微生物对重金属的吸附作用

　　微生物对重金属的吸附作用

　　微生物的吸附作用是指利用某些微生物本身的化学成分和结构特性来吸附废水中的重金属离子，通过固液两相分离达到去除废水中的重金属离子的目的。生物吸附剂为自然界中丰富的生物资源，如藻类、地衣、和等。微生物结构的复杂性以及同一微生物和不同金属间亲和力的差别决定了微生物吸附金属的机理非常复杂，至今尚未统一认识。根据被吸附重金属离子在微生物细胞中的分布，一般将微生物对金属离子的吸附分为胞外吸附、细胞表面吸附和胞内吸附。

　　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质（extracellularpolymericsubstances，EPS），EPS具有络合或沉淀金属离子作用。如蓝能分泌多糖等胞外聚合物，一些白腐可以分泌柠檬酸（金属螯合剂）或草酸（与金属形成草酸盐沉淀）。Suh等研究发现，当茁芽短梗霉（Aureobasidiumpullulans）分泌EPS时，Pb2 便积累于整个细胞的表面，且随着细胞的存活时间增长，EPS的分泌量增多，积累于细胞表面的Pb2 水平就越高，从   初的56.9上升到215.6mg/g（干重）；当把细胞分泌的EPS提取出来后，Pb2 便会渗透到细胞内，但Pb2 的积累量显著减少（   高量仅为35.8mg/g干重）。

　　1.1.2细胞表面吸附

　　细胞表面吸附是指金属离子通过与细胞表面，特别是细胞壁组分（蛋白质、多糖、脂类等）中的化学基团（如羧基、羟基、磷酰基、酰胺基、硫酸脂基、氨基、巯基等）的相互作用，吸附到细胞表面。如将酵母细胞壁上氨基，羧基，羟基等化学基团进行封闭，则会减少其对Cu2 的吸收量，表明这些基团在结合Cu2 方面具有重要的作用，这也间接证明了细胞壁上蛋白质和糖类在生物吸附中的作用。

　　金属离子被细胞表面吸附的机制包括离子交换、表面络合、物理吸附（如范德华力、静电作用）、氧化还原或无机微沉淀等。不同的微生物对不同金属的吸附作用机制不同（表1）。Kratochvil等认为，离子交换是许多非活性和藻类吸附金属离子的主要机理，主要是细胞表面的羧基，其次是硫酸脂基和氨基在生物吸附中发挥了重要作用。Davis等也认为离子交换是褐藻吸附金属离子的主要机制，特别是以前被认为的物理和化学的结合机制都可以用离子交换来解释。细胞表面功能基团中的氮、氧、硫、磷等原子，可以作为配位原子与金属离子配位络合。例如Zn、Pb可以与产黄青霉（P.chrysogenum）表面的磷酰基和羧基形成络合物，溶液中的阴离子（EDTA、SO42-、Cl-、PO33-等）可以与细胞竞争重金属阳离子，形成络合物，从而降低产黄青霉对Zn、Pb的吸附量，这也间接地说明细胞表面对金属离子的吸附确实存在络合机制。关于氧化还原和无机微沉淀的机制也有少量报道。如Lin采用X射线衍射（XRD）、红外光谱（IR）以及光电子能谱（XPS）技术，研究了废弃酵母吸附Au3 的过程，发现还原性糖（细胞壁肽聚糖层的多糖水解产物）半缩醛基团中的自由醛基，可以作为电子供体，将Au3 原位还原为Au0。

　　1.1.3胞内吸附与转化

　　一些金属离子能透过细胞膜，进入细胞内。金属离子进入细胞后，微生物可通过区域化作用（compartmentalization）将其分布于代谢不活跃的区域（如液泡），或将金属离子与热稳定蛋白结合，转变成为低毒的形式。如活酵母吸收的Sr、Co离子积累于液泡中，而Cd和Cu离子位于酵母的可溶性部分（solublefraction）；同时液泡缺陷型酵母对Zn、Mn、Co、Ni离子的敏感性增加，吸附量降低；但其对Cu和Cd离子的吸附与型则没有明显的区别。Vijver认为细胞的区域化作用主要有两种类型：形成明显的包含体和重金属与热稳定蛋白结合，后者主要指金属硫蛋白（metallothioneins，简称MT）。金属硫蛋白的分子量低（2000~10000kDa），富含半胱氨酸，可被金属Cd、Cu、Hg、Co、Zn等诱导，并与这些金属结合。此外，谷胱甘肽（GSH）、植物凝集素（phytochelatins）和不稳定硫化物（labilesulfide）也具有储备、调节和胞内金属离子作用。GSH是典型的低分子量硫醇，富含半胱氨酸残基和组氨酸残基，是对金属离子有高度的亲和力的肽链，因此具备金属功能。目前，利用生物工程技术，在微生物细胞内表达金属结合蛋白或金属结合肽，从而制备全细胞工具（wholecelltools）来分离废水中重金属方面的研究日益受到关注。