第七章2污染事故生物补救和污染场地的生物修复

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。实验依据：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1200～70000的分子通过。所有细菌的细胞壁都具有共同的特征：含有肽聚糖。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+和Ca2+等。相反，与F-形成弱化学键的金属离子被称为“软金属”，比如Hg2+、Cd2+和pb2+等，一般都是有毒的重金属。•在生物体内，硬金属离子一般与OH-、HPO4-、CO32-、R-COO-和＝C＝O等含氧官能团形成稳定化学键，而软金属离子一般与CN-、R-S-、-SH-、-NH2和咪唑等含氮和含硫基团成键。•Nierboer和Richardson根据原子特性和金属溶液化学性质将金属离子分为三类，即亲氧、亲氮和硫、过渡类.A类(亲氧类)Li、Be、Na、Mg、A1、K、Ca、Sc、Rb、Sr、Y、Cs、Ba、La、Fr、Ra、Ac、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、LrB类(亲氮、亲硫类)Cu、Rh、Pb、Ag、Ir、Pt、Au、Hg、Ti、Pb、BiC类(过渡类)H、Ti、V、Cr、Mn、Fe、r刀、Ni、Zn、Ga、As、Cd、In、Sn、Sb生物体系中常见的官能团亲A类金属离子的官能团其他的重要官能团亲B类金属离子的官能团F-，O2-，OH-，CO32-，SO42-，ROSO3-，NO3-，HPO42-，PO43-，ROH，RCOO-，=C=O，ROR’Cl-，Br-，NO2-，NO3-，SO42-，RNH2，R2NH,R3N，=N-，-CO-NH-R，O22-H-，I-，R-,CN-，CO，S2-，RS-，R2S，R3As•生物吸附(biosorption)的机理主要有络合、螯合、离子交换、转化、吸收和无机微沉淀等。•一般来说，金属的生物吸附是以其结合机理为基础的。这些机理可以单独起作用，也可以与其他机理结合在一起起作用，这取决于吸附过程的条件和环境。（三）微生物对金属的吸附•细胞转化是指微生物代谢产生的及细胞自身的一些还原性物质将氧化态的毒性重金属离子还原为无毒性的沉淀。•微生物通过氧化-还原、甲基化和去甲基化等作用将毒性重金属离子转化为无毒物质或沉淀，微生物转化作用与代谢和酶有关。阴沟肠杆菌(Enterobacterchoacae)能将Mo6+还原形成钼蓝而净化Mo6+废水，在这一过程中NADH和N,N,N,N,—四甲基—对苯二胺作为Mo6+还原的氢供体，并且Mo6+还原还与糖酵解和电子传递有关.从植物根瘤上分离到的抗汞根瘤菌，其抗汞能力与还原酶和有机汞裂解酶有关；青霉菌BS-1能将Cr6+还原为Cr3+而降低Cr6+的毒性；硫酸盐还原菌(SRB)在厌氧条件下产生的H2S和废水中的Zn2+反应生成金属硫化物沉淀而得以去除废水中的Zn2+离子。•细胞吸收主要有两种形式——主动吸收和被动吸附。被动吸附是指细胞表面覆盖的胞外多糖(EPS)、细胞壁上的磷酸根、羧基、巯基、胺基等基团以及胞内的一些化学基团与金属间的结合。电荷间的相互作用，是物化现象，与生物活性无关，这一过程速度较快。研究结果表明，在微生物处理重金属废水过程中，被动吸附是细胞吸收的主要形式。微生物对金属离子的吸附是可逆的•离子交换是与细胞物质结合的金属离子被另一些结合能力更强的金属离子代替的过程。有毒的重金属离子与细胞物质具有很强的结合能力，因此，离子交换在重金属废水的处理中具有特别重要的意义。例如，多糖是褐藻和红藻的结构成分，大多数天然存在的海藻多糖是以Na+、K+、Ca2+、Mg2+离子的盐形式存在。