重金屬廢水的常規(guī)處理方法主要包括：化學(xué)沉淀法、離子交換法、蒸發(fā)濃縮法、電解法、活性炭和硅膠吸附法和膜分離法等，但這些方法存在去除不徹底、費(fèi)用昂貴、產(chǎn)生有毒污泥或其他廢料等缺點(diǎn)。因此，人們一直致力于研究與開發(fā)高效環(huán)保型的重金屬廢水處理技術(shù)和工藝。微生物處理法是利用細(xì)菌、真菌（酵母）、藻類等生物材料及其生命代謝活動去除和（或）積累廢水中的重金屬，并通過一定的方法使金屬離子從微生物體內(nèi)釋放出來，從而降低廢水中重金屬離子的濃度。近年來，國際上在微生物處理重金屬廢水的研究中取得了較多成果，該技術(shù)在投資、運(yùn)行、操作管理和金屬回收、廢水回用等方面優(yōu)越于傳統(tǒng)的治理方法，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。我國在微生物處理廢水重金屬這方面的研究尚處于起步階段，因此，本文就微生物處理重金屬廢水的機(jī)理及其影響因素做一概述，以期促進(jìn)國內(nèi)該領(lǐng)域的研究。

1 微生物處理重金屬廢水的機(jī)理

1.1 微生物對重金屬的吸附作用

微生物的吸附作用是指利用某些微生物本身的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特性來吸附廢水中的重金屬離子，通過固液兩相分離達(dá)到去除廢水中的重金屬離子的目的。生物吸附劑為自然界中豐富的生物資源，如藻類、地衣、真菌和細(xì)菌等。微生物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及同一微生物和不同金屬間親和力的差別決定了微生物吸附金屬的機(jī)理非常復(fù)雜，至今尚未得到統(tǒng)一認(rèn)識。根據(jù)被吸附重金屬離子在微生物細(xì)胞中的分布，一般將微生物對金屬離子的吸附分為胞外吸附、細(xì)胞表面吸附和胞內(nèi)吸附。

1.1.1 胞外吸附

一些微生物可以分泌多聚糖，糖蛋白，脂多糖，可溶性氨基酸等胞外聚合物質(zhì)（extracellular polymeric substances，EPS），EPS具有絡(luò)合或沉淀金屬離子作用。如藍(lán)細(xì)菌能分泌多糖等胞外聚合物，一些白腐真菌可以分泌檸檬酸（金屬螯合劑）或草酸（與金屬形成草酸鹽沉淀）。Suh等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)茁芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）分泌EPS 時(shí)，Pb2+便積累于整個細(xì)胞的表面，且隨著細(xì)胞的存活時(shí)間增長，EPS的分泌量增多，積累于細(xì)胞表面的Pb2+水平就越高，從最初的56.9 上升到215.6mg/g（干重）；當(dāng)把細(xì)胞分泌的EPS提取出來后，Pb2+便會滲透到細(xì)胞內(nèi)，但Pb2+的積累量顯著減少（ 最高量僅為35.8mg/g 干重）。

1.1.2 細(xì)胞表面吸附

細(xì)胞表面吸附是指金屬離子通過與細(xì)胞表面，特別是細(xì)胞壁組分（ 蛋白質(zhì)、多糖、脂類等） 中的化學(xué)基團(tuán)（ 如羧基、羥基、磷酰基、酰胺基、硫酸脂基、氨基、巰基等） 的相互作用，吸附到細(xì)胞表面。如將酵母細(xì)胞壁上氨基，羧基，羥基等化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行封閉，則會減少其對Cu2+的吸收量，表明這些基團(tuán)在結(jié)合Cu2+方面具有重要的作用，這也間接證明了細(xì)胞壁上蛋白質(zhì)和糖類在生物吸附中的作用。

