（生态学专业论文）枯草芽孢杆菌对cu2和cd2吸附特性及机理的研究.pdf

at h e s i si ne c o l o g y l i l l llii l ll i ii ii i l li l l l l y 1716 3 7 2 s t u d y o nt h e a d s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n d m e c h a n i s mo fc u 2 + a n d c d 2 + b y b a c i l l u ss u b t i l i s b yx ul i q i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h o n gc h o n g b i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 l i i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导f 完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：忆 思o ，、- h 学位论文作者签名：才春互聋 i ， 日一硼7 乡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：铱五青 签字日期： 跏7 7 导师签名： 签字日期 一 i 东北大学硕士学位论文摘要 枯草芽孢杆菌对c u 2 + 和c d 2 + 吸附特性及机理的研究 摘要 本实验以枯草芽孢杆菌作吸附剂，考察了枯草芽孢杆菌的生物学特性及对c u 2 + 和 c d 2 + 的耐受性，多种因素对菌体吸附c u 2 + 和c d 2 + 的影响，并进行了吸附机理和解吸的初 步探讨。 采用单因素实验方法，研究了温度、吸附时间、p h 值，菌体浓度、初始金属离子浓 度、预处理对枯草芽孢杆菌吸附c u 2 + 和c d 2 + 的影响。结果表明：当c u 2 + 浓度为2 0m g l 1 、 菌浓度3 5g l 、吸附时间为1 2 0r a i n 、温度3 0 时，p h 值为5 o o 、对c u 2 + 去除率可达 到8 8 9 8 。当c d 2 + 浓度为3 0m g l 一、菌浓度3 0g l - 1 、吸附时间为1 2 0r a i n 、温度3 0 。c ， p h 值为6 0 0 ，对c d 2 + 去除率可达到9 1 6 5 。随着c u 2 + 和c d 2 + 溶液浓度的增加，吸附菌 对c u 2 + 和c d 2 + 的去除率逐渐提高；随着温度的升高吸附菌对c u 2 + 和c d 2 + 的去除率逐渐 提高；菌体对c u 2 + 和c d 2 + 的吸附3 0m i n 内基本达到吸附平衡。培养基中加入葡萄糖可 以提高去除率；由预处理实验得出用0 0 8t o o l l 以氢氧化钠，5 0 ( v ) 丙酮分别处理菌 体都可以提高对c u 2 + 和c d 2 + 吸附效果。 通过枯草芽孢杆菌对混合离子的吸附实验研究，结果表明：4 0m g l 。1 的c d 2 + 的存在 使菌体对2 0m g l 1 的c u 2 + 的去除率下降2 0 2 0 ，4 0m g l 。1 的c u 2 + 的存在使菌体对3 0 m g l 。的c d 2 + 的去除率下降2 0 3 3 。枯草芽孢杆菌吸附c u 2 + 和c d 2 + 的盐效应实验结果 表明：m g + ，c a 2 + ，c ，n a + 的存在均降低c u 2 + 和c d 2 + 的去除效率。 菌体对c u 2 + 和c d 2 + 的吸附符合l a n g m u i r 和f r e u n d l i e h 等温式方程，吸附动力学研 究结果表明，用二次速率方程来拟合该吸附过程效果比较好。不同吸附剂对c u 2 + 和c d 2 + 的吸附实验表明：活菌体对c u 2 + 的去除率是8 8 9 8 ，对c d 2 + 的去除率是9 1 6 5 ；死菌 体对c u 2 + 的去除率是7 8 0 5 ，对c d 2 + 的去除率是8 1 5 9 ，胞壁多糖对c u 2 + 的去除率是 4 0 7 2 ，对c d 2 + 去除率是7 3 8 0 。能谱分析初步证明在吸附c u 2 + 时存在n a + 交换机理。 红外光谱分析得出枯草芽孢杆菌的羧基，羟基，氨基官能团在吸附中起了作用，并有多 糖参与吸附。扫描电镜观察枯草芽孢杆菌在吸附c u 2 + 和c d 2 + 前后形态发生变化。