（环境工程专业论文）高效铜离子吸附酵母菌的筛选及其吸附特性研究.pdf

四川农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a f t e re n r i c hc u l t u r i n g ，21s t r a i n sy e a s tw e r ei s o l a t e df r o m3 0o r c h a r ds o i l s a m p l e s c o l l e c t e df r o mc h e n g d u ，n a n c h o n ga n dy i b i ni ns i c h u a np r o v i n c e ，a n dt h e i rc o l o n y a s p e c t sa n dc e l l u l a rm o r p h o l o g yw a so b s e r v e d b a s e do nt h er e s u l t so fa d s o r p t i o n e x p e r i m e n to fc u 计，y 15 ，y17a n dy 21w e r es c r e e n e da sh j 曲e f f i c i e n c tc o p p e r a d s o r b i n gs t r a i n s b yu s i n gs i n g l ef a c t o r a n dt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，t h e c o n c e n t r a t i o no fg l u c o s ei ny e p d l i q u i dm e d i u m ，c u l t u r et e m p e r a t u r e ，g r o w t hp ha n d i n o c u l a t i o na m o u n to ft e s t e ds t r a i n sw a sd e t e r m i n e dt od e c t e c tt h eo p t i m a lc u l t u r e c o n d i t i o n ；m o r e o v e r , t y p eo fc u l t u r em e d i u m ，r e a c t i o np h ，t h ea m o u n to fc e l lb i o m a s s a d d e d , a d s o r p t i o nt i m ea n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a sp e r f o r m e dt oo b t a i nt h et h e o p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n t h er e s u l t sw e r ea st h ef o l l o w s ： a l lt h e21y e a s ts t r a i n sh a dt h ec o p p e r a d s o r b i n ga b i l i t y , b u tt h ec o p p e rr e m o v a lr a t i o i nt h ew a s t e w a t e ro fs t r a i n sy15 ，y17a n dy 21w a sm o r et h a n7 5 ，h e n c e ，t h e yw e r e s c r e e n e d 船h i 曲e f f i c i e n tc o p p e ra d s o r b i n gs t r a i n s t h er e s u l to fs i n g l ef a c t o ra n dt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ts u g g e s t e dt h a tt h eo p t i m a l c u l t u r ec o n d i t i o n sf o ry15a n dy 21w e r et h a tt h ec u l t u r et e m p e r a t u r e3 0 c ，g r o w t h m e d i u mp hv a l u ew a s4 0 ，t h ei n o c u l a t i o na m o u n to ft e s t e ds t r a i n sw a s10 ，t h e c o n c e n t r a t i o no fg l u c o s ea d d e di n t oy e p dl i q u i dm e d i aw a s8 t h eo p t i m a lc u l t u r e c o n d i t i o n so fy 17w e r ec u l t u r et e m p e r a t u r ew a s3 0 。