（核技术及应用专业论文）微生物对241am的吸附行为及机理研究.pdf

微生物对2 4 1 a m 的吸附行为及机理研究 核技术及应用专业 研究生刘宁指导教师赵鹏骥 微生物对金属元素或放射性核素的吸附行为及应用的研究是目前国内外十 分活跃的研究领域。但到目前为止，绝大多数研究还处于实验室阶段。此外，由 于微生物种类的广泛性、多样性以及金属水溶液化学的复杂性，对于其吸附机理， 迄今还没有形成一个完整、详细的理论体系。而有关微生物对锕系和裂变元素等 的吸附行为及机理，以及在此基础上进行的这些元素或核素在微生物存在下、特 别是在处置环境中的化学及迁移行为的研究才刚刚开始。而目前国内还没有这方 面的正式报道。显然，开展这方面的研究不仅具有重要的科学意义，也具有诱人 的应用前景。 镅( a m e r i c i u m ，a m ) 为超铀元素，有近= 十种同位素或同质异能素 ( 2 3 2 2 4 7 a m ) ，均为放射性核素。其中2 4 1 a m ( t 1 ，2 = 4 3 3 年，e 。t = 5 4 8 6 m e v , 8 6 6 ； 5 4 4 3 m e v , 12 3 ：e ，= o 0 5 9 6m e v , 3 5 ) 为核技术中常用的靶材料，同时在工业、 科研上也具有广泛用途。如宾馆、医院、会务中心等使用的火灾报警器目前绝大 部分都使用”1 a m 源。但因其半衰期较长，且放出射线，因此对人体的危害较 大，在放射性同位素毒性分组中“1 a m 属于极毒组核素。a m 进入人体后，主要 滞留在骨骼和肝脏，其放射性废液的排放标准仅为1 0 b q l 。为此世界各国对含 2 4 1 a m 放射性废液的去污和处理都极为重视，并进行了大量的研究。但迄今仍未 找到公认的可行办法。 本论文在大量文献调研的基础上，在国内外首次系统地开展了微生物对 a m 的吸附行为及机理研究，取得了一系列研究进展。 针对2 4 1 a m 中低放废液、特别是2 4 1 a m 火灾报警源的生产与回收过程中产生 的废液，系统地考察了啤酒酵母、假丝酵母、少根根霉和黑曲霉等四种微生物对 2 4 1 a m 的吸附行为、特别是各种反应条件对吸附的影响。结果表明： 1 ) 自由啤酒酵母、假丝酵母、少根根霉和黑曲霉对2 4 1 a m 均具有显著的吸 附能力。在起始浓度c o 为5 6 m b q - 1 1 1 m b q f l 的2 4 1 a m 溶液中，除假丝酵母外， 其它微生物的平均吸附率达9 7 。少根根霉、黑曲霉、假丝酵母对2 4 1 a m 吸附量 w 分别为w a , n a y - - 4 2 m b q - 7 9 4 m b q g 干重，w ( _ - - 尸6 2 2 m b q - 1 2 4 4 0 m b q g 干重 和w ( 鲁t _ 4 ) - - 6 6 2 m b q 一6 3 4 5 m b q g 干重；而啤酒酵母在起始浓度c 。为 2 2 2 m b q l 一5 5 5m b q l 的“a m 溶液，吸附量w 可达o 9 4m b q g - 2 3 7 9m a q g 干 重。 2 ) 上述四种微生物对2 4 1 a m 的吸附是一个与酸度或p h 密切相关，且比较快 速的生物吸附过程。但不同微生物对州a m 吸附的最适宜酸度范围有所不同。 3 ) 上述微生物吸附2 4 1 a m 的行为可用f r e u n d l i c h 公式或l a n g m u i r 公式进行描 述。其中，黑曲霉、啤酒酵母、少根根霉对2 4 1 a m 的吸附既符合f r e u n d l i e h 经验 公式，也可用l a n g m u i r 公式进行描述。而假丝酵母对2 4 1 a m 的吸附则更符合 l a n g m u i r 经验公式。 利用海藻酸钙等为载体包埋固定啤酒酵母和少根根霉，进一步考察了固定化 微生物对2 4 1 a m 的吸附行为及其影响因素，并用固定化的啤酒酵母和少根根霉对 来自于中国工程物理研究院核物理与化学研究所5 0 6 工号废水池的a m 废液进 行了初步的实际处理研究，发现： 1 ) 用海藻酸钙固定化的啤酒酵母和少根根霉不仅仍然保持了自由微生物对 2 4 1 a m 良好的吸附效果，且具有p h 适宜范围增大、可进行多次重复吸附、有利于 批槽式或上柱连续操作等特点。与自由微生物相比，更适合于实际废液的处理应 用。 2 ) 用固定化的少根根霉处理“a m 实际工艺废液，通过四次吸附可使a m 废液的剩余放射性活度由原始的8 6 0 5 b q l 降至o 9 5 7 b q l ( 总a 放射性) ，低于 污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中规定的a 放射性1 b q l 的排放标准。 而固定化啤酒酵母也可使这一数据降至1 2 3 5 b q l ，接近排放标准。 通过对啤酒酵母和少根根霉的化学或生物预处理，并以e u 3 + 和n d 3 + 替代 2 4 a m 进行有关红外光谱吸收、电镜观察及背散射( r b s ) 等分析，对微生物吸附 2 4 1 a m 的机理进行了初步探讨，结果显示： 1 ) 啤酒酵母或少根根霉对2 4 1 a m 的吸附不仅发生在细胞壁，细胞内部的基 团也有作用。其中，与完整细胞相比，啤酒酵母的细胞壁、原生质和细胞膜对2 4 a m 仍然具有显著的吸附能力。而对于少根根霉，虽然没有合适的消化酶得到其原生 质和细胞膜，但其细胞壁对2 4 1 a m 的吸附率甚至比完整细胞还要高。 2 ) 啤酒酵母或少根根霉吸附州a m 的行为是一个比较复杂的生物吸附过程， 主要涉及2 4 1 a m 与h + 、c a 2 + 等的离子交换、与几丁质基团、蛋白质基团或羧基的 络合作用以及在细胞壁的静电吸附，并且可能存在其它的机理。 论文的主要创新点体现在以下几方面： 1 ) 在国内外首次系统地开展了微生物对2 4 1 a m 的吸附行为及机理研究，其中 将假丝酵母和黑曲霉用于2 4 1 a m 的吸附研究为国内外首次报道。 