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微生物处理重金属污染


微生物处理重金属污染
摘 要:重金属污染的修复是目前研究的热点之一,其中生物治理技术尤其得到了广泛 关注。利用菌类微生物的表面结构特性及其生化代谢作用,通过生物化学法、生物絮凝法等 将重金属元素分离或降低其毒性, 可达到治理污染的目的。 基因工程技术在这一领域的应用, 加强了菌类和微藻的吸附、代谢、絮凝功能,提高了重金属污染的处理能力。固定化技术的 应用提高了治理重金属污染的效率及稳定性,有力地推动了重金属微生物治理技术的发展。 文章综述了近年来国内外在利用微生物及植物技术治理重金属污染方面的研究进展, 并对其 发展方向进行了展望。 关键词:重金属; 微生物; 研究现状; 应用前景

Review on Microbiological for Heavy Metal Pollution
LI Dong-xiao Abstract: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 application 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; review

1. 前言
由于工业的发展,重金属的使用越来越广泛,伴随而来的重金属污染问题也日趋严重。特 别是重金属废水,因其中的铅、铬、镉等可通过食物链最终在生物体内累积,破坏正常的生理 代谢活动甚至产生“三致”(致癌、致畸、致突变)作用,而成为一种对生态环境危害极大的工业 废水。因此,寻找一种能有效地治理重金属废水污染的技术已显得紧迫而重要。 治理重金属的传统方法有:中和沉淀法、化学沉淀法、氧化还原法、气浮法、电解法、 蒸发和凝固法、离子交换法、吸附法、溶剂萃取法、液膜法、反渗透和电渗析法等。它们各 有优点,但又不同程度地存在着投资大、能耗高、操作困难、易产生二次污染等不足,特别是 在处理低含量重金属污染时,其操作费用和原材料成本相对过高[1]。 利用微生物体系制备的生 物吸附剂处理和回收重金属,是目前实践证明最有发展前途的一种新方法。它与传统的处理 方法相比,具有以下优点[2]: (1)在低浓度下,金属可以被选择性地去除; (2)节能,处理效率高; (3) 操作时的 pH 值和温度条件范围宽; (4)易于分离回收重金属; (5)吸附剂易再生利用; (6)对钙、 镁离子吸附量少;(7)投资小,运行费用低,无二次污染。

