真菌吸附重金屬的研究進展

劉長青，陳紀杰，黃正洋

（鹽城工學院 海洋與生物工程學院，江蘇 鹽城 224051）

真菌是真核微生物，廣泛存在于自然界中。多細胞真菌由菌絲和孢子組成，菌絲分枝交織成團，形成菌絲體，其體積比細菌大幾倍甚至幾十倍。按照功能，可將菌絲分為營養菌絲和氣生菌絲，待氣生菌絲生長成熟后，其頂端形成各式各樣的子實體和孢子。真菌菌絲的細胞壁含有80%～90%的多糖（幾丁質和纖維素），其與蛋白質、脂類、聚磷酸鹽及無機離子結合形成細胞壁。

重金屬污染主要在采礦冶金、工業生產、催化反應等過程中產生，包括鉛（Pb）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鐵（Fe）、銅（Cu）、錳（Mn）、鎳（Ni）等。隨著環境中重金屬或其化合物的堆積，將會對野生動植物甚至人類造成嚴重損傷。雖然自然界存在一定的自凈能力，但累積量超過其自凈能力，則會污染生物；重金屬進入環境后，會累積和遷移，主要通過水、土壤等途徑進入動植物，再通過食物鏈進入人體。因此，尋找切實可靠的技術解決重金屬污染一直是國內外學者的研究熱點。

1 常見的重金屬去除方法

目前，主要通過化學沉淀法和生物法來去除重金屬污染。

1.1 化學沉淀法

化學沉淀法是指向重金屬污染水體中加入化學試劑，使重金屬離子與其發生化學反應后形成沉淀的方法。常用于沉淀重金屬的化學試劑有：燒堿、石灰、硫化鈉、三氯化鐵等。在重金屬離子形成沉淀后，為了減小顆粒之間的斥力，破壞懸浮液的穩定性，使較小的、不易沉淀的顆粒凝聚成較大的易沉淀顆粒，常常會投加絮凝劑。除了化學沉淀法，還可利用離子交換、物理吸附、反滲透、蒸發和電化學等技術方法去除廢水中的重金屬。

1.2 生物法

生物法是利用生物資源，如真菌（如Botrytis cinerae）、細菌（如Bacillus thuringiensis）、藻類（如Anabaena sphaerica）等生物體，吸附被重金屬污染的廢水、廢渣。相對于上面兩種方法，生物吸附具有高效、環保、無毒等特點，在重金屬去除方面具有廣闊的應用前景。不同方法比較如表1所示。

表1 不同方法對重金屬吸附的比較

2 真菌吸附重金屬的影響因素

2.1 pH

溶液的pH是影響真菌吸附重金屬的一項重要因素。研究顯示：菌體在適宜的pH范圍內，吸附才是可行的。當溶液酸性過大時，大量的氫離子和游離的重金屬競爭結合位點，導致吸附效果不佳；當溶液堿性過大時，pH大于金屬離子形成微沉淀的臨界值，金屬離子會沉淀形成不溶性的氫氧化物或氧化物，影響吸附過程。余甜甜等[1]研究表明：當pH為6.0時，球孢白僵菌Z1菌體對Cd2+的吸附效果最佳，對Cd2+最佳去除率為56.17%。隨著pH降低或升高，菌體吸附效果開始減弱。

2.2 溶液中重金屬濃度

在不同的重金屬初始濃度下，吸附率和吸附量與初始濃度均無線性關系，即當吸附量最大時，吸附率不一定是最大值，此時要考慮重金屬濃度與生物量的比值。Li等[2]選用Pb-Cd-As溶液質量濃度分別為300-10-20、600-20-40、900-30-60、1 200-40-80、1 500-50-100 mg/L，隨著溶液中Pb-Cd-As初始質量濃度的增加，卷枝毛霉（Mucor circinelloides）對Pb-Cd-As的吸附率也隨之降低。

