真菌吸附重金屬的研究進(jìn)展

劉長青，陳紀(jì)杰，黃正洋

（鹽城工學(xué)院 海洋與生物工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

真菌是真核微生物，廣泛存在于自然界中。多細(xì)胞真菌由菌絲和孢子組成，菌絲分枝交織成團(tuán)，形成菌絲體，其體積比細(xì)菌大幾倍甚至幾十倍。按照功能，可將菌絲分為營養(yǎng)菌絲和氣生菌絲，待氣生菌絲生長成熟后，其頂端形成各式各樣的子實體和孢子。真菌菌絲的細(xì)胞壁含有80%～90%的多糖（幾丁質(zhì)和纖維素），其與蛋白質(zhì)、脂類、聚磷酸鹽及無機離子結(jié)合形成細(xì)胞壁。

重金屬污染主要在采礦冶金、工業(yè)生產(chǎn)、催化反應(yīng)等過程中產(chǎn)生，包括鉛（Pb）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鐵（Fe）、銅（Cu）、錳（Mn）、鎳（Ni）等。隨著環(huán)境中重金屬或其化合物的堆積，將會對野生動植物甚至人類造成嚴(yán)重?fù)p傷。雖然自然界存在一定的自凈能力，但累積量超過其自凈能力，則會污染生物；重金屬進(jìn)入環(huán)境后，會累積和遷移，主要通過水、土壤等途徑進(jìn)入動植物，再通過食物鏈進(jìn)入人體。因此，尋找切實可靠的技術(shù)解決重金屬污染一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。

1 常見的重金屬去除方法

目前，主要通過化學(xué)沉淀法和生物法來去除重金屬污染。

1.1 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法是指向重金屬污染水體中加入化學(xué)試劑，使重金屬離子與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后形成沉淀的方法。常用于沉淀重金屬的化學(xué)試劑有：燒堿、石灰、硫化鈉、三氯化鐵等。在重金屬離子形成沉淀后，為了減小顆粒之間的斥力，破壞懸浮液的穩(wěn)定性，使較小的、不易沉淀的顆粒凝聚成較大的易沉淀顆粒，常常會投加絮凝劑。除了化學(xué)沉淀法，還可利用離子交換、物理吸附、反滲透、蒸發(fā)和電化學(xué)等技術(shù)方法去除廢水中的重金屬。

1.2 生物法

生物法是利用生物資源，如真菌（如Botrytis cinerae）、細(xì)菌（如Bacillus thuringiensis）、藻類（如Anabaena sphaerica）等生物體，吸附被重金屬污染的廢水、廢渣。相對于上面兩種方法，生物吸附具有高效、環(huán)保、無毒等特點，在重金屬去除方面具有廣闊的應(yīng)用前景。不同方法比較如表1所示。

表1 不同方法對重金屬吸附的比較

2 真菌吸附重金屬的影響因素

2.1 pH

溶液的pH是影響真菌吸附重金屬的一項重要因素。研究顯示：菌體在適宜的pH范圍內(nèi)，吸附才是可行的。當(dāng)溶液酸性過大時，大量的氫離子和游離的重金屬競爭結(jié)合位點，導(dǎo)致吸附效果不佳；當(dāng)溶液堿性過大時，pH大于金屬離子形成微沉淀的臨界值，金屬離子會沉淀形成不溶性的氫氧化物或氧化物，影響吸附過程。余甜甜等[1]研究表明：當(dāng)pH為6.0時，球孢白僵菌Z1菌體對Cd2+的吸附效果最佳，對Cd2+最佳去除率為56.17%。隨著pH降低或升高，菌體吸附效果開始減弱。

2.2 溶液中重金屬濃度

在不同的重金屬初始濃度下，吸附率和吸附量與初始濃度均無線性關(guān)系，即當(dāng)吸附量最大時，吸附率不一定是最大值，此時要考慮重金屬濃度與生物量的比值。Li等[2]選用Pb-Cd-As溶液質(zhì)量濃度分別為300-10-20、600-20-40、900-30-60、1 200-40-80、1 500-50-100 mg/L，隨著溶液中Pb-Cd-As初始質(zhì)量濃度的增加，卷枝毛霉（Mucor circinelloides）對Pb-Cd-As的吸附率也隨之降低。

