p b 、z n 、n i 、c a 。在墨西哥，a v e n am o n i d a 收割后的茎和叶通常被焚烧，但是a v e n am o n i d a 的副产物茎、叶和果实的外壳 经与制备苜蓿吸附剂相同的方法制备的颗粒制剂，可吸附c r 。 1 3 4 细胞代谢产物或结构部分 微生物的代谢产物或结构部分，如胞外多糖( e p s ) 等，也可作为良好的 重金属生物吸附材料。藻酸盐是从褐海藻中提取出来的，它是重金属离子的吸 附剂，吸附时重金属离子与其中的金属离子发生离子交换。实验测定，藻酸钠 对c u 2 + 的吸附容量为1 0 7m g g ( d a v i s ，2 0 0 3 ) 。 废水中含有高浓度的有害金属，p h 值波动大，不利于微生物群体的生长 繁殖。在贵重金属的回收利用中，会使用酸碱试剂进行洗脱，对生物体具有很 大的杀伤力。因此将活体微生物用于吸附重金属受到很大的限制。大量的研究 表明，不具生物活性的微生物同样具有吸附重金属的性能。这归因于细胞干死 亡后，细胞壁往往破碎较多，有更多的功能团裸露在表面，可通过络合作用或 是离子交换作用来吸附重金属离子( h u a n gcp ，1 9 9 0 ) 。人们逐渐将目光投向 了使用不具生物活性的吸附材料吸附重金属。在目前的工业生产中，特别是在 食品和医药工业上，随着工业产量的增加，每年也产生大量的副产物一废菌体。 大多情况下，这些废菌体都做掩埋填充土地或焚烧。但其具有的生物吸附的性 质则可开发成为一种廉价的可用于废水处理的材料，达到以废制废的效果。刘 月英等人( 2 0 0 1 ) 用金霉素发酵生产的金霉素链霉菌废菌丝体吸附a u ，吸附量 可达4 5 6m g g 。 1 4 生物吸附机制 1 4 1 生物吸附过程 生理吸附过程的理解对于发展金属溶液浓缩，金属离子分离和金属回收的微 生物过程是很重要的。可以能动地控制某些过程参数而提高吸附速率，吸附量和 金属富集专性。微生物从溶液中分离金属离子的过程有以下几种：( 1 ) 胞外富 7 华中农业大学( 2 0 0 9 ) 硕士学位论文 集沉积。( 2 ) 细胞表面吸附或络合，( 3 ) 胞内富集( 蔡佳亮，2 0 0 8 ) 。其中细胞 表面的吸附和络合对死活微生物都存在，而胞外和胞内的大量富集则往往要求微 生物具有活性。在一个吸附体系中，可能会存在上述一种或几种过程。 1 4 1 1 胞外吸附 利用胞外聚合物分离金属离子早有研究。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一样。从而不同微生物类型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。有时一旦产 生了聚合物，它对金属的分离则是一被动过程，不需要活性微生物的参与。 m u l e a n 等( 1 9 9 0 ) 研究了谷氨酰基夹膜对金属离子的亲和能力。k u r e k 等( 1 9 9 1 ) 发现一细菌在生长过程中释放出的蛋白物质能使溶液中可溶性c d 、h g 、c u 、z n 形成不溶性的沉淀而被除去。 1 4 1 2 细胞表面富集 细胞表面吸附就是利用生物的化学成分及结构特性与重金属离子结合，是不 依赖于新陈代谢作用且不包括物质的主动运输过程，这种吸附主要发生在细胞壁 上，其能力与其细胞壁特性有关( c r i s trt ，1 9 9 1 ) 。生物体细胞壁表面的一些基 团如巯基、羧基、羟基、磷酰基、氨基和酰胺基等具有金属络合、配位能力。这 些基团通过与吸附的重金属离子形成离子键或共价键来达到吸附重金属离子的 目的。与此同时，重金属还有可能通过沉淀或晶体化作用沉积于细胞表面。在具 活性的生物细胞与不具活性的生物细胞中都存在。c a r o ll l a s s k o 矛i m a t t h e ne h u r ( 1 9 9 9 ) 采用脱乙酰几丁质对废水中的多种类型的银离子进行了有效的分离。汤 岳琴( 2 0 0 1 ) 在研究产黄青霉废菌体吸附铅的时发现对p b 的吸附主要是细胞壁上 几丁质和葡聚糖的共同作用，有酰胺基团及羟基的参与。 1 4 1 3 胞内聚集 而胞内聚集是指活的生物细胞通过多种机理积极的吸取、储存及代谢重金 属离子的过程，这一过程包括主动吸收和细胞转化，需要新陈代谢作用提供能 量支持。通过单价或二价离子的转移系统把重金属离子输送到细胞内部。