（化学工程专业论文）利用高选择性基因重组菌治理含镉废水.pdf

摘要 摘要 采用基因工程技术构建高选择性基因重组菌( g e n e t i c a l l ye n g i n e e r e ds t r m n s ，g e s ) ，在细 胞内同时表达高特异性镉结合转运蛋白和豌豆金属硫蛋白。分别在宿主菌大肠卡t 菌 e c o l ij m l 0 9 中克隆重组质粒p c l g i ( 表达m n t a 镉特异结合转运蛋白) 、p c l g 2 ( 表达c d t b 镉 特异结合转运蛋白) 带有奇霉素( s p c ) 选择性标记；p g p m t ( 表达豌豆金属硫蛋白) 带有 a m p i c i l l i n ( 氨苄青霉素1 选择性标记。基因重组菌经过培养、质粒提取、琼脂糖凝胶电泳的鉴 定，确定重组质粒已经在宿主菌中表达，并且生长正常。 在液体培养基中不含c d 2 + 的情况下，六种菌种的生长状况近似。在c d 2 + 浓度不断增加的 情况下，克隆的重组质粒经过诱导剂i p t g 的诱导，基因重组菌和宿主菌表现出不同的生长 情况。m 6 在镉离子浓度为1 0 0m gl 。1 时，在培养基中仍旧可以正常生长，仅是迟滞期略微延 长。生长情况的比较顺序为m 6 m 8 m 1 0 m 7 j m l 0 9 m 9 。 六种菌种富集c d 2 + 的速率都很快，在前1 0 m i n 就完成了9 5 以上的富集量。 l a n g m u i r 方程可以较好地拟合菌种的生物富集曲线，其中m 8 表现了较强的镉离子富集 能力，达6 3 7 8m g 茸1 细胞干重。用l a n g m u i r 方程回归实验点，六种菌种所得方程相关系数 均在o 9 9 以上。 在p h 为4 8 时，m 7 、m 8 的富集量有一个极值，但差别不大。n a + 、m f + 、c a 2 + 三种金属 离子对m 7 、m 8 富集c d 2 + 有一定的影响。在其它重金属离子共存的情况下，m 7 、m 8 的富集能 力均受到不同程度的抑制，对m 7 共存重金属离子影响顺序为：c u 2 + p b 2 + z n 2 + m n 2 + n i + ；对 m 8 共存重金属离子影响顺序为：p b 2 + z n 2 + c u 2 + m n 2 + n i + 。螯合齐i j e d t a 对m 7 、m 8 的c d 2 + 富集能力产生较大的抑制作用，柠檬酸三钠的抑制作用不如e d t a 。 最后，根据实验从中筛选m 8 作为固定化研究的对象，实现其在连续和循环过程中对含 c d 2 + 重金属废水的处理情况。考察了不同质量的固定化载体和不同c d 2 + 进料浓度对固定化反 应的影响。以1 0 0 9 珍珠岩作为固定化载体，在恒流泵流量为2 1 0 m l m i n - 1 ，c d 2 + 进l _ _ 浓度约 为1 、2 、4 、6 、8 m g l 1 时，在2 4h 的连续化运行时间内，最后的水相体系出口的c d 2 + 的去 除率e 仅有3 0 ；增加珍珠岩的质量为2 0 0g ，并不能成比例地提高水相体系 = | j 口的c d ”的 去除率e ，但在2 4 h 的连续化运行周期的后期，水相体系出口的c d 2 + 的去除率e 有卜i 升的趋 势。采用1 5 0g 珍珠岩作为固定化载体，反应器系统实行循环运行，在蠕动泵流量为1l h 一， 摘要 c d 2 + 进e l 浓度为1 、2 、4 m g l 4 时，在体系的运行时间内都可以使水相体系的c d 2 + 的去除率e 达到9 5 以上，并且出1 2 1 的c d 2 + 的浓度可以达到国家的水体排放标准：o 0 0 3m gl 。 基因重组菌m 8 具有较强的c d 2 + 富集能力、较快的c d 2 + 富集速率，可以在较大p h 范围 内进行操作。m 8 在固定化条件下，也在循环反应器中表现出较高的c d 2 + 去除率，可以达到 国家排放标准。 关键词：基因重组菌：生物富集；重金属镉 l i a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i ss t u d y , g e n e t i ce n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yw a se m p l o y e dt oe n h a n c et h ec a p a c i t y o fm e t a l su p t a k eo fm i c r o o r g a n i s m s t h eh o s ts t r a i nw a se c o l ij m l 0 9 f i v e g e n e t i c a l l ye n g i n e e r e ds t r a i n s ，n a m e l ym 6 ，m 7 ，m 8 ，m 9a n dm 1 0 ，w e l c o n s t r u c t e d t oe x p r e s s d c o e x p r e s sm t ，m n t