微生物吸附技術

在治理工業廢水中重金屬離子的應用

主要內容

一、前言

二、試驗材料和方法

三、草分枝桿菌對重金屬離子吸附規律研究

四、苦味諾卡氏菌對重金屬離子吸附規律研究

五、細菌吸附重金屬離子機理研究

六、重金屬的微生物吸附技術應用基礎研究

七、結論

2

一、電鍍行業重金屬廢水

1、含銅廢水：

酸性鍍銅過程的廢水中含銅濃度在100tng/L以下，pH值為2~3;

焦磷酸鍍銅過程的廢水含銅濃度在50mg/L以下，pH值在7左右。

2、含鋅廢水：

堿性鋅酸鹽鍍鋅過程的廢水中含鋅濃度在50mg/L以下，pH值為9；

鉀鹽鍍鋅過程的廢水中含鋅濃度在100mg/L以下，pH值為6左右；

硫酸鋅鍍鋅過程的廢水中含鋅濃度在100mg/L以下，pH值為6~8；

氨鹽鍍鋅過程的廢水中含銅濃度在100mg/L以下，pH值為6~9。

3、含鍥廢水：

一般廢水中含鎮濃度在100mg/L以下，pH值在6左右。

4、含銘■廢水：

一般廢水中含六價銘■濃度在200tng/L以下，pH值為4~6。

重金屬廢水來源（一）

3

參看：

安成強，崔作興.電鍍三廢治理技術[M],北京：國防工業出版社，2002,33?269.

三、其他行業的重金屬廢水

染料行業排放的廢水含有鉛、銅、碑、鎘等，

陶瓷行業排放的廢水含有種、鋁等，

墨水制造業排放的廢水含有汞、鉛、銅、鍥、鎘等，

照相行業排放的廢水含有銀、鉛、銅、絡、鎘等，

造紙行業排放的廢水含有輅、汞、銅、鍥等，

制藥行業排放的廢水含有銅、鐵、汞、錫等，

肥料行業排放的廢水含有汞、輅、鉛、銅、碑、鎘、鍥等，

氯堿制造業排放的廢水含有鉛、銅、珅、鎘等，

涂料行業排放的廢水含有鉛、鈦、鋅、銘等，

玻璃行業排放的廢水含有錮、鉛、銀、領等，

紡織行業排放的廢水含有汞、輅、鉛、鍥、碑、鎘等。

重金屬廢水來源（三）

4

二、鋼鐵和有色金屬冶煉和采礦重金屬廢水

采礦和冶煉需耗用大量的水，其排放的廢水中重金屬離子成分比較復雜，因

大部分有色金屬和礦石中有伴生元素存在，所以廢水中一般含有汞、鎘、碑、鉛、銅、鋅等。

以葫蘆島鋅廠為例，其廢水排放量為每年21.9萬噸。廢水中含有Zn、Hg、Cu、

Cd等，從生產線下來的廢水重金屬離子濃度為，Zn153.00mg/L、Hg0.87mg/L、Cu

4.45mg/L、Cd18.70mg/L（5|g2002年葫蘆島鋅廠西部污水處理站污染情況表）。

重金屬廢水來源（二）

5

國標GB—8978—1996污水綜合排放標準中明確規定了重金屬

最高允許排放濃度。

其中Hg2+、Pb2+、Ni2+、Cr（VD、Cd2+為國標規定的第一類污染物，

即能在環境或動植物體內蓄積，對人體健康產生長遠不良影響的污染物；

而Cu2+、Zn2+為第二類污染物，是指其長遠影響小于第一類的污染物質。

重金屬最高允許排放濃度

重金屬HgPbNiCdCrZnCu

污染物

最高允許0.050.051.00.11.55.02.0

排放濃度

(mg/L)

