氨基酸、多肽脱除重金属研究进展

孙雪晴，张雪洁，沈一平，黄甜甜，郭一飞

(1.黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨 150040；2.哈尔滨商业大学，黑龙江 哈尔滨 150028；3.河南中医药大学，河南 郑州 450046；4.中国医学科学院，北京协和医学院药用植物研究所，北京 100193)

1 研究背景

1.1 重金属的危害及去除 重金属指比重大于5.0 g·cm-3的铜、汞、铅、镉等生物毒性显著的45种元素。随着科技的发展，电镀、皮革、化工、电池制造等涉及重金属加工行业逐渐分布广泛，但生产废弃物处理水平参差不齐，重金属污染形式愈发严峻，由于汞超标及镉超标导致日本居民患上水俣病和疼痛病就是对全人类的提醒。重金属及其化合物具有低浓度致毒性、累积作用与长期性、不可降解和不可逆转性、毒性可变性等性质，进入人体大量积累后势必给人类的健康带来巨大威胁[1]，机体并没有消化及排除重金属的能力，仅0.001～0.1 mol·L-1浓度的重金属即可给机体带来严重的危害[2]，其进入人体后会与体内的蛋白质、儿茶酚胺、含氧脂肪酸等成分结合生成金属配合物以及螯合物，并且极易占据体内与镁(Mg2+)、钙(Ca2+)等共同发挥辅助作用的大分子活性位点，使其生理功能改变甚至丧失，进而对内脏器官、神经、生殖等系统带来不可治愈的损害[3]，故寻找安全、便捷、环保的重金属去除方法是当务之急。脱除重金属的方法主要包括化学沉淀法[4]、离子交换法[5]、反渗透法[6]、电渗析法、微生物法等，但普遍存在操作步骤烦琐、原料及设备昂贵、易造成二次污染、对低浓度离子不敏感等缺陷，如化学法利用氢氧化物、难溶盐等沉淀剂与重金属离子形成沉淀的原理去除重金属离子，所用沉淀剂价格较贵，更易于产生有害气体等二次污染物；离子交换法利用金属离子可与离子交换树脂上的离子交换，但交换设备及材料成本是不容忽视的问题…。

1.2 氨基酸材料的获取途径及发展前景 为解决目前重金属去除方法存在的不足，有研究学者将目光聚焦在经济节约的吸附性材料上，常用的吸附剂有活性炭[7]、纤维素[8]、腐殖酸树脂、麦饭石等，利用其表面具有可与重金属离子配合或络合的-OH、-COOH、-SH等官能团，可将金属离子牢牢吸附到表面从而去除，但由于活性炭成本过高、纤维素等材料需接枝官能团使此方法的广泛应用受到限制。来源广泛且天然环保的氨基酸聚合物及多肽材料不需经过上述改性或者复杂的操作[9-10]，具有脱除水中重金属的优势。其获取途径主要为天然获取及人工合成[11]，天然氨基酸聚合物主要从动物的身体组织提取获得，包括蛋白质、多肽激素、酶、活性肽；人工合成的氨基酸聚合物通过多个氨基酸在一定条件下聚合获得具有多个羟基、氨基、羧基的高分子化合物[12]。查阅国家专利网可知氨基酸自聚及共聚的技术多种多样[13-14]，为其应用到重金属脱除方面奠定了基础。据相关文献报道聚谷氨酸、聚赖氨酸、聚天冬氨酸、聚半胱氨酸、聚组氨酸具有良好的水溶性并在主链或侧链具有丰富的络合重金属离子官能团，已被广泛用作生物材料、药物载体、合成催化剂、防腐保鲜剂等[15]，亦有用于重金属脱除方面的研究，故本文对氨基酸均聚物、衍生物、多肽脱除重金属的研究进展及作用机制进行综述。

2 氨基酸均聚物、衍生物、多肽脱除重金属研究进展

2.1 氨基酸均聚物脱除重金属研究进展

2.1.1 聚谷氨酸 聚谷氨酸由D型或L型谷氨酸通过γ酰胺键连接而成，目前的获取方法主要有化学合成法、酶转化法、提取法和微生物发酵法[16]。聚谷氨酸絮凝活性良好、亲和度较高，同时又无毒无污染，是一种很有潜力的重金属吸附材料[17]，Yang等[18]以聚谷氨酸作为土壤中重金属的清洗剂，对土壤中的重金属去除率最高可达74%；张喆[19]将聚谷氨酸与明胶进行交联，制备γ-PGA/明胶复合物并对铜(Cu2+)、铅(Pb2+)及镉(Cd2+)进行脱除，得到96%、99%、45%的去除效果，同时发现24 h后3种金属离子的自然解析率仅有0.12%、0.7%和1.9%，且材料回收率为65%，表明聚谷氨酸材料经济环保，吸附重金属之后仍可回收利用；Misaki等[20]从纳豆中提取出主要成分为聚谷氨酸和果聚糖的粘液，发现纳豆黏液剂量为500 mg·L-1的去除效率与试剂级聚谷氨酸剂量为100 mg·L-1的去除效率相同，聚谷氨酸来源广泛且对重金属脱除具有极大潜力。