c ，g r o w t hm e d i u mp hv a l u ew a s 4 0 ，t h ei n o c u l a t i o na m o u n to ft e s t e ds t r a i n sw a s5 ，t h ec o n c e n t r a t i o no fg l u c o s ei n y e p d l i q u i dm e d i aw a s5 u n d e r rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h ed r yw e i g h tb i o m a s so f3 y e a s ts t r a i n sr e a c h e dt o1 7 9m g ，1 6 8m ga n d1 7 5 m gp e rm ll i q u i dc u l t u r e r e s u l to fs i n g l ef a c t o re x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ea m o u n to fc e l lb i o m a s sa d d e d , t y p e o fc u l t u r em e d i u m ，t h er e a c t i o np hw a st h em o s td o m i n a t i n gf a c t o ra f f e c t i n gs t r a i n s y 1 5 ，y 1 7a n dy 2 1a d s o r b i n gc 十t h eo p t i m a la b s o r p t i o nc o n d i t i o n so fy 1 5 ，w h e n c u l t u r e di n s p r o u t sj u i c em e d i u m ，w e r e 弱f o l l o w i n g ：t h er e a c t i o np hw a s5 0 ， a b s o r p t i o nt i m ew a s4 0m i n ，t h ea m o u n to fc e l lb i o m a s sw a s5 0 9 l t r e a t i n ga tt h o s e c o n d i t i o n s ，t h ea d s o r b i n gr a t er e a c h e dt o8 0 3 ；t h eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n so f s t r a i ny17w e r et h ef o l l w i n gw h e nc u l t u r e di np d a m e d i u m ，r e a c t i o np hw a s4 0 ， a b s o r p t i o nt i m ew a s4 0 m i n ，c e l lb i o m a s s a d d ew a s1 o g l ，a tt h e s ec o n d i t i o n s ，t h e 四川农业大学硕士学位论文 a d s o r b i n ga c h i e v e d81 6 a sf o rs t r a i ny 2 1c u l t u r i n gi np d a m e d i u m ，i t so p t i m a l r e a c t i o nc o n d i t i o n sw a sr e a c t i o np h 5 0 ，a b s o r p t i o nt i m e4 0 m i na n d1 0 9 lo fb i o m a s s ， a n dt h ea d s o r b i n gr a t ew a su pt o7 9 7 o nt h eb a s i so fd i f f e r e n tb i o c h e m i c a lp r o c e s s i n ga n dt h ed e s o r p t i o ne x p e r i m e n t ，t h e c e l lw a l lo fy17w a si d e n t i f i e dt h em a i np l a c eo c c u r i n gb i o s o r p t i o np r o c e s s g r o u p - n h 2 ，- c o o ho nt h es u r f a c eo ft h ec e l lw a l lp l a y e da ni m p o r t a n tr o l eo nt h e b o i s o r p t i o np r o c e s s s i m u l a t i n gt h ec a s sr e a c t i o np o n d ，al a b o r a t a r yr e a c t o rw a sd e s i g n e dt ot r e a tt h e d e j e c t aw a s t e w a t e r 。