微生物固定金属及其应用

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第942页（3943字）

由生活细胞以及生活细胞产生并分泌到胞外的某些物质与金属之间发生反应，从而使可溶性金属或金属微粒从溶液中分离出来的过程称为生物固定。

生物固定也称生物吸附、生物吸收、生物浓缩和生物累积。研究微生物对金属的固定作用，有重要的实用价值。

可以利用微生物从采矿场、冶炼厂及其他有关工业排放的废液以及海洋、湖泊和河流中回收低浓度的金、银、铂、钯、铑等稀贵金属，又可消除或降低有毒的和放射性的金属对环境的污染。这些微量的金属一旦排放，在土壤中是稳定的，将累积得越来越多，对人和动植物造成极大的危害。因此，许多国家都严格制定有毒物质(包括金属)含量的排放标准。用传统的方法如化学沉淀、离子交换、电解、蒸馏挥发及液－液抽提等方法处理大量废液是不经济的，而利用微生物则可能有效和方便地解决这方面的问题；还可利用微生物的这种能力净化由金属局部污染的地下水、地表水及湖水。

微生物需要多种金属元素作为无机营养，但是过量的金属及其它金属元素的存在，对微生物有抑制作用或毒害作用。某些微生物在其生活环境中形成适应高浓度金属的能力。

微生物对金属的固定，是对金属元素适应能力的一种方式。

微生物固定金属的方式和机制很多，现归纳为两个方面：微生物细胞对金属的固定作用和由生活微生物产生的某些物质对金属的固定作用。

微生物产生的某些物质对金属的固定 (1)硫化氢(H₂S)的固定作用。生活在湖泊沉积物、沼泽地和缺氧土壤中的硫酸盐还原菌，主要有脱硫弧菌属的菌类和脱硫肠杆菌氧化有机物，还原硫酸盐产生硫化氢(SO₄^2－+10(H)→H₂S+4H₂O)，硫化氢和金属离子反应生成硫化物沉淀。

Brierley等(1980)开始研究利用这种作用，设法降低矿区排放液中的酸度和金属的浓度。(2)有些细菌细胞表面的磷酸酯酶能裂解甘油－α磷酸脂产生HPO₄^2－，该物质也能固定金属离子。Macaskie和Deall(1988)用固定化的柠檬酸菌产生的HPO₄^2－α－固定镉、铅和铀。1g细胞干物上累积9g铀。

(3)由生活细胞产生的物质，可以作为螯合剂，在有些情况下可以收获并重复地使用。例如铁末沉着体，Lundgren和Dean(1979)指出，它是一种低分子量的铁离子专门配价体。从多种细菌中如假单孢杆菌、放线菌、固氮菌和节杆菌分离的这种物质是儿茶酚或羟氨的衍生物。Devoe和Hollein(1986)合成了一系列的能固定金属的儿茶酚及代用品，将该物以共价方式固定在多孔的玻璃珠上，能回收除铁以外的金属，用它处理核工业废液，固定钚、钍和铀，有效率大于99．9%。

(4)由微生物产生的某些大分子的聚合物，它们能吸附可溶性的金属，用物理捕捉的方式凝絮金属微粒，包括多糖、核酸和蛋白质。有些已被开发用于处理工业废水。

Bomstein(1977)从多粘菌、球粘菌、芽孢杆菌、明串珠菌、黄杆菌、小球菌和产碱杆菌等获得核蛋白作为凝絮剂，用于处理含金属的废液。Datrick(1987)对革氏(－)细菌、如胨胶菌、假单孢菌等产生的孢外多糖的组成、性质及固定金属的能力进行了较为详细的研究。

微生物细胞对金属的固定作用 微生物细胞壁对固定金属有很重要的作用。细胞壁的化学成分和结构与固定能力有关。

如对于细菌来说，革氏(+)和革氏(－)有很大的差异，前者往往能固定较多的金属，因为它的细胞壁有很厚的肽聚糖结构，具有离子交换性质，能够和溶液中带正电荷的金属离子进行交换反应。此外，还有多种因素影响微生物对金属的固定作用。

不同种的微生物，甚至同一种微生物不同发育阶段和真菌的菌丝体和孢子固定金属的能力也不同。外部环境条件也影响其对金属的固定。如溶液的H+浓度、温度，溶液中存在金属的种类、浓度，还有培养微生物的培养基成分，都能影响对金属的固定。

