生物吸附剂及其吸附性能研究进展

生物吸附剂及其吸附性能研究进展

黄 娜

〔华南师范大学化学与环境学院环境科学专业，广州 510006〕

摘要:用微生物体来吸附水中的重金属是一项新兴的废水生物处理技术。藻类、细菌、真菌等是生物吸附剂的来源,它们对多种重金属都有较好的吸附去除成效。文章从细胞壁的结构特性概述了藻类、细菌、真菌等对重金属吸附的机理,介绍了它们的吸附性能。

关键词:微生物 生物吸附剂 重金属 废水处理

现代工业的进展会产生大量含重金属废水,重金属进入生态环境后,不像有机物那样能被降解,而是通过食物链进一步富集,对环境和人体健康造成危害,如震动世界的水俣病、骨痛病事件。人们处理废水中的重金属一样采纳物理化学方法(沉淀、离子交换、吸附、电解、膜分离、氧化还原等),当水中的重金属浓度较低时,不仅去除率不高,还存在运行费用高的问题[1]。目前新兴的去除技术———生物吸附技术,愈来愈受到人们的关注。生物吸附是利用生物体及其衍生物来吸附水中重金属的过程。重金属离子对生物体有专门强的毒害作用,超过一定的浓度就会抑制生物生长或使生物体死亡,有的微生物如某些藻类、细菌、真菌,本身或是通过驯化以后对重金属有一定的耐受性,能够除去水中的重金属离子。与传统的处理方法相比,生物吸附具有以下优点[2]:(1)在低浓度下,金属能够被选择性的去除;(2)节能、处理效率高;(3)操作时的ｐＨ值和温度条件范畴宽;(4)易于分离回收重金属;(5)吸附剂易再生利用。

1 藻类生物吸附剂

1.1 来源。全球的藻类约4万种,在自然界中分布甚广,绝大多数为水生或生长在阴暗的岩石、墙角、树杆和土壤等表面,是最容易观看到的一种微生物,常常用来指示水体、生态系统及营养条件的变化。研究发觉,藻类细胞具有吸附重金属的能力。因此,可选择吸附性能良好的藻类作为吸附剂的生产原料,如海藻,其数量大,容易收集,有一些地点还可人工培养,专门在沿海地区,来源十分丰富。

1.2 细胞壁结构特性。当微生物体暴露在金属溶液中时,金属离子直截了当接触的是细胞壁,微生物细胞壁的化学组成和结构决定着金属与它的相互作用特性。藻类的细胞壁在多数情形下是由纤维素的微纤丝形成的网状结构构成,含有丰富的多糖,假如胶(含有少量己糖、鼠李糖的多聚半孔糖醛酸的高聚物)、木糖、甘露糖、藻酸或地衣酸。多糖带负电,能够通过静电引力与许多金属离子相结合。其中的海藻酸盐与硫酸多糖是吸附的要紧载体[3]。

1.3 藻类对重金属的吸附。藻类对大多数重金属有专门强的吸附能力。如斜生栅藻对ＵＯ22+吸附是一个快速而不需要能量的过程,最大吸附容量达75ｍｇ/ｇ干物质,能够使铀浓度从5.0ｍｇ/Ｌ降至0.05ｍｇ/Ｌ, ＵＯ22+与Ｃｕ2+、Ｎｉ2+、Ｚｎ2+、Ｃｄ2+之间的竞争也专门小[4],在吸附锌时,它的吸附容量、对锌毒性的耐受能力比另外一种栅藻高[5]。绿微藻在悬浮状态下,活细胞对Cr的最大吸附量为12.67ｍｇ/ｇ干物质,干细胞为13.12ｍｇ/ｇ干物质[6]。海草能积存Ｃｄ和Ｃｕ[7];马尾藻类海草废生物体能够去除100%Ｃｄ2+和99.4%的Ｚｎ2+[8]。一些大型海藻,它们的吸附容量比其它种类生物体高得多,甚至比活性炭、天然沸石的吸附容量还高,与离子交换树脂相当[9,10]。

2 真菌生物吸附剂

2.1 来源。真菌在自然界中分布专门广,土壤、水、空气和动植物中均有它们的存在。现已记载的真菌约有12万种,包括单细胞的酵母菌、小型霉菌和产生子实体的大型真菌,它

