重金属的生物处理技术

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1、1第11讲重金属的生物处理技术2/27概述重金属通常指相对密度大于4-4.5的元素有毒重金属，Pb、Cd、Hg、Zn、Cu、Ni等贵金属，如Pd、Pt、Ag、Au等放射性核素，如Co、Sr、Cs、U、Th、Ra、Am等重金属污染环境，危害健康，如“水俣病”，“骨痛病”毒性可长期存在金属有机化合物毒性更强生物富集，危及人类任何方法都不能使之降解低浓度也具有较强毒性3/27生产和使用重金属的主要工业部门4/27传统的去除重金属技术的优缺点5/27生物技术去除重金属污染利用生物技术、即利用微生物、动植物体进行污染修复或治理是当前重金属污染治理研

2、究的主流方向生物吸附法以其高效、廉价的优点受到关注利用某些生物体本身的化学结构及成分特性来吸附溶于水中的金属离子，再通过固液两相分离来去除水溶液中金属离子的方法6/271生物吸附原理微生物去除重金属的机理包括生物吸附、生物转化、沉淀等7/27大流量低浓度有毒金属离子的去除、金属混合物中微量有毒成分的分离、贵金属的富集以及金属生物催化剂中污染抑制剂的消除等，需要使用具有高亲和力和专一性的金属吸附剂。生物吸附技术可以满足此要求通过生物分子在微生物表面的展示，不仅可增进微生物对金属的富集，而且菌体周围金属浓度的提高有利于金属离子与其他细菌结构成

3、分（脂多糖、细胞质及外周胞质等）的作用，增加不同系统中金属与微生物的结合8/27大量研究结果表明，一些微生物如细菌、真菌、酵母和藻类等对金属有很强的吸附能力通常所说的生物吸附仅指时或微生物的吸附作用，而微生物活细胞去除金属离子的作用一般成为生物累积。因此生物吸附过程不包括生物的新陈代谢作用和物质的主动运输过程。生物活细胞作吸附剂时，这些作用可能会同时发生一般认为生物具有的吸附能力与其细胞壁的结构、成分密切相关9/27生物吸附主要是生物体细胞壁表面的一些具有金属络合、配位能力的基团起作用，如巯基、羧基、羟基等，这些基团与吸附的金属离子形成离

4、子键或共价键金属可能通过沉淀或晶体化作用沉积于细胞表面，某些难溶性金属也可能被胞外分泌物或细胞壁的腔洞捕获而沉积将细胞杀死后，经过一定的处理，使其具有一定的粒度、硬度及稳定性，以便于储存、运输和实际应用10/27生物累积主要是利用生物新陈代谢作用产生的能量，通过单价或二价离子的转移系统把金属离子输送到细胞内部由于有细胞内的累积，生物累积的去除效果可能比单纯的生物吸附好由于金属离子的毒性，生物的新陈代谢作用又受到温度、pH、能源等诸多因素的影响，生物累积在实际应用中受到很大限制11/27生物吸附机理细胞外富集/沉淀：某些微生物可以产生具有络

5、合或沉淀金属离子的胞外物质，如蓝细菌分泌的多糖、白腐真菌分泌的柠檬酸或草酸细胞表面吸附沉淀：金属离子通过与细胞表面特别是与细胞壁组分（蛋白质、多糖、脂类等）中的化学基团（如羧基、羟基、磷酰基、硫酸酯基、氨基、巯基等）的相互作用，吸附到细胞表面，该过程可能涉及的机制包括离子交换、表面络合、物理吸附（如范德华力、静电作用）、氧化还原或无机微沉淀等12/27细胞表面组分的作用：蛋白质对金属离子具有强烈亲合力，葡聚糖、甘露聚糖及几丁质有较高的吸附容量离子交换机制：一价金属主要因质子交换机理被吸附，二价金属的吸附量高于单价金属，吸附机理不限于质子交

6、换；是许多非活性真菌和藻类吸附金属离子的主要机理，羧基、硫酸酯基和氨基发挥了重要作用表面络合机制：细胞表面功能基团中的氮、氧、硫、磷等原子，可以作为配位原子与金属离子配位络合；酵母与金属离子形成络合物的证据较少氧化还原机制：贵金属离子可以被还原为相应的零价金属颗粒无机微沉淀机制：易水解金属的吸附机理，溶液体系的pH升高导致金属形成沉淀13/27胞内吸附/沉淀/转化：活细胞新陈代谢能量将金属离子输送到细胞内部并沉积或转化，涉及金属离子的运输机制和内部解毒机制，过量金属离子存在时，活细胞可通过减少运输、阻渗等作用来降低金属在胞内的积累；金属离

7、子进入细胞后，通过区域化作用分布在细胞内的不同部位，可将有毒金属离子封闭或与热稳定蛋白结合，转变成为低毒形式；微生物还能通过氧化还原、甲基化和去甲基化等作用转化重金属，构成了某些金属还原菌对重金属的抗性和解毒机制14/272生物吸附剂生物吸附剂的种类15/27生物吸附剂及其吸附容量16/27目前研究所用的生物吸附剂有实验室的培养和发酵工业的废弃物，以及天然水体环境和活性污泥等生物吸附剂的选择要考虑操作可行性和经济性吸附和解析速率快生产成本低、可重复使用具有理想的粒度、形状、机械强度，便于在连续系统中使用与水溶液的两相分离应高效、快速、廉价

8、具有选择性再生时吸附剂损失量小，经济上可行17/27生物吸附剂的预处理对生物吸附剂进行一些物理、化学预处理，如用酸、碱浸泡或加热处理等，可以不同程度地改变其吸附能力分析认为预处理使细胞的比表面