6

一、化學法：化學沉淀法、氧化還原法、鐵氧體法。

二、離子交換樹脂法

三、電解法

四、膜分離技術：電滲析、反滲透、液膜分離技術等。

五、蒸發濃縮法

六、吸附法：有腐殖酸樹脂吸附法、斜發沸石吸附法、麥

飯石吸附法、硅藻土吸附法、膨潤土吸附法、

活性炭吸附法、生物吸附法等。

治理重金屬廢水的各種技術

7

遼寧省是國家重工業生產基地，有著石油化工、冶金、建材、造紙和電力等傳統

基礎產業。多少年來這些企業為國家及遼寧省經濟的發展做出了貢獻；但是在發展的同時,

也給環境帶來了嚴重的污染。針對遼寧省水體污染現狀，解決實際問題，提出了治理重金屬

水污染的課題。

急需解決的實際問題

8

如今人們比以往任何時候都更加崇尚自然、善待自然，與環境相協調的綠色理

念已經滲透到新技術的開發中。

微生物吸附作為治理重金屬污染的一項新技術，由于其環保特色而有著其他技

術所不可比擬的獨特優點。

選擇微生物技術的原因

9

為什么選擇生物吸附技術？

微生物吸附技術的特點

與常規的技術相比，微生物吸附技術，

具有以下優點：

(1)可以選擇性地去除某種重金屬離子；

(2)處理效率高，不引起二次污染；

(3)pH值范圍較寬；

(4)易于分離回收金屬。

10

生物吸附研究與應用概況

生物吸附技術是利用廉價的生物細胞體吸附重金屬離子，從而達到去除水體中有害重金屬離

子的目的。

生物吸附概念最早是由Ruchhoft在1949年提出來的，它利用活性污泥去除水中的放射性元

素卦(Pu)。

11

生物吸附重金屬研究的真正興起還是在二十世紀八十年代.

1982年Teszos的研究指出少根根曲(Rhizopusarrhizus)

對牡和鈾有很高的吸附量；

1984年Hosea等人發現普通小球藻(Chlorellavulgaris)

對Au3+有很高的親和力；

1986年Norbeng等人發現動膠菌(Z.ramigera)對Cu2+

具有較高的選擇性吸附能力；

生物吸附研究與應用概況

12

從上個世紀九十年代到現在，國內外有關這個領域的研究發展很快。

生物吸附材料不斷涌現：

*HolanZR等人用褐藻(A.nodosum)吸附Co2+;

*HuangChinpin用米曲霉(A.oryzac)吸附Zn2+；

*Volesky用Saccharomycescerevisiae吸附Cd2+;

*牛慧等人利用非生長產黃青霉素對重金屬離子的吸附；

*李清彪等人研究了用Phanerochaetechrysosporium菌對Pb2+的吸附；

*劉月英等人用Bacilluslichcniformis菌吸附Pd2+；

*劉瑞霞等人研究了用Micrococcusluteus菌吸附Cu2+。

生物吸附研究與應用概況

13

生物吸附機理研究不斷深入：

*Trccn-Scars認為微生物對金屬的吸附于其細胞壁含有

的磷酸基與竣基的比例有關，并認為在快速吸附過

程中，離子交換起了主要作用。

*Muraleedharan等通過試驗同樣說明了幾丁質和蛋白質

在吸附過程中的不同角色，而且指出帶有自由基的

細胞壁介質才是在吸附過程中起最重要作用的物質。

生物吸附研究與應用概況

14

目前，生物吸附技術的研究還只是處于實驗室階段，在實用化和工業化過程中還存在

著許多有待進一步深入研究的問題。

生物吸附研究與應用概況

15

為了使生物吸附金屬技術推廣應用，還必須考慮以下一些因素:

(1)如何進一步提高生物吸附劑的吸附效率；

(2)生物吸附劑應易于得到；

(3)降低吸附劑的制造成本；

(4)吸附劑應使用方便，易于操作等。

生物吸附技術的存在的問題

16

試驗材料

Mycobacteriumphlci,草分枝桿菌，代號為AS.4.1180;

Norcardiaamarac,苦味諾卡氏菌，代號為AS.4.1126;

啤酒酵母泥:試驗用啤酒酵母泥，由沈陽雪花啤酒廠提供；

硅藻土：吉林長白硅藻土。

二試驗材料和方法

17

微生物培養方法

微生物量的計量方法

細菌的革蘭氏染色法

細菌生長曲線的測定方法

細菌對重金屬耐性試驗方法

吸附過程中常見離子的釋放試驗

重金屬離子分析方法

試驗方法(1~13)

18

吸附試驗方法

金屬離子去除率Q計算方法

微生物吸附負載量L計算方法

細菌的(電位測定方法

細菌的紅外光譜測定方法

掃描電鏡生物樣品的制備方法

試驗方法

19

按照這些實驗方法可以重復我們的實驗.

