（环境工程专业论文）棘孢曲霉aspergillus+aculeatus对pb2和cd2的吸附过程的特征.pdf

棘孢曲霉( a s p e r g i l l u sa c u l e a t u s ) 对p b “和c d “的吸附过程的特征 摘要 随着工业、采矿业的快速发展，重金属废水已经成为一类对生态环境危害极 大的工业废水。传统的重金属污染处理方法如化学沉淀法、离子交换法在处理浓 度相对较低的重金属废水时表现出许多局限性，如成本较高、去除效果较差等。 近年来，生物吸附技术由于其优点( 高效，价廉，无二次污染) ，不断发展成为处 理低浓度重金属废水的新技术。目前，生物吸附技术已经存在大量的研究，但大 部分集中于反应条件的研究，其次是利用仪器分析如利用红外i r ，扫描电镜s e m ， 透射电镜t e m 等仪器分析方法研究吸附的机理，但对具体的吸附过程进行分析尚 不多见。 本研究从湖南省岳阳县临湘桃林矿区尾矿土壤中分离到七株菌株，经筛选确 定2 撑菌株为本实验使用菌种，经2 6 sr r n ad 1 d 2 区域扩增及序列测定，鉴定为 棘孢曲霉( a s p e r g i l l u sa c u l e a t u s ) 。本实验将该菌种作为生物吸附剂，将p b ”和c d 2 + 作为吸附质，进行吸附特性以及吸附过程特征的研究。 实验主要研究了棘孢曲霉( a s p e r g i l l u sa c u l e a t u s ) 吸附溶液中p b 2 + 和c d 2 十的 动力学、热力学和吸附等温线以及解吸效率，同时，还研究了p h 值，温度和吸附 时间，重金属离子起始浓度和吸附剂用量对吸附过程的影响以及该菌种在选定培 养基中的生长情况和对p b 2 + 、c d 2 + 的抗性。 实验表明：棘孢曲霉( a s p e r g i l l u sa c u l e a t u s ) 在选定培养基中培养1 2 0 h 达到 生长量最大值，该时间点即为吸附剂最佳收获时间点；p b 2 + 、c d 2 + 对其最低抑制浓 度分别为5 0 0 m g l 和4 0 0 m g l 。在实验设定条件下，棘孢曲霉( a s p e r g i l l u s a c u l e a t u s ) 吸附溶液中p b 2 + 和c d 2 + 的最佳p h 值为5 o ，最佳吸附温度为3 0 ；在 一定重金属离子浓度范围内，吸附量随着重金属离子浓度的提高而提高，并最终 达到吸附最大值；等温吸附过程可以用l a n g m u i r 方程来描述，说明该吸附过程主 要为发生在吸附剂表面的单分子层吸附，方程模拟出棘孢曲霉对p b 2 + 和c d 2 + 最大 吸附量为7 5 8m g g 和6 2 5m g g ，与实验所得最大吸附值( 7 1 2 m g g 和5 9 8 m g g ) 很接近；动力学实验数据可以很好的符合二级动力学方程，吸附达到平衡的时间 为3 h ，说明该吸附过程存在化学过程，方程模拟出的吸附量与实验测得的吸附量 十分接近；热力学实验数据分析得出，该吸附过程为自发的、吸热的过程。 关键词：生物吸附；真菌；铅离子；镉离子 l l a b s t r a c t a l 。n gw i t hm e f a s td e v e l o p m e n to ft h ei n d u s 仃ya n d m i n i n g ，t h eh e a v y m e t a lw a ? e w a t e rh ：b e c 。m e 。n ek i n di n d u s t r i a lw a s t ew a t e r w h i c hh a se 妣r e m e l yh a r m 。n 恤? e c 。1 。g i c a le n v i f 。衄e n t t h et r a d i t i 。n a l h e a v ym e t a lt e c h n 。l 。g i e s ，s u c h a s c h e m i c ，a l p r e c i ；t a t i 。na n di 。n e x c h a n g e ，a r er e l a t i v e l ye x p c n s i v e a n di n e f f e c t i v ee s p e c l a l ：y 1 w h e n lt h ec 。n c e n t r a t i 。no fh e a v ym e t a li 。n s i sr e l a t i v e l yl 。w i nr e c e n ty e a r s ：d u ( t 0 t h ea d v a n t a g e ss u c h a sl 。wo p e r a t i n gc 。s t a n dh i g he 伍c i e n c y o f m o v l n g1 o w c o n c e n t r a t i o nh e a v ym e t a lf r 。