解吸实 验确定，当解吸剂h 2 s 0 4 浓度是o 1 5m o l l - 1 、解吸温度是3 0 c 、解吸时间为6 0r a i n 、 溶液p h 为2 0 0 时，对c d 2 + 的解吸率达到9 5 2 2 ，c u 2 + 的解吸率达到9 0 5 6 。 i i 东北大学硕士学位论文 摘要 关键词：枯草芽孢杆菌；微生物吸附；混合离子；吸附机理；解吸 一 v w a s3 0m g l ，a d s o r b e n tm a s sw a s3 0g - l ，a d s o r p t i o nt i m ew a s12 0m i n ，t e m p e r a t u r ew a s 3 0 c w i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fc u 2 + a n dc d 2 + i n c r e a s e d ，t h er e m o v a lr a t eo fc j + a n dc d 2 + g r a d u a li n c r e a s e d 、i mt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d t h er e m o v a lr a t eo fc u 2 十a n dc d p g r a d u a l i n c r e a s e d a d s o r p t i o ne q u i l i b r i u mo fc u 2 十a n dc d 什w a sa t t a i n a b l ew i t h i n3 0m i n u t e s t h e a d d i t i o no fg l u c o s ec a ni n c r e a s ea d s o r p t i o nc a p a c i t y t h eb a c i l l u ss u b t i l i sw a sp r e t r e a t e dw i t h 0 0 8m 0 1 l - 1n a o ha n d5 0 ( v v ) a c e t o n e ，t h er e m o v a lr a t eo fc u 2 + a n dc d 2 + w a si m p r o v e d t h ea d s o r p t i o ne x p e r i m e n to fm i x e di o n sb yb a c i l l u ss u b t i l i sw a su s e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h er e m o v a lo f2 0m g l - 1c l l 2 + b yb a c i l l u ss u b t i l i sd e c r e a s e d2 0 2 0 i nt h e e x i s t e n c eo f4 0m g l 。1 c d 2 + t h er e m o v a lo f3 0m g l j c d 2 + b yb a c i l l u ss u b t i l i sd e c r e a s e d 2 0 3 3 i nt h ee x i s t e n c eo f4 0m g l 1 c u z + t h er e s u l to fs a l te f f e c te x p e r i m e n to fa d s o r p t i o n c u 2 + a n dc d 2 + b vb 口c i l l u sj “b t i l i ss h o w e dt h a tt h er e m o v a lr a t eo fc u 2 + a n dc d 2 + w a s d e c r e a s e di nt h ee x i s t e n c eo f m g + ，c a 2 + ，k + ，n a + t h ea d s o r p t i o no fb o t hb a c i l l u ss “b t i l i sa n dd o m e s t i c a t e ds t r a i n so nc u 2 + a n dc d 2 + a c c o r d e dw i t hl 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 ni s o t h e r m t h ed y n a m i ca d s o r p t i o n p r o c e s s e sf o l l o wap s e u d os e c o n d o r d e rk i n e t i cr a t ee