金屬離子被細(xì)胞表面吸附的機(jī)制包括離子交換、表面絡(luò)合、物理吸附（如范德華力、靜電作用）、氧化還原或無機(jī)微沉淀等。不同的微生物對不同金屬的吸附作用機(jī)制不同（表1）。Kratochvil等認(rèn)為，離子交換是許多非活性真菌和藻類吸附金屬離子的主要機(jī)理，主要是細(xì)胞表面的羧基，其次是硫酸脂基和氨基在生物吸附中發(fā)揮了重要作用。Davis等也認(rèn)為離子交換是褐藻吸附金屬離子的主要機(jī)制，特別是以前被認(rèn)為的物理和化學(xué)的結(jié)合機(jī)制都可以用離子交換來解釋。細(xì)胞表面功能基團(tuán)中的氮、氧、硫、磷等原子，可以作為配位原子與金屬離子配位絡(luò)合。例如Zn、Pb可以與產(chǎn)黃青霉（P. chrysogenum） 表面的磷酰基和羧基形成絡(luò)合物，溶液中的陰離子（EDTA、SO42-、Cl- 、PO33-等）可以與細(xì)胞競爭重金屬陽離子，形成絡(luò)合物，從而降低產(chǎn)黃青霉對Zn、Pb的吸附量，這也間接地說明細(xì)胞表面對金屬離子的吸附確實(shí)存在絡(luò)合機(jī)制。關(guān)于氧化還原和無機(jī)微沉淀的機(jī)制也有少量報(bào)道。如Lin采用X 射線衍射（XRD）、紅外光譜（IR）以及光電子能譜（XPS）技術(shù)，研究了廢棄酵母吸附Au3+的過程，發(fā)現(xiàn)還原性糖（細(xì)胞壁肽聚糖層的多糖水解產(chǎn)物） 半縮醛基團(tuán)中的自由醛基，可以作為電子供體，將Au3+原位還原為Au0。

1.1.3 胞內(nèi)吸附與轉(zhuǎn)化

一些金屬離子能透過細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。金屬離子進(jìn)入細(xì)胞后，微生物可通過區(qū)域化作用（compartmentalization）將其分布于代謝不活躍的區(qū)域（如液泡），或?qū)⒔饘匐x子與熱穩(wěn)定蛋白結(jié)合，轉(zhuǎn)變成為低毒的形式。如活酵母吸收的Sr、Co 離子積累于液泡中，而Cd和Cu 離子位于酵母的可溶性部分（soluble fraction）；同時(shí)液泡缺陷型酵母對Zn、Mn、Co、Ni 離子的敏感性增加，吸附量降低；但其對Cu 和Cd 離子的吸附與野生型則沒有明顯的區(qū)別。Vijver認(rèn)為細(xì)胞的區(qū)域化作用主要有兩種類型：形成明顯的包含體和重金屬與熱穩(wěn)定蛋白結(jié)合，后者主要指金屬硫蛋白（metallothioneins，簡稱MT）。金屬硫蛋白的分子量低（2000~10000kDa），富含半胱氨酸，可被金屬Cd、Cu、Hg、Co、Zn 等誘導(dǎo)，并與這些金屬結(jié)合。此外，谷胱甘肽（GSH）、植物凝集素（phytochelatins）和不穩(wěn)定硫化物（labile sulfide） 也具有儲備、調(diào)節(jié)和解毒胞內(nèi)金屬離子作用。GSH 是典型的低分子量硫醇，富含半胱氨酸殘基和組氨酸殘基，是對金屬離子有高度的親和力的肽鏈，因此具備金屬解毒功能。目前，利用生物工程技術(shù)，在微生物細(xì)胞內(nèi)表達(dá)金屬結(jié)合蛋白或金屬結(jié)合肽，從而制備全細(xì)胞工具（whole cell tools）來分離廢水中重金屬方面的研究日益受到關(guān)注。