mw a s t e w a t e r ，a l s oa n dn 0s e c o n dp o 眦i o m 坼0 8 唧t 1 0 n h a sr e c e i v e dm 。r ea t t e n t i 。n n 。w ，t h e r ea r e m 。r ea n dm 。r es t u d i e s 。nb i o s o r p t i o n ，b u t , 一 m a j o r i t y 。ft h e m a r ed 。i n ga b 。u t t h ei n v e s t i g a t i 。n 。f 。p e r a t i n g c o n d i t i o n s 川a n d m ：h i n ：sb yi r ，s e ma n dt e m e t a l t a f e wo ft h e mi s a b o u tc h a r a c t e r “t h e b i 。s 。r p 1 。n sp r o c e s 文 s t a i l i n 一- 一一ry u e g s e 。v e 。n ，、s _ t ，r 。a ，i ，n sr h a db ce e n 、i ，s o 。l a t e df n r o m t h es o i lo f t a i l i n g si ，n 1 t a o l 1 ，n 。m ol dv v i ：h t h 。e ：( ) u n t y ，】i u n a np 1 ：o v i n c e b y 5 e l e c t i o n , l ! t t ；h 1 1 e e2 s # es t r ：a n i c n e ，w a t h s e t h s e t l 7 d a e i n s 。w o n l e s i d e 。n t i f i e d a s i d e n t i f i c a t i o n o f2 6 sr r n ad 1 d 2g e n es e q u e n c e ， 1 esl l a 儿1 “4 。 。 么芦p e r g z z ，甜s 口c “比口r ：s s 。，也二p r e s e n t s t e u d y ru s e d a s p ! e r g i 。l f u s 。h e a c c u h l a e r a a t c u 。s e r 芝f t ，h h e e a d s o r b e n ta n dp b ( i i ) a n dc d ( i i ) a sa d s o r a t e f o rl n v e s t l g a u o nu1 1 1 。 b 1 删p t l o m i c sa n dd e s 0 r p t i 。nr a t e s 。fp b ( i i ) a n dc d ( i i ) t h ei s o t h e r m s ，k i n e t i c s ，t h e r m o d y n a m l c s a n oo e s u i p m u 严 b i o s 0 删。nb ya s p e r g f 7 f 甜s 俐胁觚w e r e i n v e s t i g a t e d i na b a t c hs y 吼锄! t h e c h a r a 麦e r0 f t h eb i o s o r p t i o n t h ee f f e c t s o fp h i l l i t i a l m 武8 1 幻娜兰：a ：? b i 。m a s sd o s e ，c o n t a c t t i m ea n d t e m p e r a t u r e o n t h eb i o s o r p t i o n w e r 砌s ? 吼警：竺 ：二ta l s 。m a k e d s u r et h ep b ( i i ) a n dc d ( i i ) t 。么印e r g i l l u sa c u l e a t u s m i n i m a l 1 n h i b i t o r y c o n c e n t r a t i 。n ( m i c ) ，a n dt h ea s p g r g i l l 螂口删7 e 觚埘r o w t h i nt h e m e d i u 7 ，1 n 1：+ t h es t u d yf o u n da s p e r g 川“s 倒砌觚g o tt o t h ep e a k 酊m e g 叭2 0 h 1 ： c 。u l dr e s i s t ；b 。f5 0 0 m g la n dc d 。f 4 0 0 m g l ，a n dt h er e m o v i n g o f p b ( i i ，) a n dc d ( i i w a st h eh i g h e s te f f i c i e n c ya tp h5a n d3 0 t h eb i o s o r p t i 。