q u a t i o nv e r yw e l l d i f f e r e n ta d s o r b e n t s i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a d s o r p t e dc u 2 + a n dc d 2 + w a sd o n e t h ee x p e d m e n t a lr e s u l t ss h o w e d t h a tt h er e m o v a lr a t eo f c u 2 + b yl i v eb a c t e r i aw a s8 8 9 8 a n dt h er e m o v a lr a t eo fc d 2 + b yl i v eb a c t e r i aw a s9 1 6 5 t h er e m o v a lr a t eo fc d 2 + a n dc u 2 + b yc e l lw a l lp o l y s a c c h a r i d ew a s7 3 8 0 a n d4 0 7 2 ， r e s p e c t i v e l y n 0e x c h a n g em e c h a n i s mw a sp r o v e db ys p e c t r u ma n a l y s i sw h e nc u 2 hw a s a d s o r b e d t h ec a r b o x y l ，h y d r o x y l ，a m i n oo fb a c i l l u ss u b t i l i sp l a y e dar o l ei nt h ea d s o r p t i o n p r o c e s sa n dp o l y s a c c h a r i d ep a r t i c i p a t e di nt h ea d s o r p t i o n t h er e s u l to fs c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p es h o w e dt h a tt h es h a p eo fb a c i l l u ss u b 打l i sw a sc h a n g e da f t e ra d s o r b e dc d z 十a n d c u 2 + t h ed e s o r p t i o ne x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ed e s o r p t i o nr a t eo fc d 2 + r e a c h e d9 5 2 2 a n d t h ed e s o r p t i o nr a t eo fc 一十r e a c h e d9 0 5 6 i nt h ec o n d i t i o no fc o n c e n t r a t i o no fh 2 s 0 4w a s o 1 5m o l l 一，d e s o r p t i o nt e m p e r a t u r ew a s 3 0 c ，d e s o r p t i o nt i m ew a s6 0m i na n dp hv a l u ew a s 2 0 0 k e y w o r d s ：b a c i l l u ss u b t i l i s ；m i c r o b ea d s o r p t i o n ；m i x i n gi o n ；a d s o r p t i o nm e c h a n i s m ； d e s o r p t i o n 东北大学硕士学位论文 目录 独创性声明 摘要 a b s t r a c t ” 第1 章绪论 1 1 重金属的污染特点和危害 1 1 1 重金属废水的污染特点 1 1 2 重金属的危害 1 2 重金属废水的处理的方法”3 1 2 1 物理法”3 1 2 2 化学法3 1 2 3 生物吸附法“3 1 3 生物吸附研究进展”4 1 3 1 重金属与微生物体之间的相互作用4 1 3 2 各种生物吸附剂对重金属的吸附及细胞壁结构5 1 3 3 影响生物吸附的物化因素和生理条件7 1 4 微生物吸附的机理“8 1 4 1 表面络合机理8 1 4 2 氧化还原机理9 1 4 3 离子交换机理9 1 4 4 酶促机理1 0 1 4 5 等温吸附模型。