生物吸附利用微生物體本身的化學結(jié)構及其成分特性來吸附溶于水中的金屬離子,再通過固液兩相分離來去除水溶液中金屬離子。

微生物吸附金屬的流程示意

生物吸附金屬的機理較復雜,按是否消耗能量可分為活細胞吸附與死細胞吸附2 種�；罴毎椒�2 個階段。第1 階段與代謝無關,為生物吸附過程,進行較快,在此過程中,金屬離子可通過配位、螯合與離子交換、物理吸附及微沉淀等作用中的一種或幾種復合至細胞表面;第2 階段為生物積累過程,進行較慢,在此過程中,金屬被運送至細胞內(nèi)。目前,國內(nèi)外已提出的金屬運行機制有細胞質(zhì)過氧化、主動運輸、載體協(xié)助運輸、復合物滲透、被動擴散及軟硬酸堿理論( HSAB) 等 。生物積累過程和細胞代謝直接相關,因此,許多影響細胞生物活性的因素都能影響金屬的吸附。死細胞吸附過程只存在生物吸附作用。

由于廢水中要去除的離子大多是有毒、有害的金屬或放射性金屬,會抑制生物的活性,甚至使其中毒死亡,且生物的新陳代謝作用受溫度、p H 值、能源等諸多因素的影響,因此,生物積累在實際應用中受到很大限制。實際吸附過程中,活細胞的吸附量并不一定比死細胞大。趙玲等用海洋赤潮生物原甲藻( Prorocent rum micans ) 活體和死體對Cu2 + , Pb2 + ,Ni2 + ,Zn2 + ,Ag2 + 與Cd2 + 的吸附能力進行了研究,結(jié)果證明,金屬離子混合液經(jīng)原甲藻吸附 30 min 后,各離子的濃度顯著下降且達到平衡。原甲藻的活體和死體對這6 種金屬離子具有相似的吸附能力。

生物吸附的機理往往因菌種、金屬離子的不同而異, 但其主要發(fā)生的是細胞壁上的官能團 —COOH , —N H₂ , —SH , —OH , —PO₄^-3等與金屬離子的結(jié)合或以其它方式的配位。根據(jù)微生物從溶液中去除金屬的方式不同,生物吸附可分為以下幾種: (1) 胞外富集/ 沉淀; (2) 細胞表面吸附或絡合; (3) 胞內(nèi)富集。其中細胞表面吸附或絡合對死活微生物都存在,而胞內(nèi)和胞外的大量富集往往要求微生物具有活性。在一個吸附過程中,可能會存在一種或多種機制。

1.胞外富集

利用胞外聚合物分離金屬離子早有研究, Cheng 等從黑曲霉(ASP) 分離出聚合物,并研究了它們對Cu ,Cd ,Ni 的絡合能力。Francis 發(fā)現(xiàn)有些細菌在生長過程中釋放出的蛋白質(zhì)能使溶液中的 Cd^{2 +} ,Hg^{2 +} ,Cu^{2 +} ,Zn^{2 +} 形成不溶性的沉淀而被除去。Brow 等綜述了活性污泥和細菌產(chǎn)生的胞外多糖在金屬分離中的作用。盡管這些聚合物主要是中性多糖,但它們同樣也含有如糖醛酸、磷酸鹽等可以絡合溶解金屬離子的化合物。不同微生物產(chǎn)生的胞外多糖組成不同,因而不同微生物結(jié)合金屬的性質(zhì)也不一樣。微生物生長條件強烈影響胞外聚合物的組成,從而也影響金屬的分離。但胞外吸附金屬,只有在溶液金屬濃度低時才行。

2.細胞表面吸附或絡合

大多數(shù)微生物對金屬的富集往往發(fā)生在細胞表面,對金屬的吸附通常是一快速、依賴p H 的過程。一般認為細胞表面吸附主要是金屬離子與細胞表面活性基團絡合/ 離子交換,以及絡合基團為晶核進行吸附沉淀。

2.1離子交換機理

在細胞壁吸附重金屬離子的同時,通常伴隨其它陽離子的釋放。Kuyucak 等研究發(fā)現(xiàn),非活性海藻Ascop hyllum nodosium 中含有3. 8 %的鈣離子,當與不含Co (Ⅱ) 離子的溶液接觸時, 僅有 011 %的鈣離子從細胞進入溶液;而當溶液中含有 Co (Ⅱ) 離子時,吸附Co (Ⅱ) 離子后的細胞中,鈣離子含量只有0. 4 % ,經(jīng)掃描電鏡、X 射線能量散射及紅外光譜分析進一步證明,這是Co (Ⅱ) 離子與細胞中陽離子發(fā)生離子交換的結(jié)果。Friis 等假設鉛和鈾被鏈霉菌(St reptomycers longwoodensis) 吸附是通過金屬離子和存在于細胞壁和細胞質(zhì)中的磷酸二酯的剩余可逆離子的離子交換實現(xiàn)的。有些海藻如Vauchoria 在吸附Sr2 + 的同時釋放了等量的 Ca2 + 和Mg2 + ,說明此種微生物對堿和堿土金屬的吸附是基于靜電相互作用的離子交換過程。

2. 2表面絡合機理

通常,微生物的細胞表面主要由多聚糖、蛋白質(zhì)和脂類組成。這些組成中可與金屬相結(jié)合的主要官能團有羧基、磷�；�、羥基、硫酸脂基、氨基等,其中氮、氧、磷、硫作為配位原子與金屬離子配位絡合。Hosen 等發(fā)現(xiàn)普通小球藻可以高效地從水溶液中吸附Au3 + 和Au + ,吸附金的能力與溶液中競爭性配體的存在有關。這也證明了金是通過與細胞表面的一些配體絡合或鰲合而吸附在細胞上。

3.胞內(nèi)吸附

胞內(nèi)吸附是一個緩慢、復雜的過程。主要是細胞表面吸附的金屬離子與細胞表面的某些酶相結(jié)合,而移至細胞內(nèi)。王亞雄等研究表明,類產(chǎn)堿假單胞菌( Pseudommnas p seudoa lcaligenes) 和騰黃微球菌(Micrococcus luteus) 對Cu2 + 和Pb2 + 的吸附能力很強,Cu2 + 和Pb2 + 在細菌表面吸附與p H 值有關, 吸附的最佳p H 為5 ～ 6 。細菌對Cu2 + 和 Pb2 + 的吸附過程是2 個階段,首先是細胞表面的絡合,在3 min 內(nèi)吸附量達到總吸附量的75 %;然后是向細菌內(nèi)部緩慢的擴散過程。

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