草分枝桿菌

對Hg2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+

的吸附規律研究

=試驗結果

20

草分枝桿菌

草分枝桿菌自然顯微形態(圖中標尺為500nm)

草分枝桿菌(Mycobacteriumphlci)

屬原核生物界，細菌門，放線菌目

(Actinomycetales),分枝桿菌科

(Mycobacteriaccac),草分枝桿

菌屬(Mycobacterium)0

21

草分枝桿菌的生長曲線

22

草分枝桿菌不同生長時期

對重金屬離子的吸附效果影響

2+

2+

2+

2+

2+

23

吸附時間對吸附效果的影響

2+

2+

2+

2+

2+

24

溶液pH值對吸附效果的影響

2+

2+

2+

Ni2+

Cu2+

25

溫度對吸附過程的影響

Hg2+

Pb2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

26

草分枝桿菌

對不同初始濃度重金屬離子的吸附能力

Pb2+

Hg2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

27

四試驗結果

苦味諾卡氏菌

對Hg2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+

的吸附規律研究

28

苦味諾卡氏菌

苦味諾卡氏菌(Nocardiaamarae),

原核生物界，細菌門，放線菌目

(Actinomycetales),諾卡氏菌科

(Norcardia),諾卡氏菌屬

(Nocardia)[51]o

苦味諾卡氏菌自然顯微形態(圖中標尺為500nm)