2.1.2 聚赖氨酸 通过生物合成、发酵合成及化学合成的方法可将赖氨酸残基通过α-羧基和ε-氨基形成的酰胺键连接获得ε-聚赖氨酸。ε-聚赖氨酸是一种具有大量可与重金属结合的羟基以及氨基的多肽吸附材料，安全无毒，可生物降解。Ossein等[21]合成聚赖氨酸作为生物吸附剂，对其用于工业废水中六价铬离子的脱除发现聚赖氨酸的最大吸收容量为42.2 μg·mg-1，结合常数为1.2 μg·mL-1。郭建伟等[22]以L-赖氨酸为交联剂，通过直接缩聚法对L-赖氨酸进行交联，结果表明所得交联聚赖氨酸对铅(Pb2+)、铜(Cu2+)的饱和吸附量分别为217.6和72.3 mg·g-1，且此交联聚赖氨酸经过5次吸附与脱吸附循环之后对重金属的吸附效率仍然能达到92.4%。

2.1.3 聚天冬氨酸 天冬氨酸单体的氨基和羧基缩水可形成具有α和β两种构型的聚天冬氨酸，除具有多种金属离子螯合基团外，聚天冬氨酸还具有良好的生物相容性及生物降解性，是被公认的“绿色聚合物”。Wang等[23]使用聚天冬氨酸以最大45%的效率脱除了土壤中的镉(Cd2+)、铅(Pb2+)和锌(Zn2+)。Lingua等[24]将聚天冬氨酸作为螯合剂来修复被重金属污染的植物，改善了AL35白杨中铜(Cu2+)和锌(Zn2+)的植物稳定性。何蒙等[25]以四角蛤蜊贝肉匀浆液为材料，利用聚天冬氨酸对贝肉中的镉进行脱除，发现脱除效率可达89.8%，为聚天冬氨酸脱除镉提供了有力的根据。

2.1.4 聚半胱氨酸 半胱氨酸是组成蛋白质的20种氨基酸中唯一带有巯基的氨基酸，其中的巯基可与不同重金属结合，对重金属具有很强的固着作用[26]，已有关于半胱氨酸的巯基可被铜离子选择性氧化的报道[27]。聚-L-半胱氨酸(PLCys)具有巯基侧链功能，其对镉(Cd2+)和铅(Pb2+)等软酸性金属的选择性优于钴(Co2+)和镍(Ni2+)[28]；有研究将聚半胱氨酸用作微滤膜的吸附材料以回收和去除有毒的重金属，发现聚半胱氨酸官能化膜对于汞(Hg2+)和镉(Cd2+)具有明显的吸附效果。

2.1.5 聚组氨酸 有资料显示，蛋白质中的组氨酸是一种可与金属离子结合的关键氨基酸，聚组氨酸及其咪唑侧链在中性pH值下能够与金属阳离子结合，在酸性pH下能够与金属阴离子结合[29]。

2.2 氨基酸衍生物脱除重金属研究进展

2.2.1 聚谷氨酸衍生物 王煦漫等[30]将聚γ-谷氨酸与蒙脱土混合均匀并交联制备成新型的γ-聚谷氨酸/蒙脱土复合物，达到重金属离子吸附的同时又不会对环境造成二次污染的效果。王志伟等[31]通过固定化技术将聚谷氨酸包埋于海藻酸钠中制备成对铅(Pb2+)、镉(Cd2+)饱和吸附量为243.9及122.34 mg·mL-1的复合凝胶树脂，为其在重金属的脱除方面提供了一定的参考。

2.2.2 聚赖氨酸衍生物 周春华等[32]采用表面接枝技术将聚赖氨酸修饰到磁性石墨烯杂化体上，得到对铅(Pb2+)最大吸附量374.5 mg·g-1的可再生重金属吸附材料。

2.2.3 聚天冬氨酸衍生物 孙波等[33]将带不同侧链的聚天冬氨酸或衍生物、壳聚糖、含钙溶液在一定条件下反应，得到具有仿细胞壁膜的环境友好型仿生材料，在脱除重金属方面具有广阔的应用前景。

2.2.4 聚半胱氨酸衍生物 何绍媛[34]将L-半胱氨酸与硅球结合，得到L-半胱氨酸活化硅球材料，并以此为固相萃取吸附材料，发现材料对钒(V5+),铬(Cr3+)，铜(Cu2+),砷(As3+)，镉(Cd2+)和铅(Pb2+)6种金属离子具有较好的分离富集效果。由于半胱氨酸基团与重金属离子具有较强的亲和力,采用半胱氨酸改性的聚合物纳米纤维经证实能够快速高效的去除制革废水中的铬(Cr3+)，去除率可达到99%[35]。聚L-半胱氨酸包覆的磁性Fe2O3纳米颗粒和L-半胱氨酸包覆的CdS纳米颗粒是有效的Hg2+吸附剂[36]。

