（环境工程专业论文）重金属铅的化学生物固定作用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本研究以磷灰石和乌粪石为研究材料，探讨了两种含磷物质对铅的化学固定 作用；从长兴蓄电厂受重金属污染的土壤中筛选出两株耐铅的微生物，分别为恶 臭假单胞菌和荧光假单胞菌，研究了恶臭假单胞菌对p b 的生物固定作用；然后在 上述研究的基础上初步探讨了微生物矿物重金属的相互作用以及含磷矿物和 固定化微生物对铅的吸附能力，以期为重金属污染水体或土壤的化学生物修复提 供理论依据。 论文通过研究取得了以下主要结果： 磷灰石和鸟粪石对溶液中的铅均有很强的吸附能力。磷灰石对p b 2 + 的吸附是 一个先快后慢的过程，其吸附动力学符合二级动力学方程，二级吸附速率常数 k l ( m i n 。) 为0 9 7 。磷灰石对p b 2 + 的吸附特性可以用l a n g r n u i r 吸附等温线来描述， 饱和吸附量为3 7 7 4 m g g 。p h 值是影响磷灰石、鸟粪石吸附p b 2 + 的重要因素。极 酸性环境磷灰石对铅的吸附作用强于鸟粪石，但p h 4 时，鸟粪石对铅的吸附作 用更强。农作过程施用有机肥将会影响铅的化学固定作用，其中有机肥释放的水 溶性物质对磷灰石的化学固定作用影响较大。 溶液p h 值对恶臭假单胞菌吸附p b 2 + 的能力影响较大，活菌体和死菌体吸 附p b 2 + 的最佳p h 分别为5 0 和4 0 。死菌体对p b 2 + 的吸附主要是不依赖能力代谢 的、快速的被动吸附过程，而活菌体则包括被动吸附和主动吸收两个过程。恶臭 假单胞菌对p b 2 + 的吸附能力随起始浓度的增加而增加。活菌体对p b 2 + 的吸附能力 大于死菌体对铅的吸附能力。活菌体和死菌体对p b 2 + 的吸附等温线可以用 l a n 舯i u r 模型来描述，其相关系数r 2 均可达0 9 8 以上。 磷灰石和重金属都会对恶臭假单胞菌的生长有一定的影响，当磷灰石与重金 属混合加入时，其对微生物的影响要小于重金属单独加入的情况，但大于磷灰石 单独加入时的情况。微生物与磷灰石的混合比例不同，对p b 2 + 的吸附能力不同。 四种不同的吸附剂( i ( 聚乙烯醇与海藻酸钠组成的载体) 、i i ( 磷灰石与微生物的 混合物) 、i i i ( 磷灰石固定化微生物) 、( 以聚乙烯醇、海藻酸钠为载体制成的固 定化微生物) ) 对重金属都有一定程度的吸附，以聚乙烯醇、海藻酸钠为载体制成 的固定化微生物对p b 2 + 的吸附能力最强，并且等温吸附线都可以用l a n g m u i r 模 型来描述。 ， 够浙江大学硕士学位论文 磷灰石、鸟粪石、有机肥均可有效降低铅的有效态。接种耐性微生物在降低 水溶态铅上可能有一定作用，但对有效态铅的影响可能相反，一方面，随着微生 物繁殖，有机肥的分解加速导致有效态增加，另一方面微生物对铅的固定强度较 弱，容易被o 1 mh c l 提取，因此有效态铅浓度反而增加。种植小白菜将导致水 溶态铅有所增加，由于小白菜根际p h 增加，因此根际水溶态铅的增加可能主要 由可溶性物质引起。施入接种微生物的有机肥使分解过程加快，水溶性铅的增加 更为明显。综合考虑水溶态铅、有效态铅以及p h 的结果，本实验认为t 4 、z s ( 磷 灰石和接种耐性微生物的有机肥) 对土壤铅的固定作用较好。 关键词：恶臭假单胞菌；重金属；矿物；吸附；耐性；固定化 i i l 浙江大学硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ec h e m i c a li m m o b i l i z a t i o no fl e a db ya p a t i t ea n ds t r u v i t ew e r e d i s c u s s e d ；t w oh e a v ym e t a l t o l e r a n ts t r a i n s ，p s e u d o m o n a sp u t i d aa n dp s e u d o m o n a s f l u o r e s c e n s ，w e r ei s o l a t e d f r o mt h eh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t e ds o i l si nc h a n g x i n g c o u n t r y , a n ds t u d i e dt h eb i o l o g i ci m m o b i l i z a t i o no fp b ( i i ) t h e no nt h eb a s eo ft h e r e s e a r c hb e f o r e m e n t i o n e d ，t h ei n t e r a c t i o no fm i c r o o r g a n i s m c l a y - m e t a la n dt h e s o r p t i v ea b i l i t yo fp b ( i i ) b yp h o s p h o r