第四章 应用一生物吸附.docx
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第四章应用一生物吸附
微生物吸附技术
在治理工业废水中重金属离子的应用
1
主要内容
一、前言
二、试验材料和方法
三、草分枝杆菌对重金属离子吸附规律研究
四、苦味诺卡氏菌对重金属离子吸附规律研究
五、细菌吸附重金属离子机理研究
六、重金属的微生物吸附技术应用基础研究
七、结论
2
一、电镀行业重金属废水
1、含铜废水：
酸性镀铜过程的废水中含铜浓度在100mg/L以下，pH值为2~3；
焦磷酸镀铜过程的废水含铜浓度在50mg/L以下，pH值在7左右。
2、含锌废水：
碱性锌酸盐镀锌过程的废水中含锌浓度在50mg/L以下，pH值为9；
钾盐镀锌过程的废水中含锌浓度在100mg/L以下，pH值为6左右；
硫酸锌镀锌过程的废水中含锌浓度在100mg/L以下，pH值为6~8；
氨盐镀锌过程的废水中含铜浓度在100mg/L以下，pH值为6~9。
3、含镍废水：
一般废水中含镍浓度在100mg/L以下，pH值在6左右。
4、含铬废水：
一般废水中含六价铬浓度在200mg/L以下，pH值为4~6。
重金属废水来源
（一）
3
参看：
安成强，崔作兴.电镀三废治理技术[M]，北京：
国防工业出版社，2002，33～269.
三、其他行业的重金属废水
染料行业排放的废水含有铅、铜、砷、镉等，
陶瓷行业排放的废水含有砷、铬等，
墨水制造业排放的废水含有汞、铅、铜、镍、镉等，
照相行业排放的废水含有银、铅、铜、铬、镉等，
造纸行业排放的废水含有铬、汞、铜、镍等，
制药行业排放的废水含有铜、铁、汞、锡等，
肥料行业排放的废水含有汞、铬、铅、铜、砷、镉、镍等，
氯碱制造业排放的废水含有铅、铜、砷、镉等，
涂料行业排放的废水含有铅、钛、锌、铬等，
玻璃行业排放的废水含有钼、铅、镍、钡等，
纺织行业排放的废水含有汞、铬、铅、镍、砷、镉等。
重金属废水来源（三）
4
二、钢铁和有色金属冶炼和采矿重金属废水
采矿和冶炼需耗用大量的水，其排放的废水中重金属离子成分比较复杂，因大部分有色金属和矿石中有伴生元素存在，所以废水中一般含有汞、镉、砷、铅、铜、锌等。
以葫芦岛锌厂为例，其废水排放量为每年21.9万吨。
废水中含有Zn、Hg、Cu、Cd等，从生产线下来的废水重金属离子浓度为，Zn153.00mg/L、Hg0.87mg/L、Cu4.45mg/L、Cd18.70mg/L（引自2002年葫芦岛锌厂西部污水处理站污染情况表）。
重金属废水来源
（二）
5
国标GB－8978－1996污水综合排放标准中明确规定了重金属
最高允许排放浓度。
其中Hg2+、Pb2+、Ni2+、Cr（VI）、Cd2+为国标规定的第一类污染物，
即能在环境或动植物体内蓄积，对人体健康产生长远不良影响的污染物；
而Cu2+、Zn2+为第二类污染物，是指其长远影响小于第一类的污染物质。
重金属最高允许排放浓度
重金属
污染物
Hg
Pb
Ni
Cd
Cr
Zn
Cu
最高允许排放浓度（mg/L）
0.05
0.05
1.0
0.1
1.5
5.0
2.0
6
一、化学法：
化学沉淀法、氧化还原法、铁氧体法。
二、离子交换树脂法
三、电解法
四、膜分离技术：
电渗析、反渗透、液膜分离技术等。
五、蒸发浓缩法
六、吸附法：
有腐殖酸树脂吸附法、斜发沸石吸附法、麦
饭石吸附法、硅藻土吸附法、膨润土吸附法、
活性炭吸附法、生物吸附法等。
治理重金属废水的各种技术
7
辽宁省是国家重工业生产基地，有着石油化工、冶金、建材、造纸和电力等传统基础产业。
多少年来这些企业为国家及辽宁省经济的发展做出了贡献；但是在发展的同时，也给环境带来了严重的污染。
针对辽宁省水体污染现状，解决实际问题，提出了治理重金属水污染的课题。
急需解决的实际问题
8
如今人们比以往任何时候都更加崇尚自然、善待自然，与环境相协调的绿色理念已经渗透到新技术的开发中。
微生物吸附作为治理重金属污染的一项新技术，由于其环保特色而有着其他技术所不可比拟的独特优点。
选择微生物技术的原因
9
为什么选择生物吸附技术?
