（安全技术及工程专业论文）沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas+palustris）转化去除铅镉污染的研究.pdf

中北大学学位论文 定化细胞投加量3 0 9 ，鼓氧量d 0 值为2 0 3 0m g l 1 。固定化沼泽红假单胞菌对浓度小 于5 0 m g l 。p b 2 + 去除能力较强，去除率大于9 5 。对于浓度小于2 5m g l 。1 时的镉离子 去除率大于9 0 ( 4 ) 通过x 射线衍射谱图分析证实沼泽红假单胞菌对p b 2 + 、c d 2 + 转化产物的硫化铅、 硫化镉沉淀； 通过不同浓度铅、镉对沼泽红假单胞菌产生半胱氨酸脱巯基酶活力的影响分析，及 不同浓度p b 2 、c d 2 + 对半胱氨酸脱巯基酶圃工酶谱的分析，得出在低浓度e b 2 + 、c d z + 作 用下，生物体自身在外源物侵扰时存在着保护机制，n 菌株内的半胱氨酸脱巯基酶出现 了活性增强，随着p b 2 + 、c a 2 + 作用浓度的进一步增加，其的毒性作用加剧，从而使酶的 结构和功能受到相应的破坏，活性下降。 p b 、c d 在菌体细胞不同部位的分布结果表明，n 菌株对p b 2 + 的去除大部分在原生 质中、对c d 2 + 的去除主要在细胞壁上。 细胞的透射电子显微镜观察含铅、镉培养液中生长的菌体细胞分别存在大量的高电 子密集颗粒物，空白对照中生长的菌体细胞未见这些颗粒物，推测高电予密集层为铅、镉 沉积物。 沼泽红缓单胞菌同化型硫酸还原途径及膀巯基酶的作用分析，在低浓度铅、镛离子 存在时沼泽红假单胞菌以同化型硫酸还原，把硫酸盐转变成还原态的硫合成半胱氨酸， 在金属离子存在时，该菌体出于解毒的目的，通过半胱氨酸脱巯酶的作用，生成s ， 并进一步与p b h 、c d 2 + 反应产生金属硫化铅沉淀，然后排出体外。 关键词：生物去除沼泽红假单胞菌固定化小型连续流同化型硫酸还原 中北大学学位论文 a b s t r a c t t h ee l e m e n tc a d m i u m , l e a da r ep a i dm o l ea n dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s eo ft h e i rh e a v y m e t a li o n sw h i c hc o m ef i o ms o m ea s s o c i a t e df i e l d ss u c ha st h ee l e c t r o n i c sa n d e l e c t r o p l a t e f i e l d s ，h a v eb a 7 , o m ea r ti m p o r t a n ts o u r c eo fp o l l u t i o ni nw a s t ew a t e r c o n v e n t i o n a lm e t h o d s f o rr e m o v i n gm e t a l sf r o ma q u e o u ss o l u t i o n si n c l u d ec h e m i c a lp r e c i p i t a t i o n ，i o ne x c h a n g e ， m e m b r a n et e c h n o l o g i e se t c t h e s ep r o c e s s e sm a yb ei n e f f e c t i v eo r e x t r e m e l ye x p e n s i v e e s p e c i a l l yw h e nt h em e t a l si ns o l u t i o na r ei nt h er a n g eo f1 - l o o m g l a n o t h e rm a j o r d i s a d v a n t a g ew i t hc o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e si st h ep r o d u c t i o no ft o x i cc h e m i c a l s l u d g e a n di sn o t e c o - f i - i e n d l y t h e r e f o r e ， r e m o v a lo ft o x i c h e a v ym e t a l s t oa n e n v i r o n m e n t a l l ys a f el e v e li nac o s te f f e c t i v ea n de n v i r o n m e n tf r i e n d l ym a n n e ra s s u l n e sg r e a t i m p o r t a n c e b a s e do ns y s t e m i cs u m m a r i z i n gr e s e a r c hp r o g r e s so f b i o l o g yr e m o v a lm