2 ) 首次用f r e u n d l i c h 公式或l a n g m u i r 公式对啤酒酵母、假丝酵母、少根根霉 和黑曲霉四种游离微生物吸附2 4 1 a m 的行为进行了描述。 3 ) 首次用固定化的啤酒酵母和少根根霉对火灾报警源的生产与回收过程中产 生的a m 废液进行了实际处理研究。 4 ) 首次开展了啤酒酵母或少根根霉吸附2 4 1 a m 的机理研究。其中，首次考察 了吸附过程中溶液p h 的变化、微生物培养时间对吸附”a m 的影响、微生物不 同部位对2 4 1 a m 的吸附性能、化学预处理等对微生物吸附2 4 1 a m 的影响，并首次 用背散射分析( r b s ) 等对吸附前后的微生物进行了分析测量。 5 ) 首次提出了微生物吸附2 4 1 a m 的机理。认为：微生物吸附2 4 1 a m 的行为是 一个比较复杂的生物吸附过程，主要涉及川a m 与w 、c a 2 + 等的离子交换、与几 丁质基团、蛋白质基团或羧基的络合作用以及在细胞壁的静电吸附，并且存在其 它机理的可能。 通过本论文的研究，不仅为2 4 1 a m 中低放废液的处理、特别是2 4 1 a m 火灾报 警源的生产与回收过程中产生的废液的处理提供新了一条新的思路与途径，也对 微生物吸附2 4 1 a m 的行为和机理有了比较全面、深入的了解，同时为进一步开展 2 4 a m 在微生物存在下、特别是在处置环境中的化学及迁移行为研究奠定了基础。 关键词：微生物，2 4 1 a m , 吸附，固定化，机理 b i o s o r p t i o nb e h a v i o r a n dm e c h a n i s mo f u t a m b ym i c r o o r g a n i s m s m a j o r ：n u c l e a rt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n p o s t g r a d u a t e ：l i un i n g t u t o r ：z v l l a op e n g i i b i o s o r p t i o nb e h a v i o ro f m e t a lo rr a d i o a c t i v ee l e m e n t sb ym i c r o o r g a n i s ma n dt h e i r a p p l i c a t i o ni nt r e a t m e n to fi n d u s t r i a ls o l u t i o no rr a d i o a c t i v ew a s t ei sav e r ya c t i v e r e s e a r c ha r e a f o rm o r et h a n5 0y e a r s ，m u c he f f o r th a sb e e ni n v e s t e di nt h i sa r e a h o w e v e r , i ti ss t i l li nal a b o r a t o r ys t a g ea n dn e e dm o r ee f f o r tt oa p p l yt h eb i o s o r p t i o n t e c h n o l o g yt oi n d u s t r i a ls o l u t i o no rr a d i o a c t i v ew a s t e m e a n w h i l e ，u n t i ln o wt h e r ei sn o s y s t e m a t i ct h e o r yf o rt h eb i o s o r p t i o nm e c h a n i s m ，d u et ot h ee x t e n s i v e n e s sa n dv a r i e t y o fm i c r o o r g a n i s ma n dc o m p l i c a t ec h e m i c a lb e h a v i o ro fm e t a lo rr a d i o a c t i v ee l e m e n t s i na q u e o u ss o l u t i o n s u n f o m m a t e l y , w h i l en oo rf e wr e p o r t sw e r ei n v o l v e di nt h e b i o s o r p t i o nb e h a v i o ro rm e c h a n i s mo fa c t i n i u ma n df i s s i o ne l e m e n t s ，t h ec h e m i c a lo r m i g r a t i o nb e h a v i o ro ft h e s ee l e m e n t si nt h ec o n d i t i o n sw i t hm i c r o o r g a n i s ma n di n u n d e r g r o u n dc o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yi no b rc o u n t r y o b v i o u s l y , i ti sv e r yi n t e r e s t i n ga n d i m p o r t a n t t od or e s e a r c hr e l a t e dt ot h i sa r e a a sat r a n s u r a n i u me l e m e n tw i t h o u ts t a b l e i s o t o p e s a m e