生物吸附的机理
生物吸附利用微生物体本身的化学结构及其成分特性来吸附溶于水中的金属离子,再通过固液两相分离来去除水溶液中金属离子。
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| 微生物吸附金属的流程示意 |
生物吸附金属的机理较复杂,按是否消耗能量可分为活细胞吸附与死细胞吸附2 种。活细胞吸附分2 个阶段。第1 阶段与代谢无关,为生物吸附过程,进行较快,在此过程中,金属离子可通过配位、螯合与离子交换、物理吸附及微沉淀等作用中的一种或几种复合至细胞表面;第2 阶段为生物积累过程,进行较慢,在此过程中,金属被运送至细胞内。目前,国内外已提出的金属运行机制有细胞质过氧化、主动运输、载体协助运输、复合物渗透、被动扩散及软硬酸碱理论( HSAB) 等 。生物积累过程和细胞代谢直接相关,因此,许多影响细胞生物活性的因素都能影响金属的吸附。死细胞吸附过程只存在生物吸附作用。
由于废水中要去除的离子大多是有毒、有害的金属或放射性金属,会抑制生物的活性,甚至使其中毒死亡,且生物的新陈代谢作用受温度、p H 值、能源等诸多因素的影响,因此,生物积累在实际应用中受到很大限制。实际吸附过程中,活细胞的吸附量并不一定比死细胞大。赵玲等用海洋赤潮生物原甲藻( Prorocent rum micans ) 活体和死体对Cu2 + , Pb2 + ,Ni2 + ,Zn2 + ,Ag2 + 与Cd2 + 的吸附能力进行了研究,结果证明,金属离子混合液经原甲藻吸附 30 min 后,各离子的浓度显著下降且达到平衡。原甲藻的活体和死体对这6 种金属离子具有相似的吸附能力。
生物吸附的机理往往因菌种、金属离子的不同而异, 但其主要发生的是细胞壁上的官能团 —COOH , —N H2 , —SH , —OH , —PO4-3等与金属离子的结合或以其它方式的配位。根据微生物从溶液中去除金属的方式不同,生物吸附可分为以下几种: (1) 胞外富集/ 沉淀; (2) 细胞表面吸附或络合; (3) 胞内富集。其中细胞表面吸附或络合对死活微生物都存在,而胞内和胞外的大量富集往往要求微生物具有活性。在一个吸附过程中,可能会存在一种或多种机制。
1.胞外富集
利用胞外聚合物分离金属离子早有研究, Cheng 等从黑曲霉(ASP) 分离出聚合物,并研究了它们对Cu ,Cd ,Ni 的络合能力。Francis 发现有些细菌在生长过程中释放出的蛋白质能使溶液中的 Cd2 + ,Hg2 + ,Cu2 + ,Zn2 + 形成不溶性的沉淀而被除去。Brow 等综述了活性污泥和细菌产生的胞外多糖在金属分离中的作用。尽管这些聚合物主要是中性多糖,但它们同样也含有如糖醛酸、磷酸盐等可以络合溶解金属离子的化合物。不同微生物产生的胞外多糖组成不同,因而不同微生物结合金属的性质也不一样。微生物生长条件强烈影响胞外聚合物的组成,从而也影响金属的分离。但胞外吸附金属,只有在溶液金属浓度低时才行。
2.细胞表面吸附或络合
大多数微生物对金属的富集往往发生在细胞表面,对金属的吸附通常是一快速、依赖p H 的过程。一般认为细胞表面吸附主要是金属离子与细胞表面活性基团络合/ 离子交换,以及络合基团为晶核进行吸附沉淀。
2.1离子交换机理
在细胞壁吸附重金属离子的同时,通常伴随其它阳离子的释放。Kuyucak 等研究发现,非活性海藻Ascop hyllum nodosium 中含有3. 8 %的钙离子,当与不含Co (Ⅱ) 离子的溶液接触时, 仅有 011 %的钙离子从细胞进入溶液;而当溶液中含有 Co (Ⅱ) 离子时,吸附Co (Ⅱ) 离子后的细胞中,钙离子含量只有0. 4 % ,经扫描电镜、X 射线能量散射及红外光谱分析进一步证明,这是Co (Ⅱ) 离子与细胞中阳离子发生离子交换的结果。Friis 等假设铅和铀被链霉菌(St reptomycers longwoodensis) 吸附是通过金属离子和存在于细胞壁和细胞质中的磷酸二酯的剩余可逆离子的离子交换实现的。有些海藻如Vauchoria 在吸附Sr2 + 的同时释放了等量的 Ca2 + 和Mg2 + ,说明此种微生物对碱和碱土金属的吸附是基于静电相互作用的离子交换过程。
2. 2表面络合机理
通常,微生物的细胞表面主要由多聚糖、蛋白质和脂类组成。这些组成中可与金属相结合的主要官能团有羧基、磷酰基、羟基、硫酸脂基、氨基等,其中氮、氧、磷、硫作为配位原子与金属离子配位络合。Hosen 等发现普通小球藻可以高效地从水溶液中吸附Au3 + 和Au + ,吸附金的能力与溶液中竞争性配体的存在有关。这也证明了金是通过与细胞表面的一些配体络合或鳌合而吸附在细胞上。
3.胞内吸附
胞内吸附是一个缓慢、复杂的过程。主要是细胞表面吸附的金属离子与细胞表面的某些酶相结合,而移至细胞内。王亚雄等研究表明,类产碱假单胞菌( Pseudommnas p seudoa lcaligenes) 和腾黄微球菌(Micrococcus luteus) 对Cu2 + 和Pb2 + 的吸附能力很强,Cu2 + 和Pb2 + 在细菌表面吸附与p H 值有关, 吸附的最佳p H 为5 ～ 6 。细菌对Cu2 + 和 Pb2 + 的吸附过程是2 个阶段,首先是细胞表面的络合,在3 min 内吸附量达到总吸附量的75 %;然后是向细菌内部缓慢的扩散过程。
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