e c h a n i s ma n d a p p l i c a t i o no f p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i at ow a s t e w a t e rd i s p o s a l ，t a k i n gh e a v ym e t a lw a s t e w a t e r o f l e a da n dc a d m i u ma st h ei n v e s t i g a t i o no b j e c t , t h i sp a p e rr e s e a r c h e do nt h ee n t i r ed y n a m i c s p r o c e s so f r h o d o p s e u d o m o n a sp a l n s t r i st oi t sr e m o v a l t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ： ( 1 ) o p t i m i z ei n f e c t i o ne x p e r i m e n to f w h i c ht h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc o n d i t i o nt o g r o w t ho f n s t r a i na n dr e m o v a lo f p b 2 + a n dc d 2 + ( 2 ) d y n a m i c ss i m u l a t i o no nt h er e m o v a lo f p b 2 + a n dc a 0 ) o p t i m i z ec r a f t w o r kp a r a m e t e r so f d y n a m i c a le x p e r i m e n tw h i c hu s i n gi m m o b i l i z e d r h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i st or e m o v ep b 2 + ( 4 ) p r e l i m i n a r yd i s c u s s i o no nt h em e c h a n i s mo f r e m o v i n gh e a v ym e t a li o nu s i n g r h e d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i s i n v e s t i g a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a t ： ( 1 ) t h eb e s tr e m o v a la n dg r o w t hc o n d i t i o no f p b 2 + u s i n gr h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i sn s t r a i ni sp h 7 3 0 c ，a r m e m b i ca n di l l u m i n a t i o n ，i n o c u l a t i o na m o u n t0 6g 几a n dt h es a m e t i m e ，t h eo p t i m u mr e m o v a la n dg r o w t hc o n d i t i o no fc d 2 + u s i n gr h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i s ns t r a i ni sp h 7 ，a e r o b i cc u l t u r ei nd a r k n e s s ，3 0 ，q u a n t i t yo f i n o c u l a t i o n0 6g l 中北大学学位论文 ( 2 ) w h e np b 2 + i nc o n c e n t r a t i o n so f7 5 ，1 0 0 ，15 0 ，2 0 0 m g l ，t h er e m o v a lo fp b 2 + u s i n g r h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i sn s t r a i nf o l l o w e dt h ef i r s to r d e rk i n e t i c se q u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ， t h eh a l f l i f ew e r e2 7 93 o h , 4 1 h ，1 0 1 ha n dt h ed y n a m i ce q u a t i o n sw e r el n c = - 0 1 5 3 1 t + 3 7 