r i c i u mh a s a b o u t2 0 r a d i o i s o t o p e so ri s o m e r s a m o n gt h e m , 2 4 1 a m ( t l ，2 = 4 3 3y e a r s ，e f5 4 6 8m e v , 8 6 6 ； 5 4 4 3m e v , 1 2 3 ；b = o 0 5 9 6m e v , 3 5 ) i st h em o s ti m p o r t a n to n ei nt h a ti ti s g e n e r a l l yu s e da st a r g e tm a t e r i a li nn u c l e a rt e c h n o l o g yo re x c i t a t i o nr e s o u r c ei ns o m e s c i e n t i f i ci n s t r u m e n t s a l s o ，i th a sw i d e s p r e a du s ei no t h e rf i e l d s f o re x a m p l e ，m o s to f t h ef i r ea l a r m si n h o t e l s ，h o s p i t a l s a n ds e r v i c ec e n t e r sc o n t a i na2 4 1 a ms o u r v 宅 u n f o r t u n a t e l y , 2 4 1 a mi so n eo ft h em o s ts e r i o u sc o n c e r n sd u et oi t sl o n gh a l f - l i f ea n d a - p a r t i c l ee m i s s i o n ，e s p e c i a l l y , t h et e n d e n c yt od e p o s i to ns e v e r a lk e yt i s s u e so ro r g a n s ， s u c ha ss k e l e t o na n dl i v e r , i fi te n t e r sh u m a nb o d y t h em a x i m u m p e r m i s s i b l eq u a n t i t y f o r2 4 1 a mi nh u m a nb o d yi s11 1 k b qa n dt h em a x i m u m p e r m i s s i b l ec o n c e n t r a t i o ni n 、) l 恤ri s1 0 b q l f o rt h o s er e a s o n s a l lc o u n t r i e so v e rt h ew o r l dh a v ep a i dc o n s i d e r a b l e a t t e n t i o nt od i s p o s a lo rt r e a t m e n to fw a s t e w a t e rc o n t a i n i n g2 4 1 a m h o w e v e r , t h em o s t s t u d i e sw e r ef o c u s e do nt h es o l v e n te x t r a c t i o no f2 4 1 a mf r o mh i g h l yr a d i o a c t i v el i q u i d s ， w h i l en oo rf e wr e p o r t sw e r ei n v o l v e di nt h et r e a t m e n tf o rr a d i o a c t i v es o l u t i o n s c o n t a i n i n g2 4 1 a mu s i n gb i o s o r p t i o nt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h ef i r s ts y s t e m a t i c a t t e m p tw a sm a d et oi n v e s t i g a t et h eb i o s o r p t i o nb e h a v i o ra n dm e c h a n i s mo f2 4 1 a mb y m i c r o o r g a n i s m s s e v e r a lm i c r o o r g a n i s mw e r ec h o s e na sb i o s o r b e n t sf o ra c c u m u l a t i o no f 2 4 1 a mf r o m s o l u t i o n , i no r d e rt of i n daf e a s i b l em e t h o df o r t h ed i s p o s a lo ft h er a d i o a c t i v e w a s t e w a t e rp r o d u c e di nt h ep r o c e s so fp r e p a r i n g2 4 1 a mi nf i r ea l a r m s i np a r t i c u l a r , t h e e f f e c t so f v a r i o u se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so nt h eb i o s o r p t i o nw e l ei n v e s t i g a t e d a m o n g t h ei n v e