1、微生物處理重金屬污染摘 要：重金屬污染的修復是目前研究的熱點之一，其中生物治理技術尤其得到了廣泛關注。利用菌類微生物的表面結構特性及其生化代謝作用，通過生物化學法、生物絮凝法等將重金屬元素分離或降低其毒性，可達到治理污染的目的?；蚬こ碳夹g在這一領域的應用，加強了菌類和微藻的吸附、代謝、絮凝功能，提高了重金屬污染的處理能力。固定化技術的應用提高了治理重金屬污染的效率及穩定性，有力地推動了重金屬微生物治理技術的發展。文章綜述了近年來國內外在利用微生物及植物技術治理重金屬污染方面的研究進展，并對其發展方向進行了展望。關鍵詞：重金屬； 微生物； 研究現狀； 應用前景Review on Microbi

2、ological for Heavy Metal PollutionLI Dong-xiaoAbstract：Development in the treatment of heavy metal pollution at home and abroad by means of microbiological techniques were summarized，and present studies and application prospects of Biological chemical method，Biological flocculation method. the appli

3、cation of gene engineering technique and immobilized microorganism technique to heavy metal pollution treatment were introduced. The prospects of development of treatment technology for heavy metal pollution were also discussed.Key words：heavy metal pollution；microorganism；status; review1. 前言由于工業的發展

4、,重金屬的使用越來越廣泛,伴隨而來的重金屬污染問題也日趨嚴重。特別是重金屬廢水,因其中的鉛、鉻、鎘等可通過食物鏈最終在生物體內累積,破壞正常的生理代謝活動甚至產生“三致”(致癌、致畸、致突變)作用,而成為一種對生態環境危害極大的工業廢水。因此,尋找一種能有效地治理重金屬廢水污染的技術已顯得緊迫而重要。治理重金屬的傳統方法有:中和沉淀法、化學沉淀法、氧化還原法、氣浮法、電解法、蒸發和凝固法、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。它們各有優點,但又不同程度地存在著投資大、能耗高、操作困難、易產生二次污染等不足,特別是在處理低含量重金屬污染時,其操作費用和原材料成本相對過高1。

5、利用微生物體系制備的生物吸附劑處理和回收重金屬,是目前實踐證明最有發展前途的一種新方法。它與傳統的處理方法相比,具有以下優點2: (1)在低濃度下,金屬可以被選擇性地去除; (2)節能,處理效率高; (3)操作時的pH值和溫度條件范圍寬; (4)易于分離回收重金屬; (5)吸附劑易再生利用; (6)對鈣、鎂離子吸附量少;(7)投資小,運行費用低,無二次污染。2. 重金屬污染的微生物處理方法2.1 生物化學法生物化學法指通過微生物處理含重金屬廢水,將可溶性離子轉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法,該法是在厭氧條件下硫酸鹽還原菌通過異化的硫酸鹽還原作用,將硫酸鹽還原成H2

6、S,重金屬離子和H2S反應生成溶解度很低的金屬硫化物沉淀而被去除,同時H2SO4的還原作用可將SO2-4轉化為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。中國科學院成都生物研究所從電鍍污泥、廢水及下水道鐵管內分離篩選出35株菌株,從中獲得高效凈化Cr(VI)復合功能菌3。袁建軍等4利用構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,發現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范圍內有效地富集汞。但高濃度的重金屬廢水對微生物毒性大,故此法有一定的局限性,不過,可以通過遺傳工程、馴化或構造出具有特殊功能的菌株,微生物處理重金屬

7、廢水一定具有十分良好的應用前景。2.2 生物絮凝法生物絮凝法是利用微生物或微生物產生的具有絮凝能力的代謝物進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、黏多糖、纖維素和核糖等。目前普遍接受的絮凝機理是離子鍵、氫鍵結合學說。目前對于硅酸鹽細菌絮凝法的應用研究已有很多5-6，有些已取得顯著成果7。運用基因工程技術，在菌體中表達金屬結合蛋白分離后，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利用轉基因技術使 E.coli表達麥芽糖結合蛋白（pmal）與人金屬硫蛋白（MT）的融合蛋白pmal-Ml并將純化的 p

8、mal-MT 固定在Chitopeara 樹脂上，研究其對 Ca2+和 Ga2+的吸附特性，該固定了融合蛋白的樹脂具有較強的穩定性，并且其吸附能力較純樹脂提高十倍以上。2.3生物吸附法 生物吸附是對于經過一系列生物化學作用使重金屬離子被微生物細胞吸附的概括理解,這些作用包括絡合,螯合,離子交換,吸附等?；畹奈⑸锖退赖奈⑸飳χ亟饘匐x子都有較大的吸附能力,藻類中的某些種屬對于重金屬的吸附容量可達400Hg/kg(生物干重),例如甲囊馬尾藻(Sargassummatans)。 吸附法分為物理吸附法和離子吸附法兩種,前者使用具有高度吸附能力的硅膠、活性碳、多孔玻璃、石英砂和纖維素等,吸附劑將生物細