二1 0 1 4 6 吸附动力学模型“1 1 1 4 7 吸附反应的热力学计算1 2 1 5 生物吸附机理的研究技术及其存在的问题1 3 1 6 吸附剂的解吸13 1 7 本课题主要研究内容1 4 v i 东北大学硕士学位论文目录 第2 章枯草芽孢杆菌的生物学特性和耐受性1 5 2 1 材料和方法1 5 2 1 1 实验材料15 2 1 2 实验方法15 2 2 结果与分析1 6 2 2 1 枯草芽孢杆菌的形态特征一1 6 t 2 2 2 枯草芽孢杆菌的生长特性1 8 。 2 2 3 枯草芽孢杆菌对c u 2 + 和c d 2 + 的耐受性1 9 2 3 本章小结”1 9 第3 章枯草芽孢杆菌对c u 2 + 和c d 2 + 单一离子的吸附特性2 0 3 1 材料和方法2 0 3 1 1 实验材料2 0 3 1 2 实验方法2 0 3 2 结果与分析”2 2 3 2 1 枯草芽孢杆菌的干湿比2 2 3 2 2 培养时间对菌体吸附c u 2 + 和c d 2 + 的影响2 2 3 2 3 菌体浓度对吸附c u 2 + 和c d 2 + 的影响2 3 3 2 4 葡萄糖对菌体吸附c u 2 + 和c d 2 + 的影响2 5 3 2 5 温度对菌体吸附c u 2 + 和c d 2 + 的影响2 6 3 2 6 吸附时间对菌体吸附c u 2 + 和c d 2 十的影响2 8 3 2 7p h 值对菌体吸附c u 2 + 和c d 2 + 的影响2 9 3 2 8c u 2 + ，c d 2 + 的初始浓度对吸附的影响3 l 3 2 9 预处理对吸附c i 1 2 + 和c d 2 + 的影响3 2 p 3 3 本章小结3 3 第4 章枯草芽孢杆菌对混合离子的吸附特性3 5 4 1 材料和方法3 5 4 1 1 实验材料3 5 4 1 2 实验方法3 5 4 2 结果与分析3 5 。v i i 东北大学硕士学位论文目录 4 2 1c u 2 + 的存在对菌体吸附c d 2 + 的影响“3 5 4 2 2c d 2 + 的存在对菌体吸附c u 2 + 的影响”3 6 4 2 3c u 2 + 和c d 2 + 共存时枯草芽孢杆菌的吸附能力研究”3 7 4 2 4 菌体在盐离子存在下的吸附特性3 8 4 3 本章小结3 9 第5 章枯草芽孢杆菌对c u 2 + 和c d 2 + 吸附机理的探讨4 1 5 1 材料和方法4 1 5 1 1 实验材料一4 l 5 1 2 实验方法4 1 5 2 结果与分析4 4 5 2 1 枯草芽孢杆菌吸附c u 2 + 和c d 2 + 的热力学4 4 5 2 2 枯草芽孢杆菌吸附c u 2 十和c d 2 + 的动力学4 7 5 2 3 不同吸附剂的吸附对比4 8 5 2 4 枯草芽孢杆菌吸附c u 2 + 和c d 2 + 的能谱分析4 9 5 2 5 枯草芽孢杆菌吸附c u 2 + 的红外光谱分析5 0 5 2 6 枯草芽孢杆菌吸附c u 2 + 和c d 2 + 的扫描电镜观察5 2 5 2 7 枯草芽孢杆菌吸附c u 2 + 和c d 2 + 的解吸5 4 5 3 本章小结5 7 第6 章结论与展望5 8 6 1 结论”5 8 6 2 展望一5 9 参考文献一 致谢 毫 1 1 9 万立方米，但人均只有2 3 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 、美国的1 5 ，在世界 上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一【1 1 ，是人类可利用水量的理论 极限。但是全世界对水的需求量每2 1 年就翻一番，达到目前每年的4 1 3 万亿立方米【2 1 。 现在全世界只有1 4 的人群饮用到合乎标准的净水，1 3 的人口没有安全用水【3 1 ，由于开 发困难或技术经济的限制，联合国预计，到2 0 2 5 年，世界将近一半以上的人口会生活 在缺水或水域被严重污染的地区【4 】。水危机己经严重制约了人类的可持续发展。近年来， 随着全球经济的快速发展，废水的大量排放，土壤和水源中重金属积累的加剧，许多重 金属对环境的污染日趋严重。因此有效地治理重金属污染已经成为人类共同关注的问 题。据估计，全球每年释放到环境中的有毒重金属高达数百万吨，其中铜1 4 万吨，镉7 万吨，汞1 2 万吨，铅3 4 6 万吨【5 1 。现代工业特别是矿业的发展以及重金属在冶金、采 矿、无机建材、造纸、皮革工业、电子工业等方面的广泛应用，大量留存于环境中的重 金属物质对生物体造成严重的伤害，工业和城乡水污染治理仍然滞后，水污染事故频繁 发生，严重威胁水体安全，给人民生命财产带来损失，已经成为制约经济发展的瓶颈。 