i t ea n di m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mw e r e i n v e s t i g a t e d ，w h i c hc o u l dp r o v i d et h e o r yb a s i s f o rt h ec h e m i c a la n db i o l o g i c a l r e m e d i a t i o no fh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t e dw a t e ra n ds o i l t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： t h es o r p t i o na b i l i t yo fp b ( i i ) i nt h es o l u t i o nb ya p a t i t ea n ds t r u v i t ea r ev e r y s t r o n g t h es o r p t i o no fp b ( i i ) b ya p a t i t ei sf a s tf i r s t l y , t h e ns l o wf o l l o w e d ，w h i c hf i t s t os e c o n dk i n e t i ce q u a t i o n ，a n dt h er e l a t i v er a t ec o n s t a n tw a so 9 7 a n dt h eb o u n d c h a r a c t e rc o u l da l s ob er e f l e c t e db yt h el a n g r n u i ri s o t h e r m ，w h i c hh a st h em a x i m u m s o r p t i o no f3 7 7 4 m g g p hi sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e s t h es o r p t i o no f p b ( i i ) b ya p a t i t ea n ds t r u v i t e a p a t i t eh a sb e t t e rs o r p t i o nt h a ns t m v i t ea tv e r ya c i d i c c o n d i t i o n ，b u tw h e np h 4 ，t h ei n s t a n c ei sj u s to p p o s i t e u s eo fo r g a n i cf e r t i l i z e r d u r i n gf a r m i n gw o u l da 位c tt h ec h e m i c a li m m o b i l i z a t i o no fp b ( i i ) ，a n dt h ei n f l u e n c e o fw a t e rs o l u b l em a t t e rr e l e a s e db yo r g a n i cf e r t i l i z e rt oa p a t i t ei sb i g g e rt h a ns t r u v i t e i tw a sf o u n dt h a tt h eo p t i m u np hf o rp b ( i i ) r e m o v a lb yl i v i n ga n dn o n l i v i n g c e l l sw a s5 0a n d4 0 ，r e s p e c t i v e l y t h eb i o s o r p t i o no fn o n l i v i n gc e l l si saf a s ta n d p a s s i v ep r o c e s sw h i c hd o e s n td e p e n do nm e t a b o l i s m ，w h e r e a s ，h e a v ym e t a lc o u l db e a c t i v e l yt a k e nu pb yl i v i n gc e l l sb e s i d e sp a s s i v eb o u n d t h em e t a li o nb i o s o r p t i o nw a s i n c r e a s e da st h ei n i t i a lm e t a lc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d t h eb i n d i n gc a p a c i t yo fl i v i n g c e l li sh i g h e rt h a nt h a to f n o n l i v i n gc e l l t h ea d