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活性真菌对重金属离子吸附及抗性的实验研究 摘要 重金属的生物吸附是以吸附、离子交换、络合或微沉淀作用为基础的一种物 理化学现象，金属的生物吸附因其科学的新颖性和在环境保护中的应用潜力，一 直受到极大的重视，许多研究表明，活的或死的、完整的微生物细胞以及微生物 的代谢产物都能高效地吸附金属离子。目前关于死菌吸附重金属的研究已有很多 报道，但是有关生长中的真菌对重金属吸附的报道很少。 从湖南临乡桃林矿区土壤中分离到一株高抗铜和锌的菌株，经2 6 sr r n a d 1 d 2 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 。本实验将生长中的该茵体作为活性生 物吸附剂，选择铜( i i ) 、锌( i i ) 两种离子作为吸附质。在单一重金属离子体 系中，研究在不同溶液初始p h 值、不同吸附质初始浓度、不同吸附时间情况下， 菌体对铜( i i ) 、锌( i i ) 两种离子的吸附能力。根据实验结果确定真菌吸附的 优化条件。 不少重金属是微生物正常生长的必需元素，但是当重金属在菌体内浓度过高 时，会对菌体产生毒性。微生物可通过细胞的表面富集与细胞膜成分的改变减小 毒性的破坏，通过多途径的联合作用对重金属的毒性进行解毒。重金属的抗性增 强了各种微生物在恶劣环境下的生存能力。 本文研究了铜( i i ) 、锌( i i ) 两种离子对菌体的最低抑制浓度( m i c ) ，并 通过电镜照片和红外光谱图分析菌体吸附金属离子前后的变化。此外还通过碘量 法测定不同培养环境中菌体内谷胱甘肽含量的变化，初步探究菌体产生金属抗性 的机理。 实验表明在优化条件下：3 0 ，p h 值5 0 ，起始铜离子和锌离子浓度为 5 0 m g l ，摇床转速为1 2 0 r m i n ，培养时间1 2 0 h ，该菌体对铜离子和锌离子的吸附 率分别达到5 4 和6 0 。菌株可以单抗铜4 0 0 m g l 、锌8 0 0 m g l 。电镜照片表明 2 5 m g l 铜锌两种离子对菌体造成了一定程度的损伤，使其细胞表面形态和内部结 构均发生了变化；红外光谱图说明菌体表面的一o h 、磷酸酯、糖环等参与了吸附 活动。a a c u l e a t u s 菌在重金属铜和锌胁迫下，体内的谷胱甘肽起了显著变化。在 铜锌离子浓度为5 0 m g l 时，菌体内谷胱甘肽的含量达到最大值，分别为0 9 8 和 o 8 8 m g g 。而没有金属离子胁迫时生长的菌体体内谷胱甘肽含量很低，只有 0 0 4 m g g 。可以初步认为谷胱甘肽缓解了铜、锌离子对a s p e r g i l l u sa c u l e a t u s 的氧 化损伤。 关健词：重金属离子；优势菌种；棘孢曲霉；生物吸附；抗性；铜( i i ) ；锌( i i ) 1 1 a b s t r a c t t h em e t a lb i o s o r p t i o ni sap h y s i c o c h e m i c a lp h e n o m e n o nb a s e do na b s o r p t i o n ， i o ne x c h a n g e ，c o m p l e x a t i o no rm i c r o p r e c i p i t a t i o n b i o s o r p t i o no fm e t a l sh a sb e e n r e c e n t l yr e c e i v i n gag r e a td e a l o fa t t e n t i o nf o rb o t hi t ss c i e n t i f i cn o v e l t ya n d a p p l i c a t i o np o t e n t i a li n e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o no rr e c o v e r yo fp r e c i o u sm e t a l s m a n yi n v e s t i g a t i o n sh a v es h o w e d t h a ti n t a c tm i c r o b i a lc e l l s ，l i v i n go rd e a d ，a n d d e r i v e dm i c r o b i a lp r o d u c t s ，c a nb eh i g h l ye f f i c i e n ta b s o r p t i o no fm e t a li o n s ，e s p e c i a l l y f r o md i l u t e de x t e r n a lc o n c e n t r a t i o n