n 。f p b ( i i ) a n dc d ( i i ) 1 0 n s b v 么s 矽口删胁口c z g 口f “si n c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n gi n i t i a l m e 伽c o n n t r a t i o n , a n d 三：c = e 二r a t e d 胁1 1y t h ea d s o r p t i 。nw e r e w e l ld e s c r i b e db yh n g m u 打m o d e 。l , t h 三 b i 。s 。删。nc a p a c i t y o f 却e r g i l l 舢c 砌础如i o m a s s f o rp b ( i i ) a n d c 掣a 8 黑 t 。b e 孔m g ga n d5 9 8m g g ，r e s p e c t i v c l y t h e r e s u l t s o n kk i 眦n 瞄! u d s 1 m e t a li 。n sa t d if f e r e n tt e m p e r a t u r es h 。w e dt h a tt h er a t e 。fa d s 。r p t i 。n f o l l 。w e dt h e i i i 棘孢曲霉( a s p e r g i l l u sa c u l e a t u 曲对p b 2 + 和c d ”的吸附过程的特征 p s e u d os e c o n d - o r d e rk i n e t i c sw e l l ，t h ea d s o r p t i o nr e a c he q u i l i b r i u mi n 3 h t h e t h e r m o d y n a m i c sc o n s t a n t so ft h ea d s o r p t i o np r o c e s ss h o w e dt h a tt h eb i o s o r p t i o nw e r e e n d o t h e r m i ca n ds p o n t a n e o u s k e y w o r d s ：b i o s o r p t i o n ；f u n g u s ；p b ( i i ) ；c d ( i i ) i v 硕十学位论文 插图索引 图2 1 不同培养基中菌体生长量2 6 图2 2 优势菌体的选择一2 7 图2 3 扩增片断凝胶电泳图2 8 图2 4 切胶回收片断凝胶电泳图2 8 图2 5 棘孢曲霉对不同浓度铜离子和锌离子的抗性3 0 图3 1 棘孢曲霉菌的生长曲线3 5 图3 2p h 值对生物吸附的影响3 6 图3 3 吸附剂用量对生物吸附的影响3 6 图3 4 时间和温度对生物吸附的影响3 7 图3 5 重金属离子初始浓度对生物吸附的影响3 8 图4 1l a n g m u i r 方程对生物吸附过程的模拟4 2 图4 2f r e u n d l i c h 方程对生物吸附过程的模拟一4 2 图4 3 二级动力学方程对生物吸附过程的模拟4 4 图4 4 热力学参数方程图4 5 i x 棘孢曲霉( a s p e t g i u sa c u e a t u 曲对p b “和c d ”的吸附过程的特征 附表索引 表1 1 各种传统废水处理技术4 表4 1 二级动力学模拟q 。值和实验测得平衡吸附值4 3 x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：彳酗建日期：砷年勿月) 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 够月如日 红月d 7 日年年 纠叩 期期日日 7恕彻 义7 纱 巧刀i 肠剀 名名 签签 者师作导 硕十学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 水是地球上一切生物和人类赖以生存所必不可少的基本条件，是构成生物体 和生态环境的主要要素之一。然而，随着工矿企业、农业以及畜牧业的发展，随 之排放的各类废水成为一种对生态环境危害极大尤其是对水资源的污染源。目前， 我国约有9 0 以上的城市水域受污染严重，近5 0 的重点城镇水源水质不符合饮 用水水源的水质标准，其中有些水域含有e p a 规定的优先检出物，该类物质对人 体有致癌，致畸，致突变的严重危害。不仅如此，随着经济的快速发展，我国水 资源污染仍呈发展之势：截至2 0 0 5 年底，我国现有的6 6 0 多个城市中仅3 6 4 个城 市拥有不同处理等级的城市污水处理厂约7 0 0 座；全国约1 7 0 0 个建制镇，绝大多 数没有排水和处理设施；再加之城市化水平成倍上升、小城镇加速发展，同时废 污水的处理和回收利用率偏低，污废水的排放量将会数倍甚至十几倍的增加，更 加剧了水资源环境的恶化。 