2. 重金属污染的微生物处理方法

2.1 生物化学法 生物化学法指通过微生物处理含重金属废水 , 将可溶性离子转化为不溶性化合物而去 除。硫酸盐生物还原法是一种典型生物化学法,该法是在厌氧条件下硫酸盐还原菌通过异化 的硫酸盐还原作用,将硫酸盐还原成 H2S,重金属离子和 H2S 反应生成溶解度很低的金属硫化 物沉淀而被去除,同时 H2SO4 的还原作用可将 SO2-4 转化为 S2-而使废水的 pH 值升高,从而形 成重金属的氢氧化物而沉淀。 中国科学院成都生物研究所从电镀污泥、 废水及下水道铁管内 [3] 分离筛选出 35 株菌株,从中获得高效净化 Cr(VI)复合功能菌 。 袁建军等[4]利用构建的高选择型基因工程菌生物富集模拟电解废水中的汞离子,发现电 解废水中其他组分的存在可以增大重组菌富集汞离子的作用速率,且该基因工程菌能在很宽 的 pH 范围内有效地富集汞。 但高浓度的重金属废水对微生物毒性大,故此法有一定的局限性, 不过,可以通过遗传工程、驯化或构造出具有特殊功能的菌株,微生物处理重金属废水一定具 有十分良好的应用前景。 2.2 生物絮凝法 生物絮凝法是利用微生物或微生物产生的具有絮凝能力的代谢物进行絮凝沉淀的一种 除污方法。 生物絮凝剂又称第三代絮凝剂, 是带电荷的生物大分子, 主要有蛋白质、 黏多糖、 纤维素和核糖等。目前普遍接受的絮凝机理是离子键、氢键结合学说。目前对于硅酸盐细菌 絮凝法的应用研究已有很多[5-6],有些已取得显著成果[7]。运用基因工程技术,在菌体中表 达金属结合蛋白分离后,再固定到某些惰性载体表面,可获得高富集容量絮凝剂。 Masaaki Terashima 等[8]利用转基因技术使 E.coli 表达麦芽糖结合蛋白(pmal)与人金 属硫蛋白(MT)的融合蛋白 pmal-Ml 并将纯化的 pmal-MT 固定在 Chitopeara 树脂上,研 究其对 Ca2+和 Ga2+的吸附特性,该固定了融合蛋白的树脂具有较强的稳定性,并且其吸附 能力较纯树脂提高十倍以上。 2.3 生物吸附法 生物吸附是对于经过一系列生物化学作用使重金属离子被微生物细胞吸附的概括理解, 这些作用包括络合,螯合,离子交换,吸附等。活的微生物和死的微生物对重金属离子都有较大 的吸附能力,藻类中的某些种属对于重金属的吸附容量可达 400Hg/kg(生物干重),例如甲囊马 尾藻(Sargassummatans)。 吸附法分为物理吸附法和离子吸附法两种,前者使用具有高度吸附能力的硅胶、活性 碳、多孔玻璃、石英砂和纤维素等,吸附剂将生物细胞吸附到表面上使之固定化。这是一种 最古老的方法,操作简单,反应条件温和,载体可反复利用,但结合不牢固,细胞易脱落。后者根 据细胞在离解状态下可因静电引力 (即离子键合作用)而固着于带有异相电荷的离子交换剂 上,如 DEAE2 纤维素、DEAE2Sephadex,CM2 纤维素等。 Green 使用藻类去除水的金,Tsezos,Mara2no 使用真菌吸附水中的铀,Ferguson 和 Breuer 等利用泥炭藓去除水中的 Fe,Al,Pb,Cu,Cd,Zn 等金属离子。Barkley 利用藻类吸附有机废水中 的 Cd,Cu 等金属离子。 MarkSpinti 等把泥炭藓固定在多孔的聚合砜基质中成功地应用于去除 含 Zn,Cd,Mg 等金属离子的酸性矿井水中,用聚合砜固定泥炭藓制成的球状小粒机械强度大, 化学性能稳定,容易再生,不膨胀不收缩。生物吸附法以其独特的优点近年来在含重金属废水 处理领域引起了人们普遍的关注,进行了广泛的研究,取得了可喜的成果。但生物吸附技术还 只是处于经验、实验室阶段,在实用化和工业化应用中还存在着诸多问题有待研究解决,还需 通过进一步的研究和开发工作完善此项技术。

3. 重金属污染微生物处理技术
3.1 基因工程技术在微生物治理重金属污染中的应用 运用基因工程技术构建具有高效降解能力的菌株是目前的研究热点, 国内外学者均进行 了大量研究, 主要致力于应用基因工程技术, 在微生物表面表达特异性金属结合蛋白或金属