s o r p t i o nd a t aw i t hr e s p e c tt ob o t h l i v i n ga n dn o n l i v i n gc e l l sp r o v i d ea ne x c e l l e n tf i tt ot h el a n g m i u ri s o t h e r m b o t ha p a t i t ea n dh e a v ym e t a lc a ni n f l u e n c et h ev i a b i l i t yo fr e s t i n gc e l lo f p s e u d o m o n a sp u t i d a ，h o w e v e r , t h et o x i c i t yt oc e l l sw i l ld e c r e a s ew h e nb a c t e r i u ma n d a p a t i t ec o m b i n e dc u l t u r e d t h ec o m p o s i t er a t i o no fm i c r o o r g a n i s ma n da p a t i t ec o u l d 浙江大学硕上学位论文 i n f l u e n c et h ea d s o r p t i o nc a p a c i t i e s f o u rd i f f e r e n ts o r b e n t sh a v ed i f f e r e n ts o r p t i o n a b i l i t i e st op b ( i i ) ，a m o n gw h i c h ，i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mb yp v aa n ds ai st h e m o s te f f e c t i v e ，i n d i c a t i n gt h a ti m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mc o u l db eu s e dt or e m o v e p b ( i i ) i nt h ew a s t e w a t e r a p a t i t e ，s t r u v i t ea n do r g a n i cm a n u r ec o u l da l le f f e c t i v e l yr e d u c et h ea v a i l a b i l i t y o fp b i n o c u l a t e dr e s i s t a n c em i c r o b e sm a y b ed e c r e a s et h ew a t e r - s o l u b l ep bb u t i n c r e a s et h ea v a i l a b l ep b ，o nt h eo n eh a n d ，o r g a n i cm a n u r ec o u l db ed e c o m p o u n d e d b ym i c r o b e ，o nt h eo t h e rh a n dp bc a ne a s l yb ee x t r a c t e db ya c i d t h ew a t e r - s o l u b l ep b w a si n c r e a s e da f t e rp l a n t i n gb r a s s i c ar a p ac h i n e n s i s ，a n db e c a u s eo ft h ep hi nt h e b r a s s i c ar a p ac h i n e n s i sr h i z o s p h e r ew a si n c r e a s e d ，i n d i c a t i n gt h er h i z o s p h e r e w a t e r - s o l u b l ep bm a yb ei n c r e a s e db ys o l u b l es u b s t a n c e i n o c u l a t e dr e s i s t a n c e m i c r o b e sc a ni m p r o v et h ed e c o m p o s a b i l i t yo fo r g a n i cm a n u r e ，a n dt h e ni n c r e a s et h e w a t e r - s o l u b l ep b t a k i n gt h ew a t e r - s o l u b l ep b ，a v a i l a b l ep ba n dp hi n t oa c c o u n t ，i t w a ss u g g e s t e dt h a t t 4 、t 5 ( a p a t i t ea n do r g a n i cm a n u r ew i t hi n o c u l a t e dm i c r o b e s ) h a dt h eb e s tp b i m m o b i l i z e de f r e c t k e y w o r d s ：p s e u d o m o n a sp u t i d a , h e a v ym e t a l ；c l a y ；b i o s o r p t i o n ；t o r e l a n c e ； i m m o b i l i z a t i o n v 浙江大学硕上学位论文 致谢 在本论文即将完成之际，谨对两年来谆谆教导我的导师林琦副教授表示深深 的敬意与谢意。