1.2 微生物對重金屬的沉淀作用

微生物對重金屬離子的沉淀作用，一般認(rèn)為是由于微生物對金屬離子的異化還原作用或是由于微生物自身新陳代謝的結(jié)果。一方面，一些微生物可分泌特異的氧化還原酶，催化一些變價(jià)金屬元素發(fā)生氧化還原反應(yīng)，或者其代謝產(chǎn)物或細(xì)胞自身的某些還原物直接將毒性強(qiáng)的氧化態(tài)的金屬離子還原為無毒性或低毒性的離子；另一方面，一些微生物的代謝產(chǎn)物（硫離子、磷酸根離子）與金屬離子發(fā)生沉淀反應(yīng)，使有毒有害的金屬元素轉(zhuǎn)化為無毒或低毒金屬沉淀物（表2）。

1.2.1 還原作用

一些微生物在其生長代謝過程中，可分泌特異的氧化還原酶，催化一些變價(jià)金屬元素發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使金屬離子的溶解度或毒性降低（表2）。例如，許多好氧和厭氧微生物能將如Cr6+還原為Cr3+ ，在好氧條件下，Cr6+的生物還原作用主要受可溶性酶催化，但嗜麥芽假單胞菌（ Pseudomonas maltophilia）O-2 和巨大芽孢桿菌TKW3 除外，其催化Cr6+還原為Cr3+的酶為膜結(jié)合還原酶。近年來，分別已從惡臭假單胞菌MK1 和大腸桿菌純化了ChrR 和YieF 兩種可溶性Cr6+還原酶，其中ChrR 催化一個電子轉(zhuǎn)運(yùn)，形成中間產(chǎn)物Cr5+和（或）Cr4+，進(jìn)一步轉(zhuǎn)運(yùn)兩個電子，形成Cr3+；而YieF 轉(zhuǎn)運(yùn)四個電子，直接將Cr6+還原為Cr3+。研究者也已從巨大芽孢桿菌TKW3中分離出膜結(jié)合的Cr6+還原酶，但對其還原動力學(xué)過程還不清楚。在厭氧條件下，可溶性酶和膜結(jié)合還原酶均可催化Cr6+還原為Cr3+，Cr6+作為電子轉(zhuǎn)運(yùn)鏈中的電子受體，且細(xì)胞色素（如細(xì)胞色素a和細(xì)胞色素b）參與此氧化還原過程。

另外，一些微生物的代謝產(chǎn)物或細(xì)胞自身的某些還原物將毒性強(qiáng)的氧化態(tài)的金屬離子還原為無毒性或低毒性的離子。例如，在硫酸鹽還原菌體系中，F(xiàn)e2+和S2-產(chǎn)物能間接地將Cr6+還原為Cr3+。一些Fe（III）同化微生物（如Geobacter metallireducens）可將U（VI）還原為U（IV），使U的溶解度降低，從而可達(dá)到去除廢水中U的目的。

1.2.2 金屬硫化物沉淀

在pH值為中性、一定的基質(zhì)濃度和厭氧條件下，硫酸還原菌（SRB）能將硫酸根離子還原成硫離子，S2-與廢水中的的Zn2+，Cd2+，Pb2+，Cu2+ 等發(fā)生沉淀反應(yīng)，形成不溶性的金屬硫化物，從而實(shí)現(xiàn)廢水的凈化處理。SRB廣泛分布于自然界，典型的代表有脫硫弧菌（Desulfovibrio），脫硫微菌（Desulfomicrobium），脫硫桿菌（Desulfobacter），脫硫八疊菌（Desulfosarcina），脫硫腸菌（Desulfotomaculum），熱脫硫桿菌（Thermodesulfobacterium），古球菌（Archaeoglobus）等。