29

苦味諾卡氏菌的生長曲線

30

苦味諾卡氏菌不同生長時期

對重金屬離子的吸附效果影響

Hg2+

Pb2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

31

吸附時間對吸附效果的影響

Hg2+

Pb2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

32

溶液pH值對吸附效果的影響

Hg2+

Pb2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

33

溫度對吸附過程的影響

Pb2+Hg2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

34

苦味諾卡氏菌

對不同初始濃度重金屬離子的吸附能力

Hg2+

Pb2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

35

五細菌吸附重金屬離子機理研究

靜電吸附機理；

表面配合機理；

離子交換機理；

細胞酶促機理。

36

綜述文章里推測的吸附機理最常見的有以上四種機理。

首先讓我們來看看靜電吸附機理。要想了解是否發生靜電吸附，需要考察細胞的帶電情況,

為此我們測定了在不同pH值下的細胞Zeta電位。翻下一頁。

細菌微粒的表面（電位測定

37

后有結論

草分枝桿菌一pH曲線

Pb2+

Zn2+

Hg2+

38

在我們進行的吸附試驗中，除pH曲線以外，PH都在細胞等電點以上，即說明吸附試驗所

用細胞都帶負電。

下面看一看PH曲線的實驗結果與電位測定是否吻合。翻下一頁。兩種菌的PH曲線。

草分枝桿菌一pH曲線

Ni2+

Cu2+

39

苦味諾卡氏菌一pH曲線

Hg2+

Pb2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

40

等電點PH=2.1吸附實驗結果與電位測定結果基本吻合，即細胞表面帶負電多，吸附效果

好。

可以得出兩條結論：

一、靜電吸附是吸附的原因之一；

二、但不排除，局部不吻合的地方，原因是靜電吸附不是唯一的吸附機理。下面考察表面絡

合機理。首先讓我們看看微觀世界里細胞的形態。翻下一頁。

微生物細胞的表面形態

（放大35000倍，圖中標尺為500nm）（放大24000倍，圖中標尺為500nm）

圖5-1草分枝桿菌的形態圖5-2苦味諾卡氏菌的形態

41

草分枝桿菌為桿狀，苦味諾卡氏菌為球狀。強調這是吸附前的狀態。說明：1、細菌為單細

胞生物，

一個細菌即一個細胞。2、微生物是指不借助顯微鏡用肉眼看不見的微小生物。

它包括（1）病毒；（2）細菌；（3）真菌；（4）原生動物；（5）某些藻類。

細菌只是其中的一種。微生物和細菌有時可以互相替代有時就不能互相替換。

酵母菌屬于真菌類，它不是細菌。下面請看吸附后細胞形態。

吸附汞離子后的細胞表面形態

（放大10000倍，圖中標尺為1m）（放大10000倍，圖中標尺為1tn）

圖5-3吸附Hg2+后草分枝桿菌的形態圖5-4吸附Hg2+后苦味諾卡氏菌

的形態

42

吸附鉛離子后的細胞表面形態

（放大10000倍，圖中標尺為1m）（放大10000倍，圖中標尺為1m）

圖5-5吸附Pb2+后草分枝桿菌的形態圖5-6吸附Pb2+后苦味諾卡氏菌的形態

43

吸附前后比較，粘連、重金屬離子起到鍵合作用？不能說明任何問題。下面請看細菌的紅外

光譜測定，

它能測定細菌表面的有機基團種類與多少。

表面相關糖脂磷壁酸磷壁酸表面相關蛋白

細菌外壁層結構一吸附發生的主要場所

質膜

肽聚糖層

內嵌蛋白

孔蛋白

糖脂和甘油二酯

磷脂

莢膜

細胞外部

細胞內部

44

草分枝桿菌的紅外光譜

40003500300025002000

Wavenumbercm-1

Transmittance%

45

40003500300025002000

苦味諾卡氏菌的紅外光譜

Wavenumbercm-1

Transmittance%

46

兩種菌的紅外光譜對比（一）

草分枝桿菌苦味諾卡氏菌可能不

的紅外光譜的紅外光譜團

-1

3303.67cm附近向右偏移3.46cm：吸收帶更-OH、N-

有一強而寬的吸收帶寬，強度增大

-1

2989.34cm附近向右偏移24.75cm；吸收帶-SH

有弱雙峰吸收帶略寬，強度略大

1659.17cm'附近向左偏移28.08cm；吸收帶C=O(-(

有一強而窄的吸收帶寬度、強度接近N-H(NHJ

動

-1

1557.01cm附近向左偏移3.01cm，吸收帶S=O>

有一中強而窄的吸收帶寬度、強度接近N-H(NH)英

47

草分枝桿菌苦味諾卡氏菌可能吊

的紅外光譜的紅外光譜團

1360.99cm1附近位置相同，吸收帶寬度接近、-OH變形振Z

有一中強而窄的吸收帶強度明顯增大

1257.68cm1附近位置相同，吸收帶寬度接近、C-O、

有一弱而窄的吸收帶強度明顯減弱

-1-1

1059.17cm附近向左偏移13cm，吸收帶強度P-（

有一中強吸收帶明顯增大-OH面外彎

778?561cmi附近吸收帶強度明顯增大C-S、

有一弱而寬的吸收帶P-O-C

兩種菌的紅外光譜對比（二）

48

下面請看由此得出的結論。強調這是吸附前的細胞的譜圖。

400035003000250020001500

1000500

Wavenumberscm-1

Transmittance%

吸附了Pb2+的草分枝桿菌

的紅外光譜

草分枝桿菌的紅外光譜

吸附了Zn2+的草分枝桿菌

的紅外光譜

49

Transmittance%

4000350030002500200015001000

500

Wavenumberscm-1

吸附了Pb2+的諾卡氏菌

紅外光譜圖

吸附了Zn2+的諾卡氏菌

紅外光譜圖

諾卡氏菌的紅外光譜

50

吸附了Pb2+、Zn2+后的草分枝桿菌體紅外光譜分析

草分枝桿菌的紅外光譜2+2+

吸附Pb后草分枝桿菌吸附Zn后

的紅外光譜6

-1、

3303.67cm附近向右偏移21.36cm：吸收帶向右偏移254

有一強而寬的吸收帶更窄，強度明顯減弱更窄，強度明」

-1-1

2989.34cm附近向右偏移41.08cm,吸收帶向右偏移612

有弱雙峰吸收帶寬度、強度接近度、強度接近

-1-1

1659.17cm附近向右偏移16.02cm,吸收帶向右偏移3.28(

有一強而窄的吸收帶寬度、強度接近度、強度接近

-1、

1544.36cm附近向右偏移9.64cm：吸收帶向右偏移0.53(

有一中強而窄的吸收帶寬度接近、強度減弱度接近、強度

51

吸附了Pb2+、Zn2+后的草分枝桿菌體紅外光譜分析(二)