t h e r eh a v eb e e nan u m b e ro fr e p o r t so nt h e b i o s o r p t i o no fh e a v ym e t a l s h o w e v e r , t h e r eh a v eb e e no n l yaf e wr e p o r t so nl i v i n g e p i p h y t ea b s o r p t i o n as t a i no fr e s i s t a n c et oc o p p e ra n dz i n cw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o nw a si s o l a t e d f r o i ms o i lo ft i a o l i ni nh u n a np r o v i n c e w i t ht h ei d e n t i f i c a t i o no f2 6 sr r n a d 1 d 2 g e n es e q u e n c e ，t h es t r a i nw a si d e n t i f i e d a sa s p e r g i l l u sa c u l e a t u s t h i se x p e r i m e n t u s e dt h eg r o w i n gf u n g u sa sa d s o r b e n t ，a n dc u 2 + ，z n 2 + a sa d s o r a t e t h ei n f l u e n c e so f e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ss u c ha st i m e ，p hv a l u e ，t e m p e r a t u r e ，i n d i t i a lc o n c e n t r a t i o no f a d s o r b e n ta n da d s o r a t eo na d s o r b i n ge f f e c ta r es t u d i e d m a n yh e a v ym e t a l sa r et h en e c e s s a r ye l e m e n t sf o rt h em i c r o o r g a n i s m s b u tw h e n t h ec o n c e n t r a t i o n so ft h ei n t e r c e l l u l a rh e a v ym e t a l sa r et o oh i g h ，t h em e t a l sb e c o m e p o i s o n o u s t h em i c r o o r g a n i s m sc a nm i n i s ht h ed e s t r o yo ft h et o x i c i t yb ya l t e rt h e c o m p o n e n t i a l o ft h em e m b r a n ea n d e n h a n c et h e s u p e r f i c i a l e n r i c h m e n t m e t a l r e s i s t a n c eo fm i c r o o r g a n i s m sm a y e n h a n c et h e i r a b i l i t y t ol i v e i nb a d s u r r o u n d i n g s t h i st e x tm a k e ds u r et h ec u ”，z n 2 + t o2 拌f u n g u s m i n i m a li n h i b i t o r y c o n c e n t r a t i o n ( m i c ) u s i n gt h ee l e c t r o nm a g n i f i e r a n df t i rt e c h n i ca n a l y s e dt h e n o r m a la n da b s o r p t i o nm e t a l s f u n g u s f u r t h e r m o r e ，t h e m e a t ho fi o d i m e t r i e e s t i m a t i o nw a su s e dt oa n a l y s et h ec o n t e n t so fg l u t a t h i o n ew h i c hw e r ec u l t u r e di n d i f f e r e n tm e d i u m s p r i m e r yr e s e a r c ht h em e c h a n i s mo fm e t a l r e s i s t a n c eb yf u n g u s i t s o p t i m u mg r o w t h c o n d i t i o n sw e r e t e m p e r a t u r e 30 。