光合细菌处理重金属废水的研究进展

光合细菌处理重金属废水的研究进展 贾 培，邓 旭 （深圳大学生态环境研究所，深圳大学生命科学学院，广东深圳 518060） ［摘要］ 光合细菌以其无毒、繁殖快、易人工培养、适应能力强且对环境不产生二次污染等优点而在水污染治理 中受到重视。 阐明了光合细菌富集重金属的生理生化基础，综述了近年来国内外在利用光合细菌治理重金属污染方 面的研究进展，包括光合细菌对重金属的抗性、光合细菌对不同重金属离子的富集性能以及多种环境因素的影响， 最后对光合细菌用于重金属废水处理的前景进行了展望。 ［关键词］ 光合细菌；重金属；废水；生物富集 ［中图分类号］ X703.1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1005-829X（2011）01-0013-05 Progress in the application of photosynthetic bacteria to the treatment of heavy metal wastewater Jia Pei，Deng Xu （Institute of Eco-environmental Science，School of Life Science，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China） Abstracts： Photosynthetic bacteria have been paid more and more attention to the application in wastewater treatment due to its non-toxicity，quick breeding，easy artificial cultivation and no secondary pollution producing. The physiological and biochemical basis of bioaccumulation heavy metal with photosynthetic bacteria is introduced， and the application of photosynthetic bacteria to the treatment of heavy metal wastewater in recent years is reviewed. Furthermore，the resistance and bioaccumulation capacity of photosynthetic bacteria to different heavy metal ions， and the effects of environmental factors on bioaccumulation performance are discussed. At the end，the prospect of biotreatment of heavy metal wastewater by photosynthetic bacteria is forecast. Key words： photosynthetic bacteria；heavy metal；wastewater；bioaccumulation 治理重金属废水的研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 〔1〕，传统的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 如 化学沉淀、电化学处理等对于低质量浓度范围（1~ 10 mg/L）的重金属废水处理效果不佳， 这些方法在 治理的同时产生大量有毒污泥，造成二次污染。而离 子交换、 膜分离法以及活性炭吸附等方法在处理低 浓度重金属离子废水时费用昂贵， 故上述方法都不 适于大规模低浓度重金属废水的处理。 近年来， 生物吸附法在控制和治理重金属污染 方面受到普遍关注。 该法可以将重金属离子选择性 去除，具有节能、处理效率高、操作 pH 和温度范围 宽、易于分离回收所吸附重金属等特点，是一种行之 有效的处理方法。 光合细菌在废水处理中的应用始于 1960年，但 大多数研究者都是利用光合细菌处理有机废水，在 重金属废水治理方面的研究还相对较少， 更缺乏系 统全面的综述文献。 考虑到光合细菌是一种自养生 物，能在寡营养的环境下生长，因此利用光合细菌治 理营养条件较为缺乏的重金属废水对于实现重金属 废水生物处理过程的连续化无疑是一种不错的选 择。 笔者对目前国内外利用光合细菌处理重金属废 水方面的研究进行了较为系统的综述， 为这一领域 研究的深入开展提供参考。 