草分枝桿菌的紅外光譜2+2+

吸附Pb后草分枝桿菌吸附Zn后

的紅外光譜

-1-1

1360.99cm附近向左偏移39.27cm,吸收帶向左偏移35.3(

有一中強而窄的吸收帶寬度接近、強度明顯減弱度接近、強度

-1-1

1257.68cm附近向右偏移7.11cm,吸收帶寬向右偏移8.65(

有一弱而窄的吸收帶度、強度接近度接近、強度

-1、

1059.17cm附近向左偏移17.09cm\吸收帶向左偏移108

有一中強吸收帶寬度接近、強度減弱度接近、強度

1

778.91cm附近向右偏移28.65cm：吸收帶向右偏移32.6

有一弱而寬的吸收帶寬度接近、強度明顯減弱度接近、強度

-1

561.01cm附近向左偏移19.67cm\吸收帶向左偏移494

有一弱而寬的吸收帶寬度接近、強度明顯減弱寬度接近、強

52

吸附了Pb2+、Zn2+后的苦味諾卡氏菌體紅外光譜分析（一）

諾卡氏菌的紅外光譜2+2-4-

吸附Pb后諾卡氏菌吸附Zn后

的紅外光譜t

-1-1

3300.21cm附近向左偏移”3.38cm,吸收向左偏移299

有一強而寬的吸收帶帶更窄，強度明顯減弱窄，強度明顯力

2964.59cm'附近向右偏移41.08cm：吸收帶向右偏移340

有弱雙峰吸收帶寬度、強度接近度、強度接近

1687.25cm,附近向右偏移3.28cm",吸收帶向左偏移0.2c

有一強而窄的吸收帶寬度、強度接近度、強度接近

-1

1560.02cm附近向右偏移&46cm：吸收帶向右偏移8.46（

有一中強而窄的吸收帶寬度、強度接近度、強度接近

-1,

1453.14cm附近位置相同，吸收帶寬度、位置相同，

有一弱而窄的吸收帶強度略微減弱強度

53

吸附了Pb2+、Zn2+后的苦味諾卡氏菌體紅外光譜分析（二）

諾卡氏菌的紅外光譜2+2+

吸附Pb后諾卡氏菌吸附Zn后

的紅外光譜t

-1

1360.91cm附近位置未變，吸收帶寬度接近、向左偏移35.3：

有一中強而窄的吸收帶強度明顯減弱度接近、強度

-1

1299.57cm附近該吸收帶幾乎消失該吸收帶幾乎

有一弱而窄的吸收帶

-1、

1257.69cm附近位置未變，寬度、強度接近位置未變，寬」

有一弱而窄的吸收帶

-1-1

1072.17cm附近向左偏移1.42cm,吸收帶向左偏移3.1cr

有一中強吸收帶寬度略寬、強度明顯減弱接近、強度切

-1

778.24cm附近向左偏移1.03cm\吸收帶向右偏移2.88

有一弱而寬的吸收帶寬度接近、強度明顯減弱度接近、電

-1-1

561.75cm附近向左偏移34.49cm,吸收帶向左偏移21.7：

有一弱而寬的吸收帶寬度接近、強度明顯減弱度接近、里

54

了解了細胞表面各種有機基團的種類更覺得吸附時會發生表面絡合機理。

那么我們來分析一下，有沒有可能發生配合反應。

說明：絡合、配合、與螯合的區別。請看下一頁。

紅外光譜結果已經證實細胞外壁含有的主要官能

團包括：-OH、-SH、-NH2、-OP、-COOH.C=O、

P=O、s=o等基團，這些多糖中的氮、氯、硫、磷等

原子都可以提供孤對電子與金屬離子配位。

紅外光譜結論

55

配合物累積穩定常數數據[59]（25C）

氨基酸主鏈配體

配體+

—NH3（氨基）—coo"（較酸基）

金屬HgPbCuZnNiHgPbCu

離子

19.34.48.7413.39.465.432.010.46

卜pl<穩

56

螯合物累積穩定常數數據[59]（25C）

氨基酸側鏈配體：絲氨酸或蘇氨酸的羥基、半胱氨酸的硫醇基

配體HO—（羥基）—SH（硫醇基）

金屬HgPbCuZnNiHgPbCu

離子

35.614.611.318.517.637.78.513.5