水资源的污染主要是指污染物进入水体中，其含量超过了水体的自然净化能 力，使水质变坏，水的用途受到影响【1 】。水污染不仅直接危害人们的身体健康，影 响生态环境的质量，同时也制约着国民经济的进一步的发展。因此，对水污染的 处理已经引起了人们的高度重视，各国都已开始制定并实施相应的法律法规以及 各项治理措施。其中，重金属废水污染由于重金属的毒性及其通过食物链产生的 生物累积效应会导致极其严重的生态和环境问题而倍受人们关注1 2 j ，如震惊世界的 水俣病及骨疼病就是由于含汞和含镉废水污染所致。 1 2 重金属废水的来源及危害 1 2 1 重金属 重金属是指比重大于5 的金属( 一般指密度大于4 5 克每立方厘米的金属) ， 在自然界中存在的约有4 5 种，一般都是属于过渡元素，如铜、铅、锌、铁、钴、 镍、锰、镉、铬、汞等。 从环境污染方面所指的重金属，实际上主要是指铅、汞、镉、铬以及类金属 砷等生物毒性显著的重金属，也指具有一定毒性的一般重金属如锌、铜、钴、镍 等。目前，最引起人们注意的重金属是汞、镉、铬、铅等，这些重金属随废水排 出时，即使浓度很小，也可能造成很大的危害。 棘孢m 霉( a s p e t g i i i u sa c u l e a t u 由对p b 2 + 和c d 2 + 的吸刚过程的特征 1 2 2 重金属废水的来源 重金属废水，顾名思义，就是指含有重金属的废水，主要来自矿山坑内排水、 废石场淋浸水、选矿厂尾矿排水、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属加工厂酸 洗水、电镀厂镀件洗涤水、钢铁厂酸洗排水，以及电解、农药、医药、烟草、油 漆、颜料等工业。这些废水中重金属种类、含量及其存在形态随不同生产种类而 异，变化很大。例如，汞污染主要来源于化学工业中汞催化剂、汞制仪表( 温度 计) 、汞矿开采冶炼、煤和石油燃料燃烧和有机汞农药等；铅污染主要来自工业废 气、汽车尾气、某些涂料及铅包装饮品，尤其是印刷厂在铅版镀铁、镀锌过程中 产生高含量酸性铅、锌废水；电镀、化工、涂料、塑料、印刷、农药、陶瓷、摄 影等工业都排出不同浓度的含镉废水；皮毛厂、玻璃厂、木材厂、颜料、涂料和 农药厂都排出形态各异的含砷废水；有机合成、农药、染料、橡胶及有色金属冶 炼厂等排出的废水中均含铜【3 】。据报导全球每年因此而排放的重金属高达数百万 吨，其中镉为3 9 万吨、铜为1 4 7 万吨、汞为1 2 万吨、砷为1 2 5 万吨、铅为3 4 6 万吨、镍为3 8 1 万吨；而中国工业废水中重金属的排放量达几千万吨【4 】。此外， 生活污水、垃圾渗滤液、农田废水和酸雨也是重金属的重要来源【5 】。 1 2 3 重金属废水的危害 重金属废水排放到水体以及土壤中会对生态环境和人类造成极其严重的危 害，主要表现在以下几方面【6 】： ( 1 ) 水体中的重金属可在环境中发生生化反应而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； ( 2 ) 水体中的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 上万倍地富集起来，然后通过食物链进入人体，在人体的某些器官中积蓄起来造 成慢性中毒，危害人体健康； ( 3 ) 水体中的重金属除被悬浮物带走的外，会因吸附沉淀作用而富集于排污口 附近的底泥中，成为长期的次生污染源； ( 4 ) 水中各种无机配位体、( 氯离子、硫酸离子、氢氧离子等) 和有机配位体( 腐 蚀质等) 会与水体中的重金属生成络合物或螯合物，导致重金属有更大的水溶解 度而使已进入底泥的重金属又可能重新释放出来； ( 5 ) 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 1o m g l 之间，毒性较强的金属如汞、镉等产生毒性的质量浓度 范围在o 0 1 o 0 0 1 m g l 。 1 2 4 铅( p b ) 的危害 铅被认为是造成罗马帝国亡国的有毒重金属，现已成为渗透到环境各个角落 2 硕l j 学位论文 的重金属污染物。铅及其化合物对人体的很多系统都有毒性作用，可与机体内一 系列蛋白质、酶、氨基酸中的官能团结合，能干扰人体许多方面的生化和生理活 动。急性铅中毒突出的症状是腹绞痛、肝炎、高血压、周围神经炎、中毒性脑炎 及贫血，慢性铅中毒常见的症状是神经衰弱症。 医学上已经证明：少年以及儿童对铅最为敏感，主要表现为智力发育障碍和 长期的脑损伤。铅能引起几乎所有器官系统的紊乱，尤其是神经系统和血液系统。 铅一旦进入脑细胞，将长期积累在那里，把细胞间的冲动传导打乱。铅能干扰血 色素把氧输送到各组织中去，还可能损伤肾脏、心血管、免疫及内分泌系统。铅 中毒还会产生一些模糊不清和混乱的症状，如腹痛、便秘或腹泻、头痛、疲劳、 肌肉疼痛和食欲不振。