t h eg r o w t hs i t u a t i o nw h e ni n o c u l t e ds i n g l e ss t r a i no fy 15 ，y17 ， y 21a n dt h em i x e dc u l t u r eo f3s t r a i n si nt h ep r o c e s s o rw a sd e t e r m i n e d t h er e s u l t i n d i c a t e dt h a ts t r a i ny 21c o u l dg r o ww e l li nt h et r e a t m e n ts y s t e m ，a n dt h ea c t i v a t e d s l u d g er e m o v e dc u 什i nt h ew a s t ew a t e re f f i c i e n t l y , t h er e m o v a l r a t ew a s9 2 3 a f t e r t r e a t i n g ，t h ec o n g c e n t r a t i o no fc u + i nt h ew a s t ew a t e rm e a s u r e d 印c h i n an a t i o n a l c o p p e rd i s c h a r g es t a n d a r d s k e yw o r d s ：b i o s o r p t i o n ，c u 2 + ，y e a s t ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，a c t i v a t e ds l u d g e 四川农业大学硕士学位论文 论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川农业大学或其它教育机 构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 肖宁 蹦年石月哆日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解四川农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意四川农业大学可以用不 同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名： 导师签名： 砌彦年石月叩日 磁“月7 日 守石步 肖7 四川农业大学硕士学位论文 1 文献综述 水是一切生命活动和生产活动的重要物质基础，也是环境的重要组成部分， 水污染是最大的污染，是关系到国计民生的重大问题【l 以】。近几十年，随着现代 工业生产的高速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 泊中，使重金属已成为目前地表水和地下水重要的污染物之一。一方面，重金属 是对生态环境危害极大的一类污染物，严重危害人体健康。另一方面随着现代工 业的发展，对重金属的使用越来越广泛，从而造成重金属资源的相对缺乏【3 】。 随着社会的进步和人们生活质量的提高，人们为了减少污染，保护环境，从 事了大量的从工业废水中回收低浓度的贵重金属、去除有毒重金属等方面的研究 m 】。传统的重金属污染废水处理技术包括化学沉淀、离子交换、共沉淀吸附、 电解、氧化还原、反渗析、膜分离技术和活性炭吸附等。这些方法投资成本高， 操作管理麻烦，一般只适用于重金属离子含量较高的情况，并且存在二次污染， 不能很好的解决金属和水资源再利用等问题。近年来，国内外都开始关注生物吸 附处理重金属废水，尤其是处理低浓度重金属废水们。 现代水污染治理工程的基本原则是有效、经济、节能。生物吸附法利用某些 生物体本身的化学结构及成分特性来吸附溶于水中的金属离子，再通过固液两相 分离来去除水溶液中的金属离子的方法【n j 。经过多年研究发现细菌、真菌、藻类 等微生物能吸附或富集重金属【1 2 j 4 】。与非生物处理方法相比，生物吸附法的原材 料来源丰富，品种多，不仅吸附设备简单、易操作，而且具有速度快、吸附量大、 选择性好等优点，尤其在处理1 1 0 击g l 的重金属水溶液时特别有效。在后处理 方面，用一般的化学方法就可以解吸生物上吸附的重金属离子，且解吸后的生物 量可再次吸附重金属【1 5 1 。 1 1 重金属的污染及危害 1 1 1 环境中重金属污染的来源及危害 关于重金属的概念，目前尚存在不同的看法。王俊等将其归纳为：( 1 ) 金 属比重大于5 者为重金属，约有4 5 种左右；( 2 ) 周期表中原子序数大于2 0 ，即从 钪( 原子序数2 1 ) 起为重金属。刘静宜等则认为环境污染中的重金属主要是指 h g 、c d 、p b 、c r 和类金属a s 等生物毒性显著的元素以及m n 、m o 、n i 、c u 、 四川农业大学硕士学位论文 c o 、s n 、z n 等有一定毒性的一般元素。