卜pl<穩

57

螯合物累積穩定常數數據[59](25C)

配體氨基三乙酸氨基丙酸

金屬HgPbCuZnNiHgPbCu

離子

12.711.811.313.110.58.4212.7

Fpl<穩

58

螯合物累積穩定常數數據[59](25C)

配體氨基乙醇甘氨酸

金屬HgPbCuZnNiHgPbCu

離子

17.37.67.315.29.419.28.915.0

FpK穩

59

螯合物累積穩定常數數據[59]（25C）

配體RP乳酸

204"

金屬HgPbCuZnNiHgPbCu

離子

17.53.12.083.22.43.82.22

卜pl<穩,

60

配合物的累積穩定常數值較大，

也說明細胞表面與重金屬離子之間可

能存在配合作用。

結論

61

微生物細胞表面的能量分析譜

苦味諾卡氏菌吸附Hg2+

62

要說明做能量分析譜的過程。

（1）細菌懸浮液離心分離，（2）蒸德水洗滌、再離心分離，（3）戊二醛浸泡固定、再離心

分離（4）磷酸二氫鉀緩沖溶液洗滌、、再離心分離（5）蒸儲水洗滌、再離心分離，（6）

30%乙醇脫水、再離心分離，（7）、（8）、（9）、（10）、（11）無水乙醇脫水。涂布于鋁片上，

陰干。經過11遍蹂蹣！日本島津SuperScanSSX-550型掃描電子顯微鏡的探頭打在細胞表面

上存在重金屬峰。說明還存在重金屬，重金屬與細胞表面有機基團結合得很牢固！

微生物細胞表面的能量分析譜

苦味諾卡氏菌吸附Pb2+

63

解釋上面的峰除C、O、P等外還有K、Ca、Na、Mg等

下面看看離子交換機理。

離子交換機理

當重金屬離子溶液加入到細菌懸液中時，重金屬被微生物體吸附到菌體表面，而微生物體內

的常見的離子K+、Na+、Mg2+、Ca2+有可能被置換下來，發生離子交換。

64

草分枝桿菌吸附重金屬離子前后

K+、Na+、Mg2+、Ca2+離子含量變化

△C十+2+2+重金屬

KNaMgCa

(mg/L)

1-Hg+14.4+0.86+0.82+1.24-114.0

2-Pb+5.98+0.39+0.01+0.02-127.1

3-Cu+18.17+0.27+0.38+0.63-61.44

4-Zn+18.96+0.28+0.08+0.84-54.99

5-Ni+11.65+0.58+0.22+1.39-50.10

△C(mg/L)=C-CO

其中CO為吸附前溶液中離子濃度(mg/L);C為吸附后溶液中離子濃度(mg/L)

65

苦味諾卡氏菌吸附重金屬離子前后

K+、Na+、Mg2+、Ca2+離子含量變化

△C++2+2+重金屬

KNaMgCa

(mg/L)

1-Hg+15.65+1.302+0.758+0.921-180.0

2-Pb+16.71+0.214-0.0210.197-170.15

3-Cu+10.98+0.145+0.281+0.586-96.64

4-Zn+11.08+1.012+0.078+0.645-81.25

5-Ni+15.89+1.054+0.174+1.113-69.69

AC(mg/L)=C-CO

其中CO為吸附前溶液中離子濃度(mg/L)；c為吸附后溶液中離子濃度(mg/L)

66

試驗結論

有K+、Na+、Mg2+、Ca2+離子從細胞上被交換下來；

但被交換下來的K+、Na+、Mg2+、Ca2+離子的量與重金屬離子的吸附量相比非常小,

說明離子交換機理在吸附機理中占較次要的地位。

K+、Na+、Mg2+、Ca2+從細胞上被交換下來有兩種可能：

(1)與有機基團鍵合的離子nNaL+Hg2+=[HgLn]-n+2+nNa+

(2)游離存在的離子(物理吸附)與重金屬離子競爭吸附過程中被交換下來.