林老师渊博的学识、严谨的治学态度、富于钻研的创新精神、温 和谦逊的仪态，超凡出众的人品，深受学生崇拜与尊敬。 感谢本研究室的林惠荣博士、陈光村博士、于明革博士、王成贤博士、申开 丽博士对实验的帮助并且共同创造了实验室内和谐友好的氛围，不但在试验中， 也从生活上、精神上都给予许多关心与支持。 感谢葆琦蓓博士、杨建军博士、刘磊硕士、朱妙军硕士、冯自松硕士等诸位 同学的帮助和给予的友谊。感谢本科生徐鹏飞同学所作的大量的实验工作。 感谢本科同窗好友们刘晓云硕士、常偬偬硕士、谭宁硕士、范春英硕士、刘 俊青硕士、叶丰硕士等一直以来对实验的建议与支持和给予我的关心与帮助。 感谢室友张杏青硕士、顾盔飞硕士、祝宇慧硕士在生活和学业上给予我的帮 助。 最后谨把此文献给我深爱的父母亲和姐姐，正是他们不断的鼓励和支持，使 我顺利完成学业，在此表示我由衷的感谢! 赵红梅 二零零八年五月于浙大华家池 a 浙江大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 环境重金属污染 重金属污染一般是指比重大于5 或4 ( 主要包括c u 、z n 、c d 、p b 、h g 、c r 、 a s 、n i 、c o ) 的金属或其化合物在环境中所造成的污染【1 1 。在水环境污染研究中 重金属主要是指铅、镉、汞、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属 2 1 ，还包 括具有一定毒性的一般重金属锌、铜、钴、镍等元素。不同重金属对生物的毒性 差别很大，其中铅和镉的毒性比较大【3 】。近几十年来，随着现代工业的发展和城市 生活垃圾的剧增，以及农药和化肥的大量使用，人类赖以生存的土壤、水体、空气 等环境遭到了严重的重金属污染。据统计，全球每年释放到环境中的重金属高达 数百万t ，其中铅为3 4 6 万t ，锌为2 7 6 万t ，铜为1 4 7 万t ，砷为1 2 5 万t ，镉 为3 9 万t ，汞为1 2 万t ，镍为3 4 6 万t 【4 1 。目前，我国受铅、镉、砷等重金属污染 的耕地面积近2 0 0 0 万h a 2 ，约占总耕地面积的i 5 5 】；长江、黄河、珠江和松花 江等水域也有不同程度的重金属污染，其中黄河某段面总汞含量超标高达 1 0 0 6 1 。 重金属进入环境后不能被生物降解，而极有可能参与自然界食物链的循环， 在生物体内富集的同时随着食物链向上递增而呈现生物放大作用。它会破坏生物 体正常的新陈代谢，最终危害人体健康。一方面，重金属是对生态环境危害极大 的一类污染物；另一方面，随着工业的发展，对重金属的使用越来越广泛，从而 造成了重金属资源的相对贫乏。因此，如何有效地回收重金属是当今环境保护领 域中的一个突出问题。 2 铅污染的来源及其危害 由于铅具有熔点低、密度高、抗腐蚀、易于机械加工等特点而被广泛应用于 国民经济各个领域。全世界每年铅消耗约为4 0 0 万t ，其中约有4 0 用于制造蓄 电池，约2 5 以烷基铅的形式加入到汽油中作为防震防爆剂，其它主要用于建筑 材料、电缆外套、制造弹药等方面。这些铅约1 4 被重新回收利用，其余大部分 以各种形式排放到环境中造成污染。工业废水、废渣、废气的排放已成为水体、 土壤和大气中铅的主要污染源。动植物原料、食品添加剂、接触食品的管道、容 浙江大学硕士学位论文 器、包装材料、加工松花蛋用黄丹粉( p b o ) 等，都会引起铅污染食品。饮水中 的铅可能来自河流、井、岩石、土壤、大气沉降和被工业污染的含铅废水，而最 多的还是由含铅管道系统污染的。据统计，来自含铅金属水管的自来水中铅的含 量可高达5 0 r t g l 。道路两旁的谷物、蔬菜、瓜果等农作物受到空气中铅悬浮颗 粒的严重污染。由于铅广泛的存在于环境中，机体可通过食品、饮水、吸烟、呼 吸等途径摄入铅，但人体所摄入的铅主要来自食品。据统训7 1 ，平均每个美国人 每天从食品中摄入的铅量约为0 3 m g 。铅的摄入量取决于食物的摄入量和污染食 品中铅的含量，摄取5 m g k g 体重的铅即可引起人的急性中毒。摄入的铅经消化 道吸收后，可在人体内蓄积。9 0 的铅以不溶性的磷酸三铅的形式存在于骨骼中， 少量蓄积在肝、脑、肾和血液中，生物半衰期一般为1 2 0 d 1 5 0 d ，在骨骼中的时 间更长。蓄积在体内的铅根据其数量、侵害部位、时间长短及机体的敏感性不同 而表现出各种危害。铅可以对造血系统造成危害，引起贫血和溶血。长期摄入铅 后，可引起慢性铅中毒肾病。