a m t ，c d t b m t ，m n t a ，a n dc d t b ，r e s p e c t i v e l y b i o a c c a m u l a t i o nc a p a c i t yo f e c o l ij m l 0 9a n dg e n ee n g i n e e r i n gs t r a i n s ( m 6 、m 7 、 m 8 、m 9 、m 1 0 ) w a st e s t e d ，i tw a ss h o w nt h a tt h eb i o a e e u m u l a t i o ni n v o l v e dt w o p h a s e s t h ef i r s tp h a s ew a gv e r yq u i c ka n dt o o kp l a c ei nt h ei n i t i a lt e nm i n u t e s , i n w h i c hm o s tc d 2 + i o nw a ga d s o r b e db yt h eb i o m a s s t h eo t h e rw a sav e r ys l o wp i o c 七s s a n dt h eb i o a e e u m u l a t i o nu p t a k ec a p a c i t yi n c r e a s e dv e r ys l o w l y e q u i l i b r i u mi s o t h e r mo fc a d m i u mi o nu p t a k eb yt h e s es i xs 1 池w a ga n a l y z e db y l a n g m u i ra n df r e u n d l i c ha d s o r p t i o nm o d e l t h ee x p e r i m e n t a lb i o a e c u m u l a t i o nd a t a o fs i xs t l a i n sf o rc a d m i u mi o nu p t a k ew e r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h o s ec a l c u l a t e d b y t h el a n g m u i rm o d e l g e n ee n g i n e e r i n gs t r a i nm 8d i s p l a y e d al a r g e r b i o a c c u m u l a t i o nc a p a c i t y t h es a t u r a t i o nu p t a k ec a p a c i t yw 勰6 3 7 8m e g gd r yc e l l t w og e n ee n g i n e e r i n gs t r a i n s ，m 7a n dm 8 ，w e r ec h o s e nt os t u d yt h ee f f e c t so f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h eb i o a c c u m u i a t i o n 1 1 坞e f f e c to fp hw a si n v e s t i g a t e da n d t h el n s x i m u m ac a d m i u mb i o a e c u m u l a t i o nw a so b t a i n e db e t w e e np h5 0a n d6 0 n 圮 p r e s e n c eo f n a + m g n dc d + a f f e c t e dc d 2 + b i o a e c u m u l a t i o n n 圮e f f e c t so f d i f f e r e n t k i n d so fc o e x i s t i n gi o n s ( c a 2 + ，p b 2 + ，z n 2 + ，n i + ，2 + ) a n dc o m p l e x i n ga g e n t s ( e d t a a n dc i 埘ca c i d ) o nc a d m i u mb i o a c c u m u i a t i o nw c r ce v a l u a t e d a tt h es a m ec o e x i s t i n g m e t a li o n sc o n c e n t r a t i o n , t h ei n h i b i t i o no r d e ro fc d 2 + b i o a c c u m u l a t i o nb ym 7w a s c u 2 + p b 2 + z n 2 + m n 2 + n i + ：f o fm 8i tw a sp b 2 + = | z n 2 + c u 2 + m n 2 + n i + t h e p r e s e n c eo fe d t ai n h i b i t e dc d 2 + b i o a c c u m u i a t i o no fb o t hm 7a n dm 8m o r et h a n c i t r i ca c i d c o m p a r e dw i t ho t h e rs t r a i n s ，m 8e x h i b i t e dac l e a ra d v a n t a g ei nc a d m i u mi o nr e m o v a l t h e nw eu s e dm 8t or e m o v ec a d m i u mf r o ms y n t h e t i cw a s t e w a t e ri nc o n t i n u o u sf l o w t e s t sa n db a t c ht e s t s c o n t i n u o u sf l o wt e s t sw e r ep e r f o r m e di nad e s i g n e dab i o r e a c t o r i n i t i a lc a d m i u mi o n l i i a b s t f a c t c o n c e n t r a t i o ni nf e e da n dt h ei m m o b i l i z a t i o nc a r r i e rw e r et e s t e df o rt h e i ri n f l u e n e e s o nt h ee f f i c i e n c yo ft h ec o n t i n u o u sp r o c e s s d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a lt i m e ，ah i g h r e m o v a lr a t e 、) l 傩a c h i e v e da tf i r s t b u tt h e nt h er e s i d u a lc a d m i u mc o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d 1 1 1 ea v e r a g ea c c u m u l a t i o nw a s3 0 i nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw h e n i m m o b i l i z a t i o nc a r r i e rw a s1 0 0g t h ei n c r e a s eo fi m o b i l i z a t i o nc a r r i e rc o u l dn o t i n c r e a s et h ea v e r a g ea c c u m u l a t i o ni ns c a l e s t h e nw eu s e db a t c ht e s t si nt h e e x p e r i m e n t s n l em 8r e m o v e dc a d m i u mb y9 5 i nb a t c ht e s t si nt h ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s k c y w o r d ：g e n e t i c a l l ye n g i n e e r e ds t r a i n s ；b i o a c e u m u l a t i o n ；c a d m i u m 符号说明 吸附平衡后溶液中金属离子浓度 溶液中初始金属离子浓度 进料液中金属离子浓度 金属离子去除率 f r e u n d l i e h 模型常数 l a n g m u i r 模型常数 菌体质量 菌体质量浓度 菌体浓度吸光度 m g l 。1 m g l 。 m g l g ( 干细胞) g 细胞于重l j 单位于重菌体对金属离子的理论最大吸附量 l a n g m u i r 模型常数 单位干重菌体对金属离子的吸附量 细菌的富集总量 相关系数 时问 流量 溶液的末体积 溶液的初体积 测初始c d 2 + 浓度取出的液体体积 测o d 6 0 0 值取出的波体体积 细胞重量 m gc d 2 + 【g 细胞干重】1 m gc d 2 + 【g 细胞干重】。1 n a g h ，r a i n lh 1 ，m lr a i n 。1 m l m l m l m l g e g e 虹k m m 喊 嘶 q q r ： v v u w 致谢 致谢 本课题为2 0 0 3 教育部优秀青年教师资助计划项目，福建省自然科学基金 ( d 0 31 0 0 0 4 ) 资助计划项目，浙江省自然科学基金( m 2 0 3 13 0 ) 资助计划项目；是 在导师邓旭教授和卢英华副教授的悉心指导下完成的。