重金属污染的微生物修复及一般性分析

重金属污染的微生物修复及一般性分析环境科学系陈汉忱苏冠勇汪渝松姜炳棋摘要：耐受重金属微生物资源的筛选与分子鉴定及抗性研究；SBR工艺去除城市污泥中重金属的研究；固定化微生物技术及其在重金属废水处理中的应用；汞对有效微生物的毒性效应。关键词难受重金属微生物SBR工艺固化微生物技术汞毒性正文微生物技术在环境方面的应用越来越广泛并且日益成熟，采用微生物处理重金属污染技术还不是很成熟，下面将从四个方面逐步探讨微生物处理重金属污染技术的可行性、方法、一些具体的应用实例以及一些关键的影响因素。耐受重金属微生物资源的筛选与分子鉴定&抗性研究首先应对微生物处理进行预先的筛选和条件最优化试验，而且如有必要，应作微生物重金属抗性研究[例]吸附重金属离子菌种的筛选及其吸附试验研究实验步骤：从汽车制造厂排污口采集废水及污泥样品进行富集、分离纯化，筛选出可吸附重金属的菌种。进行吸附实验后测定重金属离子浓度。将一定量的溶液溶解在一定量的去离子水中，用ICP测定其浓度。从上述吸附实验中选择出吸附重金属离子效果最好的菌种。接入到50mL模拟重金属离子水溶液中。在一定条件下进行吸附，测定重金属离子的残留浓度。实验结果：（1）菌体本身的影响（2）pH的影响由图2可以看出，pH值为5时WNO4对于Pb2+的吸附效果最好，其吸附率为97.1%。重金属抗性形成的可能机制：生物吸附作用在细菌、真菌和藻类细胞上有许多结构组分具有结合重金属的能力，大量研究证实，胞外多糖带有负电荷，可以作为重金属的有效生物吸附剂，阻止重金属离子进入细胞。将动胶菌属的细菌产生的胞外多糖萃取并除去，会大大降低细菌吸附重金属的能力，进而增加其对金属的敏感性；其它蓝细菌、藻类和真菌也可产生类似功能的多糖。另外，许多微生物体内的有机代谢物如柠檬酸同样具有络合金属离子的能力，在去除重金属毒性方面发挥重要的作用。SBR工艺去除城市污泥中重金属某污水处理厂二沉池的生污泥，污泥浓度为15～20g／L，pH值为6.5～7.0，污泥中含有氮、磷、钾及有机质和Cu、Zn、Ni、Cd、Cr等，其中Cu、Zn和Cd的含量均超过我国酸性(pH6.5)土壤施用污泥的农用标准处理过程：1.沥滤微生物的驯化2.序批式生物沥滤反应器的运行效果分析：运行第一天，接种量为5％、15％的污泥中cu的含量已达到污泥农用标准(其去除率43.8％的达标去除率)，运行至第2天则4组反应器中对Cu的去除率均大于达标去除率；污泥接种量对Zn去除效果的影响较小，4组反应器中Zn的浓度都能在系统运行第l天达到预定效果，去除率48．5％的达标去除率；而Cd只有在接种量为50％时，才能在第一天达到预定处理效果。反应器运行2d后，接种量为5％、15％、30％和50％的污泥中Cu、Zn和Cd均得到有效去除，其去除率均超过各自的达标去除率(43.8％、48.5％和75.6％)；4d后对Cu、Zn、Cd的去除率达到最高值，分别为78.3％、77.7％和99％，其中以对Cd的去除效果最好。但是由于富含硫酸根的酸性污泥中Fe离子可能发生一系列的复杂水解反应，使得溶出的金属离子因水解络合物的吸附和裹挟作用再次进入污泥中，导致污泥中重金属去除效果发生波动，其中以Cd受影响最大。总结：对SBR反应器的传统运行工艺进行改进，简化其运行工序为进料、曝气反应和曝气排泥3个阶段，并按30％的污泥接种量设计排水比为1／1.3，连续运行2d即可使污泥中超标元素Cu和Zn的去除率达到78.3％和77.7％对Cd的去除率接近99％。固定化微生物技术及其在重金属废水处理中的应用固定化微生物技术是从20世纪60年代末直接从固定化酶技术发展起来的，通过物理或化学的手段，将游离的微生物固定在限定的空间区域使其保持活性，并可反复利用的一项技术。固定化微生物技术具有细胞密度高、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。处理废水的微生物固定化方法：吸附法是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电作用，使微生物细胞固定的方法，是传统的固定微生物的方法包埋法是使细胞扩散进入多孔性载体内部，或利用高聚物在形成凝胶时将细胞包埋在其内部交联法是利用双功能或多功能试剂，直接与细胞表面的反应基团如氨基、羟基和氨基酸等进行交联，形成共价健来固定细胞共价结合法是将菌体活化后，利用微生物细胞表面功能团(如氨基、羧基、巯基、咪唑基、酚基和羟基等)与固相载体表面基团之间形成化学共价键连接，从而成为固定化细胞。