活性污泥对重金属的生物吸附和解吸特征研究外文翻译资料

 2022-11-19 14:28:33

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微藻对污水中重金属的生物吸附

蔡卓平，段舜山

暨南大学水生生物研究所，广州510632

【摘要】在我国，水源污染问题异常突出，特别是水体重金属污染情况非常严重，因此，如何有效治理水体重金属污染成为了摆在科技工作者面前十分紧迫的任务。利用微藻生物吸附来治理水体重金属污染是一种经济、简便、有效可行的方法，具有极其)、一阔的应用前景。论文介绍了我国近年水体污染的状况及水体重金属污染特点:综述了水体重金属污染对水体植物、水体动物以及人类潜在的危害:比较了儿种常见治理重金属污染的方法:分析了微藻吸附水体重金属的优点，并阐述了微藻对重金属生物吸附的机理及影响生物吸附过程的外在因素:最后提出了今后的研究发展方向。

关键词:微藻:重金属:水污染:生物吸附

1简介

水资源不仅在社会、农业和工业活动中发挥着特别重要的作用, 而且也成为人类生存的根本基础。中国是一个人口最多的国家，现在面临着水量和水质的严重问题。据报道, 中国淡水总量约为 280亿立方米，仅占全球水资源的 6%， 排在第四，位居巴西、俄罗斯、加拿大等地之后。然而,中国人均用水量为 2200 立方米, 仅为世界平均用水量的1/4，且是美国的 1/5, 居世界121位。更糟的是, 由于人们日常生活中产生的废水，工业或农业活动造成了严重的水污染问题, 给人类造成了极大的危害, 其中重金属污染被认为是当今最严重的问题。直到现在, 已经有超过40种重金属在废水中被广泛发现， 其中最常见的有铜、锌、锰、镍、铝等。在过去的几年中, 中国一直为废水中的重金属污染而烦扰;中国大部分河流被重金属严重污染。因此, 利用有效的方法处理和再利用重金属污染对解决水资源短缺和水污染等环境问题具有特别重要的意义,从而对我国社会的可持续发展具有十分重要的现实意义。

重金属是自然界中最能潜伏的有害污染物, 重金属的基本特征如下所列。首先, 重金属的毒性可能是可转换和持续性的。虽然水中的一些重金属浓度很低, 但在微生物的帮助下, 它们可以转化成毒性更强的有机化合物,如无机汞, 可被水体中的微生物转化为高毒性化合物, 称为甲基汞。其次, 重金属可以在一些生物过程中大量地聚集, 这也是众所周知的重金属的累积。重金属可以通过食物链逐步积累, 最终聚集在人体器官内, 并导致人类体内的慢性毒药,这样会严重损害人类的健康。需要指出的是, 即使是极少量的重金属在水中可能导致机体产生中毒反应。对大多数重金属来说, 它们在浓度为1.0-10 毫克/升时对各种靶位点会产生毒性, 但是一些毒性更强的重金属, 如汞, 致使中毒的浓度可能是0.01 到0.1 毫克/升。重金属一旦进入水生生态系统, 就会对生态系统中的每个组分产生重大影响。更糟的是,如果重金属在不同生物体体内积聚到一定数量, 那么整个水生生态系统的结构和功能就可能会被破坏, 因为食物链中的每个组成部分都会受到毒物的影响。

2重金属对水生生物和人类的影响

2.1 重金属对水生环境中微藻的影响

研究表明, 重金属可以改变藻类细胞的显微结构, 抑制光合作用、呼吸作用和酶活性, 改变核酸成分, 缩小细胞体积, 从而限制微藻的生长发育。同时, 重金属对微藻理化生化特性的毒性作用也不相同,取决于重金属的性质以及微藻的种类。Kong等研究了锌浓度对生长过程、蛋白质含量和 ATP 的影响。结果表明, 研究中所用的锌浓度明显抑制了藻类生长速率, 藻类细胞中 ATP 含量随锌浓度的增加而急剧下降。卡普兰与 Stadler 的研究表明, 重金属铜经过藻类细胞膜后会产生氧化和甲醛, 导致叶绿体的破坏, 最终影响微藻的光合作用、呼吸和酶活性。陈等还研究了铅、汞、银、铜、镍、钴、镉对Pavlova viridis生长和代谢的影响。他们发现这些重金属抑制了硝酸还原酶的活性, 导致叶绿素 a 和蛋白质的减少, 生长速率和生物量, 以及Pavlova viridis对铅更宽容, 而对钴更敏感。此外, 杨和王等的研究结果表明, 镉能破坏某些绿藻中的叶绿体, 降低光合作用速率, 影响呼吸, 抑制苹果酸脱氢酶活性。周和乡等还研究了重金属包括铜、锌、铅和镉对 Selenastrum minutum 的生长和超微结构的影响, 以及这种藻对重金属的吸附和累积。他们发现, 毒性症状首先显示在叶绿体中, 平行排列和层压囊体成为指纹形状, 索道排列, 或反常的波纹, 许多小的空泡将是变成一个或几个更大的空泡, 有一个更松散的细胞壁。此外, 他们预测, 这些重金属的毒性可以测序为镉 gt; 铜 gt; 铅锌, Selenastrum minutum 能够积累重金属, 具有较高的吸收铅和锌的能力. 陈等报告说, 低剂量Cd2 、Cr6 和 Hg2 可以在很短的时间内促进 Chamydomonas sajiao的生长。相比之下, 它们减少了藻类的生长和叶绿素含量, 但随着实验期的延长, 蛋白质含量增加。这些重金属对藻类生长和蛋白质含量的影响按 Cd2 ＞Cr6 ＞Hg2 的顺序排列, 而 Hg2 ＞Cd2 ＞Cr6 的顺序则是在叶绿素含量上观察到的。而且, 还有一些其他的研究表明, 铜, 锌, 锰可以抑制生长和小球藻蛋白核和新月半月形的发展, 金属离子与藻类细胞亲和性的差异是造成这种抑制变化的主要原因。