能同时得到两位老师的指 导和帮助，我感到非常荣幸。两位老师渊博的学识、严谨的治学态度、严于律己 的作风、丰富的经验给我留下了深刻的印象。在此，我向两位老师表达我最衷心 的敬意和诚挚的感谢。 感谢李清彪教授、姚传义副教授、何宁老师、凌雪萍老师在试验上给予我的 指导、建议和帮助；感谢洪金庆老师、尹涛烽老师、陈翠雪老师、邵文尧老师和 王宾香老师在实验过程中给予的帮助和方便。 本论文的如期完成离不开本系陈维霞、刘启玄、许懿三位同学的帮助，感谢 你们的辛勤工作。 同时，也要对化工系2 0 0 3 级所有的研究生同学说一声谢谢! 三年的时光， 一千多个日夜，无论我们最初的梦想是否成真，我庆幸并珍藏着我们的相遇。也 许随着时间的逝去、随着地域的分隔，我们的律动会回归沉寂，但记忆是永恒的， 岁月的沧桑抹不去我们脸上与心中的印记，坚持是希望的翅膀，永远飞翔在风凰 花开的地方。 最后，深深感谢我的父母，感谢他们为我所做的一切。 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：多散 zp 年7 月t 6 日 【 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 i 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名：茶善良日期：一年7 ，烈曰 钏签讲嗥午啡础蕊 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 重金属废水主要来源与危害 现代工业技术的不断发展，给生活带来便利，但现代工业排放的废弃物，不 可避免地造成了环境污染，使得全球生态危机加剧。 我国过去几十年的经济发展中。由于忽视了发展中的环境保护，目前环境状 况十分严峻，仅从水体污染一项来看，全国每年污水排放达3 6 0 亿吨，仅有l o 的生活污水和7 0 的工业废水得到处理，而其中约有一半的工业污水处理设 施的出水达不到国家排放标准 ”。其它未经处理的废水直接排入江河湖海，使我 国水环境受到严重污染和破坏。在一系列的工业污染物中，金属，特别是重金属 污染已成为对环境的一个重大威胁。重金属废水主要来源于采矿、选矿、冶炼、 电镀、化工、制革、造纸等工业，其中主要含有汞、镉、铬、镍、铜、铅等重金 属。 从生理学角度，痕量金属可分为：i 、人类生命活动必需的，但又有一定浓 度限制的微量金属元素，如：f e 、m n 、z n 、c u 、c o 、n i 、m o 等；i i 、有毒的 痕量金属，如：h g 、c d 、a g 、p b 、s n 、c r 等随3 】。重金属污染指的是这两类金 属对环境的污染。 重金属进入环境后会产生巨大的危害，其原因在于： 1 ) 、重金属进入环境后，不能像有机污染物那样被降解，只能以各种形式 互相转换； 2 ) 、重金属的离子形式或络合态具有的毒性最强。例如：镉元素在环境中 可分为二大类：一是水溶性镉，包括离子态的c d c h 、c d ( n 0 3 h 等和络合态的 c d c l 3 等；二是难溶性镉，包括c d s 、c d ( o h ) 2 及螯合物。镉的离子态及络合 物易迁移，易被作物吸收，对生物的危害较难溶性镉更大【4 1 ； 3 ) 、重金属易在生物体内富集，并通过食物链一层层向上传递； 4 ) 、重金属能与蛋白质或某些酶结合，破坏正常的生理新陈代谢，并最终危 害人体健康 3 , 5 , 6 1 。 据我国农业部进行的全国污灌区调查，在约1 4 0 万公顷的污水灌区中，遭受 重金属污染的土地面积占污水灌区面积的6 4 8 ，其中轻度污染的4 6 7 ，中度 污染的占9 7 ，严重污染的占8 4 1 7 1 。2 0 0 5 年1 2 月上旬湖南省湘江发生严重的镉 污染事件，来自冶炼厂和小型冶炼回收企业的废水直排湘江，湘潭供水源重金属 镉含量超标，导致当地环境承受能力达到极限。 第一章文献综述 目前，汞、镉、铅被认为是对人和环境危害最大的三种重金属。1 9 8 9 年全 国的重金属排放量为：汞3 5 0 吨、镉1 8 0 吨、铅1 1 0 0 吨【s 】。汞与蛋白质的巯基 极易结合，而这种结合又不易分离：它在人体中蓄积于肾、肝、脑中，主要毒害 神经，破坏蛋自质、核酸，导致手足麻痹、神经紊乱。有机汞化合物的毒性比无 机汞化合物的毒性大【4 1 。日本的水俣病就是由于无机汞转化为有机汞，经食物链 进入人体而引起的。铅会影响神经系统、骨骼、血液，可造成贫血、神经炎、肾 炎，还能与多种酶结合干扰有机体多方面的生理活动，导致对全身器官的危害： 各种铅化合物的毒性不同，p b c 0 3 的毒性较弱，而p b o ，特别是p b 3 ( a s 0 4 ) 2 的毒 性比较大。地壳中镉的含量是5m g k g 1 ，土壤中为0 5m g k g - 1 ，水体中为o 0 1 1 0n a gl 一 4 1 。镉是人体新陈代谢中不需要的金属元素，其蓄积性很强，在人体中 可存留3 9 年，动物吸收的镉难以排出体外。饮用水中镉的浓度若超过0 1m g l 4 就会产生蓄积作用，引起贫血、新陈代谢不良、肝病变甚至死亡。