8 4 ， l n c - - - 0 1 5 3 5 t + 4 2 3 1 ，l n c = - 0 1 0 4 0 t + 4 7 5 9 8 ，l n c = - - 0 0 8 2 7 t + 5 0 3 1 6i n t u r n c o n d i t i o n o f c d 2 + i n e o n e e n t r a t i o m o f l o 、2 0 、2 5 、3 0 m g l ，t h er e m o v a l o f c d 2 + u s i n g r h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t d sn s t r a i nf o l l o w e dt h ef i r s to r d e rk i n e t i c se q u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ， t o o t h eh a l f l i f ew e l e4 2 h 、5 0 h 、5 3 h 、5 5 ha n dt h ed y n a m i ce q u a t i o n sw e r ec = 1 0 9 2 0 e o 0 1 6 2 f c = 2 4 5 9 9 e o 0 1 甜、c = 3 0 0 3 6 e o - 0 l 财，c = 3 7 5 3 2 e - o 0 1 蚴i nt u r i l ( 3 ) d y n a m i c a ld i s p o s a l o fw u s t e w a t e rc o n t a i n i n gp b 2 + a n dc d 2 + u s i n gs m a l l s c a l e c o n t i n u o u sf l o wi ss i m u l a t e d t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h er e m o v a la b i l i t yo fi m m o b i l i z e d r h o d o p s e n d o m o n n sp a l u s t r i si st h eb e s to fa l li nc o n d i t i o nt h a tt h ee n n c e n t r a t i o no fp b 2 + i s l e s st h a n5 0 m g l t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so f p b 2 + w a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sp h 7 ，3 0 c ，h y d r a u l i cr e t e n t i o n t i m eo f1 2 h ，a n di m m o b i l i z e dc e l ld o s eo f2 0 9 t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fc d 2 + w a s t e w a t e r t r e a t m e n ti sp h 7 ，3 0 ( 2 ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo f1 2 h , a n di m m o b i l i z e dc e l ld o s eo f3 0 9 a n dm e d i u mq u a n t i t yo x y g e n 。 x - r a yd i f f r a c t i o na n a y s i si l l u s t r a t e st h a tt h et r a n s f o r mp r o d u c t i o n so fp b 2 + a n dc d 2 + u s i n gr h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i sa r ep r e c i p i t a t i o no f p b sa n dc d s t h ee f f e c t so fp b 2 + a n dc d 2 + i nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so nt h es p e c i f i ca c t i v i t yo f c y s t e i n ed e s u l f h y d r a s e a n di t si s o z y m o g r a m sw h i c hp r o d u c e d b yr h o d o p s e u d o m o n a s p a l u s t d sn s t r a i nw e r ea n a l y z e d r e s u l t si n d i c a t et h a ti ne n