过量铅的摄入可使中枢神经系统与周围神经系统受 损，引起脑病与周围神经病，出现狂躁、头痛、记忆力丧失、幻觉等症状。儿童 对铅有其特殊的易感性，儿童铅中毒主要表现为生长迟缓、学习低能、精神呆滞、 脑性瘫痪和神经萎缩等。铅中毒还可导致人类死胎和流产，致癌、致突变。 3 重金属污染修复方法 环境中的重金属污染已成为急需解决的重要环境问题之一。随着研究的深 入，治理途径也越来越多，归纳起来主要有物理法、化学法和生物法。 3 1 物理法 物理控制法是一种基于机械物理或物理化学原理的工程技术，包括客土法、 隔离法、淋滤法、热处理法、电化学法、吸附固定法。 3 2 化学法 化学控制法是一种基于污染物土壤地球化学行为的改良技术，是指向污染土 壤、水体中投加改良剂、抑制剂，使重金属离子发生吸附、氧化还原、沉淀和拮 抗等作用，从而降低其生物有效性。包括生物还原法、络合浸提法【8 1 。 这两种方法的原理主要是通过减少土壤表层污染物的浓度，或增强土壤中的 污染物的稳定性使其水溶性、扩散性和生物有效性降低，从而减轻其危害【9 1 。物 ，a 浙江大学硕 学位论文 理化学方法虽然存在诸如投资和运行费用高，易造成二次污染等缺陷，但其适用 范围广、治理效果较好，历时短，方法相对成熟，尤其是化学修复技术。 利用含磷材料对环境重金属污染进行修复，是化学修复中一种极具应用前 景的新型方法。1 9 8 1 年s u z u k i 掣1 0 】发现人工合成羟基磷灰石可用于去除溶液中 铅离子，自此，利用含磷材料对环境重金属污染进行修复，被认为是重金属污 染原位修复的有效方法之一，已在地质、环境、化学和农业等领域，引起广泛 兴趣。 重金属铅是在环境中普遍存在的污染物之一，铅对于人类尤其是儿童，以 及动植物具有较大的毒性。随着环境中铅的浓度的不断增加，开发治理铅污染 的技术变得越来越重要。受铅污染的土壤是暴露于婴儿的铅的主要来源之一。 挖掘法是目前普遍接受的用于清除居住区铅污染土壤的技术，但该方法的成本 很高，并且具有破坏性。另外，土壤挖掘法还需要干净的土壤来源以及污染土 壤的存放 】。因此，对于原位固定土壤中重金属的研究已经引起人们的兴趣， 与传统的挖掘处理处置方法相比，原位固定法处理成本低，对自然景观，水文 条件以及各自的生态系统不具有破坏性。使用廉价的添加剂原位固定土壤中的 重金属，例如，矿物质( 磷灰石，沸石，或者粘土) 或工业过程中产生的副产 物( 包括钢渣，棕闪粗面岩，含铁的生物质) 被认为是一种具有应用前景的， 有效的修复途径。原位修复技术的主要目的是通过物理、化学和生物的方法降 低那些不稳定的以及生物有效性的有毒元素或化合物的含量，使其由活泼形态 向惰性形态转化【12 1 。 目前，在铅污染土壤、水体的原位修复中，所使用的添加剂主要是磷添加 剂，包括天然或人工合成磷灰石、骨粉、无机磷肥或无机磷酸盐等，这些添加 剂已被证明对于对铅污染的环境具有很好的修复效果。 3 2 1 磷添加剂固定铅的机理研究 重金属污染的磷灰石修复研究中，铅最多被涉及，然而到目前为止，对磷 灰石修复铅污染的机理还没有统一的认识，总结起来主要有以下2 种观点： ( 1 ) 认为这是矿物水界面的二维加积吸附作用。持此观点的研究人员认 为，磷矿石对铅离子的表面吸附作用主要是一种离子交换吸附，p b 2 + 首先被吸 附到磷灰石的表面，然后磷灰石中的c a 2 + 与p b 2 + 发生离子交换作用使p b 2 + 被固 浙江大学硕士学位论文 定下来”】。也有人认为除了离子交换吸附之外，尚有表面配位吸附的作用，在 p b 2 + 被吸附到磷灰石表面后，p b 2 + 与磷酸根发生配位作用，生成配位化合物， 从而达到固定p b 2 + 的目的。吸附作用得到了许多宏观数据的支持，如磷灰石的 c 轴方向存在结构孔道，磷灰石对p b 2 + 的去除作用在许多情况下符合l a n g m u i r 等温吸附模型，且滤液中溶出的c a 2 + 数与去除的p b 2 + 数之比往往接近于1 ：l ，相 当于离子交换过程【1 4 1 。 ( 2 ) 认为吸附只是一种辅助机制，p b 2 + 被固定主要通过溶解沉淀机制实现 1 5 】。此 观点认为磷灰石首先在溶液中溶解，并释放出磷酸根离子，而后磷酸根离子与溶 液中的p b 2 + 作用，生成溶解度很低的铅的磷酸盐，从而达到固定p b 2 + 离子的目的。 随着磷灰石溶解沉淀过程，p b 2 + 逐渐取代了磷灰石中c a 2 + 的位置。主要过程可以 用下面的反应式来表示( 以h a p 为例) c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + 1 4 r 一1o c a 2 + + 6 h 2 p 0 4 - + 2 h 2 0 1 0 p b 2 + + 6 h 2 p 0 4 + 2 h 2 0 p b l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + 1 4 h 由上面的反应式可以看出，该机理成立的前提是有h 十的存在，即该机理只 在酸性体系下才适用。大量的实验结果也证明，磷灰石在酸性介质条件下，比 处于碱性介质条件时能更有效降低p b 2 + 的可溶出量，减轻污染。