们中的大多数都应用于工业生产。如生产抗生素的一些青霉菌属、链霉菌属菌株;生产脂肪酶、柠檬酸、酱油等所产生的各种曲霉废弃菌丝体;进行类固醇转化的黑根霉;而酵母那么是工业上最重要、应用最广泛的一类微生物。这些废弃菌体在多数情形下都被当作废弃物掩埋或焚烧。试验研究说明,它们对重金属有潜在的吸附能力,利用它们来吸附去除污水中的重金属,能够节约处理费用,达到以废治废的目的。

2.2 细胞壁结构特性。类似于藻类,真菌的细胞壁只是在结构上类似于植物的细胞壁,但在生物化学有区别。尽管纤维素存在于某些真菌中,但许多真菌的细胞壁不含纤维素。几丁质是许多真菌细胞壁的结构物质,它存在于微纤丝束内,类似于纤维素。其它的葡聚糖,如甘露聚糖、半乳聚糖和氨基葡萄糖可替代几丁质存在于某些真菌的细胞壁中,真菌的细胞壁通常含80%～90%的多糖。在重金属的吸附过程中,起要紧作用的是几丁质和葡聚糖[11-13]。

2.3 真菌对重金属的吸附。尽管真菌都具有较强的吸附重金属的能力,但不同的真菌其吸附能力也不同。来自于酿酒厂的废菌体啤酒酵母,它能够吸附多种重金属离子和放射性核素,而且水中的一些常见的离子K+、Na+、Ca+、Mg2+及盐度对吸附的阻碍专门小或不阻碍[14,22]。曲霉属的一些真菌菌株,对多种重金属和放射性核素的吸附成效也专门好。如酱油曲霉对Pb2+和Cd2+的吸附率分别为69.76%和72.28%,米曲霉为60.64%、81.34%[13],无花果曲霉对铅的吸附率可达92.44%[23];无花果曲霉能够专门快地从水溶液中去除U(IV),最大吸附容量423mgU/g生物干重,Fe2+等的存在对铀的吸附去除无阻碍[24]。在脂肪酶生产期间产生的废弃菌丝体显示出了良好的铜吸附容量(160～180mg/g干生物量),同时不受竞争离子的阻碍[25]。根霉属的菌株对大多数的金属也有良好的吸附成效。根霉进行固定化后,对Cd的最大吸附量为34.5mg/g,为非固定化的一倍[18]。少根根酶不仅对铅有专门高的吸附容量,而且依旧一种专门有前途的处理核工业的放射性废水的吸附剂[28-30]。医药工业废弃菌体产生的黄青霉菌、龟裂链霉菌对铅也有专门好的回收作用[32,33]。其它的一些真菌,如白腐真菌对铅的吸附量最大可达108.4mg/g[34],吸附率可达95%左右[34,35]。

3 细菌生物吸附剂

3.1 来源。细菌是地球上最丰富的微生物,地球上的总生物量约为1018ｇ,细菌占了其中的大部分。它像真菌一样,也广泛的应用于工业生产中,如我们现在所使用的抗生素,除少部分来自于真菌外,大多来自于细菌;还有一些酶类的生产,如洗衣粉中的酶,大多是嗜碱细菌,要紧是芽孢杆菌属的菌株;在维生素、氨基酸、醋的生产中,也要不可幸免地使用细菌。而用来吸附去除重金属的细菌菌株,大多是从矿坑水、矿土、矿区土壤或富含重金属的污水中分离出来的对重金属有耐受性的细菌菌株和工业生产中的废菌体。

3.2 细胞壁结构特性。细菌细胞壁中有一坚硬的层,要紧用于支撑细胞壁,其化学组成为肽聚糖。肽聚糖的差不多结构是一薄片层,由两种糖的衍生物即N—乙酰葡萄糖胺和N—乙酰胞壁酸以及一组氨基酸,即L—丙氨酸、D—丙氨酸、D—谷氨酸及赖氨酸或二氨基庚二酸等组成。在革兰氏阳性菌中,细胞壁90%由肽聚糖组成。另一组分为磷壁酸。磷壁酸是一种酸性多糖,它包含所有的含有磷酸甘油或核糖醇磷酸盐残基的、膜或夹膜多聚体,使整个细胞表面带负电荷,而且阻碍着离子穿过细胞壁的途径。在革兰氏阴性菌中,肽聚糖占细胞壁的10%,在肽聚糖外那么由另一层壁物质脂多糖组成。脂多糖是脂类和多糖紧密相连在外层而形成的特异的脂双层结构,一样由核心多糖和Ｏ—侧链多糖两部分组成。细菌与重金属的吸附作用位点是细胞壁上的羧基和氨基或结构蛋白上的N,P,O等原子[36-40]。