1 1 重金属的污染特点和危害 1 1 1 重金属废水的污染特点 ( 1 ) 水体中的某些重金属可在微生物作用下转化为毒性更强的金属化合物，如汞的 甲基化作用就是其中典型例子【6 j ； ( 2 ) 生物从环境中摄取重金属可以经过食物链的生物放大作用，在较高级生物体内 成千万倍地富集起来，然后通过食物进入人体，在人体的某些器宫中积蓄起来造成慢性 中毒，危害人体健康； ( 3 ) 在天然水体中只要有微量重金属即可产生毒性效应，一般重金属产生毒性的范 围大约在1 1 0m g 之间，毒性较强的金属如汞、福等产生毒性的质量浓度范围在 o 0 0 1 珈0 1m g l 1 之间。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 2 重金属的危害 重金属是指密度大于5g c m 。( 2 0 ) 的金属，具体指在元素周期表中原子序数在2 4 以 上的金属【7 】，因其进入环境后不能被降解，则可以通过各种渠道危害人类健康。农田被 含有重金属的污水灌溉，农作物直接被人或者是草食动物吃食以后，便直接对人体造成 危害。从而对人体健康产生长远的不良影响。镉是机体生长发育非必需元素，很少量进 入人体即可通过生物放大和生物积累，对肾、肺、肝、脑、骨骼以及血液系统产生一系 列损伤，口服镉盐中毒潜伏期极短，经1 0 - - 2 0m i n 最p 发生恶心、呕吐、腹痛、腹泻等症 状。口服硫酸镉的致死剂量仅为3 0m g 左右。吸收高浓度镉烟雾和蒸气，会发生类似流 行性感冒的症状，严重时经一天多后会发生中毒性肺水肿或化学性肺炎，甚至呼吸困难、 咯血，一周内生命危险。4 0 年代日本某区出现的“痛痛病”( i t a i i t a id i s e a s e ) 使得镉对人体 的毒害引起了世界各国的重视，美国科学家在研究中发现【s 】，金属镉能在体内产生雌激 素作用，从而刺激乳腺组织的发育，可能意味着少量接触金属镉与女性患乳腺癌有着直 接关系。 工业废水中镉的最高容许排放浓度为o 1m g l 一，e u 规定生活饮水c d ( i i ) 离子最高 污染水平( m c l ) 是5l x g l - 1 【9 】，镉的容许含量以人的体重计不得超过0 0 0 7 5m g k 分1 ，每 人每周摄入量不得超过0 5m g ，一般情况下，大多数食品均含有镉，主食( 米、面粉) ： 含镉量小于0 1m g k g 1 ，蔬菜水果中含镉量平均0 3m g k g 1 ( 毛跟年等，2 0 0 4 ) 。所以含 镉废水在排放前必须进行处理，实行达标排放。铜是人体所必须的微量元素，缺铜会发 生贫血、腹泻等病症。但是，过量摄入铜也会产生危害，皮肤接触铜化合物，可发生皮 炎和湿症，在接触高浓度铜化合物时可发生皮肤坏死。抛光工人吸入氧化铜粉尘，可发 生急性中毒，症状为金属烟尘热。长期接触铜尘及铜烟的工人，常见呼吸系统症状。眼 接触铜盐可发生结膜炎和眼睑水肿，严重者可发生眼浑浊和溃疡。铜盐的毒性比铜还大， 1 0g 的铜盐可以使人死亡。水中铜的含量超标时，可刺激胃肠道黏膜并使人呕吐。长期 饮用含铜较高的水可发生急性胃肠炎疾病。铜对水生生物的危害也较大，有人认为铜对 鱼类的毒性浓度始于0 0 0 2m g l - 1 ，但一般认为水体含铜0 0 1m g l 。以下对鱼类是安全 的。铜对水生生物的毒性与其形态有关，游离铜离子的毒性比络合态的铜大的多。世界 范围内，淡水平均含铜3p g l ；海水平均含铜o 2 5p g l 1 。所以含铜废水在排放前必须 进行处理，实行达标排放。 1 2 1 物理法 废水物理处理方法是通过物理作用分离和去除废水中不溶解的悬浮固体( 包括油 膜，油品) 的方法。可以分为废水气液交换处理法，废水沉淀法，废水悬浮法等等。比 如，泡沫气浮沉淀法优点是处理较稀电镀废水中金属离子残留浓度低，操作快，占地少， 适应性强，缺点是处理出水含盐分，油脂高，水资源回用困难。 1 2 2 化学法 废水化学处理法是通过化学反映改变水污染物的化学性质或者物理性质，使它从溶 液交替活悬浮状态转变为沉淀或漂浮状态，或者从气态转为固态，进而从水中除去的废 水的处理方法。比如：氢氧化物沉淀法，利用c a ( o h ) 2 ，n a o h 等，原理是生成氢氧化 镉沉淀，固液分离，操作简单、工艺成熟、投资省、具有较高的经济性和可操作性，缺 点是操作费时，消耗大，易二次污染。 1 2 3 生物吸附法 废水生物处理法是利用微生物的代谢作用去除废水中有机污染物的一种方法，又称 废水生化法。它可以分为需氧生物处理和厌氧生物处理法。例如：还原性菌群的还原降 解作用，调查显示【1 0 】，兼性厌氧菌如脱色假单胞菌、增色假单胞菌等可使溶解的c ， 还原成c r 3 + 。生物絮凝作用，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【】。由于许多微生物具有一定的线性结构，有的表面具有较高的电荷和较强的亲 水性或疏水性，能与颗粒通过各种作用( 比如离子键、吸附等) 相结合【1 2 】，如同高分子 聚合物一样起着絮凝剂的作用。