微生物吸附重金屬離子機理研究進(jìn)展

劉磊 宋文成

摘要綜述了微生物吸附重金屬離子的作用機理，包括胞外沉淀作用、菌體表面吸附與絡(luò)合效應(yīng)、靜電結(jié)合作用、離子交換型吸附、氧化還原、微沉積作用、胞內(nèi)累積效應(yīng)。

關(guān)鍵詞微生物吸附；金屬離子；吸附機理

中圖分類號X172文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2018）05-0015-03

AbstractThe mechanism of microbial adsorption of heavy metal ions was reviewed， including extracellular precipitation， surface adsorption and complexation， electrostatic binding， ion exchange adsorption， redox， micro deposition and intracellular accumulation.

Key wordsMicrobial adsorption；Metal ions；The adsorption mechanism

生物吸附被定義為在溶液中利用生物材料，使大量重金屬離子被富集，從而去除金屬、混合物及微粒物質(zhì)的方法[1-2]。重金屬污染已經(jīng)構(gòu)成最嚴(yán)重的環(huán)境污染之一，各種工業(yè)（如采礦、冶煉金屬、電鍍、化學(xué)農(nóng)藥的使用等）產(chǎn)生的廢棄物中大量重金屬被排放到環(huán)境中，對人體健康、生態(tài)環(huán)境構(gòu)成很大威脅[3-4]。

從溶液中去除重金屬離子的方法很多，主要有物理、化學(xué)及生物方法，常規(guī)方法如化學(xué)沉淀、膜過濾、離子交換及電化學(xué)等，如果溶液中金屬離子濃度過低，化學(xué)沉淀在去除金屬離子時，需要消耗大量化學(xué)試劑，因此重金屬離子在低濃度時，化學(xué)沉淀的方法不適用。近些年，利用微生物菌體作為吸附劑對金屬離子進(jìn)行吸附，引起了廣泛關(guān)注，對真菌、酵母菌及細(xì)菌進(jìn)行篩選分離、富集培養(yǎng)，然后利用其吸附作用去除廢水中重金屬離子。如常用黑曲霉屬真菌進(jìn)行重金屬離子吸附[5-7]。相關(guān)研究表明，活體微生物菌體可以吸附重金屬離子，然而許多無活性的死菌體也具有較好的吸附效果?；铙w微生物在吸附重金屬離子的過程中，需要依賴新陳代謝，同時對重金屬具有一定的抗逆性，活體微生物通過分泌胞外產(chǎn)物與重金屬離子結(jié)合，從而降低重金屬離子的危害。因此，很多活體微生物吸附量沒有滅活的菌體高。微生物菌體與重金屬離子之間的相互作用研究也是非常重要的，為了提高吸附量效率，需要對微生物吸附的機理進(jìn)行探討，該研究主要綜述了微生物吸附機理的幾種類型。

1胞外沉淀作用

在外部環(huán)境的作用下，許多微生物菌體能夠分泌黏性的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS），其主要成分是蛋白質(zhì)、脂類等，富含帶負(fù)電荷的官能團（如羧基、羥基等）可與重金屬發(fā)生沉淀作用或者絡(luò)合作用。Kurek等[8]研究發(fā)現(xiàn)，一些細(xì)菌在生長過程中，釋放出一定量的蛋白質(zhì)，與溶液中可溶性離子（Cd2+、Cu2+等）形成不溶性的沉淀，從而去除重金屬離子。Suh等[9]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出芽短梗霉菌（Aureobasidium pullulans）分泌EPS時，Pb2+積累在整個菌體細(xì)胞的表面，且隨著菌體存活時間的延長，EPS分泌量增多，吸附在細(xì)胞表面的Pb2+水平也有較大提高，把菌體分泌的EPS分離提取出來后，導(dǎo)致Pb2+積累量顯著減少。Loac等[10]也通過試驗研究表明，異養(yǎng)菌（Alteromonas macleodii subsp.）的EPS對Cd2+、 Cu2+ 、Pb2+均有良好的吸附能力。

EPS作為含水凝聚基質(zhì)，可將體系中的微生物黏結(jié)聚集在一起發(fā)揮作用。EPS也是生物膜的主要成分之一，常用在污泥或者生物膜法處理重金屬廢水的過程中，EPS主要包括以下幾個方面作用：①絮凝捕獲重金屬離子；②EPS可以與重金屬離子形成離子鍵；③促進(jìn)細(xì)胞對重金屬離子的富集與積累。

2菌體表面吸附與絡(luò)合效應(yīng)