自然条件( 比如岩石的风化) 和人类的 活动( 比如采矿、冶金、印染及燃烧油、煤等含重金属的燃料) ，使许多种类的 重金属及其化学物质进入生物圈。因此，重金属环境污染问题变得日益严重。与 其他污染物不同的是，重金属污染具有隐蔽性、不可逆性和长期性等特点，因此 备受人们关注。根据重金属毒性及其对生物和人体的危害，重金属污染的特点通 常可概括为：( 1 ) 环境中只要有微量的重金属即可产生毒性效应，一般重金属 产生毒性的范围，在天然水体中约l - - 1 0 m g l ，毒性较强的重金属如h g 、c d 等产 生毒性的浓度范围更小，在0 0 1 - - 0 0 0 1 m g l 以上；( 2 ) 环境中的某些重金属可 在微生物的作用下转化为毒性更强的重金属化合物，如h g 的甲基化；( 3 ) 生物 从环境中摄取的重金属可以经过食物链的生物放大作用，逐级在较高级的生物体 内成千万倍的富集起来，然后通过食物链进入人体，在人体的某些器官中积累， 造成慢性中毒，影响人们的正常生活。如在1 9 4 7 年日本因福中毒导致的骨痛病事 件、1 9 5 3 年因汞中毒导致的水误病事件及1 9 5 8 年发生的砷中毒事件，1 9 5 8 年加拿 大发生的铅中毒事件等。因此重金属在食物链中的累积是十分危险的，重金属污 染已成为人类面临的非常棘手的环境问题。因为在人类活动中产生的污染物质无 论来自大气，还是来自土壤，将最终归为水污染，进而影响生态系统和人类健康。 1 1 2 环境中铜污染的来源及其危害 自衣阿华大学的e w a r d 等和英国的b r a u d e 先后提出高铜日粮对猪具有促生长 作用以来，大量研究表明，高剂量铜是一种简便、有效的猪促生长剂。当前畜牧 生产中，使用高剂量铜的添加剂如硫酸铜、碳酸铜、氯化铜、氧化铜、氨基酸鳌 合铜等作为猪的促生长添加剂已相当普遍，但是饲料中的铜绝大部分随粪便排出 造成对环境中水体的污染。 在钢铁和有色金属的采矿和冶炼过程中，其排放的废水中一般含有大量的 、铜。其他行业虽然不是含铜工业废水的主要来源，但也有排放铜废水的可能。例 如染料行业，陶瓷行业，墨水制造业，照相行业，造纸行业，制药行业，肥料行 业，氯碱制造业等。许多养殖场为了追求高效益，在猪饲粮中添加高剂量的低成 本的无机铜，结果使铜在动物体内，尤其是在肝脏内沉积增多，而我国人民喜食 动物及其内脏。因此，高铜饲养已成为影响猪肉及其副产品食用安全的重要因素： 另一方面，粪铜含量过高，造成环境污染。高铜饲料中的铜大部分通过粪便排出 体外，在造成资源浪费的同时也污染了环境。 2 四川农业大学硕士学位论文 铜是人和动物的必需微量元素之一，h a r l e s s 指出软体动物血液中的铜具有重 要作用，m c h a r g u e 最早证明了铜对动、植物的重要生理作用。铜是动物体内一些 重要酶的组成成分，具有参与血红蛋白合成、影响脂类和蛋白质代谢以及维持心 血管结构完整等功能，在动物的生长繁殖、新陈代谢、增强机体免疫力等方面起 着必不可少的作用，但是环境中的铜一旦超过一定的限度，也将对植物、动物以 及人类产生巨大危害。 铜对动物的毒害作用可分为急性和慢性两种。急性铜中毒主要表现为剧烈腹 泻，腹痛，呕吐，心动过速，呼吸困难，严重者可发生休克，虚脱而死。各种动 物对慢性铜中毒敏感性不同。羔羊最敏感，其次是绵羊、山羊、牛等反刍动物。 铜的中毒剂量因动物的品种、年龄、食物中的铝、硫酸盐含量等而异。动物生长 期的铜最大耐受量分别为：羊2 5 m g k g ，牛1 0 0 m g k g ，猪2 5 0 m g k g ，- 马8 0 0 m g k g ， 鸡3 0 0 m g k g ，家兔2 0 0 m g k g ，1 0 0 0 m g k g 。随着年龄的增长，动物对铜的耐受 能力提高。单胃动物对铜有较大的耐受量，这种差异与单胃动物和反刍动物对铜 代谢的不同有关。铜中毒表现为：反刍动物产生严重溶血，其它动物可表现出生 长受阻、贫血、肌肉营养不良和繁殖障碍等。含高浓度铜的动物粪便一旦污染水 源，对水生生物的毒性很大，在水中铜浓度为0 5 m g k g 时，能使3 5 , - - 1 0 0 的原 生淡水植物死亡。因此渔业用水铜的最高允许浓度为0 0 1 m g k g 。 长期使用高铜粪肥施肥，将导致土壤中铜蓄积，从而对植物产生毒害作用， 严重影响植物的生长发育，以至减产，当铜、锌、砷等共存时危害更大。齐德生 对猪场废弃物附近地面水污染状况调查研究表明，距离猪场排粪1 2 11 0 0 m 的水体中 铜的浓度高达0 4 2 m g k g ，超过排污标准0 0 t m g k g ，使水质受到污染。龙健等对 矿区铜污染土壤的研究表明，重度污染的矿区土壤( 全铜含量为1 6 2 6 8 m g k g ) 中 微生物生物量只有非矿区土壤( 全铜含量为4 1 6 m g k g ) 篚j1 9 7 ，中度污染的矿区 土壤( 全铜含量为1 5 8 7 m g k g ) 中微生物生物量也只有非矿区土壤的31 6 。李惠英 等进行盆栽试验，向盆里投放不同浓度的铜。