67

下面看看是否發生酶促機理。

酶促機理

細菌為了某一具體目的，而需要一

個特定金屬離子的時候，在酶的作用下，

通過細胞內的驅動能量過程來富集金屬離

子，這就是酶促反應。

68

要想分析細胞的酶促機理，得先看看吸附過程細胞是活還是死。

草分枝桿菌吸附重金屬后的活性情況(一)

(1)無菌培養基(2)接種了吸附Hg2+后的菌

69

實驗條件見論文。采用的是最大金屬離子濃度。

草分枝桿菌吸附重金屬后的活性情況(二)

(3)接種了吸附Pb2+后的菌(4)接種了吸附Cu2+后的菌

70

草分枝桿菌吸附重金屬后的活性情況(三)

(5)接種了吸附Zn2+后的菌(6)接種了吸附Ni2+后的菌

71

草分枝桿菌吸附重金屬后的活性情況(四)

(7)接種了吸附高濃度(8)接種了吸附低濃度(9)接種了吸附Cu2+

Hg2+后的菌Hg2+后的菌

后的菌

72

苦味諾卡氏菌吸附重金屬后的活性情況(-)

(1)無菌培養基(2)接種了吸附Hg2+后的菌

73

苦味諾卡氏菌吸附重金屬后的活性情況(二)

(3)接種了吸附Pb2+后的菌(4)接種了吸附Cu2+后的菌

74

苦味諾卡氏菌吸附重金屬后的活性情況(三)

(5)接種了吸附Zn2+后的菌(6)接種了吸附Ni2+后的菌

75

苦味諾卡氏菌吸附重金屬后的活性情況(四)