9、胞吸附到表面上使之固定化。這是一種最古老的方法,操作簡單,反應條件溫和,載體可反復利用,但結合不牢固,細胞易脫落。后者根據細胞在離解狀態下可因靜電引力(即離子鍵合作用)而固著于帶有異相電荷的離子交換劑上,如DEAE2纖維素、DEAE2Sephadex,CM2纖維素等。 Green使用藻類去除水的金,Tsezos,Mara2no使用真菌吸附水中的鈾,Ferguson和Breuer等利用泥炭蘚去除水中的Fe,Al,Pb,Cu,Cd,Zn等金屬離子。Barkley利用藻類吸附有機廢水中的Cd,Cu等金屬離子。MarkSpinti等把泥炭蘚固定在多孔的聚合砜基質中成功地應用于去除含Zn,Cd,Mg等金

10、屬離子的酸性礦井水中,用聚合砜固定泥炭蘚制成的球狀小粒機械強度大,化學性能穩定,容易再生,不膨脹不收縮。生物吸附法以其獨特的優點近年來在含重金屬廢水處理領域引起了人們普遍的關注,進行了廣泛的研究,取得了可喜的成果。但生物吸附技術還只是處于經驗、實驗室階段,在實用化和工業化應用中還存在著諸多問題有待研究解決,還需通過進一步的研究和開發工作完善此項技術。3. 重金屬污染微生物處理技術3.1基因工程技術在微生物治理重金屬污染中的應用運用基因工程技術構建具有高效降解能力的菌株是目前的研究熱點，國內外學者均進行了大量研究，主要致力于應用基因工程技術，在微生物表面表達特異性金屬結合蛋白或金屬結合肽進而提高

11、富集容量，或在微生物細胞膜處表達特異性金屬轉運系統的同時，在細胞內表達金屬結合蛋白或金屬結合肽，從而獲得具有高富集容量和高選擇性的高效菌株。構建出的菌株處理能力均顯著提高，高選擇性重組菌的構建使得重金屬的再資源化成為可能9。由于人們對大腸桿菌的認識較深入，且其具有致病性弱，對生長環境要求不高，易于檢查和培養的優點，適于作污水處理菌。由于人們對大腸桿菌的認識較深入，且其具有致病性弱，對生長環境要求不高，易于檢查和培養的優點，適于作污水處理菌。目前研究中多以大腸桿菌為受體菌，運用基因重組技術構建出多種高效菌株10。Deng 等11構建的基因重組菌 E.coli JM10，在含鎳廢水的處理試驗中，對

12、 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較宿主菌具有更強的 Hg2+耐受性和更高的 Hg2+富集量，去除率達 96%以上。 Sousa 等13構建了表達酵母金屬硫蛋白（CUP1）、哺乳動物金屬硫蛋白（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14研究了轉MT-like 基因衣藻對不同重金屬離子的抗性和對 Cd2+富集行為，結果表明，轉基因衣藻對 Pb2+、Zn2+和Cd2+三種重金屬離子的抗性得到明顯增強，其中以對Zn2+的抗性增

13、強最為顯著。轉基因藻對 Cd2+的富集能力經 MT-like 蛋白表達后較野生藻細胞有較大增加，最大達到 144.48mol/g ，為野生藻的 8.3 倍。曾文爐等15以轉 mMT-聚球藻 7002 為對象，研究了其在含 Cd2+、Pb2+和 Hg2+的培養基中的生長特性及其對重金屬的凈化性能，結果表明，無論從生長速率還是對重金屬的耐受特性來看，轉 mMT-聚球藻 7002 均明顯優于野生藻。3.2固定化技術在微生物治理重金屬廢水中的應用固定化微生物技術是通過采用化學或物理的方法將游離微生物定位于限定的空間區域內，使其保持活性并可反復利用的一種新型生物技術16。具有微生物細胞密度高、反應速度快

14、、穩定性強、耐毒害能力強、微生物流失少、產物分離容易和剩余污泥少等優點。利用此技術，可將篩選出的優勢微生物（主要是菌體和藻類）加以固定，構成一種高效、快速、能連續處理的廢水處理系統，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種形態菌體)，去除30500 g/L的含Hg()和Cd()的廢水。吸附平衡為1 h，最佳pH值分別為5. 0和6·0;適宜溫度為l545。用10 mmol/LHCl解析，回收吸附率達原來的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(Ps