微生物吸附技术的特点
与常规的技术相比，微生物吸附技术，
具有以下优点：
（1）可以选择性地去除某种重金属离子；
（2）处理效率高，不引起二次污染；
（3）pH值范围较宽；
（4）易于分离回收金属。
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生物吸附研究与应用概况
生物吸附技术是利用廉价的生物细胞体吸附重金属离子，从而达到去除水体中有害重金属离子的目的。
生物吸附概念最早是由Ruchhoft在1949年提出来的，它利用活性污泥去除水中的放射性元素钋（Pu）。
11
生物吸附重金属研究的真正兴起还是在二十世纪八十年代.
1982年Teszos的研究指出少根根酶（Rhizopusarrhizus）
对钍和铀有很高的吸附量；
1984年Hosea等人发现普通小球藻（Chlorellavulgaris）
对Au3+有很高的亲和力；
1986年Norbeng等人发现动胶菌（Z.ramigera）对Cu2+
具有较高的选择性吸附能力；
生物吸附研究与应用概况
12
从上个世纪九十年代到现在，国内外有关这个领域的研究发展很快。
生物吸附材料不断涌现:
*HolanZR等人用褐藻（A.nodosum）吸附Co2+；
*HuangChinpin用米曲霉（A.oryzae）吸附Zn2+；
*Volesky用Saccharomycescerevisiae吸附Cd2+；
*牛慧等人利用非生长产黄青霉素对重金属离子的吸附；
*李清彪等人研究了用Phanerochaetechrysosporium菌对Pb2+的吸附；
*刘月英等人用Bacilluslicheniformis菌吸附Pd2+；
*刘瑞霞等人研究了用Micrococcusluteus菌吸附Cu2+。
生物吸附研究与应用概况
13
生物吸附机理研究不断深入:
*Treen－Sears认为微生物对金属的吸附于其细胞壁含有
的磷酸基与羧基的比例有关，并认为在快速吸附过
程中，离子交换起了主要作用。
*Muraleedharan等通过试验同样说明了几丁质和蛋白质
在吸附过程中的不同角色，而且指出带有自由基的
细胞壁介质才是在吸附过程中起最重要作用的物质。
生物吸附研究与应用概况
14
目前，生物吸附技术的研究还只是处于实验室阶段，在实用化和工业化过程中还存在着许多有待进一步深入研究的问题。
生物吸附研究与应用概况
15
为了使生物吸附金属技术推广应用，还必须考虑以下一些因素：
（1）如何进一步提高生物吸附剂的吸附效率；
（2）生物吸附剂应易于得到；
（3）降低吸附剂的制造成本；
（4）吸附剂应使用方便，易于操作等。
生物吸附技术的存在的问题
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试验材料
Mycobacteriumphlei，草分枝杆菌，代号为AS.4.1180；
Norcardiaamarae，苦味诺卡氏菌，代号为AS.4.1126；
啤酒酵母泥:
试验用啤酒酵母泥，由沈阳雪花啤酒厂提供；
硅藻土:
吉林长白硅藻土。
二试验材料和方法
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微生物培养方法
微生物量的计量方法
细菌的革兰氏染色法
细菌生长曲线的测定方法
细菌对重金属耐性试验方法
吸附过程中常见离子的释放试验
重金属离子分析方法
试验方法（1～13）
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吸附试验方法
金属离子去除率Q计算方法
微生物吸附负载量L计算方法
细菌的ζ电位测定方法
细菌的红外光谱测定方法
扫描电镜生物样品的制备方法
试验方法
19
按照这些实验方法可以重复我们的实验.