s t i g a t e dm i c r o o r g a n i s m ，s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e c e r e v i s i a e ) ，r h i z o p u s a r r i h i z u s ( j 己a r r i h i z u s ) a s p e r g i l l u sn i g e ra r o g e r ) a n dc a n d i d aa l b i c a r a a ( c a n d d a 够) c o u l de f f i c i e n t l y r e m o v e d2 4 1 a mf r o ms o l u t i o n so f5 6 - 1 1 1 m b q l ( 4 4 3 - 8 7 7 2 1 t g l ) ( c o ) ，w i t hm a x i m u ma d s o r p t i o nr a t e ( r ) o f9 9 a n dm a x i m u m a d s o r p t i o nc a p a c i t i e s ( w ) o f2 3 7 9 m b q gb i o m a s s ( d r yw e i g h t ) ( 1 8 8 0 0 9 9 g ) i tc o u l d b en o t e dt h a t ”1 a mu p t a k eo nt h em i c r o o r g a n i s mi s p h - d e p e n d e n tp r o c e s sa n dt h e b i o s o r p t i o ne q u i l i b r i u mi sa c h i e v e dw i t h i n1 - 2h o u re x c e p to nc a n d i d as p f o r4h o u r n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e so n2 4 1 a ma d s o r p t i o nw e r eo b s e r v e da t1 0 0 c - 4 5 0 c ，o ri n s o l u t i o n sc o n t a i n i n ga u 3 + o ra g + ，e v e n1 5 0 0t i m e sa b o v et h e2 4 1 a mc o n c e n t r a t i o n t h e b i o s o r p t i o np r o c e s so f2 4 1 a mb y & c e r e v i s i a e 兄a r r i h i z u sa n da n i g e rc o u l db e d e s c r i b e db yl a n g m u i ra d s o r p t i o ni s o t h e r ma sw e l la sf r e u n d l i e ha d s o r p t i o ni s o t h e r m ， w h i l et h eb i o s o r p t i o np r o c e s so nc a n d i d as pc o r r e s p o n d e dt ol a n g m u i ra d s o r p t i o n i s o t h e r mb e t t e r sc e m v 括m ea n dr h i z o p u sa r r i h i z u s ( 咒a r r i h i z u s ) ，w h i c hh a ds h o w ne n c o u r a g i n g a b i l i t yi nr e m o v i n g2 4 l a mf r o ms o l u t i o n si ne x p e r i m e n t sa b o v e ，w e r ei m m o b i l i z e db y c a l c i u mu l g i n a t e mv a r i o u sf a c t o r st h a ta f f e c tt h e2 4 1 a mb i o s o r p t i o nb yi m m o b i l i z e d & c e r e v i s i a eo r 尼a r r i h i z u sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t i m l l q o b i l i z e dsc e r e v i s i a pa n dr a r r i h i z u sn o t o n l yc a na d s o r b2 4 1 a m 丛e f f i c i e n t l ya s f r e ef u n g u s , b u ta l s ob eu s e dr e p e a t e d l yo rc o n t i n u o u s l y t h eb i o s o r p t i o ne q u i l i b r i u m w a sa c h i e v e dw i t h i n2h o u r , a n dm o r et h a n9 5 o f 2 4 1 a mw a sr e m o v e db yi m m o b i l i z e d sc e r e v i s i a eo r 尼a r r i h i z u sf r o m2 4 1 a ms o l u t i o n so f1 0 8 m b q li nt h er a n g eo f p h l 4 , t l o rp h