结合肽进而提高富集容量, 或在微生物细胞膜处表达特异性金属转运系统的同时, 在细胞内 表达金属结合蛋白或金属结合肽, 从而获得具有高富集容量和高选择性的高效菌株。 构建出 的菌株处理能力均显著提高,高选择性重组菌的构建使得重金属的再资源化成为可能[9]。由 于人们对大肠杆菌的认识较深入,且其具有致病性弱,对生长环境要求不高,易于检查和培 养的优点,适于作污水处理菌。 由于人们对大肠杆菌的认识较深入,且其具有致病性弱,对生长环境要求不高,易于检 查和培养的优点,适于作污水处理菌。目前研究中多以大肠杆菌为受体菌,运用基因重组技 术构建出多种高效菌株[10]。Deng 等[11]构建的基因重组菌 E.coli JM10,在含镍废水的处理 试验中,对 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 较宿主菌具有更强的 Hg2+耐受性和更高的 Hg2+富集量,去除率达 96%以上。 Sousa 等[13]构建了表达酵母金属硫蛋白(CUP1) 、哺乳动物金属硫蛋白(HMT21A)和 外膜蛋 LamB 的融合蛋白的基因工程菌 E.coli,该菌种的 Cd2+富集能力比原始宿主菌提高 15 倍~20 倍。 邓旭等[14]研究了转 MT-like 基因衣藻对不同重金属离子的抗性和对 Cd2+富集行为,结 果表明,转基因衣藻对 Pb2+、Zn2+和 Cd2+三种重金属离子的抗性得到明显增强,其中以对 Zn2+的抗性增强最为显著。转基因藻对 Cd2+的富集能力经 MT-like 蛋白表达后较野生藻细 胞有较大增加,最大达到 144.48μmol/g ,为野生藻的 8.3 倍。曾文炉等[15]以转 mMT-Ⅰ聚 球藻 7002 为对象,研究了其在含 Cd2+、Pb2+和 Hg2+的培养基中的生长特性及其对重金属 的净化性能,结果表明,无论从生长速率还是对重金属的耐受特性来看,转 mMT-Ⅰ聚球藻 7002 均明显优于野生藻。 3.2 固定化技术在微生物治理重金属废水中的应用 固定化微生物技术是通过采用化学或物理的方法将游离微生物定位于限定的空间区域 内,使其保持活性并可反复利用的一种新型生物技术 [16]。具有微生物细胞密度高、反应速 度快、稳定性强、耐毒害能力强、微生物流失少、产物分离容易和剩余污泥少等优点。利用 此技术,可将筛选出的优势微生物(主要是菌体和藻类)加以固定,构成一种高效、快速、 能连续处理的废水处理系统,可以有效地减少二次污染[17] Kacar 等[18]用海藻酸钙固定真菌(Phanerochaete chrysosporium)(包括活的和加热灭活的 2 种形态菌体),去除 30~500 g/L 的含 Hg(Ⅱ)和 Cd(Ⅱ)的废水。吸附平衡为 1 h,最佳 pH 值分 别为 5. 0 和 6· 0;适宜温度为 l5~45℃。用 10 mmol/LHCl 解析,回收吸附率达原来的 97%。 是一种新型有效的生物吸附剂。 Chang 等[19]则是利用假单孢兰绿藻(Pseudomonas aerugi-nosaPu 21)制备了 2 种固定化生 物吸附剂:一种是用死的微生物细胞制备的,一种是用活的微生物细胞制备的。实验表明, 假单孢兰绿藻活的和死的细胞对重金属离子 Pb、Cu 和 Cd 都具有很大的吸附能力,活的比 死的细胞吸附能力大。不同生长阶段的假单孢兰绿藻对 Pb、Cd 显示出不同的吸附能力。随 着溶液 pH 值的增加,其吸附能力增强。pH 最佳范围在 5· 0~6· 0 之间。用稀盐酸解吸后,对 于 Pb、 Cu 的吸附能力仍保持在原吸附能力的 98%以上, 对 Cd 的吸附能力保持在 80%以上。 以上大量研究表明, 固定化菌类和藻类可以有效地去除废水中的重金属。 固定化微生物 细胞用来富集重金属, 实际上起着生物离子交换树脂的作用, 但固定化细胞比离子交换更经 2+ 2+ + + [20] 济,且不受 Ca 、Mg 、Na 和 K 等离子的影响 ,在废水处理和受污染水环境的修复中 更实用。因此,固定化微生物技术在处理重金属废水领域中有着广阔的应用前景。 3.3 淋滤技术在微生物治理重金属污染中的应用 利用微生物的直接转化作用或其代谢产物的间接转化作用 ,产生氧化、还原、络合、 吸附或溶解作用,将固相中某些不溶性成分(如重金属、硫及其它金属)分离浸提出来的一种 技术。用于难浸提矿石或贫矿中金属的溶出与回收,又称微生物湿法冶金。

