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用酵母菌吸附处理废水中重金属离子研究现状

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综述专论 SCIENCE&TECHNOL()GY化工科技, IN CHEMI20C11A,L1 9I(ND4)US:58T ̄6RY1 用酵母菌吸附处理废水中重金属离子研究现状* 杨静静,栾兴社一 (山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南250101) 摘要:酵母菌作为一种生物吸附剂,廉价易得,对重金属、低pH及其它外界条件有较强的耐受 度。利用酵母茵,特别是固定化酵母菌吸附废水中的重金属离子,不仅成本低、去除率高、再生能力强, 而且对吸附的重金属易于回收。随着相关技术的发展,酵母菌吸附剂必将在废水处理中得到更广泛的 应用。 关键词:酵母菌;生物吸附荆;吸附;重金属离子 中图分类号:X 172 文献标识码:A 文章编号:1008—0511(2011)04—0058—03 随着快速的城市化和工业化进程,有毒废水 批优良的微生物品种,如细菌、霉菌、酵母、藻类做 的排出量增长迅速,制造业和电镀行业排放的废 水溶液中金属离子吸附剂[1。。。与其它微生物相 水中重金属离子浓度不断升高,越来越多的重金 比,酵母菌对重金属,低pH等外界条件的耐受度 属被排放到水体、土壤中,有毒重金属的持久性和 强,使其更加适合做生物吸附剂l_1 。此外,酵母 不可降解性,对环境安全构成了巨大威胁l_】 ]。 菌广泛应用于发酵工业中,廉价易得,成为生物吸 传统方法去除工业废水中有毒重金属离子多采用 附剂的首选材料l_】 。利用发酵工业中废弃的酵 各种物理化学工艺,如化学沉淀、氧化还原、离子 母菌做生物吸附剂具有巨大的潜力l_l引。 交换、过滤、反渗透、膜技术等,这些工艺成本较 高,而且去除效果不甚理想_4 ]。特别是处理低 1 酵母菌吸附重金属的性能 浓度金属离子废水时,化学沉淀、絮凝等传统的处 相关研究表明酵母菌可以有效吸附的金属离 理工艺成效较低,而且成本较高l_6]。虽然离子交 子包括铜、钴、铯、锶、铀、镉、铅、锌、铬、镍等_1 。 换树脂和活性炭是公认的处理工业废水中金属离 其中,对镉、铅、锌、铬和镍等金属离子的吸附能力 子的有效的吸附剂,但是其高成本和低去除率限 较强l1 ]。Yakubu和Dudeney[171研究发现酵母 制了广泛应用。生物吸附剂以其在使用成本和去 菌吸附剂吸附铀的量是离子交换树脂的14倍。 除率上的优势成为最有吸引力的理化吸附剂替代 Norris等人l1。 发现在对Ni。+和Cu抖的吸收上, 品[7]。利用生物吸附剂去除或回收重金属离子是 酵母菌比细菌更有优势。Wang和Chen ̄ 比较 环境生物技术的最新发展方向L8]。 了酿酒酵母对不同重金属离子的吸附能力,发现 生物吸附剂的来源主要是:工业废弃物、农业 酿酒酵母对铜离子的吸附能力较其它金属离子要 废弃物、自然残留物、自然界广泛存在生长繁殖迅 强。Norris和Kelly_2o]研究了不同种的酵母菌每 速的生物体等[g]。2o世纪8O年代以来,通过对 克于细胞对铜离子的吸附量:红酵母为0.225 微生物净化回收废水中金属的研究,已筛选出一 mmol;假丝酵母为0.18 mmol,酿酒酵母为0.263 收稿日期:2011-03—02 mmol。Volesky和Ma 。lj的研究表明:当pH一 作者简介:杨静静(1985~),女,山东日照人,山东建筑大 物技术学市政与环境工程学院硕士研究生,研究方向为环境生 4~5时,对锌吸附力最强的是面包酵母;酿酒酵 。 **通讯联系人。 母对铀的吸附很迅速,在前15min的吸附量占总 *基金项目:山东省自然基金项目 吸附量的6O 。 第4期 杨静静,等.用酵母茼吸附处理废水巾委金属离子研究现状 ・59・ 2酵母菌吸附重金属的机理 酵母菌对重金属离子的吸附可以在细胞表面 附剂具有以下优势:工业来源广泛、便宜;不受重 金属毒性和不利条件影响;不需要营养供应;金属 回收操作简单_3 。Chih等人[3。 的研究表明死体 和活体细胞内进行,其机理较复杂,目前已知的包 括离子交换、主动运输、表面络合、酶促反应等。 Gadd和GriffithsE。 ]的研究表明,酵母菌吸附金 属离子包括细胞表面的离子交换和物理吸附,以 酿酒酵母对铜离子的吸附能力要高于活体。 Volesky等人[3胡研究发现死体酿酒酵母对铀和锌 的吸附量比活体高40 和60 。死体酵母菌可 以处理金属离子含量较高的废水,在工业废水重 金属离子去除中应用更广泛些。当水体中含有少 及体内主动运输两部分。Mashitah等人…2。]通过 X射线能量散射光谱分析表明酵母菌在吸附 Pb 、Cu。 和Cd 十的过程中,细胞壁上发生了离 子交换作用。Guibal等人_24_的红外光谱分析表 明,酵母菌通过细胞壁上的氨基与铀酰离子配位 络合来吸附铀酰离子。Blackwell等人l2 ]的研究 表明,啤酒酵母是 酸酶的作用下吸附富集 Sr计、Mn 、Zr1叶的。朱一民等[2 ]利用废弃的啤 酒酵母吸附H +时,发现Hg。 通过静电作用吸 附到酵母菌的表面后与酵母菌表面的基团发生鳌 合作用。何宝燕等人[2 ]对酵母菌吸附铬的生理 代谢机理进行分析后同样发现酵母菌在吸附铬的 过程中伴随离子交换和螯合作用。 3酵母菌吸附重金属的影响因素 酵母菌吸附重金属离子主要受以下因素影 响:细胞表面性质、理化参数、温度、pH、初始金属 离子浓度和酵母菌浓度等。