重金属的生物处理技术课件

重金属的生物处理技术

重金属具有生物摄取的富集积累性。水生生物在体内富集的重金属浓度可达周围环境介质中浓度的数百至数万倍，沿食物链逐渐转移，同时在生物内脏长期积累，达到后呈现毒性。因此，微量、痕量重金属即具有潜在的危险性。

一、生物吸附原理1.生物吸附与生物累积

通常所说的生物吸附仅指失活微生物的吸附作用，而微生物活细胞去除金属离子的作用一般称为生物累积。生物吸附主要是生物体细胞壁表面的一些具有金属络合、配位能力的基团起作用，如巯基、羧基、羟基等基团。这些基团通过与吸附的金属离子形成离子键或共价键来达到吸附金属离子的目的。

生物累积主要是利用生物新陈代谢作用产生的能量，通过单价或二价离子的转移系统把金属离子输送到细胞内部。2.生物吸附原理

大多数类型的生物对重金属的吸附随金属溶液pH下降明显减少。重金属主要被生物中的离子置换。典型的金属吸附与pH的关系表明藻类的弱酸性羧基和真菌细胞壁是吸附金属离子的主要成分。根据近来的理论，生物吸附可看作天然的主要含酸性和碱性基团的离子交换物质，它遵循酸碱平衡理论。二、生物吸附剂1.生物吸附剂的选择★吸附和解吸速率快；★生产成本低，可重复使用；★

具有理想的粒、形状、机械强度，便于在连续系统中使用；★与水溶液的两相分离应高效、快速、

廉价；

★具有选择性；★再生时吸附剂损失量小，经济上可行。2.生物吸附剂的预处理酸、碱处理热处理碱处理可以去除细胞壁上的无定形多糖，改变葡聚糖和甲壳质的结构，从而允许更多的重金属离子吸附在其表面上。同时NaOH可以溶解细胞上一些不利于吸附的杂质，暴露出细胞上更多的活性结合位点，使吸附量增大。此外NaOH

还可以使细胞壁上的H+离子解离下来，导致负电性官能团增多，吸附量也会增大。三、生物吸附的影响因素1.pH当溶液的pH值很低时，H3O+会占据大量的吸附活性位点，从而阻止阳离子与吸附活性点的接触，导致吸附量的下降。但是pH值过高也不利于生物吸附。2.温度3.离子强度目标金属离子以外的其他金属阳离子对生物吸附的影响主要体现在竞争吸附效应上。4.竞争吸附多种离子共存状态下的生物吸附性能硬离子软离子

边缘离子（1）同类金属离子间发生显著的竞争吸附；（2)不同类的金属离子间的竞争吸附效果不明显；（3）其他类离子对边缘离子的吸附有一定影响。四、重金属阴离子的生物吸附

由于许多剧毒金属（Se、Cr、Mo等)以阴离子形式存在，所以阴离子的生物吸附正引起人们的关注。例如，用壳聚糖颗粒去除MoO42-的研究，吸附量达700mg/g。五、重金属污染的植物修复

植物修复是利用植物去除环境中污染物的技术。很多研究表明利用适当的植物不仅可去除环境的有机污染物，还可去除环境中的重金属和放射性核素。植物对重金属污染位点的修复有三种方式：1.植物固定利用植物及一些添加物质使环境中的金属流动性降低，生物可利用性下降，使金属对生物的毒性降低。植物固定并没有将环境中的重金属离子去除，只是暂时将其固定，使其对环境中的生物不产生毒害作用，没有彻底解决环境中的重金属污染问题。2.植物挥发利用植物去除环境中的一些挥发性污染物，即植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质，释放到大气中。由于这一方法只适用于挥发性污染物（汞、硒等），应用范围很小，并且将污染物转移到大气中对人类和生物有一定风险，因此它的应用将受到限制。3.植物吸收