h e t t i a r a c h c h i 等【1 6 盯将污染土壤用2 组不同磷灰石处理方式进行比较，一组在p b 污染的土壤 中，直接加入2 5 0 0 m gp k g i 均重过磷酸钙和磷矿石，而另一组在加入相同量的 重过磷酸钙和磷矿石之前，先加醋酸对土壤进行预酸化，结果发现，后一组处 理较前者更为有效的降低了铅的生物可利用性。 溶解沉淀机理得到了扫描电镜( s e m ) 、x 衍射( x r d ) 等微观证据的支持， 现在越来越多的学者赞成这一机制。 由于磷灰石的溶解需h + 的参与，因此在碱性介质条件时，这一溶解过程受 到很大的抑制，不能与p b 2 + 形成较多的磷酸铅盐沉淀。c h e n 1 7 】等认为，在碱性 介质条件下，水溶性的铅离子会转化为p b 3 ( c 0 3 ) 2 ( o h ) 2 和p b 2 0 f 2 ，他们指出， 根据热力学计算显示，磷氯铅矿在酸性条件下是铅化合物中溶解度最低的，但 碱性条件下，却是铅的碳酸盐与氧化物具有更低的溶解度。还有研究认为，在 碱性条件下，含磷矿物是通过增强表面吸附或配位等作用，来降低植物对铅的 吸收【1 8 】。因此关于磷灰石修复重金属铅污染的机理，不能简单的归结为某一种 4 浙江大学硕士学位论文 作用，在不同的条件下，不同的机理在起作用，或者几种机理同时起作用，它 与p h 值等外界条件密切相关，应该根据具体的情况作具体分析。 3 2 2 影响修复效果的因素 3 2 2 1 含磷材料的类型 研究表明，磷矿物对重金属离子的固定能力与自身的矿物成分以及结构有 关。一般地，磷矿石中磷灰石含量、可溶性p 含量越高，对重金属离子的固定 能力越强。结构方面的研究结果表明，磷灰石结晶程度越低，对水溶液中重金 属离子去除率越高，表现为溶胶凝胶合成的羟基磷灰石( h a p ) 优于水热合 成的h a p ，胶磷矿优于重结晶天然磷灰石( n a p ) 。在实际运用中，为了达到 最佳的修复效果，常将天然磷矿物作预处理使其改性。 3 2 2 2 磷矿物颗粒的大小 颗粒减小，一方面比表面积增大，有利于重金属离子的吸附；另一方面从 溶解沉淀机理的角度来讲，颗粒减小后，溶解速度会加快，有利于缩短平衡 时间，加快修复进度。s b c h e n 等【1 9 1 研究了四种不同粒径( c u f e ( i i ) c d z n n i ， p b 初始浓度较低时c u f e ( i i ) c d z n a i n i t 2 1 1 。 3 2 2 5p h 值 浙江大学硕士学位论文 p h 值不仅影响修复效果，也会影响修复机理：不n p h 条件下，含磷材料 对同种重金属的修复效果与机理不同；m m o u f l i h 2 2 1 等认为在p h 值为5 时，天 然磷矿物去除铅的主要机理为吸附；而s p h 值为2 和3 时，则为溶解沉淀机理， 且去除效率较前者高；n c h e n 2 3 】等的研究结果显示，p h 值对水溶性的铅的吸 收没有显著的影响。相n p h 值条件下，含磷材料对不同重金属的修复效果和机 理也不同。酸性条件( p h s 6 时) 更有利于铅的固定。s a u v e 2 4 】等研究了不n p h 值对水体和土壤溶液中铅的磷酸盐的溶解度的影响，在低p h 值下，p b 更容易 被吸附或反应生成溶解度低的固体沉淀；当p h 值较高时，由于有机质的溶解度 增大，可能与铅发生络和反应，从而导致铅的磷酸盐的溶解，不利于铅的固定。 酸性条件有利于固体铅从污染土壤以及沉积物中溶出，溶出的p b 2 + 被含磷 材料吸附或与含磷材料反应，生成溶解度很低的晶体；酸性条件还是溶解沉 淀机理中，铅离子转化为低溶解度的磷酸铅盐的必要条件。已有试验证明，磷 酸铅盐的形成是一个可以在几秒钟完成的快过程【2 5 1 ，因此溶解沉淀机理中， 固体铅( 女o p b s 、p b c 0 3 ) 和磷灰石的溶解速度，是含磷材料修复污染土壤和 沉积物时的限制因子之一。 3 2 2 6 其他 除以上因素外，反应温度、反应时间以及含磷材料用量等，都会对修复结 果产生一定的影响。m m o u f l i h 2 2 1 等研究了在不同温度( 2 5 c ，3 5 。c ，4 5 ) 下， 天然磷矿物对铅去除效率的影响，结果显示，当温度从2 5 升高至4 5 c 时， 吸收能力增加，表明高温下有利于铅的去除。另外，当所处的环境不同时，其 达到平衡所需要的时间也有所不同，对修复效果也会又一定的影响。 此外，水体中存在的有机物质、配体等，也会对修复效果产生影响。 i r s n e d d o n 等【2 6 1 发现弱的有机酸具有螯合作用，可以与金属离子( j t o p b 2 + ) 发 生反应生成可溶的有机金属复合物，降低水溶液中游离金属离子的活性。 3 3 生物修复法 近年来生物修复法成为研究的热点。 3 3 1 微生物对重金属的抗性机制 微生物在生长代谢中，除了k 、c a 、n a 、m g 等微量元素外，还需要一些具 有特殊生物学功能的微量元素，其中一部分是重金属元素。例如c u 是多酚氯化 浙江大学硕 学位论文 酶的组分并维持羧化酶的功能；z n 是乙醇脱氢酶、r n a 和d n a 聚合酶的组分； c o 参与维生素b 1 2 的组成及微生物与植物的共生固氮作用1 2 7 。