2.3 多肽脱除重金属研究进展 金属结合肽来源广泛，如金属结合硫蛋白(MTs)、金属硫蛋白样蛋白、植物络合素(PCs)、金属抗性调节蛋白等都是良好的重金属吸附剂。目前已有许多研究学者证实多肽及金属结合蛋白具有较好的重金属吸附作用，且金属结合肽可以是从抗性菌株中获得的天然多肽，也可以是人工改造的更高效的合成多肽。利用序列信息比对等生物信息技术与方法对已知的金属结合肽进行分析得出有效的金属结合肽常富含组氨酸的结果[37]，且多肽的组成多以组氨酸、谷氨酸、脯氨酸、丙氨酸为主，为金属结合肽与重金属离子可相互作用提供了理论基础；利用大肠杆菌的LamB蛋白将源于酵母和哺乳动物的金属结合硫蛋白(MTs)展示在其外膜上，可使大肠杆菌对镉(Cd2+)的结合能力增加15～20倍；谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸组成的三肽，且已有研究证实谷胱甘肽具有多个可参与配位的原子[38]，与金属离子作用形成络合物的同时又可与金属离子产生电化学效应；植物螯合肽缓解重金属污染的植物修复技术成为国际上环境治理的研究热点[39]。以上结果均说明多肽在脱除重金属方面具有良好潜力。

3 氨基酸均聚物、衍生物、多肽脱除重金属机制

氨基酸均聚物及衍生物材料脱除重金属主要是因为具有大量金属离子螯合位点，除此之外含有巯基基团的氨基酸具有软碱性质，大多数具有软酸性质的重金属离子便易于与之结合从而将其除去；重金属与多肽结合则是通过肽链上的组氨酸和半胱氨酸等氨基酸残基实现。Lader等[40]发现聚谷氨酸与重金属离子螯合存在两种机制：一种是金属与羧基的直接相互作用；另一种是由羧基基团产生的静电势保留重金属反离子(流动形式)，除了与羧酸基团的相互作用外，酰胺键还可能提供弱的相互作用位点。聚天冬氨酸分子中具有大量的-COOH、-NHCO-等极性基团，且其侧链上的羧基在水溶液中很容易电离，形成羧基负离子(-COO-)，故可以有效地吸附多种重金属离子，如铅(Pb2+)，镉(Cd2+)，汞(Hg2+)，铬(Cr3+)，铜(Cu2+)及 锰(Mn2+)等[41]。

4 结语

重金属的过多暴露导致全球性污染的问题亟待解决，吸附法脱除重金属的原理为金属离子扩散到吸附剂表面及内部孔隙与吸附位点结合发生相互作用[42]。氨基酸类高分子聚合材料比表面积较大，材料表面具有大量可与金属离子螯合的基团，且水溶性良好，可与重金属离子充分接触，对重金属离子吸附效果显著，操作简便又不易造成二次污染，具有较好的发展前景，但同时也面临诸多挑战：①目前被报道用于脱除重金属的氨基酸仅有五种，但自然界存在的氨基酸种类丰富，且此5种氨基酸聚合材料被用于重金属的脱除方面的具体应用效果还有待研究，如聚组氨酸脱除重金属的参考资料较少；有研究者发现脯氨酸对植物中的重金属有作用，很多植物对有毒重金属作出响应和解毒的一种机理是合成脯氨酸，脯氨酸也可作为开发脱除重金属的发展材料[43]；②氨基酸聚合物在脱除重金属方面确有结构上的优势，但并未有资料明确将氨基酸聚合物与其他类型吸附材料的重金属脱除效果进行对比，氨基酸聚合物用于重金属的脱除科研成果产业化任重而道远；③大多数研究中仅将氨基酸聚合物作为重金属脱除的辅助材料而并非主要材料，可见氨基酸聚合物用于重金属的脱除还没有引起人们的足够重视。且国外关于氨基酸的聚合及其对于重金属的脱除应用较多，国内研究机构应加大对其重视程度，若此吸附材料得到充分利用，有望在重金属脱除领域发挥独特优势。此外，由于中药材全产业链包括生长环境、药材自身特性及药材加工炮制运输等因素，重金属对环境造成污染的同时极易影响我国传统中药材的质量[44]，中药汤剂为其主要应用形式，目前已有研究表明氨基酸聚合物有利于中药汤剂中重金属的脱除[45]，氨基酸、多肽类吸附材料有望对水溶液及中药制剂的重金属脱除提供新的思路。