第25卷 第4期海洋环境科学Vol.25,No.4 2006年11月MARIN E ENV IRONM EN TAL SCIENCE Nov.2006山西省测绘局
【综 述】
陈思嘉1，郑文杰1,2，杨 芳1,2
(1.暨南大学化学系，广东广州510632;2.暨南大学水生生物研究所，广东广州510632)
摘 要：生物吸附作为目前重金属废水处理中最有前途的方法之一，其吸附机理、吸附量影响因素、吸附模型、吸附工艺以
及各种生物吸附剂的吸附特性等已被广泛研究。寻对重金属具有特异性吸附与较强吸附能力的生物体是生物吸附领域
的一个永恒课题。蓝藻是世界上分布最广的生物，本文较全面的介绍了蓝藻对重金属的吸附特性与基因工程在构建高吸附
性能蓝藻方面的研究进展，并对生物吸附剂的开发应用前景作了展望。
关键词：蓝藻；重金属；生物吸附；废水处理
中图分类号:X55;Q949122 文献标识码:A 文章编号:100726336(2006)0420103204
Study advances on heavy metals bio2absorbed by cyanobacteria
CHEN Si2jia1,ZHEN G Wen2Jie1,2,Y AN G Fang1,2
(1.Department of Chemistry,Jinan University,Guangzhou510632,China;2.Insititute of Hydrobiology,Jinan University;
Guangzhou510632,China,)
Abstract:The bio2absorption is one of the most promising technology in treatment of wastewater contained the heavy metals at pre2
sent.The bio2absorbing mechanism,models,technique,factors,affect capacity and properties have been widely studied.Seeking
the organisms,which have excellent absorbency to the heavy metals in the wastewater is a permanent work in the research.
Cyanobacteria is the most widespread life in the world.The bio2absorption properties of cyanobacteria are summarized in this paper,
and progress in the construction of cyanobacteria of high bio2absorption performance by gene engineering is also introduced.The
prospect of development and application of bio2absorbents is elucidated.
K ey w ords:cyanobacteria;heavy metals;bio2absorption;wastewater treatment
在众多的重金属废水处理方法中，生物吸附是最有效与最有前途的方法之一。用于生物吸附的原料有细菌、真菌、藻类、少数高等植物及其代谢产物以及淀粉、纤维素、壳聚糖等有机物。生物吸附剂的来源是影响其制造成本的最重要的因素[1]。从经济角度考虑，人们已将目光投向发酵工业中大量的废菌体、废水处理厂的剩余活性污泥和丰富的藻类资源上。
许多藻类具有富集金属的能力，其吸附性能往往比其他生物高。其中褐藻对重金属的生物吸附研究已有较全面的综述报道[2]。蓝藻是世界上分布最广的生物，在淡水、海洋和陆地都能见到蓝藻的踪迹，许多种类还能生长在极端环境下，具有很强的抗逆性。在生物进化上，蓝藻是唯一的原核藻类，与其他真核藻类有明显的不同点，其细胞结构更接近于光合细菌，因此也称蓝细菌。在生物吸附研究中，
蓝藻与其他藻类常被视为两类性质不同的吸附材料[2,3]。蓝藻丰富的生理生化特性决定了其吸附特性有别于其他藻类，关于蓝藻对重金属的吸附研究目前非常活跃。