2.3 共存離子

當(dāng)吸附體系中存在多個金屬離子時，由于共存離子與主要金屬離子競爭細(xì)胞上有限的負(fù)性官能團(tuán)，共存離子一般會對主要離子的吸附起抑制作用。某學(xué)者研究表明：Mg2+和Ca2+對吸附的影響大于Na+和K+，通常溶液中陽離子對吸附的作用程度與其價態(tài)相關(guān)，次序為：3價＞2價＞1價，同價離子中Ca2+＞Mg2+。

2.4 溫度

當(dāng)溫度在20～35 ℃時，通常不會影響真菌生物吸附的效果。溫度升高可以提升富集位點對金屬的親和性，但過高的溫度會使富集位點發(fā)生形變，進(jìn)而使金屬富集能力降低。鄭愛芳等[3]利用真菌LGBS研究不同溫度對Cu2+吸附效果的影響，發(fā)現(xiàn)吸附率呈先下降后上升再下降的趨勢，在15 ℃時具有最大吸收量和吸附率。

2.5 時間

一般情況下，菌體吸附速率隨著吸附時間的變化，先增大后減小最終達(dá)到平衡。許飄[4]研究表明：黃孢原毛平革菌對Pb吸附分為兩個階段，分別是前6 h的快速吸附階段和隨后的緩慢吸附階段。黃孢原毛平革菌對Cd的吸附與Pb類似，即先出現(xiàn)較快的吸附過程，隨后吸附速率明顯下降，其原因可能是菌體吸附的Cd量逐漸達(dá)到飽和。

2.6 聚合物

真菌生長一般需要有一定的支撐物，在其上纏繞、生長，形成菌球，隨后在廢水中吸附重金屬。Miao等[5]利用Phanerodontia chrysosporium與杉木樹皮共存研究其對Cd2+的吸附性能和機理。Kulshreshtha Shweta[6]利用蘑菇底物（菌絲體與底物），可去除70%～90%的重金屬、染料、污染物?？梢?，真菌吸附具有較強的吸附能力。

3 真菌生物修復(fù)重金屬污染的機理

真菌對重金屬的吸附根據(jù)細(xì)胞代謝可分為被動吸收和主動吸收。被動吸收主要指細(xì)胞表面吸附，指細(xì)胞壁上的官能團(tuán)如——SH、——COOH、——NH2、——OH、——PO43-等與各種金屬離子絡(luò)合、螯合、離子交換等作用過程。生物富集即主動吸收，通過真菌表面吸附的金屬離子與特定酶相結(jié)合，將其轉(zhuǎn)移至胞內(nèi)的過程。重金屬與金屬硫蛋白、絡(luò)合素以及一些多肽相結(jié)合，在胞內(nèi)沉淀，即為胞內(nèi)吸附。

根據(jù)溶液中重金屬的吸附位置，生物吸附的順序為：（1）細(xì)胞外積累：a吸附；b離子交換和絡(luò)合；c氧化還原反應(yīng)；（2）細(xì)胞內(nèi)積累吸收；（3）細(xì)胞表面吸附/沉淀：細(xì)胞代謝運轉(zhuǎn)。具體如圖1所示[7]。

圖1 真菌吸附重金屬的理論機制

4 真菌吸附重金屬的優(yōu)勢

4.1 成本低

生物原料的成本通常遠(yuǎn)低于物理化學(xué)藥劑，如活性炭、離子交換樹脂等，同時，可以利用工業(yè)發(fā)酵的廢棄菌絲體。

4.2 高效性

在廢水中，當(dāng)污染物濃度較低時，仍能達(dá)到較高的去除率；微生物在處理廢水重金屬時，當(dāng)給定的條件適宜時，可以達(dá)到微量、高效的效果。

4.3 選擇性

真菌對染料、重金屬等污染物有一定的選擇性，對于污水中存在的大量C、N、K、Na等常規(guī)元素，真菌可以去除廢水中對自然有傷害的重金屬而保留常規(guī)元素。

4.4 可去除的污染物種類多

絲狀真菌種類繁多且功能各異，目前，已研究的物種數(shù)量依然是冰山一角，尚有許多真菌未被研究甚至未被發(fā)現(xiàn)，潛力較大。

5 展望

絲狀真菌在污水處理中的生物吸附和生物降解功能已經(jīng)受到了許多學(xué)者的關(guān)注，這是由于真菌生物較為廉價且治理效果良好，具有較大的潛力。但是，各種真菌的吸附機理各不相同，仍需要加強研究。要想將這一技術(shù)應(yīng)用于實際，仍然存在諸多難題?？傮w而言，真菌在重金屬處理上有廣闊的應(yīng)用前景。