二价金属离子能够与这些多糖的阳离子发生离子交换。离子交换过程常受溶液pH的影响，其最佳酸度在pH3～4之间。离子交换随不同的菌种和生长条件而变化，生长条件可影响细胞上磷酸根和羰基的比例，从而影响对不同金属的吸收，一般过渡金属被优先吸收，而碱金属、铵、镁、钙则不被吸收。络合作用是金属离子与几个配基以配位键相结合形成的复杂离子或分子的过程。螯合作用是一个配基上同时有两个以上的配位原子与金属结合而形成具有环状结构的配合物的过程。螯合作用和络合作用都是金属离子与生物吸附剂之间的主要作用方式。•在原核生物和真核生物的外表面，含有能和金属离子发生反应的各种活性基团，这些活性基团一般来自磷酸盐、胺、蛋白质和各种碳水化合物，其分子内含有的N、P、S和O等电负性较大的原子或基团，能与金属离子发生螯合或络合作用。如几丁质和脱乙酰几丁质复合物上的大量磷酸盐和葡萄糖醛酸，它们可以通过各种机制与金属结合，其中磷酸、羰基以及蛋白质和几丁质上的含N配位体对金属都有很强的络合能力。五、生物吸附工艺过程1．间歇搅拌式反应器•在间歇搅拌式反应器中，颗粒状的生物吸附剂与重金属废水只有充分接触、实现固液两相的均相混合，才能有效地去除废水中的重金属离子。因此反应器的几何尺寸、搅拌器的形式对提高固液两相传质起着非常重要的作用。•生物吸附剂与含重金属的废水首先在反应器中混合形成悬浮溶液，当吸附结束时，悬浮液进入过滤器进行固液分离，得到的固体吸附剂进行再生处理，滤液进人回收槽后进一步净化处理。2．连续搅拌式反应器•该工艺过程是在间歇搅拌式反应器的基础上改进而成。含重金属的废水和吸附剂均连续进入反应器中，经混合后形成悬浮液，在适宜的运行条件下，吸附反应结束，悬浮液经过滤器将吸附剂和废水进行分离。3．固定床式反应器在固定床式反应器中，颗粒状的吸附剂以固体床层方式填充于反应器中，含重金属的废水自上而下缓慢地通过床层。为了保证床层的水流状态和吸附效率，吸附剂的粒径以1～3mm为宜，通常采用两个以上的反应器并联运行，交替进行吸附和再生操作。缺点：水相中的杂质沉积到吸附剂表层后会影响反应器的水流状态。4．脉冲接触式反应器•脉冲接触式反应器是指在适宜的进水水力负荷条件下，吸附达到饱和的生物吸附剂能够及时地从反应器进入再生系统，新鲜的吸附剂同时从脉冲槽中快速补充，反应器的吸附剂采取“吸附—排空—补充”的方式周期运行。•饱和的吸附剂能够得到有效再生，同时，整个吸附工艺仍处于连续稳定的运行状态，5．流化床式反应器•流化床式反应器为上流式反应器。•水溶液从底部进入反应器与其中的吸附剂进行混合接触并呈流化状态。•通过控制合理的操作参数和步骤，使悬浮态的出水溶液中吸附剂和水相中的金属离子都达到预定的指标。六、生物吸附剂的应用•使用具有吸附金属离子能力的活性污泥或生物膜可在某种程度上从含有重金属离子的工业废水中收集和回收重金属离子。•由于重金属离子对活的微生物具有毒性，影响了微生物的生长与繁殖，因此活细胞的应用受到了一定的限制。•从电镀污泥、各种重金属废水等环境中可筛选到能耐受较高金属离子的功能菌株，经培养，可获得具有较高金属结合能力的活菌体。•大多数生物吸附材料是使用具有特殊结合金属离子能力的死亡菌体制成的。这些生物吸附材料既可以在低浓度的重金属废水中回收重金属，也可以在较高的金属离子浓度下操作。由于菌体的繁殖和重金属吸附操作是分开进行的，这些生物吸附材料可以处理对活细胞有毒的高浓度金属离子。将金属离子洗脱之后，生物吸附材料还可以再生。•目前，在北美至少有三家企业开发了商品化的生物吸附剂产品，其中有：①B．V．SOR-BEX有限公司(加拿大，蒙特利尔市)，该公司使用各种不同类型的微生物菌体作为加工生物吸附剂的原料，开发了一系列用于金属离子去除和域回收的生物吸附剂，既有能吸附各种金属离子的广谱生物吸附剂，也有只吸附单一金属离子的特殊生物吸附剂