微生物能吸收和 转化重金属及其化合物，但是，当环境中重金属浓度增加到一定程度时，它们就 会抑制微生物的生长代谢作用甚至引起死亡。某些非生物学意义的重金属( 如 h 昏c d 、p b 等) ，在低浓度时就有较大的毒性。元素h g 有致突变效应会抑制 生物大分子的合成，停止细胞分裂活动，抑制生物氧化作用；c d 也具有致突变 效应，导致脱氧核糖核酸链的断裂；p b 可造成细胞膜损伤，破坏营养物质的运 输。虽然当重金属超过一定浓度时，对微生物具有毒害作用，但是某些微生物可 以通过生物解毒对重金属毒性产生抗性【2 8 】从而在较高浓度的重金属离子环境中 生存。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减少、毒性减弱并对重金属毒性产生抗性 的生理代谢过程。长期以来，人们从生理学、生态学、生物化学、遗传学和分子 生物学等方面就微生物对重金属的抗性机制及其解毒机理进行了研究，提出了种 种解释，微生物对重金属的抗性机制是非常复杂的，而且环境中的污染源多是几 种金属伴生，微生物对重金属的解毒机理，还有待于深入研究和探讨。 通常微生物抵抗金属离子的毒害，采用三种解毒机制：( 1 ) 通过酶促或化学 反应，将有毒的物质还原成无毒或低毒物质。如h 9 2 + ，微生物对汞的解毒作用 有两步途径。一是通过甲基化作用将h 9 2 + 还原成甲基汞，二是通过有机汞裂解 酶催化有机汞中的碳汞键断裂，再依赖n a d p h 和f a d 为辅酶的二聚体酶一汞 还原酶把无机h 9 2 + 还原成h g o ，( c h 3 ) 2 h g 和h g o 具有挥发性，通过挥发离开细 胞，从而消除重金属对微生物的毒害【2 9 1 。( 2 ) 通过阳离子外流系统促进阳离子排 放。如c d 2 + ，细菌中共发现两种不同的抗镉系统，一种是在金黄色葡萄球菌中 发现的革兰氏阳性细菌对c d 2 + 、z n 2 + 的c a d c a 阳离子外流系统；另一种是在真 养产碱杆菌等发现的革兰氏阴性细菌对c d 2 + 、c 0 2 + 的c z c 系统【3 0 1 。( 3 ) 通过合成 某种螯合剂或结合因子将有毒金属离子螯合成复合物，避免对细胞的毒害，如蓝 细菌，酵母菌，粗糙脉胞菌中的金属硫蛋白。金属硫蛋白是一类广泛存在于生物 中的低分自量、富含半胱氨酸、但不含芳香族氨基酸和组氨酸的能被金属诱导的 金属结合蛋白 3 h 。其生物功能广泛，主要参与微量元素的储存、运输和代谢， 拮抗电离辐射，清除羟基自由基及重金属解毒等多种作用【3 2 1 。一般认为，原核 浙江大学硕士学位论文 微生物对重金属的抗性机制以建立阳离子、阴离子外流系统为主，真核微生物对 重金属的抗性机制以诱导合成金属硫蛋白或重金属螯合肽为主【3 3 1 。 3 3 2 生物吸附研究进展 3 3 2 1生物吸附的概念及其优缺点 。 继震惊世界的“水俣病”( 汞中毒引起) 和“骨痛病”( 镉慢性中毒引起) 之后，人们对重金属的危害有了进一步认识。如何治理受重金属污染的水体、土 壤引起了科学家们的广泛关注。目前，环境重金属污染的修复方法主要有沉淀法、 离子交换法、电解法、活性炭吸附法、反渗透法、电渗析法等【3 4 1 。这些方法在 某种程度上取得了很好的效果，但也普遍存在着二次污染、成本高、处理效果不 理想，特别是对低浓度重金属污染难以处理等问题【3 5 1 。因此，寻求新的处理技 术十分必要。近几十年来，经过科学家们的长期观察和研究发现，细菌、真菌、 藻类等微生物能够吸附金属离子。 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方 面，有着极为广阔的应用前景。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研究的日益深入， 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细胞都可以进行这个 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 m t o c h r i l 【3 6 】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 7 ，3 8 1 。 生物吸附法作为处理重金属污染的一项新技术与传统的重金属污染治理技 术相比具有众多的优势： ( 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 浙江大学硕士学位论文 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 ) 吸附去除率高，吸附速度快； ( 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，且解 吸后的生物体可再次用于吸附； ( 6 ) 特别适合处理低浓度重金属污染。 3 3 2 2 生物吸附的研究现状 1 9 4 9 年r u c h h o f t t 3 9 】利用活性污泥去除水中的放射性元素p u ，他认为p u 的去除 是由于微生物的繁殖形式具有较大的凝胶网而使微生物具有吸附能力的结果。