一些嗜酸细菌被广泛用于铜、金等金属的浸提。如在氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌作 用下, 污泥中难溶性金属硫化物被氧化成金属硫酸盐而溶出, 通过固液分离即可达到取出或 提取重金属的目的。目前,可用来进行生物淋滤的细菌有硫杆菌属(Thiobacillus)、铁氧化钩 端螺旋菌(Leptospirillumferrooxi2dans)、硫化杆菌属(Sulfobacillus)、酸菌属(Acidianus)、嗜酸 菌属(Acidiphilium)以及其它与硫杆菌联合生长的兼性嗜酸异养菌。 其中, 应用最广泛的是氧 化亚铁硫杆菌(Thiobacillusferrooxidans), 其次是氧化硫硫杆菌(Thiobacillusthiooxidans)和铁氧 化钩端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)。 Markosyan 等首次报道在同样的酸性矿水中还存在另一种依靠亚铁的生物氧化以获得 能量的无机化能自养菌 2 铁氧化钩端螺旋菌(Leptospirillumferrooxi2dans)。Helle 和 Onken 发 现在硫杆菌溶液中添加铁氧化钩端螺旋菌 (L.ferrooxidans) 可显著提高生物淋滤的速率。 Rawling 等 认 为 在 大 规 模 的 连 续 搅 拌 池 式 反 应 器 (CSTR) 中 , 铁 氧 化 钩 端 螺 旋 菌 (L.ferrooxi2dans) 数量超过氧化亚铁硫杆菌 (T.ferrooxidans) 的主要原因是它可适应更高的氧 化还原电位、温度以及对亚铁具有更高的亲合力。Eh 超过 690mV 时,该菌对亚铁的生物氧 化活性就高于氧化亚铁硫杆菌,因而在生物淋滤中的应用越来越受到重视。 生物淋滤法耗酸少, 运行成本低、 实用性强, 是经济有效、 具有潜力的重金属去除方法, 它具有化学浸提法(酸或有机络合剂)不可替代的优越性。然而,生物淋滤法采用的主要细菌 如硫杆菌增殖慢、生物淋滤滞留时间长是限制其大规模应用的主要障碍。另外,脱毒污泥的 后续处置, 特别是如何使其作为一种新型的、 高附加值的资源在土地利用中发挥更大的效益, 尚有待探索。 3.4 表面展示技术在微生物治理重金属污染中的应用 微生物表面展示(surface display)技术是一种新的基因工程技术, 它使表达的外源肤(或蛋 白质的结构域)以融合蛋白形式展示在噬菌体或微生物细胞的表面,被展示的多肽或蛋白质 可以保持相对独立的空间结构和生物活性。为研究某些多肤或蛋白质(如受体、膜蛋白、抗 原和抗体等)在哺乳类和细菌细胞表面的结构、性质和作用,需要将它们展示于细胞表面。 可溶性蛋白在细菌表面的展示技术已得到广泛的研究和应用。 随着展示技术的发展, 人们可 以更有效的认识、改造和创建各种生物大分子。 噬菌体表面展示系统是最早发展起来的,现在最常用的噬菌体表面展示系统主要有:丝 状噬菌体、K 噬菌体、T4 噬菌体和 T7 噬菌体展示系统。噬菌体表面展示技术具有表面展示 技术的基本优点,而且技术发展相对成熟,但由于载体自身的限制,使得该展示系统存在着 很大缺点。比如,外源蛋白的插入可能影响噬菌体的装配,使其失去感染力;多肽或蛋白质 与噬菌体外壳蛋白融合表达时存在不可预测的偏差性等。 细菌表面展示系统是继噬菌体表面展示系统之后发展起来的。 根据载体蛋白的来源可将 其分为革兰氏阴性细菌表面展示系统和革兰氏阳性细菌表面展示系统。 目前常用的革兰氏阴 性细菌表面展示系统载体蛋白主要有外膜蛋白、 脂蛋白、 表面附属结构亚单位以及近年来研 究及应用较多的冰晶核蛋白和自体转运蛋白等。 革兰氏阳性细菌表面展示系统较革兰氏阴性 细菌表面展示系统发展稍晚。 目前常用的载体蛋白主要有 SPA 蛋白、 M6 蛋白以及 S-层蛋白 等。 酵母表面展示系统是近年发展起来的一种重要的真核蛋白表面展示系统。 酿酒酵母是具 有细胞壁的单细胞真核微生物, 是目前常见的酵母表面展示系统载体蛋白来源。 根据交配型 的差异分为 MATa 和 MATA 两种单倍体,其细胞表面分别表达 a 或 A 凝集素,它们是酵母 细胞壁上的两种甘露糖蛋白,可介导细胞间的性黏附使细胞融合。目的蛋白可分别与 a 或 A 凝集素融合,展示于酵母细胞表面。 杆状病毒表面展示系统属于高等真核生物展示系统。该展示系统以杆状病毒为载体, 外源基因插入病毒的衣壳蛋白基因或囊膜蛋白基因后经过加工处理, 与衣壳蛋白或囊膜蛋白