结果表明，随着土壤中投加铜浓度 的增加，小麦生长受到抑制，株高、分桑和产量都呈下降趋势，在铜浓度为 2 0 0 m g k g 时，小麦减产1 0 左右。在高铜浓度下，紫云英种子萌发和幼苗生长期， 可观察到胚轴畸形，根尖上翘，变色腐烂，最后因幼芽吸水困难而死，在生长发 育上，铜毒害主要表现在生长发育迟缓，植株矮小，主根生长不良，原生根呈褐 色且短粗，根毛变少。 四川农业大学硕士学位论文 1 2 重金属污染处理方法 1 2 1 物理化学处理方法 目前常用的处理水体重金属污染的方法主要有三类，即物理处理法、化学处 理法和生物处理法。传统的处理重金属污水的物理和化学方法很多。包括沉淀法、 鳌合树脂法、高分子捕集剂法、天然沸石吸附法、膜技术、活性炭吸附工艺、离 子交换法等。另外还有电解法、氧化还原法和铁氧体法等。它们虽然具有净化效 率高、周期较短等优点，但是也各有缺点，如鳌合树脂不能通过毒性检验，因此 在食品工业和饮用水处理中被禁止使用；膜法的选择性小，排出较高浓度的水需 进一步处理；并且这些方法大多流程长、操作麻烦、处理费用较高。 1 2 2 微生物处理方法 1 2 2 1 微生物絮凝法 微生物絮凝法是利用微生物或微生物产生的代谢物，进行絮凝沉淀的一种除 污方法。微生物絮凝剂是一类由微生物产生并分泌到细胞外，具有絮凝活性的代 谢物【1 6 1 。一般由多糖、蛋白质、d n a 、纤维素、糖蛋白、聚氨基酸等高分子物 质构成，分子中含有多种官能团，能使水中胶体悬浮物相互凝聚沉淀【1 7 1 。对生物 絮凝剂引起絮凝的机理有多种假说，目前普遍接受的是“桥联作用”，该机理认为 絮凝剂大分子表面具有较高电荷或较强的亲水性和疏水性，如氨基、羧基、羟基 等，能与颗粒通过离子键、氢键和范得华力同时吸附多个胶体颗粒，在颗粒间产 生“架桥 现象，形成一种网状三维结构而沉淀下来，从而表现出絮凝能力。絮 凝剂的絮凝能力与絮凝剂的分子量、分子结构、形状及其所带基团有定的关系。 一般来讲，分子量越大，絮凝活性越高【1 叼；线性结构的大分子絮凝效果较好， 而支链或交联结构的大分子絮凝效果较差【1 9 】；处于培养后期的絮凝剂产生菌， 细胞表面疏水性增强，产生的絮凝剂活性也越高 2 0 ，2 1 】；用微生物絮凝法处理废水 安全方便无毒、不产生二次污染、它克服了无机高分子和合成有机高分子絮凝剂 本身缺陷，最终可实现无污染排放蚴，且微生物絮凝剂絮凝范围广、絮凝活性高， 生长快、絮凝作用条件粗放，大多不受离子强度、p h 值及温度的影响，易于实 现工业化等特点 2 3 1 。此外，微生物可以通过遗传工程、驯化或构造出具有特殊功 能的菌株，因此微生物絮凝法具有广阔的应用前景。 1 2 2 2 微生物吸附法 4 四川农业大学硕士学位论文 微生物吸附法就是利用某些生物体本身的化学结构及成分特性来吸附溶于 水中的金属离子，通过固液两相分离来去除水溶液中金属离子的方法。已发现细 菌、真菌、藻类以及一些细胞提取物具有吸附金属离子的功能。这些微生物从溶 液中分离金属离子的机理有以下几种：胞外富集沉淀；细胞表面吸附或络 合；胞内富集。其中细胞表面吸附或络合对死活微生物都存在，而胞内和胞外 的大量富集则往往要求微生物具有活性。在一个吸附过程中，可能会有上述一种 或几种机制。利用胞外聚合物分离金属离子早有研究。k u r e k 和f r a n c i s 等【2 4 】发现 有些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 2 + 、n g + 、c u 2 + 、 z n 2 + 形成不溶性的沉淀而去除。但胞外吸附金属，只有在溶液中金属浓度低时才 行。大多数微生物对金属的富集往往发生在细胞表面，对金属的吸附通常是一快 速、依赖p h 的过程，一般认为细胞表面吸附主要是由于金属离子与细胞表面活 性基团络合、离子交换以及络合基团晶核进行吸附沉淀。而胞内吸附是一个缓慢、 复杂的过程。王亚雄等【2 5 1 用细菌对c u 2 + 、p b 2 + 等的吸附特性研究表明，类产碱假 单胞菌( p s e u d o m o n a s p s e u d o a l c a l i g e n e s ) 和腾黄微球菌( m i c r o c o c c u s l u t e u s ) 对 c u 2 + 、p b 2 + 的吸附能力很强，c u 2 + 和p b 2 + 在细菌表面吸附与p h 值有关，吸附的最 佳p h 值为5 6 ，细菌对c u 2 + 、p b 2 + 的离子吸附分为两个阶段：一是细胞表面的络 合；在3m i n 内吸附量达总吸附量的7 5 ；二是向细菌内部缓慢的扩散过程。虽 然活细胞吸附有生物积累过程，但在实际吸附过程中，活细胞的吸附量并不因为 有能量代谢系统的参与而比死细胞高【2 6 1 。赵玲等【2 刀用海洋赤潮生物原甲藻 ( p r o r o c e n t r u mm i c a n s ) 的活体和死体对c u 2 + 、p b 2 + 、n i 2 + 、z n 2 十、a 矿、c d 2 + 的吸附能力进行研究。实验证明，金属离子混合液经原甲藻吸附3 0 m i n 后，各离 子的浓度显著下降且达到平衡。原甲藻的活体和死体对这六种金属离子具有相似 的吸附能力。