絡(luò)合作用是重金屬離子與菌體細(xì)胞壁的某些成分以配位鍵形成復(fù)合物的過程，螯合作用是1個配基與2個或者2個以上的配位原子與重金屬結(jié)合形成具有環(huán)狀絡(luò)合物的過程。絡(luò)合作用和螯合作用是微生物吸附劑與重金屬離子重要的結(jié)合方式。微生物菌體細(xì)胞與重金屬離子接觸的過程中，首先接觸的是細(xì)胞壁，細(xì)胞壁的化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵，決定與重金屬離子相互作用的特性。大量研究表明，某些微生物的細(xì)胞壁表面富含可以與重金屬離子成鍵的活性基團，如羧基、羥基、羰基等，其中氧、氮、磷、硫可作為配位原子與重金屬離子配位絡(luò)合。有研究結(jié)果表明，從枯草芽孢桿菌分離出來的細(xì)胞壁，可以從低濃度的水溶液中絡(luò)合大量的Fe3+、Mg2+、Cu2+和少量的Pb2+、Ag+。Manasi等[11]利用1株篩選分離獲得的鹽單胞菌處理電子工業(yè)中富含Cd2+ 廢水，結(jié)果表明，細(xì)胞表面的羥基、氨基和羧基是菌體吸附重金屬的主要官能團，且通過多種生化技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，金屬離子結(jié)合到菌體表面后，同時也改變細(xì)胞表面的微觀形態(tài)[12-13]。另外，也有文獻(xiàn)報道，指狀青霉（Penicillum digitatum）對鈾的吸附不受外界pH的影響，顯然鈾是以較為專性吸附的方式吸附在菌絲表面，通過X射線衍射及掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，鈾主要吸附在根霉的細(xì)胞壁上[14]，而大量鈾結(jié)合的化合物主要存在于青霉的細(xì)胞壁，或者在與細(xì)胞膜的孔隙中。

3靜電結(jié)合作用

大量研究結(jié)果表明，羥基、羧基和巰基可以提供電子，而使細(xì)胞壁表面呈電負(fù)性，從而能夠吸附重金屬陽離子。靜電吸附已被證明是細(xì)菌（如生枝動膠菌，Zoogloea ramigera）、藻類 （如普通小球藻[15-16]，Chlorella vulgaris）吸附銅、黑曲霉吸附鉻、少量根霉（Rhizopus arrhizus）吸附Cu、Ca、Pb的主要原因[17]。

真菌的細(xì)胞壁含有氨基己糖和蛋白質(zhì)類物質(zhì)。有研究結(jié)果表明，鉻酸根陰離子在菌體細(xì)胞壁上大量吸附，導(dǎo)致氨基紅外吸收峰強度顯著降低，這使溶液呈酸性時，氨基大量解離，形成帶正電荷的細(xì)胞壁表面，鉻酸根陰離子通過靜電作用吸附在細(xì)胞表面。根霉的無活性菌體對重金屬陰離子的吸附作用主要依賴于溶液的pH，因為該吸附過程是由于靜電作用使重金屬陰離子與帶正電荷的官能團相互作用。

4離子交換型吸附

重金屬離子與微生物菌體之間相互作用，除了與細(xì)胞表面的活性基團形成共價鍵、靜電作用外，還可以以離子交換的方式吸附于菌體表面。離子交換是指微生物菌體內(nèi)的陽離子與溶液中的重金屬離子發(fā)生交換，促使重金屬離子被吸附運輸或者結(jié)合到細(xì)胞上的過程，最后達(dá)到除去或者提取溶液中重金屬離子的目的。菌體細(xì)胞與重金屬離子之間的交換作用機理可通過菌體細(xì)胞吸附重金屬離子過程中的交換規(guī)律而得到證實。離子交換規(guī)律根據(jù)不同菌種和生長條件而變化，生長條件改變可影響細(xì)胞上磷酸基和羧基的比例，從而影響微生物對不同金屬離子的吸收，一般過渡金屬優(yōu)先被吸附。如根霉對Co2+的生物吸附就是Co2+、Ca2+和H+發(fā)生離子交換的結(jié)果。Chen等[18-19]研究發(fā)現(xiàn)，在Hg2+ 和Pb2+單獨存在的單一體系中，釀酒酵母對二者的吸附量幾乎相等，只是達(dá)到平衡的時間不同。Hg2+ 和Pb2+共存的體系中，Pb2+的吸附受Hg2+影響很大。

5氧化還原

氧化還原反應(yīng)存在于微生物菌體吸附過程中，這種作用機理主要與某些菌株所分泌的酶有關(guān)，在酶的催化下，菌體可以發(fā)生一些變價重金屬的氧化還原反應(yīng)，使重金屬的溶解度降低或者毒性降低。如從惡臭假單胞菌MK1中分離并純化的可溶性Cr6+還原酶ChrR，在還原Cr6+的過程中，先催化一個電子轉(zhuǎn)運，形成中間產(chǎn)物Cr5+和Cr4+，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)運2個電子形成Cr3+；而從大腸桿菌中提取的還原酶YieF，其轉(zhuǎn)運4個電子后直接將Cr6+還原為Cr3+。也有研究者從巨大芽孢桿菌TKW3中篩選分離出膜結(jié)合的Cr6+還原酶。在厭氧條件下，可溶性酶和膜結(jié)合還原酶，均可催化Cr6+還原為Cr3+，這個過程中Cr6+作為電子轉(zhuǎn)運鏈中的電子受體，而且菌體的細(xì)胞色素類也參與此類氧化還原反應(yīng)[20]。