2.2重金属对水生动物的影响

水体重金属的影响对水生动物的生长发育、生理和代谢有显著影响。Mcintosh和Kevern表明, 随着铜浓度的增加, 浮游动物的数量可以减少; 铜和锌可诱发鲷酶活性的显著改变。此外, 一旦重金属, 如 Cu2 , Zn2 和 Cr6 在水中达到一个相对较高的浓度，他们将对文昌鱼 产生毒性，导致其身体逐渐弯曲死亡。重金属锌、铜、锰对性别决定和体长，对胚胎发育，以及在鱼类中acycholinesterase酶的活性和遗传表达均有显著影响。同样, 曹国安等认识到当罗非鱼接触到铜或锌时, 其鳃和肝脏中的 mRNA 表达会受到显著的影响;周和孙等也报告说, 铜、锌、铅、镉可以抑制鲫鱼的 DNA 合成。

2.3 重金属对人类的影响

一旦饮用重金属污染的水或被重金属污染的食物, 人类将会有很大的风险中毒。研究表明, 重金属能限制人体内化学反应的某些酶活性, 使细胞中的细胞质产生毒性, 影响神经组织, 损害人体如肝、肾等重要器官。目前的研究表明, 重金属可以直接或间接进入食物链, 耗尽储存的铁、维生素 C 和人体的一些必需营养素, 从而导致免疫系统防御功能的降低, 生长停止和发展, 或者儿童畸形。Skerfivin等的研究表明, 染色体的击穿率与人体内汞浓度密切相关。并得出结论: 重金属元素会阻碍某些生物大分子的生理功能, 改变大分子活性部位的构象, 影响人体的生长和生理代谢。近年来,日本在1953年发生了一些严重的重金属汞污染事件, 1958年在加拿大也发生中毒事件。

3微藻对重金属的吸附及其机理研究

在这方面, 我们应该采取一些有效的方法来处理水中的重金属污染, 以减少它们对环境和人类的损害。目前, 主要有三种方法用于重金属污染的处理。第一种是化学方法, 通过利用化学反应来消除重金属, 包括中和沉淀、硫化物沉淀和螯合沉淀、化学还原和铁氧体共沉淀等。.第二种是物理方法, 通过吸附、冷凝、分离和萃取, 去除污染水体中的重金属, 不改变其化学形态。最后一种是生物方法, 在一些微生物和植物的帮助下, 特别是利用微藻, 吸附、积累、消除和净化废水中的重金属。然而, 前两种方法有很多缺点。例如, 它们是高成本、低选择性、高能耗的, 因此这两种方法是不可行的, 或者是常用的, 用于处理水中重金属污染。

与此相反, 微藻在污染水体中处理重金属的生物利用具有一些突出的优点。首先, 只有重金属在污染的水中浓度相对较低(1-100 毫克/升), 这种方法也能有效。可选择性地吸附和消除微藻;其次, 该方法也可适用于广泛的 pH 值和水中温度;此外, 它效率高, 成本低, 选择性高, 相对于化学或物理方法更方便;其次, 生物吸附的高价值重金属可回收利用;最后但不是最不重要的, 藻材料可以快速再生, 很容易获得非常高的细胞密度。因此, 利用微藻处理污染水体中的重金属, 具有十分广阔的应用前景。目前, 许多种类的微藻在处理重金属污染的水中有潜在的应用, 如螺旋藻、微囊藻、念珠菌、席藻等。

值得注意的是, 微藻对重金属的吸附并不是一个简单的过程;相反, 它是一个由化学, 物理和生物反应结合在一起的非常复杂的过程,包括了各种各样的反应机制。根据过程中是否需要能量,微藻吸收重金属的模式可以分为被动的和主动的。前者的生物吸附模式通常以 '吸引' 重金属离子到藻细胞表面的物理和化学作用为特征, 其主要特点是低速、短周期、可逆性和能量独立性。后者通常是指代谢藻类细胞与重金属之间的相互作用, 可通过将重金属离子输送到藻类细胞中来区分, 这是低速、长时间、不可逆和抑制的能量新陈代谢抑制剂。