草分枝杆菌
对Hg2＋、Pb2＋、Cu2＋、Zn2＋、Ni2＋
的吸附规律研究
三试验结果
20
草分枝杆菌
草分枝杆菌自然显微形态（图中标尺为500nm）
草分枝杆菌（Mycobacteriumphlei）
属原核生物界，细菌门，放线菌目
（Actinomycetales），分枝杆菌科
（Mycobacteriaceae），草分枝杆
菌属（Mycobacterium）。
21
草分枝杆菌的生长曲线
22
草分枝杆菌不同生长时期
对重金属离子的吸附效果影响
2+
2+
2+
2+
2+
23
吸附时间对吸附效果的影响
2+
2+
2+
2+
2+
24
溶液pH值对吸附效果的影响
2+
2+
2+
Ni2+
Cu2+
25
温度对吸附过程的影响
Hg2+
Pb2+
Cu2+
Zn2+
Ni2+
26
草分枝杆菌
对不同初始浓度重金属离子的吸附能力
Pb2+
Hg2+
Cu2+
Zn2+
Ni2+
27
四试验结果
苦味诺卡氏菌
对Hg2＋、Pb2＋、Cu2＋、Zn2＋、Ni2＋
的吸附规律研究
28
苦味诺卡氏菌
苦味诺卡氏菌（Nocardiaamarae），
原核生物界，细菌门，放线菌目
（Actinomycetales），诺卡氏菌科
（Norcardia），诺卡氏菌属
（Nocardia）[51]。
苦味诺卡氏菌自然显微形态（图中标尺为500nm）
29
苦味诺卡氏菌的生长曲线
30
苦味诺卡氏菌不同生长时期
对重金属离子的吸附效果影响
Hg2+
Pb2+
Cu2+
Zn2+
Ni2+
31
吸附时间对吸附效果的影响
Hg2+
Pb2+
Cu2+
Zn2+
Ni2+
32
溶液pH值对吸附效果的影响
Hg2+
Pb2+
Cu2+
Zn2+
Ni2+
33
温度对吸附过程的影响
Pb2+Hg2+
Cu2+
Zn2+
Ni2+
34
苦味诺卡氏菌
对不同初始浓度重金属离子的吸附能力
Hg2+
Pb2+
Cu2+
Zn2+
Ni2+
35
五细菌吸附重金属离子机理研究
静电吸附机理；
表面配合机理；
离子交换机理；
细胞酶促机理。
36
综述文章里推测的吸附机理最常见的有以上四种机理。
首先让我们来看看静电吸附机理。
要想了解是否发生静电吸附，需要考察细胞的带电情况，为此我们测定了在不同pH值下的细胞Zeta电位。
翻下一页。
细菌微粒的表面ζ电位测定
37
后有结论
草分枝杆菌－pH曲线
Pb2+
Zn2+
Hg2+
38
在我们进行的吸附试验中，除pH曲线以外，PH都在细胞等电点以上，即说明吸附试验所用细胞都带负电。
下面看一看PH曲线的实验结果与电位测定是否吻合。
翻下一页。
两种菌的PH曲线。
草分枝杆菌－pH曲线
Ni2+
Cu2+
39
苦味诺卡氏菌－pH曲线
Hg2+
Pb2+
Cu2+
Zn2+
Ni2+
40
等电点PH＝2.1吸附实验结果与电位测定结果基本吻合，即细胞表面带负电多，吸附效果好。
可以得出两条结论：
一、静电吸附是吸附的原因之一；
二、但不排除，局部不吻合的地方，原因是静电吸附不是唯一的吸附机理。
下面考察表面络合机理。
首先让我们看看微观世界里细胞的形态。
翻下一页。
微生物细胞的表面形态
（放大35000倍,图中标尺为500nm）（放大24000倍,图中标尺为500nm）
图5-1草分枝杆菌的形态图5-2苦味诺卡氏菌的形态
41
草分枝杆菌为杆状，苦味诺卡氏菌为球状。
强调这是吸附前的状态。
说明：
1、细菌为单细胞生物，
一个细菌即一个细胞。
2、微生物是指不借助显微镜用肉眼看不见的微小生物。
它包括
（1）病毒；
（2）细菌；（3）真菌；（4）原生动物；（5）某些藻类。
细菌只是其中的一种。
微生物和细菌有时可以互相替代有时就不能互相替换。
酵母菌属于真菌类，它不是细菌。
下面请看吸附后细胞形态。
吸附汞离子后的细胞表面形态
（放大10000倍,图中标尺为1m）（放大10000倍,图中标尺为1m）
图5-3吸附Hg2+后草分枝杆菌的形态图5-4吸附Hg2+后苦味诺卡氏菌的形态
42
吸附铅离子后的细胞表面形态
（放大10000倍,图中标尺为1m）（放大10000倍,图中标尺为1m）
图5-5吸附Pb2+后草分枝杆菌的形态图5-6吸附Pb2+后苦味诺卡氏菌的形态
43
吸附前后比较，粘连、重金属离子起到键合作用？
不能说明任何问题。
下面请看细菌的红外光谱测定，
它能测定细菌表面的有机基团种类与多少。
表面相关糖脂磷壁酸磷壁酸表面相关蛋白
细菌外壁层结构—吸附发生的主要场所
质 膜
肽聚糖层
内嵌蛋白
孔蛋白
糖脂和甘油二酯
磷脂
荚膜
细胞外部
细胞内部
44
草分枝杆菌的红外光谱
4000350030002500200015001000500
Wavenumbercm-1