1 蓝藻吸附重金属的生理生化基础
生物体对重金属的选择性吸附与吸附效率很大程度上是由细胞壁的性质决定的。藻类细胞壁带一定的负电荷，具有较大的表面积和粘性，可提供许多官能团如羟基、羧基、氨基、酰胺基、磷酸根等与金属离子结合。一些
收稿日期:2005205223，修订日期:2005207229
基金项目：教育部重点项目(01141)；广州市科技计划项目(20012J2010201)
作者简介：陈思嘉(1980-)，女，广东省汕头市人，硕士研究生，研究方向：生物无机化学。 通讯联系人：郑文杰.E2mail:tzhwj@jnu.edu
没有细胞壁的藻类并没有表现出很好的吸附性能。蓝藻的细胞壁与真核藻类差别较大，后者的细胞壁与高等植物相似，主要成分为纤维素，而蓝藻的细胞壁与革兰氏阴性细菌相似，主要成分为肽聚糖。肽聚糖是由两种糖的衍生物即N2乙酰葡萄糖胺、N2乙酰胞壁酸和一些D2型的氨基酸短肽组成。Hoyle和Beveridag研究了枯草牙孢杆菌(Bacillus subtilis))细胞壁上的肽聚糖，证明其可以从水溶液中络合大
量的金属离子，特别是大多数过渡金属，第一副族金属可以富集大于1nmol/μg(相对于肽聚糖质量)[4]。李建宏等[5]的研究表明，极大螺旋藻(Spirulina maxima)对金属离子的吸附主要是细胞壁多糖的作用。
蓝藻细胞壁表面的粘性胶质鞘主要成分为酸性粘多糖或果胶质，具有较强的吸附小颗粒和金属离子的能力。例如，一种丝状的海洋蓝藻(Plectonema terebrans)可以从AuCl3・H2O溶液中将Au富集在它的鞘层中[6]。
蓝藻还可以通过胞外多糖来络合金属离子，降低重金属对藻体的毒害，这种吸附行为称为胞外吸附。例如，螺旋藻在废水养殖中能分泌胞外多糖作为生物絮凝剂，强化其废水处理能力[7]。有荚膜的微囊藻细胞比去除荚膜的细胞吸附能力更强[8]。胞外多糖的分泌与组成因蓝藻生长条件不同而异。绝大多数蓝藻的胞外多糖具有阴离子特性，其中许多都含有两种不同的糖醛酸，其他种类的微生物很少具有这种特性[9]。蓝藻胞外多糖在工业上的多种潜在用途已引起人们的关注，目前在工业上有较大应用价值的主要是念珠藻。念珠藻的胞外多糖结合金属离子的能力很强，多糖制备物的粘度大大高于市售商品多糖的粘度，突出的流变学特征以及良好的悬浮和乳化特性，使得念珠藻已被作为絮凝剂、粘性剂应用于工业废水处理等用途[10]。
蓝藻细胞内也存在金属离子的结合位点，如金属硫蛋白和多聚磷酸体等。这种胞内结合通常与藻细胞
的解毒机制有关，如蓝藻在重金属环境中，可以诱导产生类金属硫蛋白来束缚金属，而表面带大量负电荷的多聚磷酸体的数目也会增加，还有蓝藻所特有的蓝藻颗粒体也可能是藻体内解毒系统的一部分[11]。
2 蓝藻对重金属的吸附性能
目前用于生物吸附研究的蓝藻主要有螺旋藻(S piruli2 na)、鱼腥藻(A nabaena)、微囊藻(Microcystis)、念珠藻(No s2 toc)、席藻(Phormidium)和聚球藻(Synechococcus)等。
N.Rangsayatorn等[11]研究表明，钝顶螺旋藻(S piruli2 na platensis)对Cd2+具有很强的耐受力和吸附能力，用于处理含低浓度Cd2+的废水具有很高的可行性。活体钝顶螺旋藻对Cd2+结合迅速，其最大吸附量可达98.04×1023，比其他许多文献报道的微生物吸附剂要高。毒性研究表明, Cd2+对钝顶螺旋藻的半数有效浓度EC50高于一些硅藻和绿藻。盐泽螺旋藻对Cd2+也有显著的吸附能力。利用盐泽螺旋藻(S.sub sala)干粉吸附Cd2+、Cu2+、Ni2+，其吸附选择性顺序为Cd2+>Cu2+>Ni2+，且吸附能力明显强于相同条件下的啤酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)干粉，尤其是对Cd2+的吸附，当Cd2+平衡浓度为100mg/L,pH为4时，其最大吸附量为312mg/g[12]。
张小枝等[13]用活体满江红鱼腥藻(A nabaena azol2 lae)处理铀矿模拟废水，结果发现，满江红鱼腥藻可迅速的使废水中的U(Ⅵ)从5.5mg/L降至0.05mg/L，其吸附的最佳p H范围在5.0～8.5。