1 光合细菌富集重金属的生理生化基础 微生物对重金属的选择性富集以及富集效率很 大程度上由细胞壁的性质来决定。 光合细菌为革兰 氏阴性菌，其细胞壁主要由肽聚糖、蛋白质和脂类组 成， 这些组分中可以与金属离子相结合的主要官能 团包括羧基、磷酰基、羟基、硫酸酯基、氨基和酰胺基 等，其中氮、氧、硫等原子都可以提供孤对电子与金 [基金项目] 国家自然科学基金项目（51078234） 第 31卷第 1期 2011年 1月 工业水处理 Industrial Water Treatment Vol．31 No．1 Jan．，2011 13 属离子配位络合。 如蓝细菌〔2〕既具有较强的吸附小 颗粒和金属离子的能力，还可以通过胞外多糖络合 金属离子，降低重金属离子对菌体本身的毒害。 蓝 细菌胞内也存在金属离子的结合位点，如金属硫蛋 白和多聚磷酸体等。 2 光合细菌对水体中重金属离子的富集 2.1 光合细菌对重金属离子的抗性 微生物的重金属离子抗性是指生物体细胞与重 金属离子接触之后，尽量减少毒害或者受毒害后仍 具有在此环境中持续生存的能力。 微生物细胞对重 金属离子的抗性从机理 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 大致可以分为两类，一 类是将重金属离子结合在细胞的某些特定位点以减 少对胞内其他活性酶系的毒害， 另一类是运用某种 转运机制将进入细胞的重金属离子转运到胞外，从 而消除重金属离子对细胞的伤害。 工业废水中比较常见的重金属有 Cd、Cr、Cu、 Hg、Ni、Pb、Zn、Mn、Co等。一些重金属是微生物生长 所必需的微量营养素，如 Cu、Mn、Zn 等；另一些重金 属则是对微生物生长有害的元素，如 Cd、Hg、Pb等。 在含有重金属离子的培养基中， 即使是必需的金属 元素， 浓度过高时其对微生物的生长也表现出毒性 效应。 重金属离子对光合细菌的生长抑制浓度见 表 1。 表 1 重金属离子对光合细菌的生长抑制浓度 mg/L 菌体 Hg2+ Pb2+ Cd2+ Cu2+ As5+ Cr6+ Ni2+ Co2+ As3+ 沼泽红假单胞菌〔3-4〕 5.1 17.7 22.3 47.2 沼泽红假单胞菌〔5〕 0.4 127.8 2.9 0.1 20.4 蓝细菌 A. nidulans〔6〕 5.6 蓝细菌 Cr r18 突变株 10.0 球形红细菌〔7〕 20.0 200.0 20.0 5.0 200.0 20.0 20.0 球形红细菌〔8〕 320.0 沼泽红假单胞菌 N株〔9〕 200.0 100.0 沼泽红假单胞菌 S 株 150.0 沼泽红假单胞菌 ( Rhodopseudomonas palustris) 属于光合细菌紫色非硫菌群的红假单胞菌属，对重 金属离子具有较强的耐受能力。 周茂洪等 〔4〕研究发 现，沼泽红假单胞菌对 6 种重金属离子的抗性大小 顺序为：Pb2+＞Zn2+＞Cr6+＞Cd2+＞Cu2+＞Hg2+。 贠妮 〔9〕在对 沼泽红假单胞菌去除铅镉污染的研究中发现，N 菌 株至少可以耐受100 mg/L 的 Cd2+，S 菌株至少可以 耐受 150 mg/L 的 Cd2+；而对于 Pb2+，当其质量浓度＜ 150 mg/L 时， 对 N 菌株的生长没有很明显的影响， Pb2+质量浓度增加到 150 mg/L 时， 菌株生长开始缓 慢减弱，Pb2+质量浓度为 200 mg/L 则在一定程度上 抑制 N菌株的生长。 球形红细菌( Rhodobacter sphaeroides)是另一类 常见的光合细菌。 白红娟等〔8〕在研究球形红细菌转 化去除重金属镉的实验中发现球形红细菌 H 菌株 至少可以耐受质量浓度为 320 mg/L 的 Cd2+溶液。 张 波等〔7〕考察了 7 种重金属离子对球形红细菌生长的 影响， 发现该菌对 Pb2+和 As5+有很强的抗性， 重金 属离子质量浓度达 200 mg/L 时仍不影响该菌的生 长； 其对 As3+、Cd2+、Cr6+、Cu2+、Hg2+的抗性较对 Pb2+和 As5+的差些。 从上述实验结果归纳出球形红细菌对 重金属离子的抗性大小顺序大致为：Pb2+、As5+＞Cd2+、 Cr6+、As3+＞Cu2+＞Hg2+。 光合细菌对重金属的抗性可通过分子生物学的 手段提高， 如金属结合蛋白的表达。 金属硫蛋白 (Metallothionein，简称 MT)是一类广泛存在于生物界 的低分子质量、富含半胱氨酸的金属结合蛋白 〔10〕 ， 可被重金属、激素及各种细胞因子诱导表达。 MT能 与重金属离子(如 Cd2+，Pb2+，Hg2+等)结合，从而降低 重金属离子对细胞本身的毒性。 J. S. Turner 等〔11〕证 实缺失 MT 基因的蓝细菌 Synechococcus PCC 7942 突变株对 Zn2+高度敏感。 