一般认为, 重金属的生物吸附是由藻类细胞壁的组成和结构决定的。众所周知, 微藻的细胞壁由多糖、蛋白质和脂质组成, 因此它的表面积和粘度更高。这些组件包含许多可以与重金属离子大量结合的基团, 如羧基、磷酸钠、酰胺、羟基、硫醚类、咪唑、磷酸基、硫基等。此外, 藻细胞膜具有高度选择性和半透性, 这对污染水体中重金属的生物吸附效率尤其具有决定性。值得注意的是, 有些基团可能通过静电吸附重金属;而另一些则可以通过络合或交换藻类细胞与重金属离子之间的相互作用来吸附重金属。到目前为止, 已就微藻对重金属离子的吸附提出了若干机制。

1.表面络合机理: 由于微藻被污染后, 细胞壁将成为第一个接触重金属的部位, 细胞壁的化学成分和结构将决定微藻和重金属的相互作用。如上所述, 藻类细胞壁群中的 N、O、P 和 S 等原子提供的长对电子可以与被污染水体中的重金属离子进行复合或交换,形成离子键或共价键。

2.离子交换机制: 金属离子不仅可以吸附在藻类细胞壁上的负电荷基团, 而且可以在离子交换过程中吸附, 其中一些金属离子被有更强的结合容量的其他离子所取代。

3.氧化还原机理: 当价变金属离子受某些具有还原能力的生物体约束时, 可能发生氧化还原反应。一般而言, 具有代谢活性的海藻细胞对金属离子氧化还原反应的发生是必不可少的, 但一些研究表明, 非活藻类细胞也能吸附和减少重金属离子。

4.微量沉淀机理:微量沉淀是利用微藻处理重金属污染最常见的吸附机理之一。水解金属离子可以很容易地形成在细胞表面的无机矿床, 并沉淀在细胞壁上或在细胞中以磷酸盐, 硫酸盐, 碳酸盐和氢氧化物形式结晶。

4环境因素对微藻吸附重金属的影响

污染水体中重金属的藻生物吸附可受多种环境因素的影响。这些外部因素包括：

1.吸附时间。这是影响水中重金属在微藻中吸附的最重要因素。因此, 应适当、充分地选择生物吸附的时间跨度, 以便在微藻吸附和去除重金属离子方面产生更大的效果。

2.液体中的 pH 值。只有当 pH 值达到最佳范围时, 微藻对重金属的吸附效率才能得到提高。如果被污染的水中 pH 值过低，由于大量存在的H 生物吸附剂将会被质子化,从而导致生物吸附剂和金属离子之间的更高的排斥;然而, 由于受污染水中pH 值过高, 因此吸附剂的生物吸附效果低, 重金属难以吸附和去除。

3.温度。温度可以影响微藻对金属离子的吸附, 主要通过影响生物吸附剂的生理代谢活动, 以及吸附剂表面基团的热动力学和热容量。

4.共存离子。液体中的正离子会与被吸附部位的靶离子竞争, 导致污染水体中有害重金属的生物吸附受到干扰。

5.代谢基质。适当添加某些代谢基质有利于 biosorbents 的生理代谢活动, 从而提高重金属的生物吸附效率。

5 展望

利用微藻处理水体重金属污染是高效、选择性、方便、经济的, 尤其在在重金属浓度较低的情况下, 一些传统的方法是不可行的, 因此, 微藻在水环境重金属污染治理中的应用被广泛接受为最有前途的和最有效的。值得注意的是, 重金属对水污染的生物吸附或净化的实际研究仍处于起步阶段;国内大部分相关研究基本上都是在实验室条件下完成的, 因此在这种方法成为工业化之前, 我们还面临着一系列的问题。因此, 为了缩短微藻在水中重金属污染处理中的广泛应用的时间, 我们的工作应强调以下几个方面。

1.通过梳理现代分析方法, 进一步揭示生物吸附过程的机理, 并继续研究微藻对重金属的吸附反应动力学和热力学特性。

2.许多重金属在废水中共存时, 应更加努力研究靶金属离子的特定生物吸附问题;此外, 一些化学修饰技术应用于改变藻细胞的表面, 从而提高对靶重金属的生物吸附的选择性和效率。

3.还需要进一步研究利用转基因技术获得其他重金属耐药性的藻, 筛选和构建高选择性、高抗性、高生物吸附能力的微藻核心集。

4.在获得藻类吸附剂方面, 我们应该开发和优化更多的技术和反应器;同时, 还应进一步研究微藻对废水中重金属的吸附和去除的最佳条件。

我们深信, 通过对一些相关领域的不断研究和改进, 利用微藻对污染水体中的重金属进行吸附, 可以成为一种效率高、实用性强的技术, 将在不久的将来显示出巨大的生态、经济和社会效益。

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