Furukawa等[21]研究發(fā)現(xiàn)，某些抗Hg的假單胞菌可產(chǎn)生Hg的離釋酶，該酶在NADPH存在的情況下可將Hg2+還原成 Hg。一般來說，氧化還原反應(yīng)需要有代謝活性的細(xì)胞參與，但也有微生物死體細(xì)胞能吸附重金屬離子，并將其還原為元素態(tài)的報道。Lloyd[22]研究發(fā)現(xiàn)，脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）的無活性菌體細(xì)胞在沒有其他輔助因子存在的條件下，能以丙酮酸、CH4或H2作為電子供體，使Pd2+還原為Pd。微生物對重金屬還具有氧化作用，如假單胞菌（Pseudomonas）能使As3+、Fe2+等發(fā)生氧化。有關(guān)文獻(xiàn)報道，大腸桿菌能將Hg蒸氣氧化成Hg2+，這主要與大腸桿菌能分泌過氧化氫酶類有關(guān)。另外，芽孢桿菌和鏈霉菌（Streptomyces）對Hg也有氧化作用，如氧化亞鐵嗜酸硫桿菌的銅藍(lán)蛋白可將Fe2+氧化成Fe3+。

6微沉積作用

微沉積是重金屬離子在微生物菌體細(xì)胞壁或胞內(nèi)形成沉淀復(fù)合物的過程，有研究表明，產(chǎn)黃青霉菌體吸附Pb時，其中大部分被吸附的Pb沉積在菌體表面。Strandberg等[23-25]在研究釀酒酵母細(xì)胞對U的吸附時發(fā)現(xiàn)，U沉積在酵母細(xì)胞表層，呈針狀，這種沉積程度受到外界環(huán)境因素影響，同時這種沉積物還可用化學(xué)法進(jìn)行洗脫，使釀酒酵母可以重復(fù)使用。重金屬還能以磷酸鹽、硫酸鹽或者氫氧化物等形式在細(xì)胞壁或者細(xì)胞內(nèi)沉積下來。Volesky等[26]用活性酵母吸附Cd2+，通過分析發(fā)現(xiàn)，Cd2+是以磷酸鹽的形式在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生沉淀，在酵母細(xì)胞的細(xì)胞壁上并未檢測到磷酸鹽沉淀物，而在細(xì)胞內(nèi)的液泡中含有大量含Cd沉淀物。Scott等[27]研究發(fā)現(xiàn)，用一些節(jié)桿菌（Arthrobacter）和假單胞菌脫除Cd時，在細(xì)胞表面形成了Cd的沉淀物。

另外，菌體分泌的一些不溶性胞外分泌物也能與重金屬結(jié)合，在菌體表面形成沉淀。

7胞內(nèi)累積效應(yīng)

首先通過物理化學(xué)過程把重金屬吸附到菌體細(xì)胞表面，然后依賴能量的轉(zhuǎn)運體系再把金屬運輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)。有研究發(fā)現(xiàn)，芽孢桿菌對重離子態(tài)金的吸附過程中，金的吸附量與細(xì)胞的代謝有直接關(guān)系。另外一種螺旋藻（Spirulina）的活細(xì)胞在pH為3～8時，吸附金的量隨pH的升高而增加，該藻類的活細(xì)胞吸附金的過程同樣被抑制劑疊氮化鈉抑制，說明藻類吸附金的過程是依賴能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移過程。一般情況下，由活體微生物菌體吸附起作用，經(jīng)轉(zhuǎn)運穿過細(xì)胞壁、細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，從而重金屬離子和一些微量難降解有機化合物分子可能被繼續(xù)轉(zhuǎn)運至一些亞細(xì)胞器進(jìn)行沉淀，也可能轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)而形成生物積累。Vijver等[28]研究認(rèn)為，重金屬污染細(xì)胞內(nèi)吸附機理主要有兩大類型，一是合成獨特的機體內(nèi)含物，主要是磷酸酶的吸附顆粒；二是合成金屬硫蛋白。金屬硫蛋白富含半胱氨酸、組氨酸、谷氨酸等氨基酸殘基，這使得金屬硫蛋白與金屬陽離子具有較高的結(jié)合容量。金屬硫蛋白或者類似多肽的主要生理功能是儲存、調(diào)節(jié)和解毒胞內(nèi)的金屬離子，在微生物治理重金屬污染中具有廣闊的應(yīng)用前景。通過微生物菌體表達(dá)高容量金屬結(jié)合蛋白，也可提高菌體對重金屬離子的吸附結(jié)合效應(yīng)[29-30]。

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