从 此以后，人们陆续进行了利用微生物去除水中重金属污染的研究，但重金属的生 物吸附的真正兴起还是在2 0 世纪8 0 年代。 t s e z o s 4 0 1 利用真菌去除水中的铀；b a r k l y 4 1 】利用藻类吸附有机废水中铜、镉 等金属离子；v o l e s k y 3 4 1 运用海藻进行了吸附柱去除镉的研究，能将流体中的镉 从1 0 m g l 降低到1 5 p p b 水平，去除率为9 9 9 8 5 ；j o s e 4 2 】等用氯化钙对海藻进行 处理后吸附镉，处理后溶液中的镉浓度低于o 1 p p m ；v o l e s k y t 4 3 】等研究了啤酒酵 母对重金属的生物吸附，结果表明：酵母细胞有从稀溶液中吸附重金属的能力， 不论活的或死的啤酒酵母细胞，在其最适p h 4 5 之间时，对铀、锌、铜表现出吸 附作用，但吸附能力不同，生长培养环境对重金属的去除有一定的影响；k u y a c a - k 【删等用褐藻吸附c 0 2 + ，其吸附量达1 5 6 r a g g ；李清彪 4 5 】等研究了白腐真菌对p b 2 + 的吸附，用0 2 m o l l n a o h 溶液预处理菌株后，其对2 5 m g l 的铅溶液吸附达到9 5 以上；宋安东 4 6 1 等用酿酒酵母2 2 0 菌株吸附铅，结果表明，在3 0 。c 时该茵对6 m g l 的含铅溶液有最大吸附率。 l e u n g 等t 4 7 】从活性污泥中分离出1 2 株细菌，并从中筛选出了一株高效吸附 p b 2 + 、c u 2 + 的菌株，其吸附p b 2 + 的最大容量为2 7 1 7 m g g ，c u 2 + n 4 6 8 m g g ，在 p h 2 0 7 o 范围内，吸附p b 2 + 的能力逐渐升高。王亚雄【4 8 1 等用细菌对c u 2 + 、p b 2 + 等 的吸附特性研究表明：类产碱假单胞菌和腾黄微球菌对c u 2 + 、p b 2 + 吸附能力很强， c u 2 + 、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 ；余晨兴4 9 】等研 浙江大学硕士学位论文 究了球衣菌对铅的吸附，发现该菌对铅的吸附是一个快速而非依赖温度的过程， 在适宜条件下，其吸附率可达9 5 6 ，吸附量2 3 9 m g g 。 目前国外已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【5 0 ，5 1 】。 美国恩捷尔特矿物和化学制品有限公司早于1 9 8 1 年就获得用一些真菌将工业废 水中呈溶解状态的金属转化为不溶性金属的专利权。用该专利中所研究的芽枝霉 属、青菌霉属、木霉属、黑色头孢霉属和黑色厚垣孢霉属等真菌回收贵重金属， 必须往处理液中加c a c 0 3 或某些如白云石等含c a 矿物，为真菌生长提供所需部分 营养物，也可使真菌聚集在它们的表面。试验结果表明：用芽枝霉属真菌回收 z n 、r h 、f e 、r u 、a 1 ，回收率在9 4 以上。这些真菌回收废水中的重金属反应 时间只需数小时，处理成本较低，操作简单，适用于酸性废液。b r i e r l y 5 2 1 等人报 道，用m r a ( 一种以微生物为主要材料的金属去除剂) 从珠宝加工厂的金氰化 液回收金，回收率大于9 9 ，回收量达4 3 6 m g g 。a m t - b i o c l a m 工艺利用死的 芽孢杆菌制成球状生物吸附剂吸附水中的重金属离子。在美国已有两个科研机构 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。中科院成都生物所的李福德【5 3 1 、吴乾箐【5 4 1 、赵小红【5 5 1 等在微生物去除电 镀废水中金属离子德基础研究、小试、中试的基础上，设计了微生物处理电镀废 水及污泥的新工艺。工程运行结果表明：该系统稳定、安全、可靠。微生物对废 水组分、金属离子浓度以及p h 的变化适应性较强，对各种金属离子的一次净化 率达9 9 9 ，处理后水中六价铬、钟、镍、镉、c o d 、s s 、p h 和色度等指标均低 于国家污水综合排放标准g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ，且工艺流程简单，投资小，无二次 污染。 3 3 3 生物吸附的机理 微生物对重金属的吸附作用取决于两个方面：一是生物吸附剂本身的特性； 另一方面是金属对生物体的亲和性。近二十年来，不少学者对生物吸附机理进行 了研究，提出了各种各样的机理，如表面络合、离子交换、静电吸附、氧化还原、 微沉淀等【5 6 1 。一般来说，这些机理可以是单独起作用，也可以与其它机理结合 在一起起作用。 3 3 3 1 表面络合 研究表明，细胞壁是微生物吸附重金属离子的主要场所【5 7 1 。细胞壁主要是 l o 浙江大学硕上学位论文 由甘露糖、葡聚糖、蛋白质和甲壳质组成，这些多糖中的氧、氮、硫原子都可以 提供孤对电子与金属离子配位。细胞壁上的许多官能团如羧基、羟基、氨基、巯 基、磷酸盐等都可以与金属离子形成络合物。吴娟 5 8