已观 察到金属可以被富集在细菌，真菌，海藻细胞内，如铜绿假单孢菌在细胞内富 集u 0 2 2 + ( t i n gyp ，1 9 9 1 ) ，活发面酵母在胞内富集c d n + ( b v o l e s k y ，1 9 9 3 ) ， 链霉菌对u 0 2 2 + 的富集( z g l o a b ，1 9 9 1 ) ，部分在胞内出现。生命必须元素如 灰色链霉菌菌丝体吸附重金属的研究 n a 、k 、c a 的运输机理已经研究得比较深人，而另外的金属元素在胞内的富集 知之甚少。有些人认为细胞对非必须元素的胞内富集是由于正常金属运输体系 缺乏专一性。虽然一些金属如a g 、a s 、h g 、z n 、p b 和c d 具有毒性，一些微 生物对它们却有抵抗力。 1 4 2 生物吸附机理 由于微生物结构的复杂性生物的吸附机理往往因菌种、金属离子的不同 而不同。国内外不少学者对生物吸附机理进行了研究，探索各种微生物对不同 重金属的吸附特性和规律。微生物从溶液中分离金属离子的机制有以下几种： 离子交换、静电或共价聚集、络合及螯合作用、氧化还原机理。 1 4 2 1 离子交换作用 离子交换是指细胞上的部分阳离子被另一些结合能力更强的金属离子取代 的过程。根据文献报道，吸附顺序可归纳为 a g + c r 3 + p b 2 + c u 2 + z n 2 + c d 2 + c 0 2 + n i 2 + ( 朱雪强，2 0 0 4 ) 。离子交换过程常 受溶液p h 值的及生物体自身基团数量的影响。离子交换作用的机制常借助于 离子浓度的变化来证实。k u y u c a k 和v o l e s k y ( 1 9 8 9 ) 的研究发现，非活性海 藻( 彳n o d o s i u m ) 中含有3 8 的钙离子，而当溶液中含有c o 离子时，吸附c o 离子后的细胞中，钙离子含量只有0 4 。同时还发现，溶液中k 、c a 和m g 离子增多，经扫描电镜、x 射线能量散射及红外光谱分析进一步证明，这是c o 离子与细胞中阳离子发生离子交换的结果。w a i h u n g l o ( 2 0 0 3 ) 利用扫描电镜 和x 射线能量散射分析了p b 和真菌m u c o rr o u x i i 相互作用的机理，x 射线能 量散射光谱分析表明，k 和c a 作为m u c o rr o u x i i 细胞壁的基本组成元素，在吸 附p b 的过程中，逐渐被取代而释放到溶液中，吸附p b 后m u c o rr o u x i i 的能量 散射光谱中，出现了铅的谱峰，而钾和钙峰消失。 1 4 2 2 静电和共价吸附作用 重金属离子结合到其他的非金属离子上，或者与其他基团共价结合，这两 种机制在吸附过程中也起着重要的作用。非活性微生物对重金属离子的吸附依 赖于溶液的p h 值，据此认为是静电吸附到正电荷的功能基团上，且离子半径 与重金属最大吸附量之间存在线性关系。 9 华中农业大学( 2 0 0 9 ) 硕士学位论文 1 4 2 3 络合及螯合作用 当生物体暴露在金属溶液中时，首先与金属离子接触的是细胞壁，细胞壁 的化学组成和结构决定着金属离子与它的相互作用特性。通常微生物的细胞壁 有多聚糖、蛋白质和酯类组成，这些组成中可与金属离子相结合的主要官能基 团有羧基、磷酰基、羟基、硫酸酯基、氨基和酰胺基等。其中氮、氧、磷、硫 作为配位原子与金属离子配位络合。络合作用是金属离子与几个配位基以配位 键相结合形成的复杂离子或分子的过程。螯合作用是一个配位基上同时有两个 以上的配位原子与金属结合而形成具有环状结构的配合物的过程。这两种吸附 方式都是金属在吸附中较常见的。当生物体暴露在金属溶液中时，首先与金属 离子接触的是细胞壁，所以细胞壁的化学组成和结构决定着金属离子与它相互 作用的特性。w a n g ( 2 0 0 2 ) 进行了啤酒酵母( s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e ) 吸附 c u 的实验，发现s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e 细胞壁上羧基的酯化作用和氨基的甲 基化使c u 的吸附量明显减少，这说明c u 主要与细胞壁上的羧基和氨基发生配 位络合。类似的现象。f o u r e s t 等( 1 9 9 6 ) 发现s a r g a s s u m 细胞壁上羟基