无机铅是一种代谢毒物和酶抑制剂，而有机铅( 四乙基铅和 四甲基铅) 比无机铅的毒性更强。 1 2 5 镉( c d ) 的危害 在正常的人体代谢中，镉不是人体必需的微量元素。人如果长期摄入被镉污 染的饮水及食物( 粮食、蔬菜、水产品及畜产品等) 或者吸入含镉的气体，会使镉在 机体内蓄积并最终导致慢性中毒。医学证明：镉被高浓度吸入后，临界器官是肺， 主要症状是肺水肿。长期的低浓度摄入镉时，临界器官是肾，主要症状是肾功能 被损害，出现低分子蛋白尿。 众多研究已经证明，镉的毒性很大，主要通过呼吸道和消化道进入人体，进 入人体后主要分布在肾、肝、肺、胰腺和甲状腺内，其次是胆囊、睾丸和骨骼中， 在人体内潜伏期可达1 0 3 0 年。镉在机体类蓄积后，可与含巯基、羧基及胺基等 的蛋白质分子结合，从而抑制一些酶的活性。众所周知的“骨痛病”就是一种典 型的镉公害病，首先发生在日本的富山省神通i i 流域，原因是镉慢性中毒，由于 镉长期滞留体内，镉代替了骨骼中的钙而导致骨质变软，患者长期卧床，营养不 良，最后发生废用性萎缩、并发性肾功能衰竭而死亡。此外，镉和巯基的亲和力 比锌大，故可取代机内含锌酶中的锌，使其失去功能。 1 2 6 铬( c r ) 的危害 铬是人体必需的微量金属元素之一，但吸入过量铬会引起严重的急性或慢性 中毒，甚至癌症【7 1 。六价铬是人类确认致癌物，具有强氧化作用，经吸收进入血液 后，在红细胞内部与生物大分子反应，导致红细胞携带氧的机能发生障碍，引起 内窒息而出现缺氧症状。吸入鼻腔的六价铬直接接触鼻中隔粘膜，其强氧化作用 最初可引起鼻腔瘙痒、干燥、反复出血和结痂，进一步发生鼻中隔溃疡，并逐渐 向深部侵蚀，最终导致鼻中隔软骨穿孔。进入细胞的六价铬还可造成d n a 断裂， 细胞染色体畸变。三价铬进入细胞后，也会与细胞内的核染色体或其它生物大分 子结合，对细胞造成影响。 3 棘孢f f i 霉( a s p e r g i l l u sa c u l e a t u 曲对p b ”和c 的吸附过程的特征 1 3 重金属对其他环境质量的危害 重金属在土壤中大量累积必然导致土壤性质发生变化，从而影响到土壤营养 元素的供应和肥力特性。n 、p 、k 通常被称为植物生长发育必需的三要素，同时 也是非常重要的肥力因子。在土壤被重金属污染的条件下，土壤有机氮的矿化、 磷的吸附、钾的形态都会受到一定程度的影响，这最终将影响到土壤中n 、p 、k 素的保持与供应。 土地受到污染后，含重金属浓度较高的污染表土容易在风力和水力的作用下 分别进入到大气和水体中，导致大气污染、地表水污染、地下水污染和生态系统 退化等其它次生生态环境问题。北京市的大气扬尘中，有一半来源于地表。表土 的污染物质可能在风的作用下，作为扬尘进入大气中，并进一步通过呼吸作用进 入人体。这一过程对人体健康的影响可能有些类似于食用受污染的食物。成都市 郊的农村水井也因土壤污染而导致井水中汞、铬等污染物超标嘣1 。 1 4 重金属废水处理现状 目前，重金属废水处理技术主要可以分为以下三大类吲： 第一类是通过发生化学反应除去废水中重金属的化学方法，包括中和沉淀法、 硫化物沉淀法、铁氧体共沉淀法、电化学还原法等； 第二类是使废水中的重金属在不改变其化学形态的条件下进行吸附、浓缩、 分离的物理方法，包括吸附、溶剂萃取、离子交换等； 第三类是借助微生物或植物的吸附、絮凝等作用去除废水中重会属的生物技 术，包括生物絮凝、生物吸附、植物整治等【l o 】。 1 4 1 传统的废水处理技术 重金属废水成分复杂，处理达标要求又非常严格，致使传统的废水处理技术 ( 即上述的第一和第二类重金属废水处理技术) 各有优缺点【1 卜1 8 】，具体情况如下 表1 1 所示： 表1 1 各种传统废水处理技术 4 硕f 学位论文 5 棘孢曲霉( a s p e r f $ ! l u sa c u l e a t u s ) 对p h 2 + 和c d 2 + 的吸附过程的特征 电解法 吸附法 铁板、铁屑、 n a c l 吸附剂( 活性 碳、硅藻土、 褐煤等) 离子气浮法离子气浮剂 泡孽，于沉霎霉喜霾裂： 淀法 ”磊茹” 吸哎嬖尊气 f 表e c 面1 3 活或性a 剂i c l 、3 、 浮法 ”磊磊。 电解产生f e ”， 将c r 6 + 还原成 c r 3 + 再中和沉 淀，p h 值升高， 重金属离子形 成氢氧化物 表面吸附分离 离子气浮剂与 重金属离子形 成沉淀，再粘 附于气泡上分 离 泡沫气浮剂与 重金属离子形 成络离子，粘 附于气泡上分 离，然后通过 表面活性剂桥 梁作用或直接 粘附于气泡上 浮 加入f e c l 3 或 a 1 c 1 3 形成胶 体，重金属离 子和胶体共沉 淀，再粘附于 气泡上分离， 然后通过表面 活性剂桥梁作 用或直接粘附 于气泡上浮 操作容易、设 备由比较成熟 的经验、处理 后水质稳定、 可以回收有价 金属 操作简便，处 理效果好 产生污泥量 大、电耗大、 废水处理量小 吸附剂使用寿 命短、再生困 难、难以回收 重金属资源 竺竺简兰 田苎 筹翥嘉銮? 