v i r o n m e n to f l o wc o n c e n t r a t i o nf o r p b 2 + a n dc d 2 + , o r g a n i s mi t s e l fe x i s t sp r o t e c t i n gm e c h a n i s mw h e ns u f f e rf r o mi n t r u s i o no f x e n o b i o t i e sa n dt h ea c t i v i t yo fc y s t e i n ed e s u l t h y d r a s ei nns t r a i nb o o s t su p w i t ht h ef u r t h e r i n c r e a s ep b 2 + a n dc d 2 + sc o n c e n t r a t i o n ，i t st o x i c i t yb e c o m e sm o r ea n dm o r ea c u t e n e s s ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n ga f e t e r m a t hi st h a tc o n f i g u r a t i o na n df i a n c t i o nf o re n z y m ei sd e s t r o y e da n di t s a c t i v i t yi sr e d u c e d d i s t r i b u t i n gr e s u l to f c di nd i f f e r e n tp a r tf o rt h a l l ii n d i c a t e st h a tr e m o v a lc d 2 + o f u s i n gn s t r a i ni sm a i n l yo ne e l lw a l l 中北大学学位论文 t e mi l l u s t r a t e st h a tt h a l l ic e l l sw h i c hg r o wi np b 2 + a n dc d 2 + t i s s u ec u l t u r es o l u t i o n h a v el a r g ea m o u n to fh i 曲e l e c t r o nc o a r c t a t i o ng r a i n ，h o w e v e r , t h a l l ic e l l sw h i c hg r o wi n b l a n kc o m p a r i s o nd on o th a v et h a tg r a i n t h e r e o u t ，t h a tg r a i nm a yb ep r e c i p i t a t i o no f p b 2 + a n d c d z * a n a l y s i st oa p p r o a c ho fa s s i m i l a t i v es u l f a t er e d u c t i o nf o rr h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i s a n df u n c t i o no fd e s u l f h y d r a s es h o wt h a tr h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i sw a sr e d u c e db y a s s i m i l a t i v es u l f a t ei nc o n d i t i o no fl o wc o n c e n t r a t i o nf o rp b 2 a n dc p i nt h i sr e a c t i o n , s u l p h a t et r a n s m i t st oe y s t e i n ed e s u l f l a y d r a s e ，w h e ne x i s t sm e t a li o n , i no r d e r t od e t o x i f i e a t i o n , t h a tt h r a l lp r e d u e e st h r o u g ha c l sw i t hc y s t e i n ed e s u l f h y d r a s e ，a n dt h e nr e a c t sw i t hp b 2 a n d c d 2 + t of o r mp r e c i p i t a t i o no fm e t a ls u l f i d e a n dt h e nt h a tp r e c i p i t a t i o ni sd i s c h a r g e do u to f b o d y k e y w o r d s ：b i o l o g i c a lr e m o v a l ；r h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r l s ；i m m o b i l i z a t i o n ； s m a l lc o n t i n u o u s f l o w ；s u l f a t ea s s i m i l a t i o nr e d u c i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：垒型童日期：婴三：! ! 