c ，p h5 0 ，i n i t i a l c o n c e n t r a t i o no fc u 2 + a n dz n 2 + 5 0 m g l ，r a t eo ft h es h a k e r12 0 r r a i n ，c u l t u r e dt i m e 12 0 h ，t h ea d s o r p t i o ne f f i c i e n c yc o u l dr e a c h5 4 a n d6 0 r e s p e c t i v e l y i tc a n r e s i s t c o p p e ro f4 0 0 m g la n dz i n co f8 0 0 m g l t h ee l e c t r o nm a g n i f i e rp h o t o ss h o wt h a t f u n g u sc e l l sa p p e a r e dd i f f e r e n td e g r e ed a m n i f i c a t i o nu n d e r2 5 m g lc u 2 + ，z n 什t h e i i l 活性真菌对重金属离了吸附及抗性的实验研究 r e s u l t so ff t i r s h o wt h a tt h ef u n g u ss u r f a c e s - o h 、p h o s p h a t e 、p o l y o s e sa r e a b s o r p t i o nm o v e m e n tc e n t e r s s t r e s so fc u 2 + ，z n 2 + i n d u c e df u n g u si n t e r i o rg s h s c h a n g e u n d e rt h ec o n d i t i o no f5 0m g lc u 什，z n p ，g s ha c h i e v e dt ot h em a x i m u m ， r e s p e c t i v e l yo 9 8a n do 8 8 m g g w h i l eg s ha tn o r m a lf u n g u so n l yw a s0 0 4m g g i t c a nc o n f e rt h a tg l u t a t h i o n es e e m st op l a yaf a v o r a b l er o l ei na v o i d a n c eo fh e a v e y m e t a lo x jd a t io ns t r e s sf r o mt h er e s u l t s k e yw o r d s ：h e a v ym e t a l ；a d v a n t a g ef u n g u s ；a s p e r g i l l u sa c u l e a t u s ；b i o s o r p t i o n ； r e s i s i t a n c e ；c u 2 + ；z n 2 + ； i v 活性真菌对重金属离了吸附及抗性的实验研究 插图索引 图2 1 不同液体培养中菌体的生长量3 2 图2 2 优势菌体的选择3 2 图2 3 扩增片断凝胶电泳图3 3 图2 4 切胶回收片断凝胶电泳图3 4 图3 1a a c u l e a t u s 菌的生长曲线3 9 图3 2p h 值对a a c u l e a t u s 菌的生长的影响4 0 图3 - 3 金属离子起始浓度对吸附的影响4 l 图3 4 温度和时间对菌体生长情况及金属吸附率的影响4 3 图3 5p h 值对金属离子吸附的影响4 4 图4 。1a a c u l e a t u s 菌体的透射电镜图5 0 图4 2a a c u l e a t u s 菌对不同浓度铜离子和锌离子的抗性5 1 图4 3a a c u l e a t u s 菌吸附铜离子前后红外光谱图5 3 图4 4 碘量法测定g s h 标准曲线5 4 图4 5 金属离子浓度对菌体内谷胱甘肽含量的影响5 5 图4 6 对比不同生长环境下菌体内谷胱甘肽含量随时间的变化一5 6 v i i i 硕士学位论文 附表索引 表1 1 一些常见水生生物对重金属的富集系数2 表1 2 沉淀法脱除重金属离子的条件和能力7 表1 3 三类金属离子对水溶液中官能团的亲和性9 表1 4 生物体系中常见的官能团1 0 表1 5 不同微生物的吸附能力1 