第七章2污染事故生物补救和污染场地的生物修复.ppt

第四节 生物吸附剂与重金属去除 一、概 述 生物吸附：即微生物菌体对重金属的吸附作用。 细胞的不同部位对重金属离子的吸附机理包括络合、螯合、离子交换、转化、吸收和无机微沉淀等。 金属阳离子可被细胞表面的负电荷位点所吸附。 许多阴离子参与结合金属离子，如膜蛋白上的磷酸基、羧基、巯基和羟基等。 微生物对重金属的吸附作用取决于两个方面，一是生物吸附剂本身的特性；另一方面是金属对生物体的亲合性。 二、生物吸附的由来 生物吸附这一概念由Ruchhoft等人于1949年首先提出，他用活性污泥法从废水中回收了239pu，单级处理获得了60％的回收率。他描述了在清除污染的过程中增殖的微生物“有巨大表面积的胶状基质能吸附放射性材料”。 Polikarpovz在研究水生生物的放射生态学时指出：海洋环境中存在的核材料可通过海洋微生物“直接从水中吸附”而积累，而且上述性质与细胞的生命功能无关。 许多微生物细胞，不论死活，都具有同样好的吸附性质。使用死的微生物细胞的优点是微生物的培养与应用可以分开进行，以便更好地控制生物吸附剂吸附重金属离子的。 Tezuka （ 1968 ）认为：活性污泥细菌在二价阳离子如Cu2+或Mg2+帮助下的可逆絮凝，是带负电荷的细胞表面与溶液中的阳离子之间形成离子键桥的结果。 根霉和枯草芽孢杆菌可能是研究得最广泛的生物吸附剂，有证据表明这些微生物菌体的离子交换在金属离子的吸附方面起着重要的作用。 酵母细胞的表面能与阳离子迅速可逆地结合而起着离子交换树脂的作用，啤酒酵母能迅速吸附铀，推测在其表面可能具有磷酸基和羧基，磷酸二酯键的离解可能在啤酒酵母的细胞表面形成负离子。 细胞壁上具有较高的磷酸盐含量。 磷酸基与铀形成稳定的复合物，羧基只有当磷酸基饱和时才起作用。大肠杆菌有羧基，而巨大芽孢杆菌同时具有羧基和磷酸基。分离的枯草芽孢杆菌细胞壁具有结合大量金属离子的能力。 三、生物吸附材料的种类 重金属的微生物吸附： 一些微生物如细菌、真菌和藻类对重金属有很强的吸附作用，微生物菌体是重金属生物吸附剂的首选材料。 例如，海洋微生物可将pb2+和Cd2+从海水中分别富集1.7×105倍和1.0×105倍。 细菌是地球上最丰富的微生物，地球上的总生物量大约为1018g，细菌占了其中的大部分。 许多研究表明细菌及其产物对溶解态的金属离子有很强的络合能力。根据它们的结构和组成，细菌细胞壁带有负电荷使得细菌表面具有阴离子的性质。 四、生物吸附机理 （一）微生物细胞壁的结构特征 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程中起着重要作用。 微生物细胞壁的特殊结构，在很大程度上决定着其对金属的吸附，如细胞壁的多孔结构使活性化学配位体在细胞表面合理排列，使细胞易于和金属离子结合。细胞外多糖(EPS)在某些微生物吸附重金属离子的过程中也有一定的作用。EPS主要由蛋白质和多糖构成，其比率大约为3:1。 1、细菌细胞壁 （1）革兰阳性细菌的细胞壁 肽聚糖带有阴离子基团，具有网络结构，允许分子量为1 200～70000的分子通过。 细胞壁结合金属离子有3个主要的机理：吸附、微沉淀和晶核作用。 微生物细胞壁结合金属离子的能力不仅与功能基团的数量、类型和接近方式有关，而且与细胞壁网络的孔径、细胞壁骨架的空隙率有关，其中细胞壁骨架的空隙率决定沉淀和晶核的形状和数量。 (2) G-细菌的细胞壁 革兰阴性细菌的外膜由脂多糖(LPS)、磷脂和蛋白质组成，镁离子对分子的化学稳定性具有重要作用。表面负电荷主要来自于LPS的净负电荷。 外膜通过脂蛋白或离子键(Mg2+、Ca2+等)结合到肽聚糖上。 2、真菌细胞壁 真菌细胞壁主要由各种多糖构成，它们经常和蛋白质、脂和其他物质(如色素)键合在一起。真菌细胞壁是多层、微纤维结构。 几丁质是N-乙酰-D-葡萄糖胺的聚合物；纤维素是由9-1,4-糖苷键连接起来的吡喃型葡萄糖的聚合物；非纤维性的葡聚糖是己糖和戊糖，有时是糖醛酸的聚合物。这些物质和蛋白质、脂肪和多糖结合在一起。在真菌细胞壁中还存在色素、聚磷酸盐和无机离子。磷酸二酯和羧基使真菌细胞壁表面带有电荷。 3、海藻细胞壁 海藻细胞壁在结构上类似于真菌细胞壁，它是由多层的微纤维素骨架所构成的，其主要成分是纤维素，并夹杂有一些无定性的物质。 大多数海藻细胞壁的外面有一层黏性物质，这类物质因含有糖醛酸而具有很大的结合金属离子的能力。 （二）金属对生物分子的亲和性 根据金属离子与F-和I-离子结合强弱来确定金属“硬度”并且对金属进行分类。 能与F-形成很强化学键的金属离子就称为“硬金属”，如Na+、Mg2+