用干燥、磨碎后的绿藻( ul a c t u c a ) 和小球藻吸附铅的吸附率最高可 达9 0 以上。李明春等 2 8 】利用活性和非活性假丝酵母菌( c a n d i d as p ) 对c u 2 + 、 c d 2 + 、n i 2 + 的吸附能力进行研究。实验表明，3 0 m i n 时吸附量已达到总吸附量 的9 0 以上。将含曲霉、毛霉、青霉以及根霉的丝状真菌菌丝培育物干燥、磨碎 并经筛分，使其成为可贮存的生物体，用于处理含c d 、p b 、n i 、z n 的工业废 水。在p h 为7 时，可除去9 8 的p b 、9 7 的z n 、9 2 的c d 以及7 4 的n i e 2 9 。利 用载体通过物理或化学方法将微生物吸附剂经预处理固定后，吸附剂吸附机械强 度和化学稳定性增强、使用周期延长、可以提高废水处理的深度和效率、减少吸 四川农业大学硕士学位论文 附解吸循环中的损耗。m i c h e l 等3 川和d a r n a l l t 3 1 】等用聚丙烯酰胺凝胶分别固定柠 檬酸细菌( c i t r o b a c t e rs p ) 细胞和( c v u l g a i r s ) 细胞，在适宜条件下，能够长期使 用，分别可以分离废水中9 0 以上的c d 2 + 、c u 2 + 、z n 2 + 、a u 2 + 等，若用二氧化硅 固定，固定物的强度和稳定性都优于聚丙烯酰胺。t s e z o s 和t c k e a d y 等 3 2 】研究了 固定化少根根霉( r a r r h i z u s ) 细胞分离废水中的铀，实验结果表明，固定化后微生 物可以回收稀溶液( 9 0 0m g l ) 中所有的铀洗脱液中，铀浓度越过了5 0 0 0m g n 。 当循环使用1 2 次后，固定化微生物仍其生物吸附能力达5 0m g l 。将氰基菌 ( p h o m i d i u ml a m i n o s u m ) 用l m o l l 碱预处理后，对f e 2 + 、c r 3 + 、c d 2 + 、p b 2 + 、 z n 2 + 、c u 2 + 、n i 2 + 吸附量增加了5 3 4 。h o l a n 3 3 】用甲醛交联固定岩衣藻 ( a s c o p h y l l u mn o d o s u m ) 处理含c d 2 + 废水，获得较佳效果，用盐酸洗脱后，吸附 剂基本上未受影响，可重复使用。c a m h a m 和c o d d 等【3 4 】用藻酸钙固定海藻( c h l e l l as a l h 2 a ) 细胞发现对c o 、m n 、z n 的吸附明显比游离细胞高。微生物吸附剂具 有来源广、价格低、吸附能力强、易于分离回收重金属等特点，已被确认的生物 吸附剂有很好的工业应用前景。 1 3 微生物吸附的概念及优点 近几十年来，由于在治理含重金属废水和被重金属污染的地表水、地下水方 面的有效性和经济上的可行性，微生物吸附法在去除水体中重金属的方面显示出 独到的优越性，微生物吸附法作为一种新兴的处理技术，特别是在处理低浓度重 金属污染废水方面，有着极为广阔的应用前景 3 5 , 3 6 。微生物吸附法这一概念一般 用来描述微生物从溶液环境中富集回收重金属离子的性质。现在，随着对生物吸 附技术的研究日益深入，这一概念已经不仅仅局限于微生物。科学家们对一些大 型生物体如大型海藻及其它高等植物的研究也逐渐增多起来。生物吸附包括两个 过程：首先是被动吸附过程，它是发生在细胞壁上的快速表面吸附，重金属离子 与细胞壁表面上的各种官能团结合，这个过程不需要能量，活的微生物和死的微 生物都可以进行这个过程；另一个过程是一个逐渐缓慢的主动吸附过程，这个过 程只能在活的微生物细胞内进行，被吸附的重金属离子通过细胞壁扩散进入细胞 内，是通过微生物的新陈代谢伴随着能量消耗进行的。 k r a t o c h r i l ，7 】定义生物吸附为用死细胞生物量去除溶液中的重金属离子的过 程，而用活细胞或用培养中的微生物去除重金属离子则被称为生物积累。但从广 6 四川农业大学硕士学位论文 义上来讲，生物吸附应是一切生物材料( 无论是死细胞还是活细胞) 来吸附水溶 液中的重金属或非金属物质【3 8 】。 生物吸附法作为处理重金属废水的一项新技术与传统的重金属污染废水治 理技术相比具有众多的优势【3 ”o 】：( 1 ) 吸附材料来源广，成本低。细菌、酵母、 霉菌、藻类都具有吸附重金属的能力。发酵工业产生的废菌体是极具潜力的吸附 剂，将其用于生物吸附，既可处理重金属废水，又可减少发酵工业处理废菌体的 大笔费用，达到“以废治废 的目的；( 2 ) p h 和温度条件范围广；( 3 ) 处理效 率高；( 4 ) 投资少、运作费用低、易于管理和操作、不产生二次污染；( 5 ) 在后 处理方面，用一般化学方法就可以解吸生物体上吸附的金属离子，可以有效回收 一些贵重金属；且解吸后的生物体可再次用于吸附；( 6 ) 在处理1 1 0 0 m g l 的 低浓度重金属废水时，重金属可以被选择性去除。 1 4 微生物吸附剂的主要种类 近年来，对重金属微生物吸附的研究取得了很大的进展，研究结果表明，一 些微生物如细菌、真菌微生物和藻类对很多重金属都有好的吸附作用，因此微生 物菌体是重金属生物剂的首选材料【4 l 】。 