5 表1 6 不同生物吸附剂的最佳吸附条件1 8 表3 1 不同吸附剂吸附效率比较4 1 i 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： 问柳 日期：矽g 年f 月垆日 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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密函 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：f 到也砰日期：翮年月够日 导师签名：纠抄日期：加q 年 ，2 月 哆 日 硕士学位论文 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。全国多年平均地表水资源量为2 7 1l5 m 3 ，多年平均 地下水资源量为8 2 8 8 亿m 3 ，扣除重复量后，多年平均水资源量为2 8 1 2 4 亿m 3 ， 居世界第6 位：若按人均水资源量计算，人均占有量只有2 6 3 0 m 3 ，约为世界人均 水量8 3 0 0 m 3 的1 4 ，在世界排第5 8 位，己经被联合国列为1 3 个贫水国家之一。 至2 0 0 0 年底，我国人口已接近13 亿，平均每人占有径流量仅为2 2 0 0 m 3 ，居世界 第1 2 l 位。更为严重的是：随着我国城市现代化进程的推进，城市污水量日益 增加，但是截至2 0 0 5 年底，在我国现有的6 6 1 个城市中仅有3 6 4 个城市有7 0 8 座不同处理等级的城市污水处理厂。全国1 7 0 0 个建制镇、绝大多数没有排水和处 理设施。由于废污水的处理和回收利用率偏低，加之工业用水成倍增加、城市化 水平成倍上升、小城镇加速发展，废污水的排放量将会数倍甚至十几倍的增加， 更加剧了水环境的恶化。 工农业废水、城市生活污水及各种采矿废水均含有大量的重金属，这些重金 属通过食物链而生物富集，构成对生物和人体健康的严重威胁。重金属是人体健 康不可缺少的元素，其含量甚微，但是如果超量就会发生严重后果，如震惊世界 的水误病及骨疼病就是由于含汞和含镉废水污染所致。为了最大限度的避免重金 属污染对生态系统造成严重影响，人们一直在努力寻求处理重金属污染废水的新 技术。 1 1 重金属废水的来源及危害 1 1 1 重金属废水的来源 重金属是指比重大于5 9 c m 3 的金属元素，在自然界中大约存在4 5 种。但是， 由于不同的重金属在土壤中毒性差别很大，所以在环境科学中人们通常关注h g 、 c d 、p b 、c r 、c u 、z n 、n i 、m u 、c o 等。a s 是一种准金属，但由于其化学性质 和环境行为与重金属有相似之处，通常也归属于重金属范畴进行研究。 重金属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。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；铅主要来自工业废气、汽车尾气、某些涂料及铅包装饮品， 活性真菌对重金属离子吸附及抗性的实验研究 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废水中均含铜【2 】。此外，生活污水， 垃圾渗滤液，农田废水和酸雨也是重金属的排放源【3 】。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。 1 1 2 重金属废水的危害 重金属是最具潜在危害的重要污染物。重金属随废水排出时，即使浓度很小， 也能造成危害。其废水污染有如下特点【4 5 】： l 、毒性具有长期持续性。某些重金属虽只有微量浓度，但可在微生物作用下 转化为毒性更强的有机化合物。如无机汞在天然水体中可被微生物转化为毒性更 强的甲基汞。 2 、经生物可大量富集，这种生物富集的特性是重金属废水污染的突出特点。 有的重金属富集倍数可达成千上万倍，然后通过食物链，在人体器官中积累造成 慢性中毒，严重危害人体健康。表1 1 是一些常见水生生物对重金属的富集系数。 3 、重金属无论采用何种处理方法或微生物都不能降解，只不过改变其化合价 和化合物种类。如与阴离子配体形成配合物或鳌合物，使重金属在水中的浓度增 大，也可以使沉入水底中的重金属又释放出来。 4 、在天然水体中只要有微量重金属，即可产生毒性反应，一般重金属产生毒 性的范围大约1 0 l o m g 之间，毒性较强的重金属如镉、汞等毒性浓度范围在 o 0 0 1 0 1 m g l 。因此，必须严格控制重金属废水的污染。 表1 1 一些常见水生生物对重金属的富集系数木【6 1 木注：生物富集系数= 生物体中污染物浓度水中污染物浓度 2 硕j ：学位论文 1 1 2 1 铜( c u ) 的危害 铜是废水中一种常见的重金属离子。