Z. Chen等〔12〕将哺乳动物的 MT-Ⅰ基因导入蓝细菌中， 转 hMT 基因的蓝细菌 Synechocystis sp. PCC 6803 对 Cd2+的抗性可提高到 60 μmol/L，相当于原始菌的 6倍多。内含 MT基因的 蓝细菌 a-KKS-a 突变株有较强的富集 Cd2+能力，对 于 Cd2+抗性的浓度最高可达 70 μmol/L。 利用某些重金属离子对菌株进行特异性突变也 可提高其抗性的水平。 IS. K. Jasvir 等〔6〕对野生型蓝 细菌 A. nidulans 及蓝细菌铬突变株 Crr18 的研究证 实了这个观点， 他们通过比较两者对于铬离子的 EC50值（12 d）和 EC90值发现，蓝细菌铬突变株 Crr18 专论与综述 工业水处理 2011－ 01，31（1） 14 菌体 离子 初始质量 浓度/ (mg·L-1) 富集量/ （mg·g-1） 去除 率/ % Rhodobacter sphaeroides S〔13〕 Cd2+ 20.0 37.2 Rhodovulum sp.PS88 Cd2+ 20.0 23.1 Rhodobacter capsulatus〔14〕 Au3+ 240.0 267.0 Spirulina sp（L）〔15〕 Cd2+ Cr3+ Cu2+ 1 000.0 1 000.0 1 000.0 159.0 185.0 196.0 Gloeocapsa sp.（viable cells）〔16〕 Pb2+ 1.0~120.0 232.6 Gloeocapsa gelatinosa (CPS）〔17〕 Pb 2+ 1.0~120.0 256.4 Microchaete tenera 14b〔18〕 Pb2+ 6.0 6.9~8.0 Spirulina platensis〔19〕 Hg2+ Hg2+ Hg2+ 10.0 50.0 50.0~ 1 000.0 131.3 227.0 428.0 Aphanothece flocculosa〔19〕 Hg2+ Hg2+ Hg2+ 10.0 50.0 50.0~ 1 000.0 96.2 262.5 456.0 Lyngbya putealis HH-15〔20〕 Cr6+ 5.0~20.0 111.1 Cyanospira capsulata〔21〕 Cu2+ 2.0~10.0 94.0~98.0 Cyanospira capsulata〔22〕 Cu2+ 10.0 230.0~250.0 Cyanothece 16Som2〔23〕 Cu2+ 10.0 195.6~206.8 Cyanospira capsulata〔23〕 Cu2+ 10.0 137.4~148.6 Cyanothece CE 4〔23〕 Cr3+ 10.0 93.0~97.6 Cyanothece TI 4〔23〕 Cr3+ 10.0 63.0~71.6 红假单胞菌 R-04〔24〕 Cu2+ 80.0 48.0 红假单胞菌 R-04〔25〕 Cu2+ ﹤80.0 80.0 ﹥80.0 94.0 Cu2+ 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 98.9 89.2 83.6 83.1 23.4 红假单胞菌 R-04〔26〕 Ni 2+ 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 90.0 74.3 66.0 59.2 50.0 Cr6+ 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 84.0 52.0 49.0 44.5 41.0 沼泽红假单胞菌〔27〕 Pb2+ Pb2+ 50.0 或 100.0 150.0 或 200.0 ≈100 85.0 球形红细菌〔8〕 Cd 2+ Cd2+ 0~40.0 80.0 ＞85.0 ≈70.0 沼泽红假单胞菌 S 菌株〔28〕 Cd2+ Cd2+ Cd2+ Cd2+ 10.0~25.0 50.0 100.0 150.0 85.0 70.0 40.0 23.0 与野生型蓝细菌 A. nidulans 相比，对铬的抗性浓度 提高了 79.43%。 2.2 光合细菌对重金属离子的富集容量 光合细菌对重金属离子的富集容量受重金属 离子初始浓度、富集时间、水体 pH 及共存离子等因 素的影响，其中重金属离子初始浓度的影响较为显 著。 表 2列出了近年来光合细菌对不同重金属离子 富集容量方面的研究结果。 表 2 光合细菌对不同重金属离子的富集容量 根据表 2数据， 可以从 3个方面对平衡富集量 进行分析。 