SRB能在厭氧條件下將金屬離子轉(zhuǎn)化為硫化物沉淀，這對處理高濃度重金屬廢水有著非常重要的意義，而且利用共生的混合SRB菌株要比單一SRB菌株處理含重金屬廢水更有效率。然而，通常低濃度（20~200μm）的Cd2+、Zn2+、Ni2+等會對SRB 產(chǎn)生毒害作用，從而限制了SRB的廣泛應(yīng)用。通過基因過程手段，可將SRB 中的硫酸還原酶轉(zhuǎn)移到其他環(huán)境菌中，使轉(zhuǎn)化菌具有形成金屬硫化物沉淀的能力。在這方面的首次努力的是將腸沙門氏菌（Salmonella enterica）體內(nèi)的硫酸鹽還原酶基因在大腸桿菌體內(nèi)表達(dá)，表達(dá)后的大腸桿菌DH5α能夠比控制在好氧或厭氧條件下的普通大腸桿菌產(chǎn)生更多的金屬硫化物沉淀，且重組菌在厭氧條件下對高濃度水平（200mmol/L）Cd2+的去除率達(dá)到98%。

1.2.3 金屬磷酸鹽沉淀

磷酸鹽是合成核酸、ATP 等重要生物分子所必需，通常生命體并不釋放過量的磷酸鹽。然而微生物可通過兩條途徑釋放無機(jī)磷酸鹽： 一些檸檬酸桿菌能分泌酸性磷酸酶，催化2- 磷酸甘油水解，釋放無機(jī)磷酸鹽，從而在細(xì)胞表面積累大量的磷酸鹽，并與廢水中的金屬發(fā)生沉淀反應(yīng)，形成金屬磷酸鹽沉淀。酸性磷酸酶催化的過程是與外膜和胞外的脂多糖（LPS）相偶聯(lián)的，因?yàn)榻饘倭姿猁}礦物的啟動是從LPS 中的磷酸基團(tuán)的核晶過程開始的，隨著有機(jī)磷不斷被酸性磷酸酶水解，釋放出無機(jī)磷酸鹽，金屬磷酸鹽晶體不斷增大。Finlay 等研究發(fā)現(xiàn)，將檸檬酸菌細(xì)胞固定于生物膜反應(yīng)器通過化學(xué)耦合可以去除>90%的金屬U（以HUO2PO4形式沉淀）；一些細(xì)菌釋放無機(jī)磷酸鹽并不依賴有機(jī)磷酸鹽供體，而是加速細(xì)菌體內(nèi)的磷酸鹽循環(huán)，如約氏不動桿菌（Acinetobacter johnsonii）。在好氧條件下，細(xì)菌不斷合成多磷酸鹽，并作為其生長代謝的能源物質(zhì)；在厭氧條件下，多磷酸鹽被降解產(chǎn)生ATP，同時(shí)產(chǎn)生金屬磷酸鹽的沉淀。而且，一些金屬離子（如Cd、UO22+） 能促進(jìn)多磷酸鹽的降解，產(chǎn)生更多的無機(jī)Pi。如通過控制大腸桿菌（E. coli）體內(nèi)編碼多磷酸鹽激酶（polyphosphate kinase，ppk） 和多磷酸鹽酶（polyphosphatase，ppx）的基因的共同表達(dá)，能降低細(xì)胞內(nèi)多磷酸鹽的水平和促進(jìn)磷酸鹽的分泌，從而增加大腸桿菌對金屬的耐性。

2 影響微生物修復(fù)的因素

2.1 微生物的影響

2.1.1 微生物的種類

在微生物處理重金屬廢水過程中，不同微生物對同一種金屬離子的去除效率不同。如表3所示，不同微生物對同一種金屬離子的吸附量的差異顯著。

2.1.2 微生物的預(yù)處理

微生物的預(yù)處理是指在處理重金屬廢水之前，采用干燥、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿溶液浸泡等物理或化學(xué)方法處理細(xì)胞。通常，預(yù)處理可提高微生物對重金屬離子的去除能力和微生物的穩(wěn)定性。如Cihangir等發(fā)現(xiàn)，干燥處理后的真菌鳳尾菇（Pleurotus Sajorcaju）對廢水中Cd2+的去除能力顯著提高，且冷凍干燥的效果比烘箱干燥好。經(jīng)過乙醇處理的廢棄酵母細(xì)胞對廢水中Cd2+和Pb2+的吸附量分別達(dá)15.63和17.49mg/g（干重），分別比對照增加了2倍和1倍。Celaya等發(fā)現(xiàn)，NaOH處理后的氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferrooxidans）對重金屬離子的吸附量顯著增加，其原因可能在于細(xì)胞表面的吸附位點(diǎn)的去質(zhì)子化，從而增加金屬離子的吸附位點(diǎn)。