废水中铜的多种潜在来源有电镀、金属 净化、印染、造纸、肥料等工业以及含铜农药( 如波尔多液) 的广泛使用，铜也有 可能来自使用铜盐和铜催化剂的各种化学试剂生产过程中。 目前，环境污染经常所指的有有机污染和重金属污染。有机污染大致可分为： 特种工业产品废弃物如多氛联苯、多环芳烃、石油、表面活化剂、杀虫剂等特种 工业废水废物及普通生活有机废水。一般而言，特种工业产品废弃物的生物需氧 b o d 和化学需氧量c o d 极高，虽然铜污染废水以电镀废水( e l e c t r o p l a t i n ge f f l u e n t ) 为主，但是，工业化的发展加之铜的广泛使用己使包括自然水、各种有机废水、 工业废弃物如沉积的淤泥、金属加工生产区的周边环境等均出现铜污染现象。实 际上，在目前的某一种环境中污染己不再是单一的有机物或有毒重金属问题，而 是一个有机物含有有毒重金属，或重金属环境中有有机物污染伴随的复合环境污 染问题。 作为重金属，正常情况下，铜是作为一种微量元素参予生命体的代谢活动， 因此，几乎所有的生物体对铜都有一定的耐受能力或水平。但铜过量之后生物受 到伤害，这就是污染问题，污染一般会造成植物植株矮化、生长缓慢、生物量大 幅度下降生物体代谢代谢紊乱，可对人体造成多种疾病，代表性疾病如m e n k e s 综合症和w i l s o n 病【7 1 、主要症状是胆汁排泄铜的功能紊乱，造成组织中铜驻留， 首先蓄积于肝脏内，出现慢性、活动性肝炎症状。当铜沉积于脑部引起神经组织 病变时，出现小脑运动失调和帕金氏综合症。铜沉积在近侧肾小管，引起氨基酸 尿、糖尿、蛋白尿和尿酸尿。铜的毒性是氧依赖性，其过程遵循h a r b e r w e i s s 反 应，产生活性氧中间体，或者是产生以不适当方式与生物分子相结合的独立的氧 分子。 1 1 2 2 锌( z n ) 的危害 含锌废水主要来自于镀锌工业中电镀过程中镀件清洗用水、镀液过滤用水和 废镀液等，以及钢铁工厂、丝绸工业和纤维制造、磨木浆工业和用于阴极处理的 在循环冷却系统所产生的废水中。除此之外，粘胶纤维工业的工艺中加入z n s 0 4 ， n a 2 s 0 4 及h 2 s 0 4 ，会产生大量的酸性含锌废水，水中锌离子浓度可达 1 5 0 2 2 0 m g l ，甚至有高达8 0 0 m g l ，远远高于我国对含锌废水的排放标准【引。 我国规定饮用水中锌的含量不得超过1 0 m g l ，工业废水中锌的最高允许浓 度为5 0 m g l 。锌易溶于酸，也易从溶液中置换金、银、铜等。锌是维持人和动 物正常生命活动不可缺乏的必需微量元素之一，正常人每天从食物中吸入锌 ( 1 0 15 ) m g 。锌存在于人和各种动物体内，肝是锌的贮存池。锌与肝内蛋白质 结合成锌硫蛋白，供给机体反应时所必需的锌。人体缺乏锌会出现很多不良症状。 活性真菌对重金属离了吸附及抗性的实验研究 如果锌在人体内含量过高，将会抑制吞噬细胞的活性和杀菌力，从而降低人体的 免疫能力，对疾病易感性增加。摄入含有过量锌的食物和饮料会引起锌中毒，对 消化道黏膜有腐蚀作用。症状主要局限于肠胃道，出现呕吐、肠功能失调和腹泻 等现象。严重者会由于胃穿孔引起腹膜炎、休克而死亡【9 】。 1 1 2 3 铁( f e ) 、锰( m n ) 的危害 铁广泛存在于各种工业废水中，它包括采矿操作、粉矿业、化学工业、染料 工业、金属加工、纺织厂、石油精炼等。 锰和它的盐存在于合金钢业、干电池、玻璃和陶瓷业、油漆和清漆以及墨汁 和染料的废水中。 水中铁锰所引起的危害大致有下列几点【1 0 。1 1 】： l 、在生活方面，引起铁腥味，在白色织物及用具上留下黄斑、染黄卫生用具， 严重时会使自来水变成“红水 。 2 、在工业上，当作为洗涤用水或生产原料时会降低产品的光泽及颜色等质量， 如纺织、印染、针织、造纸等行业。 3 、水中的铁锰会在管壁上逐渐吸附氧化，引起管壁上积累铁锰沉淀物而降低 输水能力，沉淀物剥落下来时，会发生自来水在短期内变成“红水”或“黑水 的问题，甚至堵塞水表和一些用水设备。当水中有铁细菌大量生长时，上述情况 将更为严重。 4 、危害水处理过程。例如在滤料或离子交换树脂上包一层铁锰沉淀物时会影 响设备的正常运行，在电渗析交换膜上发生的沉淀危害性尤其大，树脂的铁中毒 会显著降低其工作交换容量。 1 1 2 4 重金属污染对环境质量的危害 1 重金属对土壤肥力的影响 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。如钾是对农产品品质影响比较大的营养元素。土壤中的钾通常 可分为水溶态、交换态、非交换态及闭蓄态等四种形态。重金属在土壤中的累积 会占据部分土壤胶体的吸附位，自然就影响到钾在土壤中的吸附、解吸和形态分 配。有研究表明，在重金属污染的条件下土壤中水溶态钾会明显上升，交换态钾 则明显下降。 2 重金属对植物效应的影响 进入土壤的污染重金属可以溶解于土壤溶液中，吸附于胶体的表面，存蓄于 4 硕二卜学位论文 土壤矿物之内，与土壤中其他化合物产生沉淀，这些都影响到植物的吸收与积累。 