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存擎位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 庭垅 毳闰受 日期：一婴盟 中北大学学位论文 1 引言 工农业废水、城市生活污水及各种采矿废水均含有大量的重金属，这些重金属通过 食物链而生物富集，构成对生物和人体健康的严重威胁。本章从生态安全观与铅镉重金 属危害性的现实背景出发，对铅镉重金属废水的传统处理方法、微生物处理重金属废水 的国内外研究进展以及光合细菌的研究概况及其应用三个方面进行了文献综述。在此基 础上，提出了沼泽红假单胞菌转化去除铅镉污染的研究目标与内容。 1 1 研究的目的及意义 1 1 1 可持续性发展的生态安全观 安全观，即对安全的作用、地位、价值等总的看法。不同时代，不同的历史时期人 们的安全观是不同的。同时，不同的人群，由于其所从事的职业，所受教育的程度不同， 其安全观也是不一样的。从安全科学的发展历史可以看出，安全观是直伴随着人们的 世界观的发展而发展，世界观的改变而改变，可以说，安全观是世界观的一个重要组成 部分。 ( 1 ) 环境保护问题到生态安全问题的提升 自2 0 世纪7 0 年代以来，生态保护成为全球的热点，并逐渐演化为当代全球绿色浪 潮。从环境保护到生态安全，人类正不断探索一条人与自然和谐发展的可持续的发展道 路。1 9 8 7 年，世界环境委员会发表了正式的报告我们共同的未来，在该报告中正是 使用了“环境安全”一词。报告指出和平和安全问题在一定程度上与持续发展的概念是直 接相关的。事实上，和平和安全是可持续发展的核心。环境压力既是政治紧张局势和武 装冲突的起因，也是它们的结果。我国也在2 0 0 0 年颁布的国家生态环境保护纲要 中，从战略的高度明确提出了“国家生态安全”的概念。不断发展的历史证明，一般意义 上的环境保护问题业已上升到与军事安全、经济安全和政治安全同等重要的地位。它们 共同构成了国家安全。 ( 2 ) 生态安全概念的界定 程漱兰、尹希成、郭中伟、曲格平和邹长新等人【1 6 】先后对生态安全的内涵进行了 界定。其界定虽有不同，但基本上是从以下四个角度对其概念进行界定的。首先，小到 中北大学学位论文 一个地区、一个国家的生存安全，大到全人类的生存安全，生态安全是人类生存的基础 和前提，生态安全无国界。其次，所谓生态安全首先是针对人的生存而言的，因为生存 系统如果没有入的参与，也就没有给出好坏的主体，无所谓健康与否。第三，生态安全 要求生态系统不对人的生存构成威胁。最后生态安全要求生态系统最大限度的为人服务 满足人持续发展的需要。生态安全主要包括国土资源安全、水资源安全、生命健康和生 物安全四个方面p j 。 1 1 2 铝镉重金属废水的来源及危害 n i 2 + 酽爿2 + c u 2 + 和p b 2 + c ， c u 2 + _ _ - c d 2 + n i 2 + 1 2 ；q 。t o b i n 等p 1 1 先将毛霉菌用p h 值为7 0 左右的自来水冲洗数遍，接 着在6 0 的烘箱中烘干，然后将其研碎，筛选尺寸在1 0 0 6 3 0 1 a m 之间的作为吸附剂， 除去废水溶液中的c 一，取得了较好的去除效果。m a y 【3 2 】选取酿酒酵母( s a c c h a r o m y c e s c e r e v i s i a e ) 分别研究了其冻干的生物体和活的生物体对铜的吸附，发现不论是冻千的还 是活的生物体对铜都有很高的吸附能力 刘恒等p 3 1 采用北京啤酒厂的啤酒酵母自制吸附剂吸附p b 2 + ，试验表明，当溶液中初 始p b 2 + 的浓度为5 0 0 m e j l ，p h 值为6 时，最大吸附量为每克酵母吸附p b 2 + 1 0 7 m g 。【蚓 等利用聚醚砜固定的m u c o rr o u x i i 颗粒进行了吸附柱实验，发现该吸附柱不仅从单一级 组分的金属溶液中，而且能从多组分溶液中去除铅、镉、镍、和锌。对于单组分溶液， 每克m u c o rr o u x i i 颗粒分别吸附4 0 6 m g , p b 2 + 、3 7 6 m g c d 2 + 、0 3 6 m g n i 2 + 和1 3 6 m g z n 2 + ， 6 中北大学学位论文 而在多组分溶液中，c d 2 + 、n i 2 + 、z n 2 + 的吸附容量分别为o 3 6 、o 3 1 和0 4 0 m g g ，相当 于游离细胞的2 倍。用c m c 固定的t r a n m e 耙sv e r s i c o l o r 在经过5 次吸附一解析循环后 吸附容量几乎没有损失，它对c u 2 + 、p b 2 + 、z n 2 + 的最大吸附量分别可达到1 8 4 、1 1 l 、 1 6 7 m m o l g f 3 5 1 。 ( 3 ) 细菌吸附重金属的研究 t e x i e r 等d 叼研究了铜绿假单孢菌对镧系l 、e u 3 + 、矾尹的吸附，发现该菌对这三 种金属的吸附量最大分别可达到3 9 7 ，2 9 0 ，3 2 6 1 m a o l g ，且每克生物量对金属谰大约有 1 0 0 个优先吸附位。刘月英等【3 7 】进行了固定化地衣孢杆菌r 0 8 p i r b 吸附p b 2 + 的研究，结 果表明，在p r a y = 0 5 9 l ，p 。, ：- 2 0 0 m g l ，p h 为3 5 和温度3 0 c 的条件下，吸附6 0 m i n ， 每克干菌的吸附量可达9 4 7 r a g 。李清彪等口8 1 在研究黄孢展齿革菌吸附镉离子时发现， 当溶液p h 值为4 5 ，吸附温度为2 5 3 5 c ，菌丝球粒径在1 5 2 0 r a m 范围内，吸附时 问为1 2 h 时，吸附效果最佳，此时，镉离子的质量浓度从1 0 m g l 下降至0 0 4 m g l ，达 到国家污水综合排放标准。n m 锄e r i 脚1 发现，在实验室最优化条件下，即生物吸附颗 粒在1 4 0 2 5 0 1 a m 之间，接触时间4 h ，搅拌速度2 5 0 r m i n ，p h 值为7 时，每克s t r e p t o m y c e s r i m o u s u s 对z n 2 + 的吸附量为3 0 m g ，而当用o 1 m o l l n a o h 溶液对该生物量进行化学处 理后，吸附容量最大可达8 0 m g g 。a n t i ai y e r 等对阴沟肠杆菌e n t e r o b a c t e rc l o a c a e 的 研究表明，该菌种对c d 、c u 、c o 均具有较好的吸附性能。吸附量顺序为c d c u c o ， 对h g 几乎没有吸附能力。 1 3 2 微生物转化重金属的研究 虽然当重金属超过一定浓度时，对微生物具有毒害作用，但是某些微生物( 金属耐 受菌) 可以通过生物解毒作用对重金属性产生抗性。重金属生物解毒是指微生物把抑制 其正常生长繁殖的有毒重金属通过运输、结合与转化等方式使细胞内重金属较少，毒性 减弱，并对重金属毒性产生抗性的生理代谢过程。对较高浓度重金属离子有耐受性的细 菌，如假单胞杆菌属、酵母菌和霉菌等，这些微生物可将废水中的重金属离子摄入菌细 胞内再去除。 ( 1 ) 微生物对重金属进行转化的应用研究 自然界许多微生物都具有对重金属进行富集和转化的能力，利用其对周围环境的适 7 中北大学学位论文 应性和具有适应金属化合物而生长并代谢这些物质的活性，因此，可以在特定的环境下， 分离筛选出具有一定抗性因子的菌株利用基因工程育种技术集中目的基因，使调控某一 特性的基因发生突变，促使微生物的性状向人们所希望的方向转变。这样人工构建的基 因工程菌经过驯化培养使它更适应目标水体的流速、温度、金属离子的浓度、p h 值等而 生长繁殖保持较高的代谢活性。培养的菌体在目标水体周而复始重复着生长一繁殖一死 亡的过程的同时，也实现着对目标水体的不断净化。目前已有大批的基因工程菌应用到 处理领域。如：啤酒酵母的抗铜基因c u p l 、c r 5 5 、c c c 2 p 和p c a l ；c a l b i c a n s 的抗铜基 因c r d l ，c r d 2 、c r d 2 p t 4 1 1 ；s t a p h l o c o c c u s a u r e u s 的抗锈基因c a d c ，c a d a ，抗银基因s i l e 、 揪s i l r 、s i l c b a 和s l i p 4 2 , 4 3 1 ：假单胞菌p s e u d o m n a s p u t i d a 0 6 9 0 9 的c a 2 + 、p b 2 + 、z n 2 + 调节基因c a d a ，c d 2 + 调节基因c a d r l 4 4 ：r a l s t o n i a m e t a l l i d u r a n s 的抗铅基因，6 一、p b r b 、 p b r c 、p b r d 4 5 】和组成s h i g e l l a l e x n e r i 抗汞( m e r ) 操纵子的五个基因m e r t m e r ) p 、m e r c 、 m e r t , m e r a 、m e r d 和m e r r 等 4 0 l 。在国内，吴乾青【4 7 l 从电镀污泥、电镀废水、及下水 铁管分离出与5 株高效净化重金属的复合功能菌，建成了微生物进化回收电镀废水和污 泥中铬等重金属的示范工程，对c r 6 + 、c 一、n i 2 + 、c u 2 + 和c d 2 + 等重金属离子的一次性 净化率达到9 9 9 。马晓航等f 4 3 j 论述了金属结合蛋白基因在清除重金属污染中的应用情 况，研究认为采用d n a 重组技术将金属结合蛋白基因导入活性污泥优势菌群，将能有 效清除重金属的污染。由于环境中重金属的污染往往具有复合形态，需要将具有不同功 能的高效菌株进行混合培养，随着分子生物技术和基因工程技术的迅速发展，可以从分 子水平研究重金属对水体污染的影响机制。