植物吸收是利用能耐受并能积累金属的植物吸收环境中的金属离子，并将它们输送并贮存在植物体的地上部分。植物吸收需要能耐受且能积累重金属的植物。能用于植物修复的最好的植物应具有以下几个特性：①即使在污染物浓度较低时也有较高的积累速率；②能在体内积累高浓度的污染物；③能同时积累几种金属；④生长快，生物量大；⑤具有抗虫抗病能力。

第五节有害有机污染物的现代生物处理技术一、有害有机污染物降解的生态学基础二、氯代烃类降解三、农药降解四、石油污染物治理一、有害有机污染物降解的生态学基础1.微生物种群的协同作用

在对有害化合物降解的研究中，逐渐发现混合培养比纯培养具有潜在的优势。在将有害有机物彻底矿化为CO2（好氧条件下）或CO2、CH4、H2S、N2（厌氧条件下）时，混合培养就显得更为重要。2、微生物菌群的生态学地位依据不同的代谢作用，可以将微生物群落分为7种：①提供特殊营养物；②去除生长抑制产物；③改善单个微生物的基本生长参数（条件）；

④对底物协调利用；⑤共代谢；⑥氢（电子）转移；⑦提供一种以上初级底物利用者。

二、卤代烃类降解1.卤代有机物在好氧混合培养条件下的生物降解（1）卤代芳烃卤代芳香化合物的生物降解是指其芳香环开裂形成中间代谢物及其有机卤素的矿化。生物降解的唯一重要限速步骤是卤素取代基从有机化合物中的脱除，它主要通过以下两种途径发生：

在降解的初期通过还原、水解或氧化分解去除机理消除卤素；

生成非芳香结构产物后通过自发水解脱卤或β-氧化消去卤化氢。

先脱卤后开环图6-5-13-和4-氯苯甲酸的水解脱氯

先开环后脱卤

图6-5-2开环后脱卤素

（2）卤代脂肪烃卤代脂肪烃的氧化模式主要有以下两种：

利用烷烃的细菌通过加氧酶将分子氧引入到有机分子中。

一些能以卤代脂肪烃为唯一碳源和能源的微生物以这类化合物为初始底物代谢。

图6-5-3氯代烷烃的微生物降解2.卤代有机物在厌氧混合培养条件下的生物降解

（1）卤代芳烃

氯代苯甲酸

氯酚类

氯苯类图6-5-4五氯酚（PCP)厌氧混合培养条件下脱氯与降解的假设途径（2）卤代脂肪烃起始步骤是还原脱卤。与卤代芳香族化合物不同，卤代脂肪族化合物在还原过程中可以失去一个或两个以上卤原子，失去两个卤原子的机理包括与双键相邻的两个卤原子的脱除。三、农药降解1.农药分子结构与微生物降解的关系现代农业的发展建立在大量化学合成农药广泛使用的基础之上。各种化学农药的共同特性是：

有毒性；

比较稳定，不易分解，与足够长的有效期；

不易溶于水，具有脂溶性。

进入环境中的农药有些是可以生物降解的，如有机磷农药。有些则是难以生物降解的，如有机氯农药。环境因子，如土壤的pH、温度、含水量、有机质含量、粘度及气候等均影响农药的降解。1.农药分子结构与微生物降解的关系图6-5-52,4-D、2,4,5-T苯胺灵、毒草胺的分子结构

化合物

时间/周邻位间位对位氯苯酚甲氧酚甲基酚硝基酚苯酚32①171712①131表1具有不同取代基的苯酚完全降解所需的时间①

：八周后仍存在

2.农药浓度与微生物降解的关系农药的种类不同对微生物的影响不同。农药的浓度同样影响其生物降解。有些农药在低浓度范围时对微生物是无毒害的，甚至可以刺激某一类微生物的生长。但在高浓度时，一般均会影响土壤中微生物的代谢活性。3.降解农药的活性微生物在已分离到的降解不同农药的微生物中，大多数含有降解性质粒。目前，除了从土壤中分离高效活性降解菌外，研究热点开始集中在用基因工程技术定向选育遗传工程菌株方面。四、石油污染物治理1.生物降解（1）石油组分的生物降解

烷烃

芳香烃图6-5-6烷烃好氧代谢途径图6-5-7