Transmittance%
45
4000350030002500200015001000500
苦味诺卡氏菌的红外光谱
Wavenumbercm-1
Transmittance%
46
两种菌的红外光谱对比
（一）
草分枝杆菌
的红外光谱
苦味诺卡氏菌
的红外光谱
可能存在基团
3303.67cm-1附近
有一强而宽的吸收带
向右偏移3.46cm-1,吸收带更宽,强度增大
-OH、N–H（NH2）
2989.34cm-1附近
有弱双峰吸收带
向右偏移24.75cm-1，吸收带略宽，强度略大
-SH
1659.17cm-1附近
有一强而窄的吸收带
向左偏移28.08cm-1，吸收带宽度、强度接近
C=O（-COOH）、
N–H（NH2）弯曲振动
1557.01cm-1附近
有一中强而窄的吸收带
向左偏移3.01cm-1，吸收带宽度、强度接近
S=O、
N-H（NH2）剪式振动
47
草分枝杆菌
的红外光谱
苦味诺卡氏菌
的红外光谱
可能存在基团
1360.99cm-1附近
有一中强而窄的吸收带
位置相同，吸收带宽度接近、强度明显增大
-OH变形振动、C-O
1257.68cm-1附近
有一弱而窄的吸收带
位置相同，吸收带宽度接近、强度明显减弱
C-O、C-N
1059.17cm-1附近
有一中强吸收带
向左偏移13cm-1，吸收带强度明显增大
P-O-C、
-OH面外弯曲振动
778～561cm-1附近
有一弱而宽的吸收带
吸收带强度明显增大
C-S、P=S、
P-O-C、S-O
两种菌的红外光谱对比
（二）
48
下面请看由此得出的结论。
强调这是吸附前的细胞的谱图。
4000350030002500200015001000500
Wavenumberscm-1
Transmittance%
吸附了Pb2＋的草分枝杆菌
的红外光谱
草分枝杆菌的红外光谱
吸附了Zn2＋的草分枝杆菌
的红外光谱
49
Transmittance%
4000350030002500200015001000500
Wavenumberscm-1
吸附了Pb2＋的诺卡氏菌
红外光谱图
吸附了Zn2＋的诺卡氏菌
红外光谱图
诺卡氏菌的红外光谱
50
吸附了Pb2＋、Zn2＋后的草分枝杆菌体红外光谱分析
草分枝杆菌的红外光谱
吸附Pb2＋后草分枝杆菌
的红外光谱
吸附Zn2＋后草分枝杆菌
的红外光谱
3303.67cm-1附近
有一强而宽的吸收带
向右偏移21.36cm-1,吸收带更窄,强度明显减弱
向右偏移25.41cm-1,吸收带更窄,强度明显减弱
2989.34cm-1附近
有弱双峰吸收带
向右偏移41.08cm-1,吸收带宽度、强度接近
向右偏移61.25cm-1,吸收带宽度、强度接近
1659.17cm-1附近
有一强而窄的吸收带
向右偏移16.02cm-1,吸收带宽度、强度接近
向右偏移3.28cm-1,吸收带宽度、强度接近
1544.36cm-1附近
有一中强而窄的吸收带
向右偏移9.64cm-1,吸收带宽度接近、强度减弱
向右偏移0.53cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
51
吸附了Pb2＋、Zn2＋后的草分枝杆菌体红外光谱分析
（二）
草分枝杆菌的红外光谱
吸附Pb2＋后草分枝杆菌
的红外光谱
吸附Zn2＋后草分枝杆菌
的红外光谱
1360.99cm-1附近
有一中强而窄的吸收带
向左偏移39.27cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
向左偏移35.30cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
1257.68cm-1附近
有一弱而窄的吸收带
向右偏移7.11cm-1,吸收带宽度、强度接近
向右偏移8.65cm-1,吸收带宽度接近、强度减弱
1059.17cm-1附近
有一中强吸收带
向左偏移17.09cm-1,吸收带宽度接近、强度减弱
向左偏移10.84cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
778.91cm-1附近
有一弱而宽的吸收带
向右偏移28.65cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
向右偏移32.6cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
561.01cm-1附近
有一弱而宽的吸收带
向左偏移19.67cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