进行融合表达并在病毒粒子或感染细胞表面进行展示。 作为一种真核生物展示系统, 杆状病 毒表面展示系统允许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 可以对外源蛋白进行糖基化加工和折叠等翻译后修饰, 尤其适合需进行特异的翻译后加工才 能有效折叠和具有生物活性的高等真核生物细胞表面蛋白和分泌蛋白的展示。 3.5 植物菌根修复技术在微生物治理重金属污染中的应用 植物修复是近些年发展起来的一种环境友好的低成本的土壤修复技术, 对于重金属污染 土壤的修复来说, 主要包括依赖于超富集植物和高生物量作物的植物提取技术, 利用植物的 吸收和沉淀作用来固定重金属的植物稳定技术,以及针对于可挥发性元素(如 Hg、Se 等) 的植物挥发技术。 丛枝菌根 (Arbuscular mycorrhiza, AM) 是自然界中分布最广的一类菌根, AM 真菌能与陆地上绝大多数的高等植物共生, 常见于包括重金属污染土壤在内的各种生境 中。自从 Bradley 等 1981 年在 Nature 上报道石楠菌根降低植物对过量重金属 Cu 和 Zn 的吸 收以后,人们对 AM 与重金属的研究也产生了浓厚的兴趣,之后的研究涉及重金属污染下 的菌根生理、生态、应用等多个方面。 转基因 (金属硫蛋白) 植物往往对重金属有更强的抗性, 在植物修复中可能更具有优势, AM 真菌与转基因植物应用于重金属污染修复也是未来的研究方向之一。 Janouskova 等研究 了 G. intra-radices 对于转基因(金属硫蛋白)烟草和非转基因烟草生长和 Cd 吸收的影响, 发现在所有情况下 AM 真菌都改善了 P 营养,在沙培条件下增加了生物量;在土培条件下, 生物量降低或没改变,转基因烟草地上部 Cd 吸收量比非转基因烟草的低。Janouskova 等研 究还发现 AM 真菌显著促进转基因烟草和非转基因烟草的生长, 但降低转基因烟草对 Cd 的 植物提取效率,增加非转基因烟草的提取效率,并认为与菌种、植物耐性和土壤中 Cd 水平 等多种因素有关。AM 真菌对转基因植物的作用尚需进一步研究。

4. 结语
生物法治理重金属污染有一定的局限性,尤其是微生物法受离子浓度、pH、温度等外 界条件的影响较大。 但由于其显著优点, 生物治理法已经对重金属废水的传统处理过程起到 显著的补充作用, 再加上近年来基因工程技术、 分子生物学技术以及固定化技术的不断发展 及其在重金属污染治理中的有效应用, 使得重金属污染的生物治理技术取得长足进展, 其研 究和发展必有广阔的前景。构建与筛选同时具有高富集量、高选择性、高适应性等特点的工 程菌, 以及培育转基因重金属积累植物将是今后的研究热点。 微藻在有效去除废水中重金属 元素的同时,还具有修复富营养化水源的巨大潜力,这方面的研究近年来逐渐增多[21]。目 前在微生物与植物的协同净化作用领域已有不少研究, 如果在重金属废水治理领域, 能将植 物治理法与微生物治理法有效的结合起来, 那么处理能力将大大提高, 微生物与废水不易分 离的缺点也将得到有效解决。 参考文献
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