。| 、一7 表1 微生物对金属离子的吸附作用 ! 垒曳：! ! ! 曼垒i 竺璺垒1 2 1 p 垡2 坠2 1 虫宝绝! 1 2 望! 微生物名称种类吸附重金属种类微生物名称种类吸附重金属种类 动胶菌 细菌c u 2 + , c p + , u 0 3 +根霉真菌 u c o u 2 3 + + , c t d 2 e z + + , p n b i 2 + 2 + 链霉菌细菌 u 0 3 + ，p b 2 + z n 2 + 黑曲霉真菌 z n m 2 + n , c 2 + o 2 t + e , p 2 + b 2 + 柠檬酸细菌 微球菌 发硫菌 仙影拳芽孢杆 菌 枯草芽孢 杆菌 大肠杆菌 铜绿假单孢菌 细菌 c d 2 + 细菌s ， 细菌z d + n i 2 + 细菌 a g + ，l a 3 + , c u 2 + ，c d 2 + 产黄青霉真菌r a 2 + ，u 0 3 + ，p b 2 + ，c r 0 2 + 小红酵母真菌n i 2 + ，h g + ，c d 2 + 酿酒酵母真菌c u 2 + , c d 2 + , p b 2 + a 矿 马尾藻属海藻类p b 2 + ，c d 2 + 细菌a g + ，l a 3 + ，c u 2 + ，c d ：2 + 小球藻属海藻类a u 2 + ，c u 2 + ，p b 2 + a g + 细菌 a g + ，l a 3 + ，c u 2 + ，c d 2 + 囊叶藻属海藻类 c u 2 + ，c 0 2 + ，c d 2 + 细菌 h g 掣+ c u 2 + 由上表可以看出，不同生物种类对不同的金属离子产生不同的吸附作用。细 菌及放线菌对某些碱土金属和过渡金属有较高的分离能力，且对金属的吸附作 用，一般认为是菌体细胞壁起作用，吸附过程包括离子交换。真菌类微生物由于 菌丝体粗大，所以具有吸附后易于分离及吸附量大等特点，它们可以吸附u ，t e ， p b ，c r ，r a ，c d ，c u 等多种金属离子，其对金属离子的吸附和细菌类似，大多富 7 四川农业大学硕士学位论文 集在细胞壁上，且都是可逆过程，吸附速率快。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。 1 4 1 细菌 细菌是地球上最丰富的微生物，地球上的总生物量大约为1 0 坞g ，细菌占了 其中的大部分。许多研究表明，细菌及其产物对溶解态的金属离子有很强的络合 能力。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。例如芽孢杆菌属中的巨大芽孢杆菌( b a c i l l u sm a g e t e r i u m ) 在适宜的条件 下，其静息细胞每克干菌体对a u 3 + 的吸附量可达3 0 2 0m g 4 2 1 ，其死菌体每克干菌 体对p t 4 + 的吸附量为9 4 3m g 4 3 1 ，蕈状芽孢杆菌( b a c i l l u s 力纱f 加) 能吸附a s ，枯 草芽孢杆菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 能吸附p d 、z n 、c u 等金属离子。刘月英等m 】利用从 矿坑水分离的地衣芽孢杆菌( b a c i l l u sl i c h e n i f o r m i s ) r 0 8 死菌体，在适宜的条件下， 每克干菌体可吸附2 2 4 8m ga d 2 + 。t e x i e r t 4 5 1 用铜绿假单胞菌( p s e u d o m o n a s 口盯昭觑傩吸附镧系金属l a 3 + 、e u 3 + 、y b 3 + ，在单组分吸附中，该菌对这3 种金 属的最大吸附量分别为3 9 7 、2 9 0 、3 2 6 m m o l g 。m z u r i c i o 等人报道【4 6 1 ，用 m o n o r a p h i d i ms p ，b a k e r sy e a s t ，p e n i c i l l i u ms p 从酸性溶液中吸附回收钕，吸附 量分别为11 5 1m g g 、31 3m g g 和1 7 8m g g ，都高于活性炭的吸l 糙( 6 1 m g g ) 。傅 锦坤等人h 刀用乳酸杆菌a 0 9 吸附a r ，在适宜条件下，吸附量可达1 2 5m g g 。刘 月英等人 4 8 1 用金霉素发酵生产的金霉素链霉菌废菌丝体吸附a u ，在起始a u 浓度 1 0 0m g l 、菌浓度2g l 、p h3 5 和3 0 c 条件下，吸附4 5m i n ，吸附量可达4 5 6m g g 。 1 4 2 真菌 许多真菌如霉菌、酵母和藻类对金属也有很强的吸附能力。霉菌中的根霉属、 青霉属、曲霉属等均能吸附金属离子。无根根霉( r h i z o p u sa r r h i z u s ) 、米根霉 ( t 己o r y z a e ) 、寡孢根霉( 足d 垤r d 印d ，淞) 可吸附多种重金属离子，如c d 2 + 、p b 2 + 、c u 2 + 、 z n 2 + 等。