植物吸收作用，植物通过自身的生长生理将吸收的重金 ，属通过呼吸作用经过载体空气扩散，或者是积累到地上可以收割的部分。 在含重金属离子的废水处理方法中，生物吸附法与传统的非生物吸附法相比，其主 要优点在于【1 3 - 1 5 】： ( 1 ) 能有效地将废水中的重金属离子降到非常低的浓度； ( 2 ) 所用的生物材料来源广泛，很多都是工农业的副产物甚至废弃物。例如：死的 和活的细菌、真菌、藻类等微生物细胞以及来自微生物的产物，植物纤维，动物粪便等。 ( 3 ) 吸附量高，吸附速度快，处理或回收效率高。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 4 ) 适应范围广，能在较宽的p h 值和温度( p h 3 _ ，温度仁9 0 ) 范围内进行吸附。 ( 5 ) 生物材料对金属离子的吸附具有选择性；对有效去除目标离子具有优越性。 ( 6 ) 重复利用率高。尤其通过固定化技术将生物材料固定，能够进行多次吸附一解吸 附，从而使生物吸附剂循环利用。 因此，生物吸附技术在处理重金属污染废水和贵金属回收方面有着广阔的应用前 景，具有较好的经济价值和社会效益。越来越多的科学家开始对生物法处理污水给予很 大的关注，而且近期的研究热点主要是在利用活体的和非活体的微生物吸附重金属。 1 3 生物吸附研究进展 生物吸附的概念最早是由r u c h h o f l l l 6 1 在1 9 4 9 年提出的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。就目前来说国内外对微生物吸附重金属有了一定的研究，并在机理上有 一定的进展。如表1 1 所示。 表1 i 微生物处理重金属的技术现状【1 7 】 t a b 1 1m e t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fm i c r o o r g a n i s m s 国名使川菌株 去除离子处理规模 美国酵母菌 u ” 实验研究 加拿大霉菌 u ” 同上 英国 柠檬酸杆菌 c d 2 + 同上 日本阴沟肠杆菌c ，同上 俄罗斯脱色杆菌 c ， 同上 挪威复合功能菌c u 2 + , c d 2 + , z n 2 +已用于小规模的工业生产 n i 2 + ，c r 3 + ，p b 2 + 我国成都复合功能菌 c u 2 + , c d 2 + , z n 2 + 已用于小规模的工业生产 n i ”c r 3 + p b 2 + 1 3 1 重金属与微生物体之间的相互作用 作为重金属吸附剂的微生物分为活体和死体两种，对死体重金属主要是通过被动吸 附的作用黏着于微生物体表面或者是填补在微生物体表面形成的空隙中，通常重金属离 子结合到细菌细胞壁上，这个作用在吸附过程中被称为第一阶段，即是一个被动的物理 吸附过程。对于活的吸附剂而讲，则是以化学吸附和酶促为主，金属离子在这一阶段可 以通过主动运输进入细胞内部，包括运输以及细胞内外的吸附来“提高”本身的金属含 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 量，已经提出的运送机制有脂类过渡氧化，复合物渗透，载体协助及离子泵【1 8 】等。生物 积累是一个主动的过程，它比生物吸附慢的多，是通过生物的新陈代谢伴随能量的消耗 进行的，由于这一过程和细胞代谢直接相关，因此，许多影响生物活性的因素都要影响 它们对金属的吸附效果，这个阶段被称为第二个阶段。习惯上人们将生物吸附和生物积 累通称为是生物吸附。 在生物体内，硬金属离子一般与o h 。、r c 0 0 、和c = o 等含氧官能团形成稳定化 学键，而软金属离子一般与c n 、一s h 、等含氮和含硫基团形成键。硬金属一般形成离 子键，软金属一般形成共价键，在此基础上，n i e r b o e r 和r i c h a r d s o n 根据原子特性和金 属溶液化学性质将金属离子分为三类，即亲氧、亲氮和硫、过渡类，从热力学角度来 考虑三类金属离子对水溶液中官能团的亲和性，可得出金属对生物体中常见官能团的选 择性，如表1 2 所示。 表1 2 金属对生物体中常见官能团的选择 t a b 1 2m e t a lo nt h eb i o l o g yo ft h ec o m m o nc h o i c eo ff u n c t i o n a lg r o u p a ( 类) 亲氧类 l ib en am ga 1kc as er bs ryc sb al af rr a a c c ep rn dp ms me ug dt b d y h oe rt my bl u t hp aun pp u a mc mb kc f e sf mm dn ol r b 类( 亲氮，亲硫类) c u r hp b a g i rp ta u h g t ib i c 类( 过度类) ht ivc rm nf ec on i z ng aa sc di ns n s b 生物体系中常见的官能团 亲a 类金属离子的官能团其他的重要官能团亲b 类金属离子的官能团 fo 。