氨基酸、多肽脫除重金屬研究進展

孫雪晴，張雪潔，沈一平，黃甜甜，郭一飛

(1.黑龍江中醫藥大學，黑龍江 哈爾濱 150040；2.哈爾濱商業大學，黑龍江 哈爾濱 150028；3.河南中醫藥大學，河南 鄭州 450046；4.中國醫學科學院，北京協和醫學院藥用植物研究所，北京 100193)

1 研究背景

1.1 重金屬的危害及去除 重金屬指比重大于5.0 g·cm-3的銅、汞、鉛、鎘等生物毒性顯著的45種元素。隨著科技的發展，電鍍、皮革、化工、電池制造等涉及重金屬加工行業逐漸分布廣泛，但生產廢棄物處理水平參差不齊，重金屬污染形式愈發嚴峻，由于汞超標及鎘超標導致日本居民患上水俁病和疼痛病就是對全人類的提醒。重金屬及其化合物具有低濃度致毒性、累積作用與長期性、不可降解和不可逆轉性、毒性可變性等性質，進入人體大量積累后勢必給人類的健康帶來巨大威脅[1]，機體并沒有消化及排除重金屬的能力，僅0.001～0.1 mol·L-1濃度的重金屬即可給機體帶來嚴重的危害[2]，其進入人體后會與體內的蛋白質、兒茶酚胺、含氧脂肪酸等成分結合生成金屬配合物以及螯合物，并且極易占據體內與鎂(Mg2+)、鈣(Ca2+)等共同發揮輔助作用的大分子活性位點，使其生理功能改變甚至喪失，進而對內臟器官、神經、生殖等系統帶來不可治愈的損害[3]，故尋找安全、便捷、環保的重金屬去除方法是當務之急。脫除重金屬的方法主要包括化學沉淀法[4]、離子交換法[5]、反滲透法[6]、電滲析法、微生物法等，但普遍存在操作步驟煩瑣、原料及設備昂貴、易造成二次污染、對低濃度離子不敏感等缺陷，如化學法利用氫氧化物、難溶鹽等沉淀劑與重金屬離子形成沉淀的原理去除重金屬離子，所用沉淀劑價格較貴，更易于產生有害氣體等二次污染物；離子交換法利用金屬離子可與離子交換樹脂上的離子交換，但交換設備及材料成本是不容忽視的問題…。

1.2 氨基酸材料的獲取途徑及發展前景 為解決目前重金屬去除方法存在的不足，有研究學者將目光聚焦在經濟節約的吸附性材料上，常用的吸附劑有活性炭[7]、纖維素[8]、腐殖酸樹脂、麥飯石等，利用其表面具有可與重金屬離子配合或絡合的-OH、-COOH、-SH等官能團，可將金屬離子牢牢吸附到表面從而去除，但由于活性炭成本過高、纖維素等材料需接枝官能團使此方法的廣泛應用受到限制。來源廣泛且天然環保的氨基酸聚合物及多肽材料不需經過上述改性或者復雜的操作[9-10]，具有脫除水中重金屬的優勢。其獲取途徑主要為天然獲取及人工合成[11]，天然氨基酸聚合物主要從動物的身體組織提取獲得，包括蛋白質、多肽激素、酶、活性肽；人工合成的氨基酸聚合物通過多個氨基酸在一定條件下聚合獲得具有多個羥基、氨基、羧基的高分子化合物[12]。查閱國家專利網可知氨基酸自聚及共聚的技術多種多樣[13-14]，為其應用到重金屬脫除方面奠定了基礎。據相關文獻報道聚谷氨酸、聚賴氨酸、聚天冬氨酸、聚半胱氨酸、聚組氨酸具有良好的水溶性并在主鏈或側鏈具有豐富的絡合重金屬離子官能團，已被廣泛用作生物材料、藥物載體、合成催化劑、防腐保鮮劑等[15]，亦有用于重金屬脫除方面的研究，故本文對氨基酸均聚物、衍生物、多肽脫除重金屬的研究進展及作用機制進行綜述。

2 氨基酸均聚物、衍生物、多肽脫除重金屬研究進展

2.1 氨基酸均聚物脫除重金屬研究進展

2.1.1 聚谷氨酸 聚谷氨酸由D型或L型谷氨酸通過γ酰胺鍵連接而成，目前的獲取方法主要有化學合成法、酶轉化法、提取法和微生物發酵法[16]。聚谷氨酸絮凝活性良好、親和度較高，同時又無毒無污染，是一種很有潛力的重金屬吸附材料[17]，Yang等[18]以聚谷氨酸作為土壤中重金屬的清洗劑，對土壤中的重金屬去除率最高可達74%；張喆[19]將聚谷氨酸與明膠進行交聯，制備γ-PGA/明膠復合物并對銅(Cu2+)、鉛(Pb2+)及鎘(Cd2+)進行脫除，得到96%、99%、45%的去除效果，同時發現24 h后3種金屬離子的自然解析率僅有0.12%、0.7%和1.9%，且材料回收率為65%，表明聚谷氨酸材料經濟環保，吸附重金屬之后仍可回收利用；Misaki等[20]從納豆中提取出主要成分為聚谷氨酸和果聚糖的粘液，發現納豆黏液劑量為500 mg·L-1的去除效率與試劑級聚谷氨酸劑量為100 mg·L-1的去除效率相同，聚谷氨酸來源廣泛且對重金屬脫除具有極大潛力。