I.Savvaidis[14]利用钝顶螺旋藻、啤酒酵母菌和链霉菌(S t reptomyces erythraeus)从硫脲溶液中回收金，结果表明钝顶螺旋藻对金的吸附能力最强，其吸附过程受溶液p H值的影响很小，在低p H下仍有很高的吸附量，而另外两者的吸附能力则明显依赖于溶液p H值的变化。这说明钝顶螺旋藻的表面结构可能对金具有很高的亲和力。何金兰[15]研究了鱼腥藻干粉对Au3+的吸附行为，证明鱼腥藻对Au3+的吸附具有较高的选择性，其对Au3+的吸附能力明显高于对其他重金属离子，在p H为5～7时最大吸附量为(15.76～18.80)×1023将此方法用于海水中痕量Au3+的测定，其回收率为88%～98%。这些研究都表明蓝藻在贵金属的回收中具有很好的应用潜力。
科协论坛蓝藻水华的治理向来是一个突出的环境问题。近年来，伴随着各种新兴的生物治理手段的出现，对水华蓝藻的开发利用也受到越来越多的重视。将水华蓝藻应用于水体中有害金属的去除就是实现水华蓝藻资源化利用，化害为利的一个重要途径。云南滇池是蓝藻水华的多发区，其水华优势藻种为铜绿微囊藻(Microcystis aerugi2 nosa)。李朋富等[16]研究了从云南滇池收获的水华蓝藻的干藻粉对铀的吸附，结果表明，在p H值为5.0和7.0时，其最大吸附量分别为220×10-3和246×10-3，比其他许多微生物高得多。而且，自然状态下生长的微囊藻比实验室培养的微囊藻具有更强的吸附能力[8]。
在工业上，利用念珠藻已制成一种供商业用生物吸附剂AlgaSORBs，可吸附Cu2+、Cd2+、Zn2+、Pb2+等[17]。
生物吸附剂的活体和死体在吸附性能上会存在很大差异。死藻由于细胞壁破碎较多，细胞表面的官能团暴露更多，使其吸附效率比活藻高。但也有研究表明，活藻的吸附能力与死藻相当，甚至要明显高于死藻。例如，活体极大螺旋藻对Cd2+的最大吸附量为47.63×1023，而死藻的最大吸附量为37.00×1023[18]。活藻与死藻吸附性能上的这种差异既涉及到藻细胞对不同金属离子的吸附机理，也可能与死藻的制备方法有关。
3 蓝藻作为吸附剂的再生与固定化
生物吸附剂的再生性能是决定其是否适合工业化应用的关键因素。常用的重金属洗脱剂为稀HCl和EDTA。梁明山等[19]用0.1mol/L的CaCl2溶液做洗脱剂，证明可将活体钝顶螺旋藻细胞壁上吸附的Mn2+有效解吸。而死体席藻(Phormidium laminosum)经过至少5次吸附-
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解吸循环后，其吸附量并没有减少的趋势[20]。
固定化技术可使生物吸附剂具有较理想的物理、化学和机械性能(包括粒径、空隙度、耐冲击性等)，使其适合填充各种类型的反应器，满足工业化应用的要求。研究表明，固定化的藻比悬浮态的藻对重金属的吸附速度更快，效率更高。国内对固定化微藻吸附重金属的研究还不多，这方面的报道多见于
国外，以死藻的固定化吸附研究居多，所采用的载体有海藻酸钙、聚砜、聚硅酸钠、环氧树脂、硅胶和琼脂等。载体的选择对固定化细胞的吸附性能影响较大。N.Rangsayatorn等[21]分别用海藻酸钙和硅胶固定的钝顶螺旋藻吸附Cd2+，结果表明，用海藻酸钙固定的藻其最大吸附量为70.92×1023，而用硅胶固定的藻的最大吸附量仅为36.63×1023。聚砜也是较合适的固定化载体，在酸性和碱性溶液中都很稳定，其价格也比其他许多聚合材料便宜[22]。A.Blanco等[23]分别用聚砜和环氧树脂对干燥后的死体席藻(P.laminosum)进行固定，并比较了两者对Cu2+、Fe2+、Ni2+、Zn2+的吸附。结果表明，用聚砜固定的藻体其吸附能力比用环氧树脂的强。这是由于聚砜颗粒的结构较疏松多孔，而环氧树脂颗粒的结构较均一，藻细胞深埋入树脂中，导致金属离子扩散速度慢，吸附效率下降。此外，固定化颗粒的尺寸和湿度也能影响吸附剂的吸附性能。比较两者的再生能力发现，以聚砜为载体的藻经10次吸附-解吸循环后，其吸附能力并没有明显减弱，而以环氧树脂为载体的藻经第1次循环后吸附能力有所减弱，随后保持不变。