l 一7 ，r e s p e c t i v e l y h o w e v e r , n os i g n i f i c a n td 城e r e n c e si n 射i a mb i o s o r p t i o nw e r e o b s e r v e da t15 0 c - 4 5 0 c e v e na f t e rr e p e a t e da d s o r p t i o nf o r6 - 8t i m e s t h ei m m o b i l i z e d & c 伽v i s i a eo rr a r r i h i z u ss t i l la d s o r b e dm o r et h a n9 0 o f2 4 l a mf r o mt h es o l u t i o n s c o m p a r e dw i t hf r e em i c r o o r g a n i s m s t h ei m m o b i l i z e dsc e r e v i s i a eo r 足a r r i h i z u sh a d w i d e rp hr a n g ea n dc o u l db eu s e dr e p e a t e d l yo rc o n t i n u o u s l y a l lt h e s ei m p l i e dt h a tt h e i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mi sm o r es u i t a b l ef o rf u r t h e rp r a c t i c a ll l s e i nf a c t , t h e i m m o b i l i z e d c e r e v i s i a ea n dr a r r i h i z u sh a db e e nu s e dt ot r e a tt h er e a l2 4 1 a m w a s t e w a t e rf r o ma 川a mf i r ea l a r m p l a n tr u nb yc a e p ( m i a n y a n g p & c h i n a ) a n dt h e p r e l i m i n a r yr e s u l t i sv e r ye n c o u r a g i n g a f a rr e p e a t e da d s o r p t i o nf o r4t i m e s ，t h e r a d i o a c t i v i t yc o u l db er e d u c e dt oa b o u t1 b q lf r o mm o r et h a n8 0 0b q li nt h er e a l 2 4 1 a mw a s t c w a t 既, l o w e r0 1 n e a rt ot h e 扛嗡x i n 啦p e r m i s s i b l ec o n c a 叫r a l i o ni nw a t e r t h ep r e l i m i n a r ye v a l u a t i o no nb i o s o r p t i o nm e c h a n i s mo f2 4 1 a mb ysc e r e v i s i a eo r r a r r i h i z u sw a sf u r t h e r e x p l o r e d v i ac h e m i c a lo r b i o l o g i c a l t r e a t m e n to f m i c r o o r g a n i s m e s p e c i a l l y , e u r o p i u mo rn e o d y m i u mw a su s e da ss u b s t i t u t e sf o r a m e r i c i u m a n dt h ee uo rn da d s o r b e dm i c r o o r g a n i s mi n s t e a do ft h e2 4 l a m a d s o r b e d m i c r o o r g a n i s mw a sa n a l y z e db yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) a n d r u t h e r f o r db a c k s c a t t e r i n gs p e c t r o m e t r y ( r b s ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec u l t u r e t i m e so f m o r et h a n1 6 h o u r sf o rsc e r e v i s i a eo r4 0h o u r sf o rr a r r i h i z u sw e r es u i t a b l e a n dt h ee f f i c i e n ta d s o r p t i o no f 2 4 l a mb yt h e & c e r e v i s i a ea n d 足a r r i h i z u sw e r ea b l et o a c h i e v e t h eb i o s o r p t i o no f2 4 1 a mb yt h ed e c o m p o s e dc e l lw a l l p r o t o p l a s mo rc e l l m e m b r a n eo fsc e r e v i s i a eo r 足a r r