2.1.3 微生物的存在狀態(tài)

微生物的存在狀態(tài)（游離的、被固定在載體上）對其處理重金屬廢水的效果具有顯著影響。如游離的酵母細(xì)胞對Pb2+和Zn2+的吸附量分別為79.2和23.4mg/g（干重），而當(dāng)用明膠載體固定后，其吸附量分別為41.9和35.3mg/g（干重）。采用固定化微生物細(xì)胞富集水體中的重金屬，實(shí)際上起著生物離子交換樹脂的作用，而且固定化細(xì)胞比離子交換更為經(jīng)濟(jì)，不受Ca2+、Mg2+、Na+和K+等離子的影響，在廢水處理和受污染水環(huán)境的修復(fù)中更實(shí)用。

2.2 金屬離子的影響

2.2.1 金屬離子的種類

同一種微生物對不同金屬離子的處理效果也不同。如在最優(yōu)條件下，龜裂鏈霉菌對Zn、Cu 和Ni的吸收量分別為6.03、9.07和1.63mg/g（干重），泡葉藻對Zn、Cu和Ni的吸收量分別為25.6、4.89 和1.11mg/g（干重）。Iqbal等研究發(fā)現(xiàn)，采用多孔載體（loofa sponge）固定的黃孢原毛平革菌對Pb2+、Cu2+和Zn2+的去除率分別可達(dá)88.2%、68.7%和39.6%；吸附容量分別達(dá)135.3mg/g、102.8mg/g和50.9mg/g干重。

2.2.2 金屬離子的濃度

一般來說，隨著水體中重金屬離子濃度的增加，微生物去除重金屬離子的初始速度增大，但去除效率降低；反之，金屬離子的濃度越低，去除的初始速度越小，去除效率越大。如在低濃度下，黃孢原毛平革菌對Cd2+去除速率隨著Cd2+濃度而增加，但當(dāng)Cd2+濃度達(dá)到一定值時(shí)（約300mg/L），去除率達(dá)到最大值，Cd2+濃度進(jìn)一步增加對去除率沒有影響。

2.2.3 共存離子

共存離子對微生物去除重金屬的能力也有一定的影響。金屬離子共存的影響主要有：促進(jìn)作用、遏制作用和零作用。如Kaewsarn發(fā)現(xiàn)，Na+對鈣扇藻（Padina sp.）吸附廢水中的Cu2+幾乎沒有影響，而K+、Mg2+和Ca2+分別使Cu2+的去除效率減少了4%、11%和13%。Texier等研究發(fā)現(xiàn)，溶液中的Na+，K+，Ca2+，NO3-，SO42-，Cl-對銅綠假單胞菌吸附鑭系離子沒有影響，但Al3+具有強(qiáng)烈地抑制作用，在3mmol/L的溶液中，大約87%的Al3+被去除，而La3+、Eu3+和Yb3+ 的去除率僅為8%、20%和3%。

