微生物處理重金屬?gòu)U水文獻(xiàn)綜述

1、微生物處理重金屬?gòu)U水蔡忠萍(江西理工大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，江西 贛州 34100)摘 要：重金屬污染水體的修復(fù)是目前研究的熱點(diǎn)之一，其中生物治理技術(shù)尤其得到了廣泛關(guān)注。利用菌類微生物的表面結(jié)構(gòu)特性及其生化代謝作用，通過(guò)生物化學(xué)法、生物絮凝法等將重金屬元素與水體分離或降低其毒性，可達(dá)到廢水治理的目的。基因工程技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用，加強(qiáng)了菌類和微藻的吸附、代謝、絮凝功能，提高了廢水處理能力。固定化技術(shù)的應(yīng)用提高了廢水治理的效率及穩(wěn)定性，有力地推動(dòng)了重金屬?gòu)U水微生物治理技術(shù)的發(fā)展。文章綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在利用微生物及植物技術(shù)治理重金屬?gòu)U水方面的研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：重金屬?gòu)U水；

2、微生物； 研究現(xiàn)狀； 應(yīng)用前景Review on Microbiological for Heavy Metal WastewaterCAI Zhong-ping（Resources and environmental engineering institute，Jiangxi university of science and technology，Jiangxi ，China）Abstract：Development in the treatment of heavy metal wastewater at home and abroad by means of microbiologic

3、al techniques were summarized，and present studies and application prospects of Biological chemical method，Biological flocculation method. the application of gene engineering technique and immobilized microorganism technique to heavy metal wastewater treatment were introduced. The prospects of develo

4、pment of treatment technology for heavy metal wastewater were also discussed.Key words：heavy metal wastewater；microorganism；status; review1. 前言由于工業(yè)的發(fā)展,重金屬的使用越來(lái)越廣泛,伴隨而來(lái)的重金屬污染問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。特別是重金屬?gòu)U水,因其中的鉛、鉻、鎘等可通過(guò)食物鏈最終在生物體內(nèi)累積,破壞正常的生理代謝活動(dòng)甚至產(chǎn)生“三致”(致癌、致畸、致突變)作用,而成為一種對(duì)生態(tài)環(huán)境危害極大的工業(yè)廢水。因此,尋找一種能有效地治理重金屬?gòu)U水污染的技術(shù)已顯得緊迫而重要

5、。治理重金屬?gòu)U水的傳統(tǒng)方法有:中和沉淀法、化學(xué)沉淀法、氧化還原法、氣浮法、電解法、蒸發(fā)和凝固法、離子交換法、吸附法、溶劑萃取法、液膜法、反滲透和電滲析法等。它們各有優(yōu)點(diǎn),但又不同程度地存在著投資大、能耗高、操作困難、易產(chǎn)生二次污染等不足,特別是在處理低含量重金屬污染時(shí),其操作費(fèi)用和原材料成本相對(duì)過(guò)高1。利用微生物體系制備的生物吸附劑處理和回收廢水中的重金屬,是目前實(shí)踐證明最有發(fā)展前途的一種新方法。它與傳統(tǒng)的處理方法相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)2: (1)在低濃度下,金屬可以被選擇性地去除; (2)節(jié)能,處理效率高; (3)操作時(shí)的pH值和溫度條件范圍寬; (4)易于分離回收重金屬; (5)吸附劑易再生利

6、用; (6)對(duì)鈣、鎂離子吸附量少;(7)投資小,運(yùn)行費(fèi)用低,無(wú)二次污染。2. 重金屬?gòu)U水微生物處理方法2.1 生物化學(xué)法生物化學(xué)法指通過(guò)微生物處理含重金屬?gòu)U水,將可溶性離子轉(zhuǎn)化為不溶性化合物而去除。硫酸鹽生物還原法是一種典型生物化學(xué)法,該法是在厭氧條件下硫酸鹽還原菌通過(guò)異化的硫酸鹽還原作用,將硫酸鹽還原成H2S,重金屬離子和H2S反應(yīng)生成溶解度很低的金屬硫化物沉淀而被去除,同時(shí)H2SO4的還原作用可將SO2-4轉(zhuǎn)化為S2-而使廢水的pH值升高,從而形成重金屬的氫氧化物而沉淀。中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所從電鍍污泥、廢水及下水道鐵管內(nèi)分離篩選出35株菌株,從中獲得高效凈化Cr(VI)復(fù)合功能菌3。袁