镉元素在肾脏 内蓄积，引起病变，会导致钙的吸收失调，进而引起骨病变，发生骨软和骨折。 镉对农业最大的威胁是产生“镉米”、“镉菜”。被污染的水、食物、空气通过消化 道与呼吸道摄入体内，大量积蓄造成镉中毒。 因而，各国对水质中的重金属含量均规定了一定的限度。表1 - 1 对中国、 w h o 和美国饮用水的部分重金属含量标准进行了比较。 表1 - 1 中国、w h o 和美国饮用水标准比较 项目中国“规范”w h o “准则”美国“标准” ( 按中国“规范”排列) m gl t ( 1 9 9 3 、1 9 9 8 ) ，( 2 0 0 t ) ，m g l - 1 铝 o 2 o 20 0 s _ - o 2 铁 0 _ 30 3 0 3 锰 0 10 1 o 0 5 铜 1 01 0 1 o ( 感官) ，1 3 ( 采取措施) 锌1 0 3 05 0 砷005 0 0 1 0 ，0 5 镉 0 ，0 0 50 0 0 3 o 0 0 5 铬( 六价) o 0 5 0 ，0 5o 1 铅001 0 0 l 0 0 1 5 汞 o 0 0 10 0 0 1 0 0 0 2 锑0005 0 0 0 50 0 0 6 钡07 0 72 镀 0 0 0 2 0 0 0 4 铝 o 0 70 0 7 一 镍 o 0 2o 0 2 一 银0，05一 o 1 铊0000l一0002 铀 一0 0 0 2 0 0 0 3 第一章文献综述 1 2 废水中重金属处理的常规技术比较 近年来人们开发了一系列的应用技术，如：中和絮凝沉淀、离子交换、硫化 物沉淀、铁氧体法、活性炭吸附等 9 1 。表1 2 列出了几种常规水处理方法的优缺 点【1 q 1 1 】。表1 - 3 列出了几种常规水处理方法的特性1 吼。 表1 - 2 几种常规水处理方法的优缺点 t a b 1 - 2c o n v e n t i o n a lm e t a lr e m o v a lt e c h n o l o g i e sf r o mw a s t e w a t e r 第一章文献综述 表1 _ 3 重金属去除及回收技术特性 t a b 1 - 3p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a v y - m e t a l - r e m o v a la n d - r e c o v e r yt e c h n o l o g i e s 1 3 生物处理方法 1 3 1 生物处理技术的优点 工业过程排放的废水水量大，而重金属浓度却比较低，这就给常规处理带来 困难，不是处理达不到排放标准，造成二次污染，就是处理费用过高，超过企业 负担。而生物处理法在处理低浓度金属废水时有其自身的优势： l 、与其它过程相比，在处理1 1 0 0m gl - 1 的重金属废水时有着较好的金 属去除效果，易达到排放标准； 2 、二次废弃物可回收，也可焚化后去除； 3 、投资、运行费用低，原料来源广泛； 4 、选择性高； 5 、吸附剂易于再生，对环境无危害； 6 、对金属本身不造成影响，可回收一些贵重金属； 7 、p h 值和温度范围宽 2 , 3 , 5 , 6 , 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 】。 第一章文献综述 1 3 2 生物修复机理 生物吸附( b i o s o r p t i o n ) 、生物富集( b i o a c c u m u l a t i o n ) 、生物还原( b i o r e d u c t i o n ) 、 生物沉淀( b i o p r e d i t i o n ) 、植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 等几个方面均属于生物修复 的概念。生物修复( b i o r e m e d i a t i o n ) 指运用生物材料对被污染的土壤、水系、生态 环境进行处理，使之恢复自然特性，不对环境及人类健康造成伤害 1 , 1 5 1 6 】。生物 对重金属的作用可分为生物吸附与生物富集两个过程：主动传送机制与被动传送 机制【1 3 】。生物富集即主动传送机制，指细胞生命活动中，通过新陈代谢，主动地 运送金属离子，这一过程需要耗费能量，因而只能在活体细胞中发生。生物吸附 即被动传送机制，指的是细胞的不同部位对重金属元素的络合、整合、离子交换、 转化、吸附和无机微沉淀等被动吸附，无论在活体细胞或死细胞中都可以进行。 因而，主动传送机制又可称为新陈代谢机制；被动传送机制又可称为非新陈代谢 机制【3 1 0 l 。 微生物细胞在去除水相中重金属的机制，还可依据去除重会属时的结合部位 的不同分为： ( 1 ) 胞外沉淀； ( 2 ) 细胞表面吸附，包括沉淀、物理吸附、配位络合、离子交换等： ( 3 ) 胞内富集，主要依赖膜运送【1 5 】。 两种分类有互相交叉的部分，新陈代谢机制主要指通过细胞膜的运送及沉 淀；非新陈代谢机制则包括沉淀、物理吸附、配位络合、离子交换【3 1 。 细胞膜运送过程通常与新陈代谢过程密切相关。