真菌吸附重金属的研究进展

刘长青，陈纪杰，黄正洋

（盐城工学院 海洋与生物工程学院，江苏 盐城 224051）

真菌是真核微生物，广泛存在于自然界中。多细胞真菌由菌丝和孢子组成，菌丝分枝交织成团，形成菌丝体，其体积比细菌大几倍甚至几十倍。按照功能，可将菌丝分为营养菌丝和气生菌丝，待气生菌丝生长成熟后，其顶端形成各式各样的子实体和孢子。真菌菌丝的细胞壁含有80%～90%的多糖（几丁质和纤维素），其与蛋白质、脂类、聚磷酸盐及无机离子结合形成细胞壁。

重金属污染主要在采矿冶金、工业生产、催化反应等过程中产生，包括铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、镉（Cd）、铁（Fe）、铜（Cu）、锰（Mn）、镍（Ni）等。随着环境中重金属或其化合物的堆积，将会对野生动植物甚至人类造成严重损伤。虽然自然界存在一定的自净能力，但累积量超过其自净能力，则会污染生物；重金属进入环境后，会累积和迁移，主要通过水、土壤等途径进入动植物，再通过食物链进入人体。因此，寻找切实可靠的技术解决重金属污染一直是国内外学者的研究热点。

1 常见的重金属去除方法

目前，主要通过化学沉淀法和生物法来去除重金属污染。

1.1 化学沉淀法

化学沉淀法是指向重金属污染水体中加入化学试剂，使重金属离子与其发生化学反应后形成沉淀的方法。常用于沉淀重金属的化学试剂有：烧碱、石灰、硫化钠、三氯化铁等。在重金属离子形成沉淀后，为了减小颗粒之间的斥力，破坏悬浮液的稳定性，使较小的、不易沉淀的颗粒凝聚成较大的易沉淀颗粒，常常会投加絮凝剂。除了化学沉淀法，还可利用离子交换、物理吸附、反渗透、蒸发和电化学等技术方法去除废水中的重金属。

1.2 生物法

生物法是利用生物资源，如真菌（如Botrytis cinerae）、细菌（如Bacillus thuringiensis）、藻类（如Anabaena sphaerica）等生物体，吸附被重金属污染的废水、废渣。相对于上面两种方法，生物吸附具有高效、环保、无毒等特点，在重金属去除方面具有广阔的应用前景。不同方法比较如表1所示。

表1 不同方法对重金属吸附的比较

2 真菌吸附重金属的影响因素

2.1 pH

溶液的pH是影响真菌吸附重金属的一项重要因素。研究显示：菌体在适宜的pH范围内，吸附才是可行的。当溶液酸性过大时，大量的氢离子和游离的重金属竞争结合位点，导致吸附效果不佳；当溶液碱性过大时，pH大于金属离子形成微沉淀的临界值，金属离子会沉淀形成不溶性的氢氧化物或氧化物，影响吸附过程。余甜甜等[1]研究表明：当pH为6.0时，球孢白僵菌Z1菌体对Cd2+的吸附效果最佳，对Cd2+最佳去除率为56.17%。随着pH降低或升高，菌体吸附效果开始减弱。

2.2 溶液中重金属浓度

在不同的重金属初始浓度下，吸附率和吸附量与初始浓度均无线性关系，即当吸附量最大时，吸附率不一定是最大值，此时要考虑重金属浓度与生物量的比值。Li等[2]选用Pb-Cd-As溶液质量浓度分别为300-10-20、600-20-40、900-30-60、1 200-40-80、1 500-50-100 mg/L，随着溶液中Pb-Cd-As初始质量浓度的增加，卷枝毛霉（Mucor circinelloides）对Pb-Cd-As的吸附率也随之降低。

2.3 共存离子

当吸附体系中存在多个金属离子时，由于共存离子与主要金属离子竞争细胞上有限的负性官能团，共存离子一般会对主要离子的吸附起抑制作用。某学者研究表明：Mg2+和Ca2+对吸附的影响大于Na+和K+，通常溶液中阳离子对吸附的作用程度与其价态相关，次序为：3价＞2价＞1价，同价离子中Ca2+＞Mg2+。

2.4 温度

当温度在20～35 ℃时，通常不会影响真菌生物吸附的效果。温度升高可以提升富集位点对金属的亲和性，但过高的温度会使富集位点发生形变，进而使金属富集能力降低。郑爱芳等[3]利用真菌LGBS研究不同温度对Cu2+吸附效果的影响，发现吸附率呈先下降后上升再下降的趋势，在15 ℃时具有最大吸收量和吸附率。

2.5 时间

一般情况下，菌体吸附速率随着吸附时间的变化，先增大后减小最终达到平衡。许飘[4]研究表明：黄孢原毛平革菌对Pb吸附分为两个阶段，分别是前6 h的快速吸附阶段和随后的缓慢吸附阶段。黄孢原毛平革菌对Cd的吸附与Pb类似，即先出现较快的吸附过程，随后吸附速率明显下降，其原因可能是菌体吸附的Cd量逐渐达到饱和。

2.6 聚合物

真菌生长一般需要有一定的支撑物，在其上缠绕、生长，形成菌球，随后在废水中吸附重金属。Miao等[5]利用Phanerodontia chrysosporium与杉木树皮共存研究其对Cd2+的吸附性能和机理。Kulshreshtha Shweta[6]利用蘑菇底物（菌丝体与底物），可去除70%～90%的重金属、染料、污染物。可见，真菌吸附具有较强的吸附能力。

3 真菌生物修复重金属污染的机理

真菌对重金属的吸附根据细胞代谢可分为被动吸收和主动吸收。被动吸收主要指细胞表面吸附，指细胞壁上的官能团如——SH、——COOH、——NH2、——OH、——PO43-等与各种金属离子络合、螯合、离子交换等作用过程。生物富集即主动吸收，通过真菌表面吸附的金属离子与特定酶相结合，将其转移至胞内的过程。重金属与金属硫蛋白、络合素以及一些多肽相结合，在胞内沉淀，即为胞内吸附。

根据溶液中重金属的吸附位置，生物吸附的顺序为：（1）细胞外积累：a吸附；b离子交换和络合；c氧化还原反应；（2）细胞内积累吸收；（3）细胞表面吸附/沉淀：细胞代谢运转。具体如图1所示[7]。

图1 真菌吸附重金属的理论机制

4 真菌吸附重金属的优势

4.1 成本低

生物原料的成本通常远低于物理化学药剂，如活性炭、离子交换树脂等，同时，可以利用工业发酵的废弃菌丝体。

4.2 高效性

在废水中，当污染物浓度较低时，仍能达到较高的去除率；微生物在处理废水重金属时，当给定的条件适宜时，可以达到微量、高效的效果。

4.3 选择性

真菌对染料、重金属等污染物有一定的选择性，对于污水中存在的大量C、N、K、Na等常规元素，真菌可以去除废水中对自然有伤害的重金属而保留常规元素。

4.4 可去除的污染物种类多

丝状真菌种类繁多且功能各异，目前，已研究的物种数量依然是冰山一角，尚有许多真菌未被研究甚至未被发现，潜力较大。

5 展望

丝状真菌在污水处理中的生物吸附和生物降解功能已经受到了许多学者的关注，这是由于真菌生物较为廉价且治理效果良好，具有较大的潜力。但是，各种真菌的吸附机理各不相同，仍需要加强研究。要想将这一技术应用于实际，仍然存在诸多难题。总体而言，真菌在重金属处理上有广阔的应用前景。