蒙 地少，费用低 妥磊昌泛困磊 操作警：费用筹蠢嘉銮? 莱 低 妥磊昌最困嘉 操作长：费用筹翥嘉銮蒙 低 妥磊高困嘉 6 硕j 二学位论文 1 4 2 生物吸附技术 自从日本发生轰动世界的水俣病( 汞中毒) 和骨疼病( 镉中毒) 后，如何治理重 金属废水，已经受到科学家们的普遍关注。但是，传统重金属废水处理技术对含 低浓度重金属废水的处理效果并不十分理想，而且成本偏高，容易造成二次污染。 因此，寻求新的低浓度重金属废水处理技术是十分必要的。 早在1 9 4 9 年，r u c h o f t 引提出用活性污泥去除废水中的p u 2 3 9 去除率可达到 9 6 ，并认为p u 的去除是由于微生物的繁殖形成具有较大面积的凝胶网，而使微 生物具有吸附能力的结果。此后，国外对此进行了广泛的研究，研究表明，许多 微生物如细菌、真菌和藻类对重金属有很强的吸附作用，因此微生物菌体是重金 属生物吸附剂的首选材料。 生物吸附( b i o s o r p t i o n ) 技术是指利用某些生物体对溶液中重金属离子的吸附 作用去除重金属离子的方法呓们，具体来说，生物吸附技术是指利用生物体及其衍 生物来吸附水溶液中的重金属离子，再通过固液两相分离来去除水溶液中重金属 离子的方法。生物吸附技术作为处理重金属污染的一项新技术与其他同类技术相 比具有以下优点呓： 7 棘孢曲霉( a s p e r g j ，嬲a c u e a t u s ) 对p b “和c d ”的吸附过程的特征 ( 1 ) 在低浓度下，重金属可以被选择性的去除； ( 2 ) 处理效率高，廉价，解析速率高，可有效地回收一些贵重金属； ( 3 ) 与水溶液的两相分离应高效、快速； ( 4 ) 投资小，运行费用低，再生时损失量小； ( 5 ) 菌种的来源广泛，特别是可以在被重金属污染地点进行菌种采集并且 筛选优势菌种眩刭。 1 4 3 生物吸附的机理 生物吸附重金属的机理十分复杂，按照是否消耗能量可分为活细胞吸附和死 细胞吸附两种。活细胞吸附又可分为生物吸附和生物积累两个不同的生物化学过 程。吸附过程主要指重金属离子和细胞壁表面活性基团之间通过螯合、离子交换、 静电吸附、无机微沉淀以及共价吸附作用中的一种或几种共同结合的过程。积累 过程主要指细胞表面吸附的重金属离子与细胞表面的某些酶相结合而转移至细胞 内部的过程。死细胞吸附主要为上述的活细胞吸附过程，不包括积累过程。许多 学者认为生物吸附金属的作用主要为吸附过程，积累过程所起的作用非常小【2 3 1 。 p o l i k a r p o v z 在水生生物的放射生态学研究中指出：海洋环境中存在的核材料可通 过“直接从水中吸附 而由海洋微生物吸附。他指出上述过程与细胞的生命功能 关系不大，不管是活的还是死的，许多微生物都具有同样好的吸附性质。同时， 他指出使用死的微生物细胞的优点是微生物的繁殖与应用可以分开进行，从而更 好地控制生物吸附剂对重金属离子的吸附。 生物吸附重金属离子的作用机制主要取决于两个方面：一是生物吸附剂的性 质，不同的生物体( 如藻类、真菌、细菌) 细胞壁成分的差异决定了其吸附重金 属离子的机理不同。另一个是重金属对生物体的亲和性，溶液中重金属离子的种 类和状态也影响重金属离子在细胞表面的吸附过程。 人们对微生物吸附重金属的机理的认识仍处在初级阶段，但已有越来越多的 科学工作者开始关注生物吸附的机理，从而对这一复杂的生物物理化学过程有更 加深刻的本质认识。下面是可能存在的几种作用。 1 4 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相互作用特性。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宫能团配位结合，这些官能团有： 梭基、醛基、酮基、羟基、咪哇基、氨基、亚氨基、磷酸根、硫酸根、酚、酞胺 丝【2 4 - 2 6 】 口o 硕士学位论文 g u i b a l 等【2 7 】研究表明，真菌a n i g e r p c h r y s o g e n u m 和m m i e h d 的细胞壁主要 含有聚氨基葡萄糖和糖蛋白纤维，铀酞离子在细胞上的吸附导致了氨基或酞胺基 红外吸收峰强度的降低，这表明铀酸离子主要与细胞壁上氨基发生配位络和。为 了证明这一点，研究了铀酞离子在聚氨基葡糖上的吸附，吸附铀酞离子聚氨基葡 糖光谱出现了类似的变化。a k s u 研究发现【2 8 1 ，普通小球藻对铜的吸附是金属与细 胞壁多糖中的氨基和梭基的络和吸附。w a n gj i a n l o n g t 2 9 1 研究了s a c c h a r o m y c e c e r e v i s i a e 对c u 2 + 的吸附结果表明，在吸附过程中，氨基和梭基是吸附的主要官能 团。 1 4 ，3 2 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。