3.3 细菌对重金属的吸附。芽孢杆菌属的菌株都有强大的吸附金属的能力[41]。用地衣芽孢杆菌吸附Pb2+时,45min吸附量可达224.8mg/g[39]。多粘牙孢杆菌对铜有潜在的吸附能力,吸附量可达62.72mg/g[36,37]。苏云金杆菌不仅可用作生物农药,而且对多种金属具有抗性,同时依旧生物吸附的表现型[42]。现在,用死芽孢杆菌制成了商业用途的球状的生物吸附剂AMT—BIO CLA IM,并已获得了专利。假单孢杆菌菌属菌株对重金属也显示出了较好的吸附能力。恶臭假单孢菌能抗击Cu2+的毒性,并对Cu2+有较好的吸附能力[40,44];胞外高聚

物产生菌GX4—1的发酵液经乙醇沉淀后,即得吸附剂WJ—Ｉ,该吸附剂含多糖和蛋白质等成分[15],能吸附水溶液中的Cr(Ⅵ),吸附率最大可达98%,最大吸附量达9.34mg/g[45];嗜硝酸盐假单孢菌能吸附钴离子,同时能抗击一价离子的干扰[46]。蓝细菌是一群种类繁多、分布广泛的光能营养菌。过去由藻类学家对它们进行研究、分类,通常称为蓝(绿)藻。但由于它们的原核特点,在1996年出版的«细菌名称»中,已将〝藻〞字改为〝蓝细菌〞。螺旋蓝细菌属、念珠蓝细菌属和鱼腥蓝细菌属中的一些菌株对重金属有良好的吸附能力。盘状螺旋蓝细菌能专门快的从金—硫脲溶液中去除金,并不受ｐＨ值的阻碍[47];最大螺旋蓝细菌吸附镉时,最大吸附量可达43.63mgCd/g活细胞和37.00mgCd/g干细胞[48]。利用念珠蓝细菌差不多制成一种供商业用途的生物吸附剂AlgaSORBs可吸附多种金属[49]。用碱提取的极生蓝细菌能够从Cd溶液中吸取超过90%的Cd离子,所吸附的金属可占生物体干重的18%。用满江红鱼腥藻来吸附低浓度铀时,可迅速的使废水中的铀从5.5mg/L降至0.05mg/L.其它的细菌,如藤黄微球菌、紫红小单孢菌、伊纽小单孢菌也能够快速地吸附水中的金属[31,36]。

4 结语

生物体是一个方便、廉价能吸附水中重金属的吸附剂的来源,生物吸附法是一种专门有进展前途的处理水中的重金属的方法。工业化的重金属吸附剂需满足三个方面的要求:(1)能够快速有效的进行吸附解吸操作,具有较好的重金属选择吸附特性;(2)成本低廉,再生性能良好;(3)具有较理想的物理、化学和机械性能(包括粒径、间隙度、耐冲击性等),适合于填充各种类型的反应器。目前人们差不多选择出的重金属具有吸附潜力的生物体差不多上能够满足前两个要求,而要满足第三个要求,那么还要开展更多的关于生物吸附剂固定化技术的研究,使它能够像离子交换树脂和活性炭那样方便地应用于实际的处理过程中。

5 参考文献

1 ChangJ.LawR.ChangC.Biosorption of lead,copper and cadmium by biomass pseudomonas aeruginosa PU21[J]. Water Research, 1997.31(7):1651-1658

2 陈勇生、孙启俊.重金属的生物吸附技术研究〔Ｊ〕.环境科学进展,1997.5(6)∶34～43

3 李志勇、郭祀远、李琳.多糖在藻类富集微量元素中的作用机理〔Ｊ〕.生命的化学,1998.18(1)∶17～19

4 Zhang X Z Luo S G Yang Q et al. Accumulation of uranium at low concentration by the green alga Scenedesmus obliquus 34 [J]. Journal of Applisd phycology ,1997.9∶65～71