Eric和Jean_2 对酵 母菌吸附金属离子的机理和pH的影响作了研 究,结果表明,在吸附过程中pH值对不同重金属 离子的吸附都具有较大的影响。张爱茜等[2 对 酿酒酵母吸附Cu +的机理和最适条件的研究发 现酿酒酵母对Cu +的吸附符合Langmuir模型, 其最佳吸附条件为pH=4.5,加菌量0.01 g/mI , 吸附时间1~1.5 h。李志东等人[3O]研究发现啤 酒酵母在pH===5.0,初始p(Pb )一80 mg/L, p(酵母)一1.0 g/I ,反应时间为0.5 h时吸附效果 最佳。 早在l8、l9世纪,人们就已开始对活体微生 物吸附水溶液中的金属离子进行研究。而用死体 微生物做废水处理吸附剂的研究仅是最近几十年 的事情。研究发现死体酵母菌细胞和活体一样具 有吸附重金属离子的能力l3 。死体酵母菌做吸 量易降解的有机物并且重金属离子浓度较低时, 采用活体酵母菌处理,不仅可以吸附重金属离子, 还可以降解有机物l3 。 4用固定化酵母菌吸附重金属 Klein和Vorlopl3 ]的研究表明,利用各种辅 助材料固定微生物细胞做吸附剂是行之有效的。 固定化酵母菌吸附剂具有处理能力大、固液分离 操作简便、金属回收与吸附剂再生方便等优点。 废水处理中常用的酵母菌固定化方法主要有:吸 附法、包埋法、交联法。 固定化载体应该具有对酵母菌细胞无毒性, 传质性能好,性质稳定,不易被微生物分解,使用 寿命长,价格低廉等特征。常用的固定化载体主 要有多孔陶瓷、琼脂、明胶、海藻酸钙和聚丙烯酰 胺凝胶等。已开发的酵母菌细胞固定化方法中, 海藻酸钙包埋法是最简单的,并已经被广泛应用 于实验室和中试规模的研究。Yekta等人_3 研 究发现用海藻酸钙固定酵母细胞可以提高其对铜 离子的吸附。Yang和Volesky[38]同样发现酵母 菌用海藻酸钠固定后,对镉离子的吸附能力大幅 度提高。 5结束语 在污染加剧、能源日趋耗尽的现状下,废水处 理不仅要考虑改善水质,减少能源消耗,而且要最 大限度地回收资源和实现能源化。去除废水中的 重金属离子并回收金属的技术,是环境科学研究 的重要内容之一,它不仅能净化水源,还能获得金 属资源,具有重大的社会、经济价值。酵母菌在自 然界中广泛存在,在发酵工业中应用普遍,廉价易 得,是生物吸附剂的首选材料。与传统吸附剂相 化工科技 第19卷 比,酵母菌吸附剂成本低,去除率高,特别是在处 [1o]Mohan D,Pittman C U.Arsenic removal from water/ 理(1 ̄100)x 10 的重金属离子水溶液时特别有 wastewater using adsorbents a critical review[J].Hazard Mater,2007,142:1~53. 效,而且易于分离回收金属、具有较高的再生能 [11]Krishnani K K,Ayyappan s Heavy metals remediation of 力[3 。酵母菌吸附剂被认为是一种很具潜力的 water using plants and lignocellulosic agrowastes[13.Rev 替代传统处理方法的技术。 Environ Contain Toxicol,2006,188:59 ̄84. 经过多年的发展,如今酵母菌吸附剂已成为 [12]Villegas L B,Amoroso M J,Figueroa n Copper tolerant 环境生物技术研究的重要组成部分,酵母菌吸附 yeasts isolated from polluted area of argentina[J].Basic Mi— 剂的发展已成为处理废水中重金属离子新工艺的 crobiol,2005,45:381~391. _13]Goyal A,Jain S C,Banerjee U C Comparative studies on the 技术基础。酵母菌吸附工艺仍处于实验室和中试 microbial adsorption of heavy metals[J].Advances in Envi— 阶段,要实现大规模的工业化还有许多工作要做。 ronmenta1 Research,2003,7:311~3l9. 随着酵母菌研究的深入和其它相关水处理技术的 [14]Gadd G M,White c Heavy metal and radionuclide accumu— 开发,作为一种可持续发展的废水处理技术,其高 lation and toxicity in fungi and yeasts[J].Metal—Microbe 去除率、低能源消耗、及对有用资源最大程度回收 Interactions,1989,23:19~38. 的优点,必将使其在废水处理中得到更多、更深的 [15]Leuseh A,Holan Z R,Volesky t3.Biosorption of heavy met— als(Cd,Cu,Ni,Pb,Zn)by chemically—reinforced biomass of 应用。 marine algae[J].Chem Technol Blot,1995,62:279 ̄288. 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Key words:Yeasts;BiologicaI adsorbent;Adsorption;Heavy metal ions 

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