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微生物处理重金属废水蔡忠萍(江西理工大学资源与环境学院，江西赣州34100)摘要：重金属污染水体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与水体分离或降低其毒性，可达到废水治理的目的。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，提高了废水处理能力。固定化技术的应用提高了废水治理的效率及稳定性，有力地推动了重金属废水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废水方面的研究进展，并对其发展方向进行了展望。关键词：重金属废水；微生物；研究现状；应用前景ReviewonMicrobiologicalforHeavyMetalWastewaterCAIZhong-ping（Resourcesandenvironmentalengineeringinstitute，Jiangxiuniversityofscienceandtechnology，Jiangxi341000，China）Abstract：Developmentinthetreatmentofheavymetalwastewaterathomeandabroadbymeansofmicrobiologicaltechniquesweresummarized，andpresentstudiesandapplicationprospectsofBiologicalchemicalmethod，Biologicalflocculationmethod.theapplicationofgeneengineeringtechniqueandimmobilizedmicroorganismtechniquetoheavymetalwastewatertreatmentwereintroduced.Theprospectsofdevelopmentoftreatmenttechnologyforheavymetalwastewaterwerealsodiscussed.Keywords：heavymetalwastewater；microorganism；status;review1.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。治理重金属废水的传统方法有: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废水中的重金属,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.重金属废水微生物处理方法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分离筛选出35株菌株,从中获得高效净化Cr(VI)复合功能菌[3]。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。前述硅酸盐细菌处理重金属废水可能的机理之一就是生物絮凝作用。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。MasaakiTerashima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。3.重金属废水微生物处理技术3.1基因工程技术在微生物治理重金属废水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废水中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.coliJM10，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.coliJM109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(Phanerochaetechrysosporium)(包括活的和加热灭活的2种形态菌体),去除30~500g/L的含Hg(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的废水。吸附平衡为1h,最佳pH值分别为5.0和6·0;适宜温度为l5~45℃。用10mmol/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(Pseudomonasaerugi-nosaPu21)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济,且不受Ca2+、Mg2+、Na+和K+等离子的影响[20],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。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废水治理中的有效应用，使得重金属废水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，以及培育转基因水生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[1]张慧,李宁,戴友芝.重金属污染的生物修复技术[J].化工进展,2004,23(5):562~565.[2]OmarHH.AdsorptionofzincionsbyscenedesmusoblipuusandSquadricaudaanditseffectongrowthandmetabolism[J].BiologiaPlantarum,2002,45(2):261~266.[3]李福德.微生物治理电镀废水方法.电镀与精饰,2002,24(2):35~37[4]袁建军,卢英华.高选择性重组基因工程菌治理含汞废水的研究.泉州师范学院学报,2003,21(6):71~75[5]胡筱敏，邓述波，牛力东，等.一株芽抱杆菌所产絮凝剂的研究[J].环境科学研究，2001，14（1）：36-40.[6]DengSB，BaiRB，HuXM，etal.CharacteristicsofabioflocculantproducedbyBacillusmucilaginosusanditsuseinstarchwastewatertreatment[J].AppliedMicrobiologyandBiotechnology，2003，60（5）：588-593.[7]李文鹏，刘士清，廖昌珑.胨冻样芽孢杆菌（Bacillusmu－cilaginosusYNUCC0001）架凝剂生产、絮凝特性及其系统发育学分析[J].土壤通报，20