o h h o c l n h 3n 2 h 。i 。r _ c 0 2 。s 0 4 2 。r o s o 。 r n h 2 r 2 n hc os 2 r 2 s ；2 各种生物吸附剂对重金属的吸附及细胞壁结构 2 1 藻类 藻类对大多数重金属有很强的吸附能力，如：绿微藻在悬浮状态下，活细胞对c r 6 + 】最大吸附量为1 2 6 7m g g 1 干物质，干细胞为1 3 1 2m g 9 1 干物质【2 0 】。海草能积累c d 2 + 】c u 2 + 【2 ，马尾藻类海草废生物体能够去除1 0 0 的c d 2 + 和9 9 4 的z n 2 + 【2 2 1 。斜生栅 l 对u 0 2 + 吸附是一个快速而不需要能量的过程，最大的吸附量达到7 5m g g - 1 干物质， - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 能够使铀浓度5 0m g l - 1 降至0 0 5m g l 1 ，u 0 2 + 与c u 2 + ，n i 2 + , z n 2 + , c d 2 + 之间的竞争也很 小2 3 1 ，在吸附锌时，它的吸附量，对锌毒性的耐受能力比另外一种栅藻高【2 4 1 。由于藻 类体积比较大，一般都直接暴露在溶液中，当金属离子游离与溶液中时，与藻类细胞 壁直接接触，藻类细胞壁大多数都是由纤维素的微纤丝形成的网络结构构成，含有丰 富的多糖，木糖，甘露糖，藻酸或者地衣酸。多糖带负电可以通过静电引力与许多金 属离子相结合。藻类在自然界中分布很广，全球已知的藻类有4 万多种，绝大多数的 藻类生长在水体或者是阴暗的墙角，和土壤等表面，由于其种类丰富，容易获取等优 点而被广泛用于水处理等。 1 3 2 2 真菌 许多种类的真菌和酵母在自然界普遍存在，其菌体可以从某些发酵过程中大量得 到。现在记载的菌体大约1 2 万种，如酵母、霉菌等。由于有很高的吸附能力，因此对 其吸附也研究得较为透彻。霉菌和酵母能够吸附和积累重金属，曲霉属的一些真菌菌株 对多种重金属和放射性核素的吸附效果也很好，如酱油曲霉对p b 2 + 和c d 2 + 的去除率分别 为6 9 7 6 和7 2 2 8 ，米曲霉则分别为6 0 6 4 和8 1 3 4 【2 5 之6 1 。无花果曲霉对铅的去除 率可达到9 2 4 4 【2 7 】，无花果曲霉能够很快从溶液中去除u ( x 1 ) ，最大吸附量是4 2 3m g g - 1 生物干重，f e 2 + 的存在对铀的吸附没有影响【2 8 1 ，黑根霉( r h i z o p u sn i g r i c a n s ) 能快速地吸附 a g + 、l i + 、p b 2 + 、c d 2 + 、n i 2 + 、z n 2 + 、c u 2 + 、s r 2 + 、f e 2 + 、f e 3 + 、a 1 3 + 等金属离子，其最大 吸附容量为1 4 0 到1 6 0m g g - 1 干重【2 9 1 。其他的一些真菌，如白腐真菌对铅的吸附量最大 可达10 8 4m g g - 1 ，去除率可达9 5 左右【3 0 1 。烟曲霉妒p 恻，淞矗，l f l 弘f 船) 能够很快地 从水溶液中去除u ，f e 2 + 、f e ”、c a 2 + 、z n 2 + 的存在对它的吸附去除无影响【3 1 1 ，许多真菌 含有几丁质存在于微纤丝束内，类似于纤维素。其它的葡聚糖，如甘露聚唐，半乳聚糖 和氨基葡萄糖可代替几丁质，真菌的细胞壁中含的8 0 0 o - - 9 0 的多糖，在重金属吸附中 起主要的作用。 1 3 2 3 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l x l 0 悟，细菌占其中的大 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配合能力。基于它们的 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阴离子发生相互作用而被固定。细菌细胞外膜上 的结构成分很容易与金属离子发生反应，因而金属离子很容易结合到细胞的表面，如： 芽胞杆菌属的菌株都有强大的吸附金属离子的能力【3 2 1 。