2.3 共存離子

當吸附體系中存在多個金屬離子時，由于共存離子與主要金屬離子競爭細胞上有限的負性官能團，共存離子一般會對主要離子的吸附起抑制作用。某學者研究表明：Mg2+和Ca2+對吸附的影響大于Na+和K+，通常溶液中陽離子對吸附的作用程度與其價態相關，次序為：3價＞2價＞1價，同價離子中Ca2+＞Mg2+。

2.4 溫度

當溫度在20～35 ℃時，通常不會影響真菌生物吸附的效果。溫度升高可以提升富集位點對金屬的親和性，但過高的溫度會使富集位點發生形變，進而使金屬富集能力降低。鄭愛芳等[3]利用真菌LGBS研究不同溫度對Cu2+吸附效果的影響，發現吸附率呈先下降后上升再下降的趨勢，在15 ℃時具有最大吸收量和吸附率。

2.5 時間

一般情況下，菌體吸附速率隨著吸附時間的變化，先增大后減小最終達到平衡。許飄[4]研究表明：黃孢原毛平革菌對Pb吸附分為兩個階段，分別是前6 h的快速吸附階段和隨后的緩慢吸附階段。黃孢原毛平革菌對Cd的吸附與Pb類似，即先出現較快的吸附過程，隨后吸附速率明顯下降，其原因可能是菌體吸附的Cd量逐漸達到飽和。

2.6 聚合物

真菌生長一般需要有一定的支撐物，在其上纏繞、生長，形成菌球，隨后在廢水中吸附重金屬。Miao等[5]利用Phanerodontia chrysosporium與杉木樹皮共存研究其對Cd2+的吸附性能和機理。Kulshreshtha Shweta[6]利用蘑菇底物（菌絲體與底物），可去除70%～90%的重金屬、染料、污染物。可見，真菌吸附具有較強的吸附能力。

3 真菌生物修復重金屬污染的機理

真菌對重金屬的吸附根據細胞代謝可分為被動吸收和主動吸收。被動吸收主要指細胞表面吸附，指細胞壁上的官能團如——SH、——COOH、——NH2、——OH、——PO43-等與各種金屬離子絡合、螯合、離子交換等作用過程。生物富集即主動吸收，通過真菌表面吸附的金屬離子與特定酶相結合，將其轉移至胞內的過程。重金屬與金屬硫蛋白、絡合素以及一些多肽相結合，在胞內沉淀，即為胞內吸附。

根據溶液中重金屬的吸附位置，生物吸附的順序為：（1）細胞外積累：a吸附；b離子交換和絡合；c氧化還原反應；（2）細胞內積累吸收；（3）細胞表面吸附/沉淀：細胞代謝運轉。具體如圖1所示[7]。

圖1 真菌吸附重金屬的理論機制

4 真菌吸附重金屬的優勢

4.1 成本低

生物原料的成本通常遠低于物理化學藥劑，如活性炭、離子交換樹脂等，同時，可以利用工業發酵的廢棄菌絲體。

4.2 高效性

在廢水中，當污染物濃度較低時，仍能達到較高的去除率；微生物在處理廢水重金屬時，當給定的條件適宜時，可以達到微量、高效的效果。

4.3 選擇性

真菌對染料、重金屬等污染物有一定的選擇性，對于污水中存在的大量C、N、K、Na等常規元素，真菌可以去除廢水中對自然有傷害的重金屬而保留常規元素。

4.4 可去除的污染物種類多

絲狀真菌種類繁多且功能各異，目前，已研究的物種數量依然是冰山一角，尚有許多真菌未被研究甚至未被發現，潛力較大。

5 展望

絲狀真菌在污水處理中的生物吸附和生物降解功能已經受到了許多學者的關注，這是由于真菌生物較為廉價且治理效果良好，具有較大的潛力。但是，各種真菌的吸附機理各不相同，仍需要加強研究。要想將這一技術應用于實際，仍然存在諸多難題。總體而言，真菌在重金屬處理上有廣闊的應用前景。