常用的固定化微生物的载体可分为无机载体、有机高分子载体和复合载体3大类：(1)：无机载体如多孔玻璃、硅藻土、活性炭和石英砂等。(2)有机载体还可分为2类：一类是高分子凝胶载体，如琼脂、角叉莱胶和海藻酸钙等；另一类是有机合成高分子凝胶载体，如聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶、光硬化树脂和聚丙烯酸凝胶等。(3)复合载体是一种新型载体，由无机载体和有机载体材料结合而成，使2类材料的性能互补，从而显示复合载体材料的优越性。可有效解决固定化细胞应用于废水处理所面临的成球难、易破碎、活性丧失大等问题，在降低成本、提高废水处理效果等方面具有明显的优势。a----与最大吸附量有关的常数b----与吸附能量有关的常数q----吸附量国外学者在研究固定化真菌方面，已研制出大量新型高效的去除废水中金属离子的固定化生物吸附剂。Iqbal等用一种新型经济的多孔载体，丝瓜瓤固定黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)，制成吸附剂(fungalbiomassimmobilizedwithinaloo—fasponge，FBILS))，用以吸附溶液中的等离子，并与悬浮液做了对比研究。吸附符合Langmuir等温吸附模型。用50．0mmol/LHC1解吸，回收率高达98％。循环解析5次后，对铅离子，铜离子和锌离子3种离子的吸附仅比初次吸附降低了2.46％、1.95％和3.15％。实验表明，FBILS是一种新型有效的金属生物吸附剂。固定化微生物技术进行废水在处理难降解有机废水及重金属废水方面已取得了良好效果，近来一直是水处理的热点之一，受到了广泛关注。迄今为止，国内外对固定化微生物技术进行了大量的应用研究，已出现工业应用实例。汞对有效微生物的毒性效应bCabCq1用琼脂扩散抑菌法研究了重金属二价汞对EM有效微生物的毒性效应。通过观察抑菌圈直径的变化，可判断重金属对EM有效微生物的毒害作用，并且其毒害作用是随着二价Hg质量浓度的增加而增加，即存在明显的“剂量一反应”关系。EM即有效微生物(EfectiveMicro—organisms，EM)是由10个属80多种微生物复合而成的多功能微生物群。其中的代表性微生物有好氧性的醋酸杆菌、放线菌、酵母菌，厌氧性的乳酸菌和好氧、厌氧的光合微生物。它们的特点是微生物种类多、结构稳定、对污染物分解能力强等。我们来做个小实验：试验材料：EM一1号有效微生物，由Et本EM生物技术研究机构湖南亿能世博公司提供HSCI~，AR；固体、液体复合型营养基。实验方法：所用溶剂均为无菌全玻单蒸水。1．2．1配制含10％EM一1号原液、10％液体营养基溶液，室温下摇床培养有效微生物进行增菌。1．2．2配制含H5mg／L、10ms／L、15ms／L、20ms／L125ms／L130ms／LI40ms／LI50ms／L160ms／L、70ms／L、80ms／L的测试溶液。1．2．3于增菌培养3d、5d、7d、10d，分别取培养液混入固体营养基倒皿，用直径6nlnl滤纸饱蘸各以抑菌圈为测试指标，用测试溶液对EM做毒性作用实验，结果表明，增菌培养各时段的反应有规律。实验结果讨论：由表1可知，如以抑菌圈为指标，Hd对EM的稳定有影响，并且是随着EM增菌培养的代次、浓度变化而变化。在设计浓度范围内，Hg2对EM的毒害作用随浓度()和抑菌圈直径(Y)增加而变化，两者间的回归方程为Y=0．4970+0．6472logx，r=0．9869，s=0．0611，即有明显的“剂量一反应”关系，表明重金属Hg2对EM有毒害作用。以上讨论提示，在重金属H污染严重的．土壤、水体中，EM，难以充分发挥其效能，所以，应慎用EM，以避免抬高生产成本。参考文献：2003年2月汞对有效微生物的毒性效应陈剑虹，曾光明，莫建炎2005年3月耐受重金属微生物资源的筛选与分子鉴定林毅，方光伟，蔡丽希，彭锟2006年4月吸附重金属离子pb2~菌种的筛选及其吸附试验研究顾鎏，胡开堂，张兰英2006年7月SBR工艺去除城市污泥中重金属的研究黄明，何强，张学洪，朱义年，邹建2001年05月第1版污染控制微生物工程徐亚同，史家樑