研究表明【4 引，不同的金属结合蛋白( 入m t 和p c ) ，在生物耐受和降解过量重金属毒性机制中起重要的作用。越来越多的基因被克 隆，并已成功地应用于生物遗传转化，这些转基因微生物在清除重金属水体污染方面显 示出潜在的应用价值。 另一方面，由于微生物细胞小与溶液分离难度大，使其在工程上缺乏实用性。在2 0 世纪8 0 年代为了提高酶的活性，适应工业化的要求，酶和细胞的固定化技术迸入了污 水处理领域。具有特异功能的酶和细胞被固定在反应器内的载体上，筛选出的高效菌种 使固定化后不易流失，抗毒和耐受力明显增强，固液分离更加简易，为研制快速高效连 续的生物设备创造了条件。英国i c i 采用固定化细胞技术处理含氰废水，是生物技术在 环境安全领域达到适用化的先例【4 9 l 。美国宾西法尼亚大学m g 培养从活性污泥中分离出的 8 中北大学学位论文 优势菌丝孢酵母( f r i c h o s p o r o nc u t a n e u m ) 和假单胞菌( p s e u d o m o n as p ) 提取高酶活性 的氧化酶，再以化学手段结合到玻璃珠，用于处理冶金工业废水，取得良好的效果。 ( 2 ) 微生物对重金属的转化机制的研究 微生物对重金属离子具有一定的适应性，并在重金属化合物环境中生长、代谢。其 代谢产物或细胞自身的一些还原物将氧化态的毒性离子还原为无毒性或低毒性的沉淀， 通过微生物离子还原为无毒性或低毒性的沉淀，通过微生物氧化还原以及甲基化、去甲 基化等作用实现重金属离子价态之间的转变及无机态和有机态之间的转化，实现有毒有 害的重金属元素转化为无毒或毒赋存形态的重金属离子或沉淀物，从而达到水体或生态 环境的污染治理的目的。微生物对重金属的转化作用与代谢和质粒所携带的抗性因子有 关，所谓质粒是指菌体内一种环状的d n a 分子，是染色体以外的遗传物质。通过移植 具有一定抗性因子质粒到宿主获得质粒所具有的性状。北京微生物研究所i s 0 1 将假单细胞 抗汞质粒转移给受菌体，使后者的抗汞水平提高4 8 倍，可将废水中汞化物转化为元 素汞而回收利用。硫酸盐还原菌( s r b ) 在厌氧条件下产生h 2 s 和废水中的金属离子反 应生成金属硫化物沉淀而得以除去废水中的z n 2 + ，c d 2 + ，p b 2 + ，c u 2 + 等 s l , 5 2 。e n t e r b a c t e r c h o a c e t 5 3 1 菌能将m 0 6 + 还原成m o 蓝而净化m o 针废水。在这一过程中，n a d h 和n ，n ，n ， n ，一四甲基一对苯二胺作为m 0 6 + 还原氢传递体，此外m o “的还原与糖酵解和电子传递 磷酸化有关。黑霉菌并s p e r g i l l u sn i g e r 能降c ，还原形成c ，降低c ，的毒性，从而 达到净化c ，废水的目的。在这个过程中c r 6 + 首先与细胞壁上的氨基等官能团通过静电 引力结合，然后由具有较低氧化还原电位的官能团降c r 6 + 还原为c ，最后依靠静电斥 力降部分c r 3 + 排出。假丝酵母d 5 c a n d i d as p p 能降c ，还原为c r 3 + 而降低c r 6 + 废水的毒 性。金酶素链酶菌废菌丝能降a u 3 + 还原a u o ，并形成结晶体【4 8 】。乳酸杆菌a 0 9 表面含 有半胧氨酸等还原性的氨基酸，能将a g + 还原为a g o ，从而在a 0 9 的表面聚集了a g 的 多晶微粒【锕。 综上所述，天然的和经过遗传的重金属结合蛋白的异源表达是改进生物体对重金属 抗性及清除重金属污染的有效方法。但迄今为止，许多研究还只是在实验室控制条件下 进行。可以预见，随着生物吸收、转运、贮存重金属机制的深入了解和更多、更有效的 抵抗获降解重金属毒性基因的出现生物转化重金属污染这一微生物处理技术将具有广 阔的应用前景。 9 中北大学学位论文 1 3 3 微生物对重金属的去除机制的研究 ( 1 ) 微生物去除机制的基本原理 不少重金属是微生物正常生长的必需元素，但对重金属在菌体浓度过高时，会对菡 体产生毒性。微生物可通过细胞的表面富集与细胞膜成分的改变，减小毒性的破坏。多 年研究表明，微生物处理重金属废水主要通过生物吸附、生物转化两种不同的生物化学 过程1 5 8 1 。 微生物吸附与微生物物细胞壁结构、成分密切相关，是通过物理化学作用将重金属 吸附在胞外聚合物的结合点上，从而从水中去除，活的和死的微生物对重金属离子都有 较强的吸附能力。由于微生物对重金属具有很强的亲和吸附性能，有毒金属离子可以积 累在细胞不同部分或结合到胞外基质上。或被清除鳌合在可溶性或不溶性生物多聚物 上。 生物转化是通过活的微生物细胞的新陈代谢伴随着能量消耗迸行的一个主动过程。 一部分较缓慢的生物作用吸收，最终积存在细胞原生质内；一部分通过氧化、还原、甲 基化或脱甲基化作用而改变毒性，从而形成了某些微生物对重金属的解毒作用。在真核 微生物和一些原核生物中发现的重金属结合肽，是一类低分子质量的富含半氨酸，但不 含芳香族核组氨酸的蛋白质【5 9 】，重金属进入细胞后，可通过区域化作用分布在细胞内不 同部位，体内可合成重金属肽。 ( 2 ) 微生物去除重金属机理 微生物能去除重金属离子，主要是因为微生物可以将重金属离子吸附到表面，然后 通过细胞膜将其运输到体内积累，从而达到去除重金属的效果。重金属去除机理往往因 菌种的不同而不同【6 0 6 3 1 。 表面络合机理：当生物体置于金属溶液中时，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耜互作用特性。微生物能通过多种途径 将重金属吸附在其细胞表面。细胞壁主要由甘露聚糖、葡聚糖、蛋白质和甲壳质组成， 这些多糖中的氮、氧、磷、硫等原子都可以提供孤对电子与金属离子配位。同时，金属 离子还会与细胞壁或胞外多聚物上的活性官能团配位结合，这些官能团有：梭基、醛基、 酮基、经基、眯哇基、氨基、亚氨基、磷酸根、硫酸根、酚、酞胺等1 6 4 删。 l o 中北大学学位论文 离子交换机理：金属离子除了能与细胞壁上的负电性官能团络合而被吸附外， 有学者还提出了离子交换机理。离子交换是细胞物质结合的金属离子被另一些结合能力 更强的金属离子替代的过程。离子交换过程常受溶液p h 值的影响。离子交换随不同菌 种和生长条件而变化，生长条件可影响细胞上磷酸根和梭基的比例，从而影响对不同金 属的吸收，一般过渡金属被优先吸收，而碱金属、铁、镁、钙则不被吸收 6 7 1 。许多学者 试图找出释放的这些离子与吸附的金属离子之阀的定量和交换关系，但结果不甚理想。 到目前为止对这些离子交换的起因尚无合理的解释，这还有待于进一步探索。 氧化还原机理；变价金属离子在具有还原能力的生物体上吸附，有可能发生氧化 还原反应。这种机理的存在常与某些菌株所分泌的酶有关。一般来说，氧化还原反应需 要有代谢活性的细胞参与，但也有微生物死细胞能吸附金属离子并将其还原为元素态的 报道。 酶促机理和无机微沉淀机理：活性生物细胞对金属的吸收可能与细胞上某种酶的 活性有关。v o l e s 材等删用活性啤酒酵母( 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 d 2 + ，发现c d 2 + 是以磷酸盐的形式沉淀下来，且酵母细胞的细胞壁上没有附着的磷酸盐沉淀物，而在细 胞内的液泡中有大量的镉沉淀物。他认为是细胞中磷酸酶将c d 2 + 运输进入了细胞。这种 磷酸酶是通过在细胞培养过程中引入一种“磷酸供体”( 如甘油磷酸酷) 而产生的。对于其 它的吸附体系，是否还有其它的酶在金属离子的运输中起作用，以及这种起作用的酶， 如何产生? 还有待于进一步研究 易水解丽形成聚合水解产物的金属离予在细胞表面易形成无机沉淀物，它们以磷 盐、硫酸盐、碳酸盐或氢氧化物等形式通过晶核作用在细胞壁上或细胞内沉淀下来。通 过对钨在啤酒酵母( s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a ) 细胞上的吸附研究表明，钨是沉积在细胞表 面，并且形成0 2 肛m 的针状纤维层，这种沉积层可采用化学法洗脱，从而使细胞吸附剂 重复使用i 嘲。 ( 3 ) 微生物去除重金属机制的研究概况 目前多采用红外光谱分析及扫描电镜和x 射线能量散射光谱技术分析重金属在细 胞内的沉积部位和状态，金属与细胞特定官能团结合的能量变化以及官能团结构和特性 等微观研究。 t s e z o 等7 明研究了非活性的少根根霉对钍和铀的吸附，通过电镜和x - 射线光电子 中北大学学位论文 能谱的分析，发现吸附了铀的细胞壁上确实有某种物质存在，而在细胞内部和吸附 前的细胞壁上未发现这些物质；通过红外光谱分析比较了吸附前后的细胞壁，发现 了表征钍氮键震动的新吸收带，证明了少根根霉吸附钍时存在络合作用。h o a 等i _ h ， 7 2 j 发现普通的小球藻( c h o r e l l av u l g a r i s ) 具有氧化还原能力，能改变吸附在其表面 上的金属离子的价态，从而降低了重金属离子的毒性：他们发现小球藻对a u 3 + 有很 高的亲和力，通过光谱分析证明了a u 酣被还原成a u + ，然后又被还原成元素金。活性 生物细胞对重金属的吸收可能与细胞上的某种酶的活性有关，v o l e s 姆嘲等用活性啤 酒酵母( s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a p ) 吸附c d 2 + ，通过能谱分析碍知，c d 2 + 是以磷酸盐 的形式沉淀下来，他认为细胞中的磷酸酶将c d 2 + j 重输进入细胞；b l a e k w e l l l 7 3 等也报 道了啤酒酵母内积累的s p 、m n 2 + 、z n 2 + 分别为7 0 、6 0 和9 0 在液泡内，其余的 存在于细胞膜或细胞质上，液泡是胞内金属积累的主要场所。a s h k e 耐t m 通过化学 修饰和光谱分析手段证明了经丙酮冲洗的酵母生物吸附铅的主要官能团为强负电性 的羟酸基团和几丁质上的胺基，其吸附机理为静电吸附和络合反应。r a m a r a o 7 5 1 等 人，对藻青菌吸附镉后的红外光谱结果分析证明羧基是金属结合的主要优点。 w a i h u n g l o 利用扫描电镜和x 射线能量散射光谱分析表明，钾和钙元素作为m u c o r r a u x i i 细胞壁的基本组成元素，在吸附p b 2 + 的过程中