5 Omar H H. Adsorption of zinc ions by Scenedemus obliquus and S. quadricauda and its effect on growth and metabolism[J]. Biologia Plantarum,2002.45(2)∶261～266

6 Antonio C.A. da Costa, Francisca P. de Franca. The behavior of the microalgae Tetraselis chuii in cadmium-contaminated solutions[J]. Aquaculture lnternational,1998.6∶57～66

7 Schiewer S. Modelling complexation and electrostatic attraction in heavy metal

biosorption

by

Sargassum

biomass[J].

jourmal

of

Applied

Phycology ,1999.11∶79～87

8 Esteves A J P Valdman E Leite S G F Repeated removal of cadmium and zine from and industrial effluent by waste biomass Sargassum sp[J]. Biotechnology Letters,2000.22∶499～502

9 Matheickal J T Yu Q Cu(II) binding by marine alga Ecklonia radirta biomaterial Env Tech ,1997.18∶25～34

10 尹平河、赵玲、YU Qrming等.海藻生物吸附水中铅、铅、和镉的研究〔Ｊ〕.

海洋环境科学,2000.19(3)∶11～15

11 Tsezos M Volesky B The mechanism of uranium biosorption by Rhizopus

arrhizus. Biotechnol ,1982.24∶385～401

12 汤岳琴、牛慧、林军等.产黄青霉菌对铅的吸附机理研究———参与铅生物吸附

的化学物质及功能团的确定〔Ｊ〕.四川大学学报(工程科学版),2001.33(3)∶50～54

13 黄民生、施华丽、郑乐平.曲霉对水中重金属的吸附去除〔Ｊ〕.上海环境科

学,2002.21(2)∶89～92

14 韩润平、蒋海涛.酵母菌对Cr(Ⅵ)的生物吸附作用〔Ｊ〕.环境爱护科

学,2001.27(104)∶28～33

15 韩润平、石杰、鲍改玲.酵母菌对铅离子的生物吸附研究〔Ｊ〕.河南科

学,2000.18(1)∶52～55

16 Riordan C Bustard M Putt R Removal of uranium from solution using

residual brewery yeast : combined biosorption and precioitation [J]. Biotechnology Letters,1997.19(4)∶385～387

17 Szilva J Patza M Dostalek Petal.The Application of a Sol-Gel Technique to

Preparation of a Heavy Metal Biosorbent from Yeast Cells[J]. Journal of Sol-Gel Science and Technology ,1998.13∶289～294

18 Aloysius R Karim M I A Ar A B et al .the mechanis of cadmium removal

from aqueous solution by nonmetabolizing free and immobilized live biomass of Rhizopus oligosporus. World Journal of Microbiology & Biotechnology ,1999.15∶571～578

19 Maristella A Dias Heizir F Castro Newton C M Gomes et al. Removal of

heavy metals from stainless steel sffluents by waste biomass from Brazilian alcoholic

beverage

production.

World

jounal

of

Microbiology

&

Biotechnology ,2000.16∶107～108

20 Vianna L NL Andrade M C Jacques R N Screening of waste biomass fro

Saccharomyces cerevisiae,Aspergillus oryzae and Bacillus lentus fermentations for removal of Cu, Zn and Cd by biosorption. World Journal of Microbiology & Biotechnology ,2000.16∶437～440

21 Kedari C S Das S K Ghosh S Biosortpion of long lived radionuclides using

immobilized cells of Saccharomyces cerecvisiae. World Journal of Microbiology & Biotechnology,2001.17∶789～793

22 Liu N Luo S Z Biosorption of americium-241 by Saccharomyces cerecisiae.

Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry ,2002.252(1)∶187～191

23 董新娇、潘瑞通、林宣兴.无花果曲霉对铅的吸附研究〔Ｊ〕.四川环

境,2002.21(1)∶12～15

24 Kuber C Bhainsa Stanaislaus F D Souza. Biosorption of uranium(VI) by

Aspergillus fumigatus. Biorechnology Techniques ,1999.13∶695～699

25 potential

Ruchi G Saxena R K, Rani G Fermentation waste of Aspergillus terreus: a copper

biosortion.