产黄青霉( p e n i c i l l i u mc h r y s o g e n u m ) 、小刺青霉( 尸妒砌讲姗) 可吸附a u 3 + 和p b 2 + 等多种贵、重金属离子。产黄青霉【删在含钙、铜、钻、镍等的金属混合液 中，可优先吸附铅，其金属离子的吸附顺序为：p b 2 + c u 2 + z n 2 + c d 2 + n i 2 + c 0 2 + 。 p e t h k a r 等a t 5 0 1 用经处理的家禽羽毛包埋芽枝状枝孢，在a u 3 + 浓度为l o om e c l 、生 物吸附剂浓度3 和p h4 0 的条件下，吸附6 0m i n ，每克固定化细胞吸附量达1 0 0 8 四川农业大学硕士学位论文 m ga u 3 + 。小型真菌( m i c r o m y c e t e s ) 可吸附多种重金属离子，其不同的属、种均可 ) k a e ；n 0 3 溶液中回收银【5 。 国内外对于酵母菌生物吸附的研究很多。刘月英等人【5 2 】用啤酒发酵工业的啤 酒酵母废菌体吸附a u ”，在适宜的条件下，吸附3 0 m i n ，每克菌体吸附量可达5 5 9 m g 。尹华等【5 3 】曾用酵母菌一活性污泥法吸附处理含铬电镀废水，取得了不错的 效果，其研究表明c l i p o l y t i c a 酵母活菌体是对重金属铬具有良好吸附性能的生物 吸附剂，对废水的p h 值适应范围广。当p h = 3 2 6 0 时，对总c r 浓度为3 0 2 m g l 的含铬水样去除率达8 5 0 ，对2 7 7 m g l c r 6 十的还原率高达1 0 0 。国外对酵母菌 处理重金属的试验研究大概在上世纪七八十年代就已开始。一些学者【5 4 5 6 1 用 s a c c h a r a m y c e s c er e v i s i a e 酵母对水体中的重金属处理进行了模拟试验。试验发现 酵母细胞成为移除重金属离子的载体，其移除重金属离子的能力大小顺序为 a 1 3 p b e c u 2 + n i 2 + 。还有一些学者【5 7 , 5 8 1 在利用酵母菌进行处理重金属废水的试 验研究发现：在p h 5 6 时，c d 和p b 能够被有效的去除，处理含c d 和p b 约为 4 0 0 m g l 废水时，经过酵母菌吸附处理后可以达到4 5 m g l 。a t i l tb i n g g o l 等 5 9 1 用c t a b 与酿酒酵母混合处理废水中的c r 6 + ，发现在p h i 5 5 时，原浓度为2 0 8 m g l 的c r 6 + 废水最大吸附率可以达到9 9 5 。 1 4 3 藻类 自然界大量存在的藻类也可用于贵、重金属的吸附。褐藻的d u r v i l l 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 对镉的吸附是钙、钾、镁的两倍唧】。张小枝等【6 l 】 用蓝细菌满江红鱼腥藻吸附浓度每升铀低于5 5 m g ，在2m i n 内吸附即可达到平 衡。颤藻( d 口唧妇f 船砌口) 6 2 】对锌的吸附表现出高的吸附性能，在1 2 9 2m g l 的 溶液中吸附量达6 4 1m s g ；s c e n e d e s m u sd 6 幻“珊和跏p 砌d 司脚够也能吸附c u 2 + 、 n i 2 + 、c d 6 + 。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 5 微生物吸附剂的吸附机理 微生物吸附的机理往往因菌种、金属离子的不同而异，但微生物细胞壁的特 殊结构，在很大程度上决定着其对金属的吸附，如细胞壁的多孔结构使活性化学 配位体在细胞表面合理排列，使细胞易于与金属离子结合；另外细胞壁上的官能 9 四川农业大学硕士学位论文 团如c o o h ，- n h 2 ，s h ，o h ，一p 0 4 3 _ 等与金属离子的结合或以其它方式的配 位。根据微生物从溶液中去除金属的方式不同，微生物吸附可分为以下几种：( 1 ) 胞外富集沉淀； ( 2 ) 细胞表面吸附或络合；( 3 ) 胞内富集；其中细胞表面吸 附或络合对死活微生物都存在，而胞内和胞外的大量富集往往要求微生物具有活 性。在一个吸附过程中，可能会存在一种或多种机制。 1 5 1 胞外富集 利用胞外聚合物分离金属离子早有研究，c h e n g 等从黑曲霉( a s p ) 分离出聚合 物，并研究了它们对c u ，c d ，n i 的络合能力【6 3 1 。f r m c i s 发现有些细菌在生长过 程中释放出的蛋白质能使溶液中的c d 2 + ，h g + ，c u 2 + ， z n 2 + 形成不溶性的沉淀 而被除去【删。b r o w 等综述了活性污泥和细菌产生的胞外多糖在金属分离中的作 用【6 5 1 。尽管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同，因而不 同微生物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。但胞外吸附金属，只有在溶液金属浓度低时才行。 1 5 2 细胞表面吸附 大多数微生物对金属的富集往往发生在细胞表面，对金属的吸附通常是