15、eudomonas 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胞制備的，一種是用活的微生物細胞制備的。實驗表明，假單孢蘭綠藻活的和死的細胞對重金屬離子Pb、Cu和Cd都具有很大的吸附能力，活的比死的細胞吸附能力大。不同生長階段的假單孢蘭綠藻對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。pH最佳范圍在5·06·0之間。用稀鹽酸解吸后，對于Pb、Cu的吸附能力仍保持在原吸附能力的98%以上，對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。固定化微生物細胞用來富集重

16、金屬，實際上起著生物離子交換樹脂的作用，但固定化細胞比離子交換更經濟，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境的修復中更實用。因此，固定化微生物技術在處理重金屬廢水領域中有著廣闊的應用前景。3.3淋濾技術在微生物治理重金屬污染中的應用利用微生物的直接轉化作用或其代謝產物的間接轉化作用 ，產生氧化、還原、絡合、吸附或溶解作用，將固相中某些不溶性成分(如重金屬、硫及其它金屬)分離浸提出來的一種技術。用于難浸提礦石或貧礦中金屬的溶出與回收，又稱微生物濕法冶金。一些嗜酸細菌被廣泛用于銅、金等金屬的浸提。如在氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌作用下，污泥中難溶性金屬硫化

17、物被氧化成金屬硫酸鹽而溶出，通過固液分離即可達到取出或提取重金屬的目的。目前，可用來進行生物淋濾的細菌有硫桿菌屬(Thiobacillus)、鐵氧化鉤端螺旋菌(Leptospirillumferrooxi2dans)、硫化桿菌屬(Sulfobacillus)、酸菌屬(Acidianus)、嗜酸菌屬(Acidiphilium)以及其它與硫桿菌聯合生長的兼性嗜酸異養菌。其中，應用最廣泛的是氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans)，其次是氧化硫硫桿菌(Thiobacillusthiooxidans)和鐵氧化鉤端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)。

18、Markosyan等首次報道在同樣的酸性礦水中還存在另一種依靠亞鐵的生物氧化以獲得能量的無機化能自養菌2鐵氧化鉤端螺旋菌(Leptospirillumferrooxi2dans)。Helle和Onken發現在硫桿菌溶液中添加鐵氧化鉤端螺旋菌(L.ferrooxidans)可顯著提高生物淋濾的速率。Rawling等認為在大規模的連續攪拌池式反應器(CSTR)中，鐵氧化鉤端螺旋菌(L.ferrooxi2dans)數量超過氧化亞鐵硫桿菌(T.ferrooxidans)的主要原因是它可適應更高的氧化還原電位、溫度以及對亞鐵具有更高的親合力。Eh超過690mV時，該菌對亞鐵的生物氧化活性就高于氧化亞鐵硫

19、桿菌，因而在生物淋濾中的應用越來越受到重視。生物淋濾法耗酸少，運行成本低、實用性強，是經濟有效、具有潛力的重金屬去除方法，它具有化學浸提法(酸或有機絡合劑)不可替代的優越性。然而，生物淋濾法采用的主要細菌如硫桿菌增殖慢、生物淋濾滯留時間長是限制其大規模應用的主要障礙。另外，脫毒污泥的后續處置，特別是如何使其作為一種新型的、高附加值的資源在土地利用中發揮更大的效益，尚有待探索。3.4表面展示技術在微生物治理重金屬污染中的應用微生物表面展示(surface display)技術是一種新的基因工程技術，它使表達的外源膚(或蛋白質的結構域)以融合蛋白形式展示在噬菌體或微生物細胞的表面，被展示的多肽或蛋

20、白質可以保持相對獨立的空間結構和生物活性。為研究某些多膚或蛋白質(如受體、膜蛋白、抗原和抗體等)在哺乳類和細菌細胞表面的結構、性質和作用，需要將它們展示于細胞表面?？扇苄缘鞍自诩毦砻娴恼故炯夹g已得到廣泛的研究和應用。隨著展示技術的發展，人們可以更有效的認識、改造和創建各種生物大分子。噬菌體表面展示系統是最早發展起來的，現在最常用的噬菌體表面展示系統主要有:絲狀噬菌體、K噬菌體、T4噬菌體和T7噬菌體展示系統。噬菌體表面展示技術具有表面展示技術的基本優點，而且技術發展相對成熟，但由于載體自身的限制，使得該展示系統存在著很大缺點。比如，外源蛋白的插入可能影響噬菌體的裝配，使其失去感染力;多肽或蛋