World

Journal

of

Microbiology

&

Biotechnology ,2002.18∶397～401

26 Ari A B Mel M Hasna M A. The kinetics and mechanism of lead(II)

biosorption by powderized Rhizopus oligosporus. World Journal of Microbiology & Biotechnology,1999.15∶291～298

27 Dhami P S Kannan R Biosorption of radionuclides by Rhizopus arrhizus.

Biotechnology Letters ,1998:20(3)∶225～228

28 Dhami P S Kannan R Biosorption of a mericium using biomasses of

various Rhizopus species. Biotechnology Letters,2002.24∶885～889

29 Adela K Aleksander P Comparison of Rhizopus nigicans in a pelleted

growth from with some other types of waste microbial biomass as biosorbents for

metalions. World Journal of Microbiology & Biotechnology, 2001 . 17 : 677-685

30 徐容、汤岳琴.王建华等.固定化产黄青霉废菌体吸附铅与脱附平稳〔Ｊ〕.环境科

学,1998.19(4)∶72～75

31 胡罡、张利、童明容等.龟裂链霉菌对废水中Ｐｂ2+的吸附作用〔Ｊ〕.南开大学

学报(自然科学),2000.33(2)∶29～31

32 吴涓、李清彪.白腐真菌吸附铅的研究.微生物学报〔Ｊ〕.1999.39(1)∶87～9035

33 吴涓、李清彪.黄孢原毛平革菌吸附铅离子机理的研究〔Ｊ〕.环境科学学

报,2001.21(3)∶291～295

34 Ligy P Leela I Venkobachar C Site of Copper on Bacillus polymyxa. Water,

Air and Soil Pollution,2000.119∶11～21

35 Akira N Masahide Y Hidekatsu Yetal. Copper biosorption by chemically

treated Mcrococcus luteus cells. Workd Journal of Microbiology & Biotechnology,2001.7∶343～347

36 刘月英、傅锦坤、李仁忠等.细菌吸附Pb离子的研究〔J〕.微生物学报,2000.20(5)∶

535～539

37 王磊、范立梅、周琪等.不同生长期的Pseudomonas putida5-X细胞对工业废

水中Ｃｕ2+的吸附〔J〕.环境科学学报,2001.21(2)∶208～212

38 黄淑惠.细菌固定金属的作用机制〔J〕.微生物学通报,1992.19(3)∶171～17342

39 El-Helos E R Sabry S A Amer R M Cadmium biosorption by a cadmium

resistant strain of Bacillus thuringiensis : regulation and optimization of cell surface affinity for metalcations. Bio Metals ,2000.13∶273～280

40 张小枝、罗上庚、杨群等.满江红鱼腥藻吸附低浓度铀的研究〔Ｊ〕.核化学与放

射化学,1998.20(2)∶114～118

41 Asuncion L Nuria L Suasana Metal. Nickel biosorption by free and

immobilized cells of Pseudomonas fluorescens 4F39:A comparative study. Water, Air and Soil pollution, 2002.135:157-172

42 张小枝、罗上庚、杨群等.满江红鱼腥藻吸附低浓度铀的研究〔Ｊ〕.核化学与放

射化学,1998.20(2)∶114～118

43 Hafez M B Jbrahim M K Biosorptio of some ions on different bacterial

species from aqueous and radioactive waste solutions. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry ,2002.252(1)∶179～185

44 Wong P K So C M Copper accumulation by a strain of Pseudomonas

putida . Micobios,1993.73∶113～121

45王竟、陶颖、周集体等.细菌胞外高聚物对水中六价铬的生物吸附特性〔Ｊ〕.水处理技术,2001.27(3)∶145～147

46Ginisty P Guezennec J Biosorption of cobalt by Pseudomonas halodenitrificans:influence of cell wall treatment by alkali and alkaline-earth metals and ion-exchange mechanisms. Biotechnology Letters ,1998.20(11)∶1035～1039

47 Savvaidis L Recovery of gold from thiourea solutions using

microorganisms. Bio Metal ,1998.11∶145～151

48 Augusto da Costa A C, Francisca P de Franca. Cadmium uptake by

Spirulina maxima:toxicity and nechanism. World journal of Microbiology & Biotechnology,1998.14∶579～581

49 Prasad B B Pandey U C Separation and preconcentration of copper and

cadmiumions from multi elemental solutions using Nostoc muscorum-based biosorbents. World Journal of Microbiology & Biotechnology,2000.16∶819～827