离子交换是指与细胞表面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、铵、镁、钙则不 被吸收 3 0 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间的定量和交 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， 这还有待于进步探索。 b r a d y 等【3 1 】研究了非活性根霉对s r 、m n 、z n 、c d 、c u 和p b 的吸附，发现有 c a ”、m 9 2 + 和h + 离子从生物体上被置换下来进入溶液，且吸附量越大，释放出来 的c a 2 + 、m 9 2 + 和h + 离子总量也越大，交换下来的离子总量与被吸附金属离子的总 量相比只是很小的一部分，说明离子交换并非主要吸附机理。吴涓、李清彪等【3 2 】 研究黄孢原毛平革菌吸附铅离子时，发现吸附前含铅溶液中测不出c a 2 + 和m 9 2 + ， 但在吸附后的溶液中发现它们的浓度分别达到了0 。1 3 m g l 和o 2 1 m g l ，但c a 2 + 、 m 9 2 + 与p b 2 十之间的这种离子交换并非1 ：l 的关系，通过离子交换而结合的p b 2 + 在 整个吸附中仅占一小部分，约1 0 。这一现象说明吸附中确有离子交换机理的存 在。 1 4 3 3 氧化还原机理 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。 刘月英等人用等离子体原子发射光谱( c i p ) 、x 射线光电子能谱( x p s ) 和透射电 镜( t e m ) 等技术研究贵金属的微生物吸附，发现巨大芽孢杆菌d 0 1 洗涤细胞【3 3 】和 金霉素链霉菌废菌丝体【3 4 1 可使a u 3 + 还原为a u ，并形成不同形状和大小的金晶体； 9 棘孢曲霉( a , s p e r g f l l u sa c u e a t u s ) 对p b “和c d 2 1 的吸附过程的特征 地衣芽孢杆菌r 0 8 死菌体不但能吸附p b 2 + 而且能使p d 2 + 还原成p b 3 5 1 。h o s e a 3 6 】 等发现普通小球藻( c h l o r e l l av u l g a r i s ) 对a u 3 + 有很高的亲和力，且可用硫脲来解吸 被吸附的金离子，但硫脲只与a u + 络合，光谱分析也证实只有a u + 从细胞上解吸下 来。随着时间的延长，又发现细胞上有单质金存在，此时用硫脲也只能解吸1 2 金。这说明吸附在普通小球藻上的a u 3 + 先被还原为a u + ，然后又被还原为单质金。 1 4 3 4 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 k y 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 e ) 吸附c d 2 + ，通过能谱仪的分析得知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镉的磷酸盐沉淀物，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”( 如甘油磷酸醋) 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。 易水解而形成聚合水解产物的金属离子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 e ) 细胞上的吸附研究表明， 钨是沉积在细胞表面，并且形成0 2l x 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【3 7 】。 1 4 3 5 静电吸附机理 有研究发现存在这样一类吸附情况：生物吸附和范德华力有关联。真菌 r h i z o p u sn i g r i c a n s 的细胞壁主要含有氨基己糖和蛋白质，r s u d h a b a i 等通过红 外光谱分析发现，铬酸盐离子在其细胞壁上的吸附导致了氨基红外吸收峰强度的 的显著降低，这是由于在溶液p h 值为2 的条件下，氨基大量电离，形成带正电荷 的表面。而铬酸盐阴离子通过静电作用就被吸附在细胞壁的表面，这种假设被 r h i z o p u sn i g r i c a n s 的化学改性实验迸一步证实【3 8 】。而且，静电吸附作用已被证明 是细菌z o o g l o c a r a m i g e r a 和海藻c h l o r e l l av “l g a r i s 吸附铜的原因【”】。李清彪等人 在研究气单胞菌吸附a 矿和 a g ( $ 2 0 3 ) 2 3 。的过程时发现，菌粉吸附a g + 的最佳p h 值为4 - - - 6 ，吸附 a g ( s 2 0 3 ) 2 3 - 最佳p h 值为2 ，且两者吸附量随p h 值变化的趋势 截然相反，从而推测在气单胞菌的吸附过程中存在静电吸附【4 0 1 。 