生物吸附重金屬的研究進(jìn)展

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1、生物吸附重金屬的研究進(jìn)展0061111徐心泓傳統(tǒng)處理含重金屬?gòu)U水的物理化學(xué)方法很多,如化學(xué)沉淀法,離子交換法,吸附法,電解法,凝聚法、膜分離法、氧化還原法和鐵氧體法等,它們都各有優(yōu)缺點(diǎn)。近年來(lái),一種處理含重金屬?gòu)U水的嶄新的方法——生物吸附法以其高效、廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)逐漸引起了人們的興趣。所謂生物吸附法就是利用某些生物體本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分特性,吸附溶于水中的金屬離子,通過(guò)固液兩相分離來(lái)去除水溶液中金屬離子的方法。生物吸附法作為一種新興的處理技術(shù),特別是在處理低濃度的重金屬?gòu)U水方面,有著極為廣闊的發(fā)展前景。自從Ruchh

2、oft提出生物吸附法去除廢水中Pu239后,國(guó)外對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究,近數(shù)十年來(lái)共發(fā)表論文400多篇,而我國(guó)對(duì)此則研究較少。生物吸附作為處理重金屬污染的一項(xiàng)新技術(shù),與上述傳統(tǒng)方法相比具有的優(yōu)點(diǎn):(1)原料來(lái)源豐富,品種多,成本低;(2)設(shè)備簡(jiǎn)單,易操作,投資小,運(yùn)行費(fèi)用低;(3)吸附量大,處理效率高;(4)在低濃度下金屬可以被選擇性地去除;(5)PH值和溫度范圍寬;(6)可有效地回收一些貴重金屬。在后處理方面,用一般的化學(xué)方法就可以解吸生物量上吸附的金屬離子,且解吸后的生物量可再次吸附重金屬。生物吸附技術(shù)在處理重

3、金屬污染和回收貴重金屬方面有著廣闊的前景,深入進(jìn)行這方面的研究,具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。生物吸附機(jī)理1.1　生物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)細(xì)菌、真菌和藻類(lèi)微生物細(xì)胞與動(dòng)物細(xì)胞的最大區(qū)別在于細(xì)胞原生質(zhì)膜外有明顯的細(xì)胞壁,它既可以避免微生物體受到外界環(huán)境的傷害,又可以控制原生質(zhì)和周?chē)h(huán)境之間的物質(zhì)交換,細(xì)胞壁直接與外界環(huán)境接觸,并且可以與液態(tài)介質(zhì)中的可溶物質(zhì)發(fā)生作用。由于細(xì)胞壁的陰離子特性,這種作用在與金屬離子接觸中就更為重要。細(xì)胞通過(guò)螯合吸附金屬已被證明和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)有關(guān),但細(xì)胞壁并不是螯合金屬的唯一地點(diǎn),現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)金屬可以和細(xì)

4、胞器結(jié)合或是在原生質(zhì)中形成結(jié)晶。但細(xì)胞壁是與金屬接觸最早的部分,同時(shí),也證明大多數(shù)金屬都是螯合在細(xì)胞壁上。微生物細(xì)胞壁的特殊結(jié)構(gòu)在很大程度上決定著其對(duì)金屬的吸收,如細(xì)胞壁的多孔結(jié)構(gòu)使活性化學(xué)配位體在細(xì)胞表面合理排列,使易于和金屬離子結(jié)合。從熱力學(xué)角度考慮金屬離子對(duì)水溶液中官能團(tuán)的親合性,可得出金屬對(duì)生物體中常見(jiàn)官能團(tuán)的選擇性,如表1。表1　生物體系中常見(jiàn)的官能團(tuán)　　目前,人們注意力集中在細(xì)胞壁對(duì)陽(yáng)離子的吸附過(guò)程,但生化和其它生理化學(xué)機(jī)理已進(jìn)一步揭示了細(xì)胞壁內(nèi)部對(duì)金屬也有螯合作用。此外,金屬還以磷酸鹽、硫酸鹽、碳酸