i h i z u sw a ss a m ee f f i c i e n ta sb yt h ei n t a c tf u n g u s h o w e v e r , t h ea d s o r p t i o nr a t i of o r2 4 1 a mb yt h ec h e m i c a l l yp r e t r e a t e d & c e r e v i s i a eo r 足 a r r i h i z u sd r o p p e do b v i o u s l y ，i m p l y i n gt h a tp r o t e i no rc a r b o x y lf u n c t i o n a lg r o u p sh a v e a ni m p o r t a n tr o l ei nt h eb i o s o r p t i o no f “1 a mb y & c e r e v i s i a e c eo rr a r r i h i z u s m o s t o ft h ei n v e s t i g a t e da c i d i ci o n sh a v en os i g n i f i c a n ti n f l u e n c e0 1 1t h e2 4 1 a ma d s o r p t i o n b u tm i n u t ec h a n g e so fp hv a l u e ，w h i l et h es a t u r a t e de d t ac a ns t r o n gi n h i b i tt h e b i o s o r p t i o no f2 4 1 a mo n c e r e v i s i a eo rr a r r i h i z u s w h e nt h ec o n c e n t r a t i o n so f c o e x i s t e n te 矿n d 3 + w e r e1 0 0t i m e sm o r et h a nt h a to f2 4 1 a m 。t h ea d s o r p t i o nr a t i o s w o u l dd r o p i tc o u l db eo b s e r v e db yt e m m i c r o g r a p h st h a tt h ea d s o r b e de u o rn di s a l m o s ts c a t t e r e di nw h o l ef u n g u s ，w h i l er b sa n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t e dt h a tc ai ns v i i c e r e v i s i a ec a nb er e p l a c e db ye uo rn dv i ai o ne x c h a n g e a l lt h er e s u l t si m p l i e dt h a t t h em e c h a u i s mo f2 4 1 a ma b s o r p t i o ni sv e r yc o m p l i c a t ea n da tl e a s ti n v o l v e di ni o n e x c h a n g e ，c o m p l e x a t i o np r o c e s sa sw e l la sa d s o r p t i o ni nc e hw a l lb e c a u s eo fs t a t i c e l e c t r i c i t y i ns u m m a r y , t h i sp a p e rm a d et h ef i r s t s y s t e m a t i ca t t e m p tt oi n v e s t g a t e t h e b i o s o r p t i o nb e l l a v i o ra n dm e c h a n i s mo f2 4 1 a mb ym i c r o o r g a n i s m s t h er e s e a r c hr e s u l t s n o to n l yw o u l dh e t p1 】st oc l e a r l yu n d e r s t a n dt h ea d s o r p t i o nb e h a v i o ra n dm e c h a n i s m o f 2 4 1 a mb ym i c r o o r g a n i s m s ，b u ta l s op r o v i d ean e w w a yf o rt h et r e a t m e n to f r a d i o 删v e s o l u t i o n s c o n t a i n i n g2 4 1 衄e s p e c i a l l yf o rl o w - m e d i u m r a d i o a c t i v i t y w a s l e a d d i t i o n a l l y , t h er e s u l t sw o u l db eu s e f u li nt h ef i 】衄i n v e s t i g a t i o n0 1 1c h e m i c a la n d m i g r a t i o nb e h a v i o ro f2 4 1 a mi nt h ec o n d i t i o n sw i t hm i c r o o r g a n i s m s ，e s p e c i a l l yi n u n d e rg r o u n