(7)接種了吸附致死(8)接種了吸附低濃度(9)接種了吸附

濃度Hg2+后的菌Hg2+后的菌

Zn2+后的菌

76

都活著！為什么會發生酶促機理？動力是什么？

靜電吸附的動力是正負電荷相吸。配合吸附的動力是一個有孤電子對、一個有空軌道、且K

穩比較大。

酶促機理的動力是什么？請看下一頁，

幾種金屬離子的生物功能

金屬功能金屬功育

加氫酶、水解酶鈉電荷載體、滲透壓平衡

銅氧化酶、雙氧輸運鈣結構、觸發劑、電荷攜

鋅結構、水解酶鎂結構、水解酶、異構酶

鉀電荷載體、滲透壓平衡鐵氧化酶、雙氧輸運、電

77

要想了解酶促機理，還得了解：死細菌和活細菌吸附重金屬離子能力是否有差異。翻下一頁。

重金屬離子的生物功能。

苦味諾卡氏菌死菌體的吸附特性

吸附率％2+2+2+2+2+

HgPbCuZnNi

死菌體57.061.445.240.336.5

活菌體57.261.248.842.633.1

表3-1死活菌體的重金屬離子吸附率對比

78

草分枝桿菌死菌體的吸附特性

表4-1死活菌體的重金屬離子吸附率對比

吸附率％2+2+2+2+2+

HgPbCuZnNi

死菌體90.282.372.562.150.9

活菌體90.482.175.665.848.4

79

試驗結論

從實驗結果可以看出，草分枝桿菌和苦味諾

卡氏菌與重金屬離子的吸附過程中，細菌始終

處于活性狀態，因此就不能排除細菌細胞中的

酶參與吸附過程的反應。

80

細菌的新陳代謝過程需要部分金屬離子。

細菌為了某一具體目的而需要一個特定金屬離子的時候，在酶的作用下，會通過細胞內的驅

動能量過程來富集金屬離子。

結論

81

細胞內金屬離子的濃度不能夠無限制地

增加，這也限制了蹲促反應的進行，這

也決定酶促機理在吸附過程中，不會占

有重要地位。

結論

82

細胞吸附重金屬離子的微觀過程模型

第一步

在帶電細胞所產生的電場中，重金屬離子被

吸引，促成了兩種微粒的接觸；這個過程是

多分子層的物理吸附，存在解吸現象。

83

帶正電的細菌與重金屬離子相遇

84

不帶電的細菌與重金屬離子相遇

85

帶負電的細菌與重金屬離子相遇

86

第二步

到達細胞表面的重金屬離子被細胞表面的有機基團“捕捉"到，以配合或螯合的形式被

“抓住”。同時伴生離子置換、或酶促反應，但這兩種反應所占比例不大。這個過程是單分

子層的化學吸附為主，細胞與重金屬離子結合很牢固，很難被解吸下來。

生物吸附是這兩個過程共同作用的結果。

細胞吸附重金屬離子的微觀過程模型

87

細胞吸附重金屬離子的機理示意圖

肽

聚

糖

層

膜

重金屬離子

重金屬離子通過特殊通道在酶

的作用下被輸運進細胞內部

細胞內部

細胞外部

磷

脂

螯合的重金屬離子

靜電吸附的

重金屬離子

88

重金屬的微生物

吸附技術應用基礎研究

一、啤酒酵母泥

一吸附重金屬離子的吸附劑

二、硅藻土

—微生物的吸附助濾劑

89

啤酒酵母泥對重金屬離子吸附實驗研究

吸附時間對吸附效果的影響

Hg2+

Pb2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

90

溶液的pH值對吸附效果的影響

啤酒酵母泥對重金屬離子吸附實驗研究

Hg2+

Pb2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

91

啤酒酵母泥對重金屬離子的不同初始濃度的吸附能力

Hg2+

Pb2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

92

重金屬離子初始濃度對吸附負載量的影響

Hg2+

Pb2+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

93

吸附工藝

啤酒

醵母

干燥

生物

吸附

柱的

制備

吸

附

柱

(2)

吸

附

柱

⑶

吸

附

柱

(1)

進水

出水

出水

其中：⑴為一級處理柱⑵為二級處理柱(3)為換料備用二級處理柱

94

用廢棄的啤酒酵母泥吸附重金屬離子廢水，最大的優點就是可以回收重金屬離子。將

吸附飽和的啤酒酵母泥焚燒，可得重金屬氧化物。

將干燥的啤酒酵母顆粒填充在吸附柱中，以常規小型吸附柱：直徑0.6m、高1.2m為

例，可填充干燥的啤酒酵母顆粒約150kgo根據第6.1.1節測定的啤酒酵母泥的吸附負載量

最小Zn2+20.56mg/g,最大Hg2+88.80mg/g來計算，150kg干燥的啤酒薛母可處理含量為

100mg/L的污水30.84?133.20噸廢水。

經濟效益與環境效益分析

95

經濟效益與環境效益分析

啤酒酵母泥是啤酒釀造車間的副產物，我國年產2000萬噸啤酒，大約有40萬噸廢棄

酵母泥產生。其中2/3是主發酵酵母，這部分酵母質量較好，雜質少，少量用于回收作為菌

種繼續使用；其余1/3是后酵酵母，在貯酒過程中酵母與其它少量雜質如廢酒花糟、沉淀蛋

白質等共同沉淀于貯酒缸底，一般棄置不用，排放下水道而造成污染［61］。

如果將廢棄的啤酒酵母泥用做微生物吸附劑，不僅可以將廢棄資源再次利用，還降低

了培養、分離細菌的成本。

96

第二部分

微生物吸附重金屬技術中的固液分離研究

采用硅藻土作為微生物與水體吸附一助濾劑。

由此我們采用硅藻土作為微生物的吸附劑，系

統研究了硅藻土與微生物的吸附情況。

97

硅藻土表面形態

(1)圓篩藻