2.3 環(huán)境因素的影響

2.3.1 pH 值

pH 值對金屬離子的化學(xué)特性、細(xì)胞壁表面的官能團(tuán)（-COOH、-NH2、=NH、-SH、-OH）的活性和金屬離子間的競爭均有顯著影響，因此pH 是影響微生物處理重金屬廢水的重要因素之一。大部分研究發(fā)現(xiàn)，微生物對重金屬的去除效果在pH 值為酸性或中性偏酸時(shí)最好。如Liu 等研究了氧化硫硫桿菌（Thiobacillus thiooxidans）對Zn2+的吸附，當(dāng)pH 值為6.0 時(shí)，吸附量達(dá)到最大值（95.24mg/g），pH 值為4.0 時(shí)，吸附量為54.05mg/g，而在pH 值為2.0 時(shí)，吸附量僅為37.74mg/g。徐衛(wèi)華等研究了pH 值對銅綠假單胞菌還原Cr（Ⅵ）效果的影響，結(jié)果表明，pH=7.0 最利于銅綠假單胞菌還原Cr（Ⅵ），其還原率達(dá)到61.71%，pH <7.0 或>7.0都會使還原率下降。

2.3.2 溫度

溫度對微生物去除重金屬離子也有一定的影響，盡管某些細(xì)菌可在高溫（50~70℃）或低溫環(huán)境（-5~0℃）中生存，但應(yīng)用于處理重金屬廢水的絕大部分微生物的最適宜生長的溫度范圍是20~30℃。在適宜的溫度范圍內(nèi)，微生物的代謝活動隨溫度的增高而增強(qiáng)，處理效果也就越好。如Maree 等研究認(rèn)為，SRB的最佳生長率在30.5℃，最佳還原溫度為31℃，高溫臨界值為45℃，溫度在38℃以上時(shí)，SRB 生長受到抑制，并且在降低溫度后，SRB 不易恢復(fù)原狀，溫度高于50℃時(shí)中溫菌在短時(shí)間內(nèi)死亡[46]。然而，與其它因素相比，溫度對生物吸附的影響并不明顯。如20~40℃的范圍內(nèi)，溫度對鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）對鎘離子的吸附?jīng)]有影響。

3 問題與展望

雖然國際上對微生物處理重金屬廢水的研究取得了長足發(fā)展，確認(rèn)了微生物修復(fù)的應(yīng)用前景。然而，有關(guān)微生物對重金屬的吸附、沉淀機(jī)理還不是很明確。此外，該項(xiàng)技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，大規(guī)模利用微生物處理重金屬廢水的情況還很少，很多因素限制了它的大規(guī)模使用。如廢水中存在多種重金屬，如何將具有不同處理功能的高效菌株混合培養(yǎng)? 采用生物工程技術(shù)生產(chǎn)出的微生物是否能適應(yīng)外部環(huán)境條件? 怎樣將微生物修復(fù)技術(shù)與其它環(huán)境凈化技術(shù)進(jìn)行有效的組裝、配套? 以及如何再生生物修復(fù)劑? 隨著分子生物技術(shù)和基因工程技術(shù)的迅速發(fā)展，有待于從分子水平上去研究重金屬對微生物的影響機(jī)制，為進(jìn)一步研究和運(yùn)用微生物修復(fù)水體重金屬污染提供更多的科學(xué)依據(jù)。為了加速微生物處理重金屬廢水的工程應(yīng)用，今后有待于進(jìn)一步加強(qiáng)以下方面的研究：

（1）加強(qiáng)微生物對重金屬吸附、沉淀作用機(jī)理的研究，以期在基礎(chǔ)領(lǐng)域取得突破；

（2）開發(fā)更多價(jià)格低廉、吸附容量大以及可再生的生物吸附劑。同時(shí)，開發(fā)新的具有金屬結(jié)合性質(zhì)的分子物質(zhì)，如植物凝集素的類似物，選育具有較強(qiáng)金屬親和力的多肽，這也將會大大提高生物修復(fù)的水平。

（3）加強(qiáng)對基因重組技術(shù)、原生質(zhì)體融合技術(shù)構(gòu)建“超級工程菌”的及新型菌種的重視和研究，選擇對重金屬離子去除量大、平衡時(shí)間短的菌種應(yīng)用于工業(yè)化；

（4）開發(fā)新的高效固定化生物反應(yīng)器、建立在微生物技術(shù)基礎(chǔ)上的新的處理工藝，最大限度的提高生物的效率。

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