向左偏移49.48cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
52
吸附了Pb2＋、Zn2＋后的苦味诺卡氏菌体红外光谱分析
（一）
诺卡氏菌的红外光谱
吸附Pb2＋后诺卡氏菌
的红外光谱
吸附Zn2＋后诺卡氏菌
的红外光谱
3300.21cm-1附近
有一强而宽的吸收带
向左偏移113.38cm-1,吸收带更窄,强度明显减弱
向左偏移29.94cm-1,吸收带更窄,强度明显减弱
2964.59cm-1附近
有弱双峰吸收带
向右偏移41.08cm-1,吸收带宽度、强度接近
向右偏移34.08cm-1,吸收带宽度、强度接近
1687.25cm-1附近
有一强而窄的吸收带
向右偏移3.28cm-1,吸收带宽度、强度接近
向左偏移0.2cm-1,吸收带宽度、强度接近
1560.02cm-1附近
有一中强而窄的吸收带
向右偏移8.46cm-1,吸收带宽度、强度接近
向右偏移8.46cm-1,吸收带宽度、强度接近
1453.14cm-1附近
有一弱而窄的吸收带
位置相同，吸收带宽度、
强度略微减弱
位置相同，吸收带宽度、
强度略微减弱
53
吸附了Pb2＋、Zn2＋后的苦味诺卡氏菌体红外光谱分析
（二）
诺卡氏菌的红外光谱
吸附Pb2＋后诺卡氏菌
的红外光谱
吸附Zn2＋后诺卡氏菌
的红外光谱
1360.91cm-1附近
有一中强而窄的吸收带
位置未变,吸收带宽度接近、强度明显减弱
向左偏移35.32cm-1,吸收带宽度接近、强度略微减弱
1299.57cm-1附近
有一弱而窄的吸收带
该吸收带几乎消失
该吸收带几乎消失
1257.69cm-1附近
有一弱而窄的吸收带
位置未变,宽度、强度接近
位置未变,宽度、强度接近
1072.17cm-1附近
有一中强吸收带
向左偏移1.42cm-1,吸收带宽度略宽、强度明显减弱
向左偏移3.1cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
778.24cm-1附近
有一弱而宽的吸收带
向左偏移1.03cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
向右偏移2.88cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
561.75cm-1附近
有一弱而宽的吸收带
向左偏移34.49cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
向左偏移21.73cm-1,吸收带宽度接近、强度明显减弱
54
了解了细胞表面各种有机基团的种类更觉得吸附时会发生表面络合机理。
那么我们来分析一下，有没有可能发生配合反应。
说明：
络合、配合、与螯合的区别。
请看下一页。
红外光谱结果已经证实细胞外壁含有的主要官能
团包括：
-OH、-SH、-NH2、-OP、-COOH、C=O、
P=O、S=O等基团，这些多糖中的氮、氧、硫、磷等
原子都可以提供孤对电子与金属离子配位。
红外光谱结论
55
配合物累积稳定常数数据[59]（25C）
氨基酸主链配体
配体
—NH3＋（氨基）
—COO－（羧酸基）
金属离子
Hg
Pb
Cu
Zn
Ni
Hg
Pb
Cu
Zn
Ni
pK稳
19.3
4.4
8.74
13.3
9.46
5.43
2.01
0.46
2.3
1.20
56
螯合物累积稳定常数数据[59]（25C）
氨基酸侧链配体：
丝氨酸或苏氨酸的羟基、半胱氨酸的硫醇基
配体
HO—（羟基）
—SH（硫醇基）
金属离子
Hg
Pb
Cu
Zn
Ni
Hg
Pb
Cu
Zn
Ni
pK稳
35.6
14.6
11.3
18.5
17.6
37.7
8.5
13.5
16.3
19.0
57
螯合物累积稳定常数数据[59]（25C）
配体
氨基三乙酸
氨基丙酸
金属离子
Hg
Pb
Cu
Zn
Ni
Hg
Pb
Cu
Zn
Ni
pK稳
12.7
11.8
11.3
13.1
10.5
8.42
12.7
15.5
9.32
58
螯合物累积稳定常数数据[59]（25C）
配体
氨基乙醇
甘氨酸
金属离子
Hg
Pb
Cu
Zn
Ni
Hg
Pb
Cu
Zn
Ni
pK稳
17.3
7.6
7.3
15.2
9.4
19.2
8.9
15.0
16.3
9.96
59
螯合物累积稳定常数数据[59]（25C）
配体
R2PO4—
乳酸
金属离子
Hg
Pb
Cu
Zn
Ni
Hg
Pb
Cu
Zn
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