土壤不同组分之间重金属的分配，即重金属形态，是决定重金属对植物有效性的 基础，一种离子由固相形态转移到土壤溶液中，是土壤中增加该离子对植物有效 性的前提。控制土壤固液相间平衡的因子十分复杂，而且至今尚未完全弄清楚， 但研究表明在这样一个复杂体系中的平衡为其p h 值、温度、有机质含量、氧化 还原电位、矿物万分、矿物类型以及其他可溶性成分的浓度等所影响【i2 1 。 3 重金属对土壤微生物和酶的影响 在未污染的土壤中，土壤微生物量与土壤有机碳含量之间往往有很密切的正 相关关系，但若受到重金属( 如z n 、c u ) 污染，则这种关系将不复存在或很差。 受到重金属污染后，可引起土壤呼吸量成倍增加，但用熏蒸提取法测定的土壤微 生物量却显著下降。重金属污染引起的土壤微生物呼吸量的增加被认为是微生物 对逆境的一种抵抗机制【l3 1 。 土壤微生物在土壤生态系统物质循环与养分转化过程中起着十分重要的作 用。重金属进入土壤后的迁移转化均因微生物活性强度不同而变化，微生物的生 态和生化活性也因土壤中重金属的毒害而受到影响。受到重金属污染的土壤，往 往富集多种耐重金属的真菌和细菌。一方面微生物可通过多种方式影响重金属的 活动性，使重金属在其活动相和非活动相之间转化，从而影响重金属的生物有效 性；另一方面微生物能吸附和转化重金属及其化合物，但当土壤中重金属的浓度 增加到一定限度时，就会抑制微生物的生长代谢作用，甚至导致微生物死亡【l 引。 重金属对土壤酶的抑制有两方面的原因，首先是污染物进入土壤对酶产生直 接作用，使得酶的活性基因、酶的空间结构等受到破坏，单位土壤中酶的活性下 降；其次是污染物通过抑制微生物的生长、繁殖，减少微生物体内酶的合成和分 泌，最终使单位土壤中酶的活性降低【l 5 。 4 重金属导致的其它环境问题 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。上海川沙污灌区的地下水检测出氟、 汞、镉和砷等污染物。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i 1 6 】。 1 2 重金属废水处理现状 当前，在世界范围内，人们对重金属废水的治理愈益重视。对重金属废水的 活性真菌对毫金属离子吸附及抗性的实验研究 处理技术进行了大量的研究，提出了许多新的有效的处理方法。重金属废水的处 理方法有物理法、化学法，但更多的是把化学和物理方法结合起来。目前采用的 常规方法有中和法、硫化法、电解处理法、膜分离法、离子交换法、吸附法、离 子浮选法、萃取法、化学沉淀法、氧化还原法和液膜法等1 1 7 1 8 1 。 中和法是在含重金属离子的废水中，投人中和剂使之生成氢氧化物沉淀，再 除去的方法。使用中和法应知道最适宜的p h 值和处理后残品在溶液中的重金属离 子浓度。若以m2 + 表示金属离子，以m ( o h ) 2 表示氢氧化物，则反应式为： m 2 + + 2 0 h 。= m ( o h ) 2l 中和法在实际应用中要考虑共沉现象、络合现象对重金属沉淀的影响。 硫化法是在含金属离子废水中加硫化剂，使金属离子成为硫化物沉淀。由于 重金属离子与s 2 。有着很强的亲合力，能生成溶度积很小的硫化物。金属离子对s 2 。 亲合力顺序为：c d h g a g c a b i c u s b s n p b z n n i c o f e a s t i m n ，前 面的金属比后面的易形成硫化物，其溶解度也越小，处理起来较容易。 电解法是利用重金属的电化学性质。重金属离子在电解时能够从相对高浓度 的溶液中分离出来，然后加以利用。电解法主要用于电镀废水的处理，这种方法 的缺点是水中的重金属离子浓度不能降的很低，所以，电解法不适于处理较低浓 度的含重金属离子的废水。 膜分离技术包括电渗析，隔膜电解等。电渗析是在直流电场作用下，利用阴 阳离子交换膜对溶液中阴阳离子选择透过性使水溶液中的重金属离子与水分离的 一种物理化学过程。运行中的主要问题是极化、结垢和腐蚀。隔膜电解是以膜隔 开电解装置的阳极和阴极而进行电解的方法，实际上它是把电渗析与电解组合起 来的一种方法，在实际操作使用时同样会遇到上述问题。 离子交换法处理重金属废水为国内外广泛采用。该法几乎可完全除去废水中 的微量重金属离子，并可以将废水中的贵重金属回收利用。该法适合于处理浓度 低、水量大以及水量负荷和重金属离子浓度变化较大的废水，且处理设备紧凑、 操作便利。但是由于离子交换树脂价格较高，也不适合于高浓度的废水处理，而 且离子选择性不高，常因为吸附了不必要处理的物质而造成树脂的浪费。 吸附法的作用机理是通过废水与吸附剂的接触，利用吸附剂的表面活性，使 重金属吸附或浓集于其表面，然后将吸附重金属的吸附剂与废水分离，达到净化 的目的。目前常用的吸附剂有活性炭、吸附树脂、腐植酸系吸附剂等。由于常规 吸附剂的价格较昂贵，且吸附易饱和导致吸附效率不高等缺点限制了吸附法的广 泛应用。 