用地衣芽胞杆菌r 0 8 吸附p d 2 + ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 4 5m i n 吸附量可达2 2 4 8m g 9 1 【3 3 1 。最大螺旋蓝细菌吸附c d 2 + 时，c d 2 + 和干细胞的最大 吸附量分别可达4 3 6 3m g g - 1 和3 7 0 0m g - g - l 【3 4 1 。用碱提取的极生蓝细菌能够从c d 2 + 溶液 中吸收超过9 0 的c d 2 + ，所吸附的金属可占生物体干重的1 8 ( 质量分数) ，它也能够 从混合溶液中吸附金属离子c d 2 + 、c 0 2 + 、c u 2 + 、n i 2 + 【3 5 】。细菌苏云金杆菌( b a c i l l u s t h u r i n g i e n s i s ) 不仅可用作生物农药，而且经研究表明【3 6 1 ，它对多种金属具有抗性，并且 还是生物吸附的表现型。其它的芽抱杆菌，如b p u m i l u s 、b c e r e u s 等，也对c e ( i i ) 、c o ( i i ) 、 t h ( i v ) 、u ( v i ) 等一系列重金属离子显示出了高亲合性【3 。7 1 。用死芽抱杆菌制成了商业用 途的球状的生物吸附剂a m t - b i o c l a i m ，并已获得了专利。 表1 3 革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞壁化学组成的比较 t a b 1 3t h ec o m p a r i s o no ft h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc e l lw a l lb e t w e e ng r a m - p o s i t i v ea n d g r a m - n e g a t i v eb a c t e r i u m 细菌细胞分为g + 细菌与g + 细菌。g + 细菌的细胞壁较厚( 2 旺8 0n m ) ，但化学组成比 较单一，只含有9 0 的肽聚糖和1 0 的磷壁酸；但g 一细菌的细胞壁较薄( 1 旺1 5n m ) ， 却有多层构造( 肽聚糖和脂多糖层等) ，其化学成分中除含有肽聚糖以外，还含有一定 量的类脂质和蛋白质等成分。此外，两者在表面结构上也有显著不同。磷壁酸又称垣酸， 是g + 细菌细胞壁所特有的成分，约占细胞干重的5 0 。主要成分为甘油磷酸或核糖醇 磷酸。因磷壁酸带负电荷，可与环境中的m 9 2 + 等阳离子结合，提高这些离子的浓度， 以保证细胞膜上一些合成酶维持高活性的需要。 1 3 3 影晌生物吸附的物化因素和生理条件 生物吸附重金属是一个复杂的过程，受到许多物理化学因素的影响，如p h 值、光、 温度、金属离子浓度和共存离子等，也受到一些微生物生理条件的影响，如细胞是活性 或非活性等 1 3 3 1p h 值的影响 对大多数吸附过程而言，系统的p h 值是影响吸附的决定因素。众多研究表明，吸 附通常存在一个最佳的p h 值范围。王亚雄【3 8 】等研究了类产碱单胞菌 ( 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 ) 和藤黄微球菌( m i c r o c o c c u sl u t e u s ) 等菌对c u 2 + 、p b 2 + 的吸 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 附特性，结果表明溶液的p h 值是影响吸附的最主要因素，p h 值为5 一时是吸附c u 2 + 、 p b 2 + 的适宜条件，p h 值过高或过低均不利于吸附。一般说来，p h 不宜过酸或过碱。因 为如果过酸，生物体的细胞壁就会吸附较多的h + ，占据了吸附位点：过碱，则会使金属 形成沉淀，均不利于吸附的发生【3 9 1 。 1 3 3 2 温度和光照 活性生物材料对重金属的主动吸收阶段依赖于能量代谢，所以往往对光和温度非常 敏感。t i n g 4 0 1 等对普通小球藻吸附c d 2 + 的研究表明，在p h 值、温度和浓度等相同的条 件下，在3 5h 内有光时的吸附量为1 1 2m g 季1 ，而无光时的吸附量只有o 8 4m g g - 1 。这 说明光照增强了金属离子的跨膜运输，因为主动运输需要能量。温度对吸附的影响显示 出了与光类似的趋势，说明温度也为金属离子的主动运输提供了能量。而对于非活性生 物量来说，其对金属离子的吸附主要靠表面吸附，温度和光对它的影响不是很大。但一 般说来，在一定温度范围内金属吸附量随温度的升高而升高。 1 3 3 3 共存离子的影响 当吸附体系中存在其它金属