dc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：m i c r o o r g a n i s m ，2 引a m ，b i o s o r p t i o n , i m m o b i l i z a t i o n , m e c h a n i s m 四川大学博士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方，论文不包括其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得四川大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师知道下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 指导教师签名红咝曼萋学生签名 四川大学博士学位论文 l 绪论 1 1 微生物及其特性 微生物( i v l i c r o o g a u i s m ，l v l i c r o b e ) 是一切肉眼看不见或看不清的微小生物 的总称。它们都是一些个体微小( 一般 o 1 m m ) 、构造简单的低等生物，包括属 于原核类的细菌( 真菌和古生菌) 、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和农 原体；属于真核类的真菌( 酵母菌、霉菌和蕈菌) 、原生动物和显微藻类；以及 属于非细胞类的病毒和亚病毒( 类病毒、拟病毒和朊病毒) 。可表解如下【l 】： f l m ( 微米) 级：光学显微镜下可见( 细胞) 厂小( 个体微小l 砌( 纳米) 级：电子显微镜下可见( 细胞器，病毒) i ir 单细胞 j 简( 构造简单) 1 简单多细胞 微生物【非细胞( 即“分子生物”) i ir 原核类：细菌( 真菌和古生菌) 、放线菌、蓝细菌、支原体、 lj 立克次氏体和衣原体： 进化地位低1 真核类：真菌( 酵母；、霉菌和蕈菌) 、原生动物，显微藻类 l 非细胞类：病毒，亚病毒( 类病毒、拟病毒和朊病毒) 微生物由于其体形都极其微小，因而导致了一些与之密切相关、并且不同 于一切大生物的共性，如： ( 一) 体积小，比表面大 微生物是一个突出的小体积大面积系统，具有巨大的营养物质吸收面，代 谢废物的排泄面和环境信息的交换面。 ( 二) 吸收多，转化快 其吸收功能、合成代谢产物的能力是高等动植物的数十至数百倍、甚至上 万倍。 ( 三) 生长旺，繁殖快 微生物具有极高的生长和繁殖速度。一种至今被人类研究得最透彻的生物 四川大学博士学位论文 e c o l i 在合适的生长条件下，细胞分列1 次仅需1 2 5 2 0 m i n 。若按2 0 m i n 分裂1 次计，则l h 可分裂3 次，2 4 h 可分裂7 2 次。此时，最初的1 个细胞已产生4 7 2 2 1 0 “个，总重可达4 7 2 2 吨。 但事实上由于营养、空闻及代谢产物等条件的限制，微生物的几何级数分 裂速度充其量只能维持数小时而已。因而在液体培养中，细菌细胞的浓度一般 仅达1 0 8 1 0 9 4 - m l 左右。 ( 四) 适应强，易变形 微生物具有极其灵活的适应性或代谢调节机制，是任何高等动、植物所无 法比拟的。微生物对环境条件尤其是地球上那些恶劣的“极端环境”，如高温、 高酸、高盐、高辐射、高压、低温、高毒等的惊人适应力，堪称生物界之最。 ( 五) 分布广，种类多 地球上除了火山的中心区域等少数地方外，到处都有微生物的踪迹。微生 物也将永远是生物圈上下限的开拓者和各项生存记录的保持者。 微生物的种类多主要体现在以下几个方面： 1 ) 物种的多样性：其总数在5 0 万- 6 0 0 万之间，其中已记载过的仅约2 0 万 种( 1 9 9 5 ) 。 2 ) 生理代谢类型的多样性：能分解地球上储量最丰富的初级有机物，有着 最多样的产能方式，具有生物固氮作用，能合成次生代谢产物等各种复杂有机 物，能分解氰、酚、多氯联苯等有毒和剧毒物质，且能对复杂有机分子基团进 行生物转化( b i o c o n v e r s i o n0 1 b i o t a n s f o r m a t i o n ) 。 3 ) 代谢产物的多样性 1 9 9 2 年报道的由微生物产生的次生代谢产物有1 6 5 0 0 种，且每年仍以5 0 0 种新化合物的速度增长。 4 ) 遗传基因的多样性 5 ) 生态类型的多样性 微生物广泛分布于地球表层的生物圈。微生物与微生物或于其他生物间还 存在着众多的相互依存关系，如互生、共生、寄生、抗生和猎食等。 ： 微生物的上述特性，使其在贵重金属的富集及重金属的污染防治方面显示 了巨大的应用前景。 2 四川大学博士学位论文 1 2 微生物对金曩的吸附及其吸附行为和机理 。 1 2 1 概况 早在上世纪四十年代就有学者观察到一些微生物对金属离子具有特殊亲缘 性【2 】。自此以后，用微生物回收贵重金属的研究逐步引起国外学者的重视，并进 入到实际工业应用。特别是1 9 5 8 年美国用细菌浸出铜【3 】和1 9 6 6 年加拿大用细菌 浸出铀【4 】研究和工业应用成功后，先后已有数十个国家开展了生物法除去或回收 固相和液相中金属的研究，并形成了湿法冶金中的一种新方法一生物冶金。如美 国、加拿大、日本及前苏联等国家有4 0 多个矿山用细菌化学浸出法从废石( 矿 石) 堆和坑内难采矿石中浸出回收铜【习。美国采用细菌堆浸和地下就地浸出铜的 矿山有近2 0 个，产出的铜量占美国年产总铜量的1 1 。其中，肯尼柯特( k e m a e e t ) 铜公司细菌堆浸年产海绵铜最高可达3 0 - 4 0 万吨。在细菌浸铀方面，加拿大伊利 埃脱( e l l i o t ) 湖地区铀矿早在六十年代就开展了细菌浸出铀的实验室和现场实 验，并随后进行工业生产，年产u 3 0 8 达6 0 吨以上。除铜和铀以外，金、银、 铂、铬、钴、锰、镍、锌和钛等的微生物提取回收研究