一是同一菌株对相同浓度不同金属离子 的富集量的比较 ， 如 K. Chojnacka 等 〔15〕 研究了 Spirulina sp（L）对 Cd2+、Cr3+、Cu2+的富集量，在同一质 量浓度 1 000 mg/L 下， 该菌对这 3 种金属离子的富 集量明显不同，分别为 159、185、196 mg/g，从富集量 上分析，该菌对 Cu2+的富集能力较强。二是同一菌株 对同一金属离子不同浓度时的富集量比较。 A. Cain 等 〔19〕 研究了 Aphanothece flocculosa 富集 Hg2+的情 况，初始质量浓度为 10 mg/L 时，该菌对 Hg2+的平衡 富集量为 96.2 mg/g；初始质量浓度为 50 mg/L 时，对 Hg2+的平衡富集量为 262.5 mg/g；而在初始质量浓度 为 1 000 mg/L 时，对 Hg2+的平衡富集量为 456 mg/g。 三是不同菌株对相同浓度同一金属离子的富集量的 比较，平衡富集量可以相差一倍多。如 Cu2+质量浓度 为 10 mg/L 时，Cyanospira capsulate 对 Cu2+的平衡富 集 量 为 230 ~250 mg/g， 而 相 同 离 子 浓 度 下 ， Cyanothece ET 5 对 Cu2+的平衡富集量只有 103.6~ 122.8 mg/g〔23〕。 从去除率来分析，在最佳条件下，菌体对初始浓 度不同的重金属离子去除率明显不同。 相同的条件 下， 金属离子的初始浓度越低， 菌体对其去除率越 高。如白红娟等〔28〕研究得出沼泽红假单胞菌 S菌株， 在 Cd2+初始质量浓度为 10～25 mg/L 时去除率达 85%以上；当 Cd2+质量浓度增加到 150 mg/L 时，去除 率仅为 23%。 相似的现象也在球形红细菌去除 Cd2+ 的过程中出现〔8〕，随着 Cd2+浓度的增加，球形红细菌 H 菌株去除 Cd2+所用的时间逐渐增加， 而去除率逐 渐降低。 当 Cd2+质量浓度为 0～40 mg/L时，去除率可 达 85%以上；当 Cd2+质量浓度为 80 mg/L 时，去除率 下降了15%(仅为 70%左右)。 2.3 pH 的影响 pH 也是影响生物体富集重金属离子的一个重 要 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 。 不同来源的重金属废水 pH 范围不同，如电 镀行业因酸洗等工艺一般排放出的废水 pH＜7，而氯 碱行业的废水又因电解过程中生成 NaOH 而呈现出 较强的碱性。 酸性废水虽易使重金属离子保持自由 离子状态，但水体中其他共存阳离子（如氢离子）的 增加有可能对目标重金属离子的富集产生竞争。 一 般认为 H+与被吸附阳离子之间存在竞争吸附作用， 因此 pH 过低时，H+占据大量的吸附活性点，从而阻 止目标阳离子与吸附位点的接触，导致吸附率下降。 在碱性废水中， 高 pH 易导致一些稳定的金属化合 工业水处理 2011－ 01，31（1） 贾培，等：光合细菌处理重金属废水的研究进展 15 物如氢氧化物、氧化物俘获碳酸盐等微沉淀于细胞 表面，影响了细胞酶等载体的协助运输作用，造成其 对金属离子的吸附率下降。pH对光合细菌富集重金 属离子的影响如表 3所示。 表 3 pH 对光合细菌富集重金属离子的影响 表 3可以看出，一些菌体吸附的最佳 pH 明显偏 酸性。 黄富荣等〔25〕通过研究验证了红螺菌 R-04 吸 附Cu2+的最适 pH 为 2.0，去除率为 90.1%，而在 pH 为5~7 时，去除率仅为 20.1%；Youzhi Feng 等〔14〕发现 Rhodobacter capsulatus 吸 附 Au3 +的 最 适 pH 为 1.0，去除率大于 90%，而在 pH 为 3~10 时，去除率 均在 80%以下， 这些菌体明显适于处理酸性废水。 大部分菌体吸附的最佳 pH 是偏中性 ，如白红娟 等 〔29〕研究的沼泽红假单胞菌，在最佳 pH 为 7 时对 Pb2+的去除率为 93.0%。 2.4 共存重金属离子的影响 工业排放的重金属废水中一般有多种金属离子 存在，这些同处于过渡区的金属离子在生物富集过 程中可能发生相互作用。 如表 4 所示，共存离子对 菌体吸附的目标重金属离子表现出不同的相互作 用。 表 4 共存离子对光合细菌富集重金属离子的影响 尹华等 〔26〕将红螺菌置于含不同重金属离子 （Cu2+、Ni2+、Cr6+的质量浓度均为 20 mg/L）的培养基中 培养，96 h 后观察共存离子对菌体吸附目标重金属 离子的影响。 结果表明共存离子对菌体富集目标金 属离子行为大多表现出拮抗作用， 即降低了菌体对 目标金属离子的吸附率。 以对 Cu2+的吸附为例，Cu2+ 单独存在时富集率为 90.2%； 当 Cu2+、Ni2+两者共存 时， 富集率仅为 68.8%；Cu2+、Ni2+、Cr6+三者共存时， 富集率为 84.5%。 