7、建軍等4利用構(gòu)建的高選擇型基因工程菌生物富集模擬電解廢水中的汞離子,發(fā)現(xiàn)電解廢水中其他組分的存在可以增大重組菌富集汞離子的作用速率,且該基因工程菌能在很寬的pH范圍內(nèi)有效地富集汞。但高濃度的重金屬?gòu)U水對(duì)微生物毒性大,故此法有一定的局限性,不過(guò),可以通過(guò)遺傳工程、馴化或構(gòu)造出具有特殊功能的菌株,微生物處理重金屬?gòu)U水一定具有十分良好的應(yīng)用前景。2.2 生物絮凝法生物絮凝法是利用微生物或微生物產(chǎn)生的具有絮凝能力的代謝物進(jìn)行絮凝沉淀的一種除污方法。生物絮凝劑又稱第三代絮凝劑，是帶電荷的生物大分子，主要有蛋白質(zhì)、黏多糖、纖維素和核糖等。目前普遍接受的絮凝機(jī)理是離子鍵、氫鍵結(jié)合學(xué)說(shuō)。前述硅酸鹽細(xì)菌處理重金

8、屬?gòu)U水可能的機(jī)理之一就是生物絮凝作用。目前對(duì)于硅酸鹽細(xì)菌絮凝法的應(yīng)用研究已有很多5-6，有些已取得顯著成果7。運(yùn)用基因工程技術(shù)，在菌體中表達(dá)金屬結(jié)合蛋白分離后，再固定到某些惰性載體表面，可獲得高富集容量絮凝劑。Masaaki Terashima 等8利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)使 E.coli表達(dá)麥芽糖結(jié)合蛋白（pmal）與人金屬硫蛋白（MT）的融合蛋白pmal-Ml并將純化的 pmal-MT 固定在Chitopeara 樹(shù)脂上，研究其對(duì) Ca2+和 Ga2+的吸附特性，該固定了融合蛋白的樹(shù)脂具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，并且其吸附能力較純樹(shù)脂提高十倍以上。3. 重金屬?gòu)U水微生物處理技術(shù)3.1基因工程技術(shù)在微生物治理重

9、金屬?gòu)U水中的應(yīng)用運(yùn)用基因工程技術(shù)構(gòu)建具有高效降解能力的菌株是目前的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了大量研究，主要致力于應(yīng)用基因工程技術(shù)，在微生物表面表達(dá)特異性金屬結(jié)合蛋白或金屬結(jié)合肽進(jìn)而提高富集容量，或在微生物細(xì)胞膜處表達(dá)特異性金屬轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的同時(shí)，在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)金屬結(jié)合蛋白或金屬結(jié)合肽，從而獲得具有高富集容量和高選擇性的高效菌株。構(gòu)建出的菌株處理能力均顯著提高，高選擇性重組菌的構(gòu)建使得廢水中重金屬的再資源化成為可能9。由于人們對(duì)大腸桿菌的認(rèn)識(shí)較深入，且其具有致病性弱，對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求不高，易于檢查和培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)，適于作污水處理菌。由于人們對(duì)大腸桿菌的認(rèn)識(shí)較深入，且其具有致病性弱，對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求不高，易于

10、檢查和培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)，適于作污水處理菌。目前研究中多以大腸桿菌為受體菌，運(yùn)用基因重組技術(shù)構(gòu)建出多種高效菌株10。Deng 等11構(gòu)建的基因重組菌 E.coli JM10，在含鎳廢水的處理試驗(yàn)中，對(duì) Ni2+富集能力比原始菌株增加了6 倍多。Zhao 等12的研究表明，基因工程菌 E.coli JM109較宿主菌具有更強(qiáng)的 Hg2+耐受性和更高的 Hg2+富集量，去除率達(dá) 96%以上。 Sousa 等13構(gòu)建了表達(dá)酵母金屬硫蛋白（CUP1）、哺乳動(dòng)物金屬硫蛋白（HMT21A）和外膜蛋 LamB 的融合蛋白的基因工程菌 E.coli，該菌種的 Cd2+富集能力比原始宿主菌提高 15 倍20 倍。鄧旭等

11、14研究了轉(zhuǎn)MT-like 基因衣藻對(duì)不同重金屬離子的抗性和對(duì) Cd2+富集行為，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因衣藻對(duì) Pb2+、Zn2+和Cd2+三種重金屬離子的抗性得到明顯增強(qiáng)，其中以對(duì)Zn2+的抗性增強(qiáng)最為顯著。轉(zhuǎn)基因藻對(duì) Cd2+的富集能力經(jīng) MT-like 蛋白表達(dá)后較野生藻細(xì)胞有較大增加，最大達(dá)到 144.48mol/g ，為野生藻的 8.3 倍。曾文爐等15以轉(zhuǎn) mMT-聚球藻 7002 為對(duì)象，研究了其在含 Cd2+、Pb2+和 Hg2+的培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)特性及其對(duì)重金屬的凈化性能，結(jié)果表明，無(wú)論從生長(zhǎng)速率還是對(duì)重金屬的耐受特性來(lái)看，轉(zhuǎn) mMT-聚球藻 7002 均明顯優(yōu)于野生藻。3.2固定化