离子浮选法是利用表面活性物质在气液界面处具有吸附能力的一种方法，如 在含重金属离子的水溶液中，加入具有和它相反电荷的捕收剂，生成水溶性络合 物或不溶性沉淀物，使其附着在气泡上，浮升至水面后作为浮渣进行回收。离子 6 硕士学位论文 浮选法对要除去的重金属离子应具有选择性吸附。 溶剂萃取法是利用互不相溶的二液相之间物质分配作用来进行元素分离的。 它的实质是溶质在废水中和溶剂中有不同的溶解度，溶质从水中转移到溶剂中是 靠废水中实际浓度与溶剂中平衡浓度之差。这个差值越大，萃取越容易。一般选 择溶质在溶剂里的溶解度越大越好。这样可以减少溶剂的用量，使翠取获得满意 结果。这种方法回收的重金属纯度高，但是，溶剂回收费用常常超过操作费用。 利用化学沉淀法处理多种重金属离子混合的废水是目前应用较广的方法之 一，其处理效果见表1 2 。对于石灰中和沉淀法，其处理量大，但是中和渣的处 理问题却不好解决，因为渣量大、含水高，而且有用金属的含量低，难于回收。 由于软酸与硬碱相结合的金属氢氧化物本身的不稳定性，容易造成二次污染。硫 化物沉淀法则避免了上述缺陷，由于s z 与h 9 2 + 、c d 2 + 等金属离子的结合属于软酸 软碱的结合，形成的化合物比较稳定，不易造成二次污染。但是硫化法也存在一 些问题。例如，根据溶度积规则，为了使重金属离子完全沉淀，必须加入过量的 沉淀剂( n a 2 s 或h 2 s ) ，这样又需要再处理，使废水的处理过程变得繁琐，且增加 处理费用。 表1 2 沉淀法脱除重金属离子的条件和能力1 9 l 液膜模拟生物膜的结构，通常由膜溶剂、表面活性剂和流动载体组成。它利 用选择透过性原理，以膜两侧的溶质化学浓度差为传质动力，使料液中待分离溶 质在膜内相富集浓缩，分离待分离物质。液膜分离技术利用这种分离原理分离、 纯化，属于物理分离过程，是一种有效的工业化分离技术。液膜分离涉及三种液 体：通常将合有被分离组分的料液作连续相，称为外相接受被分离组分的液体， 称为内相；成膜的液体处于两者之间，称为膜相。在液膜分离过程中，被分离组 7 活性真菌对苇金属离了吸附及抗性的实验研究 分从外相进入膜相，再转入内相，浓集于内相。液膜法工艺设备简单，分离速度 快，选择性高，但是液膜稳定性差，投入成本高。 以上所介绍的几种处理含重金属离子废水的方法由于受操作条件、经济条件 和环境条件的影响，往往处理后的出水水质达不到要求，要想达到要求还需作进 一步处理，同时需对处理过程中的产物进行很好地处理与处置，否则会造成二次 污染。 1 3 生物吸附的研究 为了开发环保型、高效、无二次污染的废水治理技术，人们逐渐将研究重点 转向重金属的生物吸附技术。生物吸附技术是利用廉价的生物细胞体吸附重金属 离子，从而达到去除水体中有害重金属离子的目的。 微生物吸附法是一种新兴的处理含重金属离子废水的方法，它最早开始于 l9 4 9 年，r u c h h o f l t 2 0 】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，并且逐步发展到研究利用各 种微生物如真菌、酵母、藻类等处理含毒性金属离子的污染废水。生物吸附作为 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：在低浓度下， 金属可以被选择性的去除；可对特定金属进行选择性去除；处理效率高，可有效 地回收一些贵重金属；投资小，运行费用低；菌种的来源广泛，几乎可以从任何 带菌物质，特别是被重金属污染地地点，进行菌种的采用与筛选【2 1 1 。 因此，生物吸附技术在处理重金属污染和回收贵金属方面有广阔地前景。进 行这方面地研究，具有较好地经济价值和社会效益。 1 3 1 生物吸附的概念 生物吸附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，这一概念已经不仅仅局限于微生物，科学家对一些大型生物体及其 他高等植物的研究也逐渐增多起来。我们通常将利用生物f 活的，死的或它们的衍 生物) 分离水体系中金属离子的过程定义为“生物吸附 ( b i o s o r p t i o n ) 。 1 3 2 生物吸附的机理 微生物吸附金属的作用方式根据是否需要能量可分为主动作用方式和被动作 用方式。前者是有代谢活性的细胞完成金属转移或细胞与金属之间的反应。此过 程常伴随有能量的消耗，其特点是吸附速度慢，作用持续时间长，一般不可逆过 程，并可能被能量代谢抑制剂所抑制。后者主要是指通过物理、化学作用来吸附 金属的方式，吸附剂可为静息细胞、死细胞、细胞代谢产物或细胞制备物。其作 硕士学位论文 用特点是吸附速度快、时间短、可逆、不依赖于细胞的能量代谢。 对于不同的微生物，如藻类、真菌和细菌，它们的细胞壁上主要组成成分的 差异导致了它们吸附机理的不同：此外，溶液中的重金属离子在一定程度上也影 响着生物吸附。大多数研究指出，微生物对重金属的吸附符合f r e u n d l i c h 模型和 l a n g m u i r 模型。