1 4 3 6 活细胞和死细胞的生物吸附 生物吸附重金属的机理十分复杂，活细胞和死细胞的吸附机理并不相同。活 细胞吸附分为两个阶段。第一阶段为生物吸着过程，与代谢无关，在此过程中， 金属离子可能通过配位、络和、离子交换及微沉淀等作用中的一种或几种复合至 1 0 硕士学位论文 细胞表面。在此阶段中金属和生物质的作用较快，典型的吸附过程数分钟即完成； 第二阶段为生物积累过程，在此阶段中金属将被运送至细胞内。已提出的金属运 送机制有脂类过渡氧化、复合物渗透、载体协助及离子泵等。生物积累过程和细 胞代谢直接相关，微生物体内积累的重金属可超过本身重量的几倍。死细胞对重 金属的吸附相当于活细胞吸附的第一阶段，即生物吸着作用。理论上，与死细胞 相比，活细胞最终吸附的重金属量大，但由于高浓度重金属离子的存在，生物细 胞的代谢受到抑制，使得活细胞吸附的第二阶段进行缓慢，有研究发现死细胞能 以相等甚至更高的效率吸附重金属，从而解决了由于高浓度重金属离子对活生物 毒性作用而使其应用受到了限制的问题。一些学者研究了啤酒酵母对铜的生物吸 附，结果表明：活酵母对二价铜的吸附分为两个阶段，开始的快速表面吸附阶段 和接下来的细胞内富集阶段；死酵母对铜和活酵母对镉、铅的吸附仅仅通过表面 作用【4 1 4 2 1 。m a r a n o ne e t a l 4 3 1 利用假单孢兰绿藻( p s e u d o m o n a s a e r u g i n o sp u 2 1 ) 制备 了两种生物吸附剂，一种是用死的生物细胞制备的，一种是用活的生物细胞制备 的。试验结果表明，两种假单孢兰绿藻细胞对重金属离子p b 、c u 、c d 都具有很大 的吸附能力，活的生物细胞比死的生物细胞吸附能力大。v o l e s k y 4 4 】等使用啤酒菌 吸附水中的u 、z n 、c u 、c d 金属离子，试验结果表明活的和死的啤酒菌对重金属 的吸附容量都是u z n c d c u ，死的啤酒菌吸附u ，z n 的容量大于活的啤酒菌。 死的啤酒菌吸附u 的能力可达o 5 8 m m o l g ( 干细胞摩尔比) ，吸附z n 的能力可达 o 5 6 m m o l g ( 干细胞摩尔比) 。l e a hc s t a n l e y 等【4 5 】用细菌s t a ph y l o c o c c u ss p 处理废 水中的铜的试验表明：活细胞和死细胞都能有效的吸附铜，活细胞的吸附能力略高 于死细胞。目前国外己经有使用死的微生物制成生物吸附剂去除水中重金属的专 利，例如：a m tb i o c l a i m 工艺就是利用死的芽抱杆菌制成球状生物吸附剂吸附 水中重金属离子。在美国已有两个科研机构研究提供商业用途的生物吸附剂，一 个是以废弃的微生物为对象，另一个是以藻类为对象。 1 4 4 生物吸附平衡 1 4 4 1 单离子吸附平衡 在生物吸附的起始阶段，细胞上被吸附的离子与溶液中的重金属离子快速形 成平衡，这种平衡可以用吸附等温线来描述。常用的吸附模型有l a n g m u i r 和 f r e u n d l i c h 等温吸附模型。l 型吸附模式是常用的描述吸附体系中金属离子吸附 量与溶液中金属离子平衡浓度之间关系的平衡式。f 型吸附等温式是基于吸附质 在多相表面上的吸附建立的经验吸附平衡模式。e n e i d a 等研究马尾藻类海革对 c r 3 + 的吸附，采用l 型和f 型吸附模式拟合，实验结果与预测结果的误差分别为 3 矛1 3 4 。非竞争性的l a n g m u i r 模型和f r e u n d l i c h 模型都可以适用于短时间的单 组分重金属的吸附。然而l a n g m u i r 模型是根据气固二相间的单分子层吸附的假设 棘孢f n 霉( a s p e r g 1 u sa c t l l e a t u s ) 对p b 2 和c d “的吸附过程的特征 而推导得出的，且每个吸附空位能量相同，相邻吸附分子间无相互作用力。而 f r e u n d l i c h 模型是一个半经验方程，对于液固两相间的吸附过程缺乏实际的物理 意义。而且，两者对于实验条件的变化都是敏感的，一旦p h 值或其他条件变化， 其模型参数则要作相应的改变。为此，s c h i e w e r 基于质子金属离子交换机理提出 质子金属离子交换吸附模型。该模型考虑到碳原子和硫原子两个吸附位，其平衡 方程类似于多组分l a n g m u i r 模型方程式。它的优点是能够弥补系统中p h 条件变 化所带来的影响，拓宽了应用范围。c r i s t 分别用离子交换模型和l a n g m u i r 模型 来模拟吸附过程，经比较发现l a n g m u i r 模型并不适用于表达低平衡浓度的生物吸 附过程。但离子交换模型也存在某些缺点，它引入了较多的参数，使方程复杂而 难以处理、不直观。k i n g 基于表面络合机理，采用表面活性位数和平衡常数作为 参数，建立了表面络合模型，正确地预测了p h 值对于吸附的影响，并且能