对 Ni2+的吸附中，Ni2+单独存在时 菌体对 Ni2+的富集率为 74.5%，Ni2+和 Cu2+两者共存 时为 62%；Ni2+和 Cr6+两者共存为 56%； 三者共存时 富集率最低，仅有 40%。 这种共存离子的拮抗作用 可能是金属阳离子之间竞争细胞壁结合位点的结 果，但并不是所有共存离子都表现出拮抗作用。尹华 等的研究结果表明， 共存的 Cu2+和 Ni2+对红螺菌吸 附 Cr6+的过程基本不产生影响，Cr6+的富集率与 Cr6+ 单独存在时相差不大，都在 50%左右。 也有报道观察到协同作用 （当水体中有其他阳 离子存在时对吸附的促进作用），如 A. Cain 等 〔19〕的 研究结果表明，Ni2+、Co2+、Fe3+、Zn2+共存时蓝细菌对 Hg2+的吸附率较 Hg2+单独存在时有较大提高。 当 Hg2+单独存在时， 菌体 S. platensis 对 Hg2+的富集量 约为 102.86 mg/g，与 Co2+、Zn2+、Ni2+、Fe3+共存时，富集 量分别约为 173.33、136.67、176.67、166.67 mg/g；对 于 A. flocculosa 而言，Hg2+单独存在时其对 Hg2+的富 集量约为 133.33 mg/g，与 Co2+、Zn2+、Ni2+、Fe3+共存时， 富集量分别约为 196.67、153.33、190、193.33 mg/g， 都较 Hg2+单独存在时高。 共存离子对富集过程产生 协同作用的机理尚不清楚，有待进一步研究。 3 展望 光合细菌是一种普遍存在的且去除废水中重金 属能力较强的微生物。 虽然目前利用光合细菌治理 重金属废水离工业化还有一段距离， 但由于光合细 菌繁殖速度快、 易于人工培养， 同时其适应能力很 强，即使在恶劣环境也能生长繁殖，因此光合细菌在 环境污染治理方面应该很有应用潜力。 研究光合细 菌富集重金属离子的作用机制， 利用现代分子生物 学手段对光合细菌进行分子改造以获得对重金属离 子具高富集容量、高选择性的高性能菌株，并以此为 基础开发优化合理的重金属废水生物处理工艺，必 将促使光合细菌在重金属废水生物处理领域中获得 更广泛的应用。 ［参考文献］ ［1］ Wang Jianlong，Chen Can. Biosorbents for heavy metals removal and their future ［J］. Biotechnology Advances，2009，27 （ 2） ：195 -226. 菌体 离子 最佳 pH 去除率/% 沼泽红假单胞菌〔29〕 Pb2+ 7.0 93.0 固定化沼泽红假单胞菌〔27〕 Pb2+ 7.0 98.0 沼泽红假单胞菌〔28〕 Cd2+ 7.0 ﹥80.0 沼泽红假单胞菌〔9〕 Cd2+ 7.0 86.2 Spirulina forms〔15〕 Cr3+、Cd2+、Cu2+ 7.0 球形红细菌〔8〕 Cd2+ 7.0 86.3 Spirulina platensis〔19〕 Hg2+ 6.0 Aphanothece flocculosa〔19〕 Hg2+ 6.0 ﹥90.0 红螺菌 R-04〔25〕 Cu2+ 2.0 90.1 Rhodobacter capsulatus〔14〕 Au3+ 1.0 ﹥90.0 菌体 主要离子 共存离子 影 响 S. platensis 和 A. flocculosa〔19〕 Hg 2+ Ni2+、Co2+、Fe3+、Zn2+ 协同作用 红螺菌 R-04〔26〕 Cu2+ Ni2+ Cr6+ Ni2+、 Cr6+ 拮抗作用 协同作用 拮抗作用 红螺菌 R-04〔26〕 Ni2+ Cu2+ Cr6+ Cu2+、 Cr6+ 拮抗作用 拮抗作用 拮抗作用 红螺菌 R-04〔26〕 Cr6+ Cu2+ Ni2+ Cu2+ 、Ni2+ 影响较小 影响较小 影响较小 专论与综述 工业水处理 2011－ 01，31（1） 16 ［2］ 陈思嘉，郑文杰，杨芳. 蓝藻对重金属的生物吸附研究进展［J］. 海洋环境科学，2006，25（4）： 103-106. ［3］ 周茂洪，赵肖为，吴雪昌. Cu2+，Cd2+和 Cr6+抑制沼泽红假单胞菌生 长的毒性效应［J］. 应用与环境生物学报，2002，8（3）：290-293. ［4］ 周茂洪，赵肖为，周峙苗. 几种重金属离子对光合细菌生长的抑 制效应［J］. 生态学杂志，2002，21（4）：6-11. ［5］ Giotta L，Agostiano A，Italiano F，et al. Heavy metal ion influence on the photosynthetic growth of Rhodobacter sphaeroides ［J］. 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