活的微生物细胞因其表面和胞内均能固定金属，因此可固定较大量的金属。

Charley和Bull(1979)用假单孢菌和金色葡萄球菌的混合物，每克干细胞物固定了300mg银。但是，使用活细胞存在一些缺点，为此，可采具有固定金属能力的非活性代谢的休止细胞，也可用各种方法处死的死细胞，以及由细胞制备的衍生物来固定金属。杀死微生物细胞，可以用去垢剂、酸碱溶剂处理，也可用加热、冷冻及超声波等方法。这些方法有可能增强细胞壁的透性，破坏细胞膜或壁的构造，暴露出更多键合金属离子的位点，提高其对金属的固定能力。

利用休止细胞或死细胞固定金属与生活细胞相比，在处理工业废液中有很多优点，因为工业废液的成分相当复杂，各种成分的含量、H+浓度及温度波动很大，生活细胞很难适应这种环境，而应用休止细胞或死细胞不需补加营养物维持微生物的生命，还可利用某些食品、饮料、制药和其他发酵工业所产生的大量微生物细胞体，可减少操作过程，降低处理成本，有可能和现有的方法竞争。

以下介绍几方面的研究结果：1981年，美国新泽西州捷尔哈特(Engellard)矿物和化学制品有限公司发表了利用真菌从废液中回收微量金属的专利，回收率达到94%～98%。藻类是丰富的自然界资源，生活藻类细胞能从其生活环境中固定大量的铀、铂、金及其他多种金属。最近几年对藻类累积金的特性、最适条件和机理研究较为详细。固定金能力较强的有小球藻、红藻、绿藻及棕色藻类，在最适条件下每克干细胞物可固定400mg的金，溶液中存在100～1000mg／L的铂、钯、银、铜和锌不影响其对金的固定作用。还可用不同的方法做成固定化细胞，经过反复使用多次，其固定能力没有下降、通过条件的控制还能选择性地回收不同的金属；从微生物细胞制备的衍生物用以回收金属。

1988年，J．A．Brierley等用一株具有吸附金属能力的微生物(枯草杆菌，经加热、碱处理后制成一定大小颗粒状的物质，在水溶液中稳定并具有一定的机械强度，可以像离子交换树脂或颗粒活性碳一样装柱，让待处理的金属溶液通过，也可以装在反应器中使用，每克干物质可固定390mg的金、94mg的银、436mg的铯等。

硒被视为生命元素，是人和动物不可缺少的微量元素之一，但如果摄入过多，则可能引起生物畸形，甚至死亡。

现已查明，在农业排放的水中、贵金属的尾矿池、采矿及冶炼过程有关的废液中均含有硒。

许多研究资料表明，微生物通过几个机制能改变硒的氧化状态，使可溶性的硒从溶液中沉淀出来。1989年，P．B．A1tringer等从农业排放液中分离得到一种细菌混合物，用这些细菌小规模连续处理农业排放液及尾矿废液，结果降低硒的含量，有效率达到96%。铝也是一种有害的元素，它与老年痴呆以及某些疾病有关。

利用微生物有可能降低水中铝的含量，无疑对人体的健康是有益的。

研究微生物对金属的固定作用，在环保及回收金属方面有着重要意义，研究范围相当广泛，中国在这方面的研究仅仅是开始，在固定作用的机制及应用基础方面都有很多研究的内容。

。【参考文献】：

1 Walter D.US Patent No. 20689727,2068927,206898,1981

2 Patrick R D. In Flocculation in Biotechnology and Seopara-tion system, edited by Attia Y A. , Elsevier Soenoe Publishers B V Amsterdam. , Printed in the Netherllands, 1987. 337～349

3 Brierley J A. U S Patent No. 4090894,1987

4 Kuyucak N,Volesky B. Biorecovery,Vol 1. 1989,189～209

5 Altringer P B,Lersen D M.Gardner K R. In Biohydromet-alllurgy, edited by Joseph Salley,et al. ,Canmet, Canada centre for mineral and Energy Technology,1989,643～650

6 Brierley C L. In Microbiar Mineral Recovery ,editors by He-nry , L Ehrliand Brierley, C L, Mcgraw - Hill Oublishing Compnay N. Y. ,1990

7 黄淑惠．吸附金的真菌筛选．微生物学通报，1991，18(1)∶11～14

8 谭红．利用酵母细胞快速富集溶液中的铀．工业微生物，1992，1∶22～28

(中国科学院微生物研究所黄淑慧副研究员撰；裘荣庆审)