生物对重金属的吸附作用取决于两个方面：是生物吸附剂本身 的特性；另一方面取决于金属自身对生物体的亲合性。人们对金属一微生物相互 作用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。 1 - 3 2 1 金属对生物分子的亲和性 p e a r s o n 根据金属离子与f 。和i 离子结合强弱来确定金属“硬度 并对金属进 行分类。能与f 形成很强化学键的金属离子就称为“硬金属 ，如n a + ，m 9 2 + ，c a 2 + 等。相反与f 形成弱化学键的金属离子被称为“软金属”，如h g ”，c d 2 + 和p b 2 + 等， 一般都是有毒的重金属。而那些具有中间硬度的金属离子一般毒性较小，可以在 生物体内存在并且可以调一些化学反应。在生物体内，硬金属离子一般与o h 。、 h p o 厶，c o 厶，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 。、r - s - 、- s h 。、一n h 2 和咪唑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，具体 见表1 3 。目前，人们注意力主要集中在细胞壁对阳离子的吸附过程上，但是生化 和其它生理化学机理已经进一步揭示了细胞壁内部对金属也有鳌合作用。此外， 金属还可以以磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐或是氢氧化物形式以及聚核作用在细胞壁 上或是细胞内部沉积下来。 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 4 所示。 表1 3 三类金属离子对水溶液中官能团的亲和性 a 类( 亲氧性) l i ，b e ，n a ，m g ，a i ，k ，c a ，s e ，r b ，s r ，y ，c s ，b a ，l a ，f r ，r a ，a e c e ，p r ，n d ，p m ，s m ，e u ，g d ，t b ，d y ，h o ，e r ，t m ，y b ，l u t h ，p a ，u ，n p ，p u ，a m ，c m ，b k ，c f ，e s ，f m ，m d ，n o ，l r b 类( 亲氮、亲硫类) c u ，r h ，p b ，a g 、i r ，p t ，a u ，h g ，t i ，b i c 类( 过渡类) h 、t i 、v 、c r 、m n 、f e 、c o 、n i 、z r l 、g a 、a s 、c d 、i n 、s n 、s b 9 活性真菌对重金属离子吸附及抗性的实验研究 表1 4 生物体系中常见的官能团 1 3 2 2 生物细胞壁的作用 细菌、真菌和藻类微生物细胞与动物细胞的最大区别在于细胞原生质膜外有 明显的细胞壁，其在微生物吸附重金属离子的过积中起着重要作用。一般研究认 为无论是死的还是活的生物吸附材料，细胞壁都是生物吸附的主要部位，细胞壁 直接与外界环境相接触，表面带有负电荷，主耍由蛋白质、多肽、多糖等大分子 物质构成，并且具有微纤维多孔结构，可以通过静电吸引、络合、离子交换等作 用吸附大量的重金属离子。武汉大学李峰等人【2 2 】将产朊假丝酵母细胞壁从完整的 细胞上分离下来与完整细胞对c u ”的吸附进行对比，发现细胞壁是酵母吸附重金 属离子的主要部位，约占细胞吸附量的5 0 以上，并进一步证明了蛋白质的羧基 基团是主要功能基团。同样，吴涓等人f 2 3 】将吸附p b 2 + 前后的黄孢原毛平革茵菌丝 球制成切片，在透射电镜下观察，发现吸附后的细胞壁上出现了电子密集层，而 细胞内部和吸附前的细胞壁上则没有此现象，表明细胞壁上确实吸附了某种物质， 利用x 一射线光电子能谱分析发现吸附前能谱图上没有铅，而吸附后，1 3 0 - 1 5 0 e v 的结合能范围内出现了铅的两个明显的峰，从而进一步确认了铅与细胞壁中的某 些成份发生了一系列复杂的反应，使铅吸附在细胞壁上。 1 、细菌细胞壁 革兰氏阳性细菌 革兰氏阳性细菌的细胞壁一般有5 0 - 15 0 n m 厚，主要由肽聚糖构成，约占整 个细胞壁物质的4 0 - - 9 0 。肽聚糖层是一种坚硬、多孔、不定形的物质，肽聚糖 分子一般由两种糖衍生物i p n 一乙酞葡萄糖胺和n 一乙酞胞壁酸以及- d , 组氨基酸 ( l 一丙氨酸、d 一丙氨酸、d 一谷氨酸以及赖氨酸或二氨基庚二酸等) 组成，这些成分 联结形成重复结构即四肽聚糖，并经聚合成为肽聚糖层，由于其网状结构，肽聚 糖层对分子量在1 2 0 0 - - 7 0 ，0 0 0 道尔顿的分子有很高通透性。 革兰氏阴性细菌 革兰氏阴性细菌细胞壁与革兰氏阳性细菌细胞壁相比要薄，一般只有3 0 - 8 0 n m 厚，肽聚糖层夹在原生质膜和外膜之间，肽聚糖层只有15 - - 2 0 n m 厚，约占 细胞壁物质1 0 ，并且不象革兰氏阳性细菌肽聚糖层那样发生严重交联，外膜主 l o 硕士学位论文