12、技術(shù)在微生物治理重金屬?gòu)U水中的應(yīng)用固定化微生物技術(shù)是通過(guò)采用化學(xué)或物理的方法將游離微生物定位于限定的空間區(qū)域內(nèi)，使其保持活性并可反復(fù)利用的一種新型生物技術(shù)16。具有微生物細(xì)胞密度高、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐毒害能力強(qiáng)、微生物流失少、產(chǎn)物分離容易和剩余污泥少等優(yōu)點(diǎn)。利用此技術(shù)，可將篩選出的優(yōu)勢(shì)微生物（主要是菌體和藻類）加以固定，構(gòu)成一種高效、快速、能連續(xù)處理的廢水處理系統(tǒng)，可以有效地減少二次污染17Kacar等18用海藻酸鈣固定真菌(Phanerochaete chrysosporium)(包括活的和加熱滅活的2種形態(tài)菌體),去除30500 g/L的含Hg()和Cd()的廢水。吸附平衡為1 h,

13、最佳pH值分別為5. 0和60;適宜溫度為l545。用10 mmol/LHCl解析,回收吸附率達(dá)原來(lái)的97%。是一種新型有效的生物吸附劑。Chang等19則是利用假單孢蘭綠藻(Pseudomonas aerugi-nosaPu 21)制備了2種固定化生物吸附劑:一種是用死的微生物細(xì)胞制備的,一種是用活的微生物細(xì)胞制備的。實(shí)驗(yàn)表明,假單孢蘭綠藻活的和死的細(xì)胞對(duì)重金屬離子Pb、Cu和Cd都具有很大的吸附能力,活的比死的細(xì)胞吸附能力大。不同生長(zhǎng)階段的假單孢蘭綠藻對(duì)Pb、Cd顯示出不同的吸附能力。隨著溶液pH值的增加,其吸附能力增強(qiáng)。pH最佳范圍在5060之間。用稀鹽酸解吸后,對(duì)于Pb、Cu的吸附能力

14、仍保持在原吸附能力的98%以上,對(duì)Cd的吸附能力保持在80%以上。以上大量研究表明,固定化菌類和藻類可以有效地去除廢水中的重金屬。固定化微生物細(xì)胞用來(lái)富集重金屬,實(shí)際上起著生物離子交換樹(shù)脂的作用,但固定化細(xì)胞比離子交換更經(jīng)濟(jì),且不受Ca2+、Mg2+、Na+和K+等離子的影響20,在廢水處理和受污染水環(huán)境的修復(fù)中更實(shí)用。因此,固定化微生物技術(shù)在處理重金屬?gòu)U水領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。4. 結(jié)語(yǔ)生物法治理重金屬污染有一定的局限性，尤其是微生物法受離子濃度、pH、溫度等外界條件的影響較大。但由于其顯著優(yōu)點(diǎn)，生物治理法已經(jīng)對(duì)重金屬?gòu)U水的傳統(tǒng)處理過(guò)程起到顯著的補(bǔ)充作用，再加上近年來(lái)基因工程技術(shù)、分子生

15、物學(xué)技術(shù)以及固定化技術(shù)的不斷發(fā)展及其在重金屬?gòu)U水治理中的有效應(yīng)用，使得重金屬?gòu)U水的生物治理技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)展，其研究和發(fā)展必有廣闊的前景。構(gòu)建與篩選同時(shí)具有高富集量、高選擇性、高適應(yīng)性等特點(diǎn)的工程菌，以及培育轉(zhuǎn)基因水生重金屬積累植物將是今后的研究熱點(diǎn)。微藻在有效去除廢水中重金屬元素的同時(shí)，還具有修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水源的巨大潛力，這方面的研究近年來(lái)逐漸增多21。目前在微生物與植物的協(xié)同凈化作用領(lǐng)域已有不少研究，如果在重金屬?gòu)U水治理領(lǐng)域，能將植物治理法與微生物治理法有效的結(jié)合起來(lái)，那么處理能力將大大提高，微生物與廢水不易分離的缺點(diǎn)也將得到有效解決。參考文獻(xiàn)1 張慧,李寧,戴友芝.重金屬污染的生物修復(fù)技術(shù)J

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