合适的制造工艺可使固定化颗粒具备离子交换树脂的许多特征，如将颗粒以床层方式填充于反应器中，以生物过滤的形式来分离废水中的重金属，具有更大的实用性。藻类吸附剂与离子交换树脂相比还有两个突出的优点[24]:(1)可以在含高浓度金属离子的环境中使用;(2)水体中大量存在的Ca2+、Mg2+、Na+、K+等对重金属离子的吸附干扰不大，而这正是离子交换树脂难以解决的问题。J.L.G ardea2Torresdey等[25]的研究表明，用聚硅酸钠做固定化载体的填充柱可保持溶液的最佳流速，其性
巨无霸人体艺术能适用于生物过滤。用此方法固定聚球藻(Synechococcus sp.PCC794)的干藻粉，用以吸附Cu2+、Pb2+、Ni2+、Cd2+、Cr3+多种重金属，证明其对流动水体中的各种重金属均有较强的吸附能力，尤其是对Pb2+的吸附，经6次再生循环后对Pb2+的吸附量仍然很高，且Pb2+和Cu2+的回收率都接近100%，因此，该方法可用于过滤和净化废水中的Pb2+与其他金属离子[26]。
4 基因工程构建高吸附性能蓝藻
通过基因工程技术诱导和提取重金属抗性基因，并将其融合到代时短、适应性强的菌株中，以构建具有高选择性与高吸附能力的工程菌株，是生物吸附领域新的研究课题。已有一批重金属抗性基因在细菌中表达成功，如汞操纵子基因[27]、镍转运蛋白基因[28]、汞转运蛋白基因[29]、金属硫蛋白基因[30]在大肠杆菌(Escherichia coli)中的表达，以及抗镉基因在S taphylococcus aureus中的表达[31]。这些基因工程菌对重金属的耐受性明显增强，其吸附容量和选择性吸附能力也有显著的提高。蓝藻是表达外源目的基因的理想受体系统，由于其细胞结构和遗传特性与革兰氏阴性细菌类似，适用于大肠杆菌的各种分子生物学操作也同样适用于蓝藻细胞[32]。郭祥学等[33]在丝状体蓝藻鱼腥藻(A nabaena sp.PCC7120)中表达具有更高金属结合能力与对Cd2+有选择特异性的小鼠金属硫蛋白基因，结果表明，转基因鱼腥藻对Cd2+的耐受力与清除能力约为野生型的2倍。而能够高效与特异结合Zn2+的人肝金属硫蛋白突变体β基因在集胞藻(S ynechocystis sp.PCC6803)中的表达，使集胞藻对Zn2+的吸附能力提高了1倍左右[34]。然而，与细菌相比，外源基因在蓝藻中的表达效率还较低，可用于转化的蓝藻
种类也很有限，这也是蓝藻基因工程发展中面临的主要问题。
5 展 望
利用生物体特别是微生物的这种性质而发展起来的生物处理技术，有着其他物理化学方法所不能比拟的优越性。以生物为主体的治污技术会带来更大的生态效益和经济效益，将会是今后环境治理的研究热点和发展方向。生物吸附技术的研究已有将近30a的历史，未来的发展前景还相当广阔。新型、高效的生物吸附剂的研究和开发是生物吸附领域的一个永恒课题。尤其是能够在多种重金属离子存在下，对废水中的目标重金属进行特异性吸附的生物吸附剂的研究和开发，将对重金属资源的有效回收与再利用产生直接的推动作用。通过化学修饰手段改变生物体的表面性质，可以使生物体更具选择性的吸附金属离子。但随着基因工程的发展，利用基因工程技术构建具有高选择性、高吸附能力与高耐受力的微生物将是生物吸附剂新的发展方向。
较非活体生物吸附剂而言，活体生物吸附剂有着更大的应用局限性。而且由于活体生物的吸附行为常与许多生理代谢活动有关，重金属的毒性和再生过程中所用的化学试剂等因素，还会使活体生物中不可避免的产生部分死体，使得活体生物的吸附机理和吸附模型的研究更为复杂和困难，预计生物吸附剂的开发应用将以非活体生物为主。但一些死细胞的自溶可能会影响吸附剂的使用寿命及治理后的水质，这也是值得关注的问题。
由于重金属进入水体后不能被生物降解，且易于通过食物链富集和传递，用藻类处理重金属废水时尤其要注意到这一点。此外，对一些经济微藻的生产来说，其养殖水体的水质应该有严格的标准限制。目前，将螺旋藻应用于废水处理已是研究得较多与较可行的办法，但收获后的螺旋藻产品的用途应严格监控。不良水质中培养的螺旋藻，可能含有某些难降解的有机物，并有一定量的
501
第4期 陈思嘉等：蓝藻对重金属的生物吸附研究进展
重金属积累，因此，也需要对商品螺旋藻进行必要的安全检测。
可以预测，生物处理技术将在环境治理中发挥更大的作用。我们应充分利用自然界中的微生物与植物对环境的修复和净化作用，并辅之以必要的物理化学手段，寻净化重金属污染的有效途径。
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