活细胞的膜运送机制一般认 为包括2 个步骤：细胞壁表面的独立键合与依赖新陈代谢机制的细胞摄入【3 】：金 属离子通过细胞膜运送到细胞内部。 物理吸附过程一般认为与范德华力相关1 3 i 。 离子交换过程主要依赖细胞壁组分。微生物细胞壁可以避免生物体受外界伤 害，又可控制细胞内原生质与外界环境间的物质交换。微生物细胞壁主要是由多 糖组成，细胞壁上存在离子交换的补偿离子，其中弱酸羧基r - - c 0 0 。是主要的 交换位点，溶液中的金属离子与对应的细胞壁上的补偿离子进行交换，使金属在 第一章文献综述 细胞壁表面富集 3 , 5 1 。 配位络合指细胞表面活性基团与金属交联后产生络合物。 沉淀：从前面的分类来看分为两种。与新陈代谢机制无关的沉淀，主要是由 于金属与细胞表面的化学交联；与新陈代谢机制有关的沉淀，它与微生物的积极 防御体系有关，当痕量金属元素存在时，微生物分泌出一些组分将之包裹沉淀， 使之不危害微生物的正常生理活动 3 1 。 实际过程中，活性微生物对金属的吸附富集是同时进行的，而活体及死亡微 生物细胞的非新陈代谢机制中的几个方面也是相互作用，相互影响的。n a t h a n y e e 等的研究表明，革兰氏阴性菌及阳性菌的c d 2 + 键合作用主要发生在羧基上 t 7 l 。金属阳离子可被微生物吸附是因为细胞表面存在负电荷位点，而细胞壁上的 功能基团：羧基r - - c o o 。、羟基r o - 、磺酸基r s 0 4 厶、胺基r n h 2 。以及磷 酸基r - - p 0 4 3 - 都对细胞的金属摄入有影响，均是细胞壁上阴离子与金属离子的键 合位点 5 , 1 7 , 1 8 , 1 9 1 。 1 , 3 3 生物材料及吸附量 表l 一4 列出了一些野生微生物对重金属离子c d 2 + 的吸附。 如表所示，对于处理低浓度的c d 2 + 废水，生物法具有优势。但生物量的摄入 并不是成不变的，它与环境的p h 值、初始离子浓度、生物量浓度有密切关系。 6 第一章文献综述 表1 - 4 一些野生微生物对c d 2 + 的实验最大摄入量 t a b 1 - 4c d 2 + b i o a e e u m u l a t i o nb ys o m eb i o m a s s e s a l c a l i g e n e s 够( 1 ) a r t h r o b a c t e r g l o b i f o r m i c ( 1 ) bl i c h e n i f o r m i t 死菌( 1 ) b 1 i c h e n i f o r m i t 活菌( 1 ) 最k 把m 驴d s 死菌( 1 ) e l 砌o s p o r u s 活菌( 1 ) p s e u d o m o n a s a e r u g m o s ap u 2 1 活菌( 1 ) p s e u d o m o n o b a e r u g i n o s ap u 2 1 死菌( 1 ) b a c i l l u s 椭“咖咖 出( 1 ) p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a ( 1 ) p e n n i c i l l i z # nd i g i t a t w n ( 2 ) p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m ( 2 ) 固定化后的死菌p h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i m n ( 2 ) t r a m e t e sv e r s 缸o l o r 活菌( 2 ) t r a m e t e sv e r s i c o l o r 死菌( 2 ) s a c c h a r o m y c e sc e r e r i s i a e ( 3 ) s p i r u l i n a s p ( 4 ) s a r g a s s u mr t a t a n s ( 4 ) n a gg - 1 r 1 蕊死厂 丽r 生物量 1 0 0 2 1 4 2 7 6 5 1 5 9 5 9 0 5 8 5 4 6 3 5 1 3 2 4 9 8 - 3 1 0 2 3 1 2 0 6 1 1 5 9 1 1 5 a s c o p h y l u m n o d o s u m ( 4 ) 4 82 5 72 0 7 o2 s 7 02 5 72 5 72 5 6 0 r t m gl 1 1 0 0 ) l ( i ) r l & n 丸 n 轧 i l 乱 0 - 5 0 0 ( ) 6 0 r t 0 - 5 0 0 ( i ) 1 - 2 【1 9 1 1 乱3 7 i 1 a 3 7 5 52 5 62 5 61 5 4 5 6 6 5 7 5 3 5 2 5 2 5 2 5 3 5 2 6 4 92 6 1 2 53 5 2 6 n 乱 1 0 , - - 5 0 ( c ) 5 - - , 5 0 0 ( i ) 2 0 0 ( i ) 3 m 枷 3 0 - - 6 0 0 5 6 ( i ) n a 1 0 - - 4 0 0 ( e ) 1 0 0 - 6 0 0 ( e ) 1 0 0 6 0 0 ( e ) n a l n a 6 5 4 n a n 扎 n 乱 2 o 2 5 n & 【2 l 】 【2 lj 【3 】 【l g l 【2 2 【2 3 】 2 3 】 【3 】 2 】 【3 】 2 - 5 【3 】 2 - 5 【3 】 预处理后p a d i n a s p ( 4 ) 5 9 65 02 5 5 0 - 5 0 02 【2 4 】 注；a ，由e v e g l i o 等( 1 9 9 7 ) 【3 】整理 b ，( 1 ) 为翱| 菌；( 2 ) 为真菌；( 3 ) 为酵母菌：( 4 ) 为藻类；( 1 ) 为初始浓度：( e ) 为平衡浓度；n a 为未知。 c ，参数q 表示摄入量，单位m g g - ，表示每克生物量吸附的金属c d 2 + 的毫克数。 7 ，哪 p p n 口h h 仑l 1 8 6 l l l 1 2 “们m 卜 第一章文献综述 1 3 4 生物吸附的影响因子 影响生物吸附的因数很多，包括细胞的生理状态、p h 、温度、生物量负载、 初始金属离子浓度、共存的常规金属离子、共存重金属离子等。 l 、细胞生理状态 细胞生理状态影响吸附过程的吸附量。c h o j n a c k ak 等【2 】的研究表明：海藻 s p i r u l i n as p 活细胞的吸附量比死细胞的大，在相同条件下活细胞的吸附量为 1 5 9m g c d 2 + g 细胞干重】一，死细胞的吸附量为4 7 6m g c d 2 + 瞻细胞干重】。 s h uc j 等【2 0 】的研究表明，p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s ap u 2 1 在p h 6 0 ，其他条 件相同时，活细胞的吸附量5 8m g c d 2 【g 细胞干重】i 。死细胞的吸附量为 4 3m g c d 2 + 【g 细胞干重】 l ，活细胞的吸附量比死细胞大。 t a n g a r o m s u kj 等【2 6 】的实验表明，当s p h i n g o m o n a sp a u c i m o b i l i s 发生c d 2 十的 吸附时，活菌的c d 2 + 去除能力明显比死菌的大，d h6 0 时，活菌的c d 2 + 去除率 为8 4 ；p h5 0 时，死菌的c d 2 + 去除率达到最大值也仅为2 8 。 从文献资料看，部分生物吸附剂活菌的吸附量比死菌大，这可能是由于活菌 在进行生物吸附过程中，包含主动和被动两个方面，除了与死菌进行一样的表面 吸附外，还利用细胞的新陈代谢机制产生的能量进行重金属的主动运输。使重金 属富集到细胞内部。而死菌由于细胞失去了活性，一方面高温高压的处理破坏了 表面的吸附位点，另一方面不能进行新陈代谢，使得金属摄入量比活菌小。 但大部分情况下，死菌的吸附量比活菌的大。这是由于微生物细胞在灭活过 程中经过酸、碱或高温处理，细胞壁被破坏，可能使一些新的金属结合位点裸露 出来，从而增加了细胞对重金属的吸附。 z o u b o u l i sa i 等o l 的研究表明，细菌b 1 i c h e n i f o r m i t 死菌的吸附量比活菌的 大，死菌的吸附量1 4 2 ，7m g c d 2 + 【g 细胞干重】- l ，而活菌的吸附量仅为 6 5m g c d 2 + 【g 细胞干重】- l ：细菌b 1 a t e r o s p o r u s 死菌的吸附量为 1 5 9m g c d 2 + 【g 细胞干重】，而活菌的吸附量仅约为9 0m g c d 2 + k 细胞干重】1 ，死 菌的吸附量比活菌的大。 a r i c am y 等【2 3 】的研究表明，在相同条件下，真菌t r a m e t e sv e r s i c o l o r 死细 胞的吸附量为1 2 0 6m g c d 2 + 【g 细胞干重】，比活细胞的吸附量 1 0 2 3m g c d ” g 细胞干重】。1 要大。 t a d a s h im 等f 2 7 1 的实验表明，海洋绿藻c h l o r l l a s p n k g l 6 0 1 4 的最大镉吸附 第一章文献综述 量为3 7m g c d 2 + k 细胞干重】，而胞内富集量为2 4m g c d 2 + 【g 细胞干重】，所以， 总镉吸附量为3 9 4m g c d 2 + k 细胞干重】1 ，而死菌量为9 1m g c d 2 + 【g 细胞干重】。 2 、温度 不同菌种对含有重金属离子的模拟废水的生物吸附实验表明，温度范围不大 时( 一般在室温下) ，其在生物量相同条件下对重金属离子的吸附行为无影响。 k a r a ty 等瞄1 的实验证明：在1 5 4 5 时，相同实验条件下吸附剂对金属离子 的吸附结果无明显影响。l iq b 等【2 町的实验证实p h a n e r o c h a t ec h r y s o s p o r i u m 丝 状真菌在吸附c d 2 + 时，温度在2 5 3 0 的范围内的变化对菌体的吸附行为无明 显影响，吸附量均大于1 4m gg - 1 ；但当温度大于3 5 时，细胞对c d 2 + 的摄入量 明显下降。