21、白質與噬菌體外殼蛋白融合表達時存在不可預測的偏差性等。細菌表面展示系統是繼噬菌體表面展示系統之后發展起來的。根據載體蛋白的來源可將其分為革蘭氏陰性細菌表面展示系統和革蘭氏陽性細菌表面展示系統。目前常用的革蘭氏陰性細菌表面展示系統載體蛋白主要有外膜蛋白、脂蛋白、表面附屬結構亞單位以及近年來研究及應用較多的冰晶核蛋白和自體轉運蛋白等。革蘭氏陽性細菌表面展示系統較革蘭氏陰性細菌表面展示系統發展稍晚。目前常用的載體蛋白主要有SPA蛋白、M6蛋白以及S-層蛋白等。酵母表面展示系統是近年發展起來的一種重要的真核蛋白表面展示系統。釀酒酵母是具有細胞壁的單細胞真核微生物，是目前常見的酵母表面展示系統載體蛋白來

22、源。根據交配型的差異分為MATa和MATA兩種單倍體，其細胞表面分別表達a或A凝集素，它們是酵母細胞壁上的兩種甘露糖蛋白，可介導細胞間的性黏附使細胞融合。目的蛋白可分別與a或A凝集素融合，展示于酵母細胞表面。桿狀病毒表面展示系統屬于高等真核生物展示系統。該展示系統以桿狀病毒為載體，外源基因插入病毒的衣殼蛋白基因或囊膜蛋白基因后經過加工處理，與衣殼蛋白或囊膜蛋白進行融合表達并在病毒粒子或感染細胞表面進行展示。作為一種真核生物展示系統，桿狀病毒表面展示系統允許大片段外源基因的插入，能有效地在病毒粒子表面展示外源蛋白，而且可以對外源蛋白進行糖基化加工和折疊等翻譯后修飾，尤其適合需進行特異的翻譯后加工

23、才能有效折疊和具有生物活性的高等真核生物細胞表面蛋白和分泌蛋白的展示。3.5植物菌根修復技術在微生物治理重金屬污染中的應用植物修復是近些年發展起來的一種環境友好的低成本的土壤修復技術，對于重金屬污染土壤的修復來說，主要包括依賴于超富集植物和高生物量作物的植物提取技術，利用植物的吸收和沉淀作用來固定重金屬的植物穩定技術，以及針對于可揮發性元素（如Hg、Se等）的植物揮發技術。叢枝菌根（Arbuscular mycorrhiza，AM）是自然界中分布最廣的一類菌根，AM真菌能與陸地上絕大多數的高等植物共生，常見于包括重金屬污染土壤在內的各種生境中。自從Bradley等1981年在Nature上報道

24、石楠菌根降低植物對過量重金屬Cu和Zn的吸收以后，人們對AM與重金屬的研究也產生了濃厚的興趣，之后的研究涉及重金屬污染下的菌根生理、生態、應用等多個方面。轉基因（金屬硫蛋白）植物往往對重金屬有更強的抗性，在植物修復中可能更具有優勢，AM真菌與轉基因植物應用于重金屬污染修復也是未來的研究方向之一。Janouskova等研究了G. intra-radices對于轉基因（金屬硫蛋白）煙草和非轉基因煙草生長和Cd吸收的影響，發現在所有情況下AM真菌都改善了P營養，在沙培條件下增加了生物量；在土培條件下，生物量降低或沒改變，轉基因煙草地上部Cd吸收量比非轉基因煙草的低。Janouskova等研究還發現A

25、M真菌顯著促進轉基因煙草和非轉基因煙草的生長，但降低轉基因煙草對Cd的植物提取效率，增加非轉基因煙草的提取效率，并認為與菌種、植物耐性和土壤中Cd水平等多種因素有關。AM真菌對轉基因植物的作用尚需進一步研究。4. 結語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。但由于其顯著優點，生物治理法已經對重金屬廢水的傳統處理過程起到顯著的補充作用，再加上近年來基因工程技術、分子生物學技術以及固定化技術的不斷發展及其在重金屬污染治理中的有效應用，使得重金屬污染的生物治理技術取得長足進展，其研究和發展必有廣闊的前景。構建與篩選同時具有高富集量、高選擇性、高適

26、應性等特點的工程菌，以及培育轉基因重金屬積累植物將是今后的研究熱點。微藻在有效去除廢水中重金屬元素的同時，還具有修復富營養化水源的巨大潛力，這方面的研究近年來逐漸增多21。目前在微生物與植物的協同凈化作用領域已有不少研究，如果在重金屬廢水治理領域，能將植物治理法與微生物治理法有效的結合起來，那么處理能力將大大提高，微生物與廢水不易分離的缺點也將得到有效解決。參考文獻1 張慧，李寧，戴友芝.重金屬污染的生物修復技術J.化工進展， 2004， 23(5): 562565.2OmarH H. Adsorption of zinc ions by scenedes mus oblipuus and S

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