5、鹽或是氫氧化物形式以及聚核作用在細(xì)胞壁或是細(xì)胞內(nèi)部沉積下來(lái)。1.2　生物吸附重金屬的機(jī)理國(guó)外生物吸附研究多處于實(shí)驗(yàn)室階段,采用人工模擬廢水,探索各種微生物對(duì)不同重金屬的吸附特性和規(guī)律,研究的主要注意力集中在細(xì)胞壁對(duì)重金屬離子的吸附過(guò)程上,并揭示了細(xì)胞內(nèi)部對(duì)重金屬也有吸附作用。生物細(xì)胞吸收金屬的方式主要有兩種。一種是活體細(xì)胞的主動(dòng)吸收,包括傳輸和沉積兩個(gè)過(guò)程。這種方式吸收金屬需要代謝活動(dòng)提供能量,并且在這些過(guò)程中有一大部分只對(duì)特定元素起作用,但是,化學(xué)性質(zhì)和離子結(jié)構(gòu)相似的其它元素可以替代。另一種是細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞壁或者

6、細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)基因與金屬螯合而進(jìn)行的被動(dòng)吸收,這種金屬與細(xì)胞表面或者細(xì)胞產(chǎn)物之間的非特異性結(jié)合可以在死亡的細(xì)胞或者其分解部分發(fā)生。在主動(dòng)吸收中也包括很大程度的被動(dòng)吸收,并且這種被動(dòng)吸收由于細(xì)胞的排出代謝而受到抑制。吸附機(jī)理因菌種、金屬離子的不同而不同?；钚缘纳锪考扔斜砻嫖?又有主動(dòng)吸收,非活性的生物量主要依靠表面吸附。綜合各種資料,生物吸附的機(jī)理主要有:表面絡(luò)合機(jī)理、離子交換機(jī)理、氧化還原機(jī)理、酶促機(jī)理、無(wú)機(jī)微沉淀。這些機(jī)理可以是單獨(dú)起作用,也可與其它機(jī)理結(jié)合一起起作用,這取決于過(guò)程的條件和環(huán)境。由于金屬本身的

7、特性,以及金屬離子與細(xì)胞之間相互作用的復(fù)雜性,許多現(xiàn)象還無(wú)法從機(jī)理上得到合適的解釋,尚存在幾個(gè)問(wèn)題[1]:(1)如何解釋活性和非活性生物量在重金屬吸附能力上的差異;(2)如何解釋吸附過(guò)程中ｐＨ變化;(3)活性生物細(xì)胞對(duì)重金屬離子的主動(dòng)運(yùn)輸,主要依靠哪些酶或其它物質(zhì)提供能量,這些酶又如何產(chǎn)生的;(4)某些共存離子的存在導(dǎo)致吸附量增大,原因何在。繼續(xù)深入研究吸附機(jī)理,了解細(xì)胞壁有效吸附的化學(xué)成分及生物合成途徑,從而找出適宜于吸附某種金屬的培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基的組成,提高吸附劑對(duì)某種金屬離子吸附的選擇性。生物吸附劑的來(lái)源生

8、物吸附劑MRA(ametalremovalagent)是具有從重金屬?gòu)U水中吸附分離重金屬能力的生物體及其衍生物。從操作可行性及經(jīng)濟(jì)性方面考慮,生物吸附劑應(yīng)具備如下幾個(gè)條件:(1)吸附和解吸速率高;(2)生產(chǎn)成本低,可重復(fù)使用;(3)具有理想的粒度、形狀、機(jī)械強(qiáng)度,以便在連續(xù)流系統(tǒng)中應(yīng)用;(4)與水溶液的兩相分離應(yīng)高效、快速、廉價(jià);(5)具有選擇性;(6)再生時(shí)吸附損失量小