z o u b o u l i sa i i 等【1 的研究表明：细菌b 1 i c h e n i f o r m i t 在其他条件相同 的情况下，2 5 、3 7 、5 0 时死菌的吸附量分别为1 4 2 7 3 、1 4 0 4 1 、 1 3 8 4 5m g c d 2 + 【g 细胞干重】一，差别并不大。 3 、p h 值 p h 是生物吸附的重要影响因素。溶液的p h 值可影响金属的化学溶解性、 微生物的官能团活性以及金属离子问的竞争力。 s a d o w s k iz 1 5 1 对n o c a r d i as p 细胞表面z 电位进行了研究。他认为细胞表面 与金属离子间巨大的静电引力是z 电位的函数。当p h 值较低时，细胞表面官能 团带正电，可吸附金属负离子，如c r 2 0 ，。当p h 值上升，达到官能团等电点时， 细胞表面官能团电位为零，此时，生物吸附不是由于细胞表面与金属离子问的静 电引力造成，而可能是由新陈代谢机制起控制作用。当n h 值超过等电点继续上 升时，细胞表面官能团带负电，可吸附溶液中的金属正离子，如c d 2 + 。 y n 【1 7 j 等对革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌的研究表明，在p h 值较低的情 况下，细胞表面官能团质子化，使得c d 2 十的吸附量下降；当p h 值上升时，细胞 表面官能团去质子化，产生了能使金属键合的阴离子位点，使得c d 2 十的吸附量上 升。 s h uc j 等【2 0 l 的研究表明，p h 值小于3 时，生物吸附现象不发生：p h 值在3 6 时，p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s ap u 2 1 对c d 2 + 的吸附量上升；当p h 值等于6 时， 该菌种达到最大吸附量，活菌细胞的吸附量为5 8m g c d 2 + 【g 细胞干重】- 1 ，死菌细 胞的吸附量达到4 3m g c d 2 + 【g 细胞干重】。其研究认为：当p h 值下降时，溶液 中的一离子浓度上升，使得细胞表面的电正性上升，从而导致金属离子与细胞 问的吸附力下降。 9 第一章文献综述 k a e w s a r np 【2 4 】等对海藻p a d i n as p 的研究也认为在细胞壁有许多的表面活 性位，当p h 值从酸性到中性的变化时，其官能团水解带负电，可吸附金属阳离 子，如c d 2 + 。另一种解释则认为，细胞表面对c d 2 + 与对h 3 0 + 的吸附处于一个竞 争状态，在低p h 值条件下，溶液呈酸性，h 3 0 + 浓度较大，从而占据了较多的表 面的吸附位点，造成水相体系中的c d 2 + 含量多；在高p h 值条件下，溶液中h 3 0 + 度下降，使c d 2 + 有较多的键合机会，从而细胞的金属摄入量上升。 对生物吸附过程而言，p n 值也有一定的晟适宜范围。若溶液中的p h 值过 高，金属离子会发生化学沉淀，产生金属氢氧化物。文献表明c d 2 + 吸附过程的适 宜d h 值通常在5 o 6 0 之间 2 2 2 4 1 。 4 、溶液中生物量负载的影响 生物量负载是指单位体积溶液中所加入的微生物的量，通常以gl 1 来表示。 当溶液中生物量负载较低时，随着生物量负载的增加，单位金属摄入量也会上升。 当溶液中生物量负载达到一定值后，随着生物量负载的增加，金属摄入总量会增 加，但单位金属摄入量却呈下降趋势。 e s p o s i t oa 掣1 4 l 的研究表明，用s p h a e r o t i l u sn a t a s n 进行c d 2 + 的吸附实验， 当生物量浓度在o 5 1 0gl o 时，细胞的金属摄入量几乎相同；当生物量上升到 2 0gl 4 时，c d 2 + 的摄入量才会有明显变化。 t a n g a r o m s u kj 等f 2 6 j 的实验表明，当s p h i n g o m o n a sp a u c i m o b i l i s 发生c d 2 + l 鬟j 吸附时，随着生物量浓度的上升，c d 2 + 的去除率上升，这是由于生物量用量的增 加造成吸附剂的总表面积增加，金属摄入总量增加，生物量的单位金属摄入量也 上升。当生物量浓度达到5 9m g 细胞干重l o 后，随着生物量浓度的增加，c d 2 + 的去除率上升，金属摄入总量增加，但单位吸附剂的c d 2 + 去除率反而下降，生物 量的单位金属摄入量也呈下降趋势，这是由于生物吸附剂的部分细胞发生聚合， 引起细胞表面总吸附位点的下降。 普遍情况下，若溶液中生物量浓度较低时，生物量浓度的增加，引起溶液中 细胞数目增加，使得溶液中细胞的总表面积增加，因而吸附的金属离子总量增加， 生物量的单位金属摄入量也呈上升趋势；但当生物量浓度达到一定值后，溶液中 的细胞数目过多，引起细胞自聚，使得溶液中总的细胞活性表面位数量下降，生 物量的单位金属摄入量也就下降。 5 、