2.1.2 聚賴氨酸 通過生物合成、發酵合成及化學合成的方法可將賴氨酸殘基通過α-羧基和ε-氨基形成的酰胺鍵連接獲得ε-聚賴氨酸。ε-聚賴氨酸是一種具有大量可與重金屬結合的羥基以及氨基的多肽吸附材料，安全無毒，可生物降解。Ossein等[21]合成聚賴氨酸作為生物吸附劑，對其用于工業廢水中六價鉻離子的脫除發現聚賴氨酸的最大吸收容量為42.2 μg·mg-1，結合常數為1.2 μg·mL-1。郭建偉等[22]以L-賴氨酸為交聯劑，通過直接縮聚法對L-賴氨酸進行交聯，結果表明所得交聯聚賴氨酸對鉛(Pb2+)、銅(Cu2+)的飽和吸附量分別為217.6和72.3 mg·g-1，且此交聯聚賴氨酸經過5次吸附與脫吸附循環之后對重金屬的吸附效率仍然能達到92.4%。

2.1.3 聚天冬氨酸 天冬氨酸單體的氨基和羧基縮水可形成具有α和β兩種構型的聚天冬氨酸，除具有多種金屬離子螯合基團外，聚天冬氨酸還具有良好的生物相容性及生物降解性，是被公認的“綠色聚合物”。Wang等[23]使用聚天冬氨酸以最大45%的效率脫除了土壤中的鎘(Cd2+)、鉛(Pb2+)和鋅(Zn2+)。Lingua等[24]將聚天冬氨酸作為螯合劑來修復被重金屬污染的植物，改善了AL35白楊中銅(Cu2+)和鋅(Zn2+)的植物穩定性。何蒙等[25]以四角蛤蜊貝肉勻漿液為材料，利用聚天冬氨酸對貝肉中的鎘進行脫除，發現脫除效率可達89.8%，為聚天冬氨酸脫除鎘提供了有力的根據。

2.1.4 聚半胱氨酸 半胱氨酸是組成蛋白質的20種氨基酸中唯一帶有巰基的氨基酸，其中的巰基可與不同重金屬結合，對重金屬具有很強的固著作用[26]，已有關于半胱氨酸的巰基可被銅離子選擇性氧化的報道[27]。聚-L-半胱氨酸(PLCys)具有巰基側鏈功能，其對鎘(Cd2+)和鉛(Pb2+)等軟酸性金屬的選擇性優于鈷(Co2+)和鎳(Ni2+)[28]；有研究將聚半胱氨酸用作微濾膜的吸附材料以回收和去除有毒的重金屬，發現聚半胱氨酸官能化膜對于汞(Hg2+)和鎘(Cd2+)具有明顯的吸附效果。

2.1.5 聚組氨酸 有資料顯示，蛋白質中的組氨酸是一種可與金屬離子結合的關鍵氨基酸，聚組氨酸及其咪唑側鏈在中性pH值下能夠與金屬陽離子結合，在酸性pH下能夠與金屬陰離子結合[29]。

2.2 氨基酸衍生物脫除重金屬研究進展

2.2.1 聚谷氨酸衍生物 王煦漫等[30]將聚γ-谷氨酸與蒙脫土混合均勻并交聯制備成新型的γ-聚谷氨酸/蒙脫土復合物，達到重金屬離子吸附的同時又不會對環境造成二次污染的效果。王志偉等[31]通過固定化技術將聚谷氨酸包埋于海藻酸鈉中制備成對鉛(Pb2+)、鎘(Cd2+)飽和吸附量為243.9及122.34 mg·mL-1的復合凝膠樹脂，為其在重金屬的脫除方面提供了一定的參考。

2.2.2 聚賴氨酸衍生物 周春華等[32]采用表面接枝技術將聚賴氨酸修飾到磁性石墨烯雜化體上，得到對鉛(Pb2+)最大吸附量374.5 mg·g-1的可再生重金屬吸附材料。

2.2.3 聚天冬氨酸衍生物 孫波等[33]將帶不同側鏈的聚天冬氨酸或衍生物、殼聚糖、含鈣溶液在一定條件下反應，得到具有仿細胞壁膜的環境友好型仿生材料，在脫除重金屬方面具有廣闊的應用前景。

2.2.4 聚半胱氨酸衍生物 何紹媛[34]將L-半胱氨酸與硅球結合，得到L-半胱氨酸活化硅球材料，并以此為固相萃取吸附材料，發現材料對釩(V5+),鉻(Cr3+)，銅(Cu2+),砷(As3+)，鎘(Cd2+)和鉛(Pb2+)6種金屬離子具有較好的分離富集效果。由于半胱氨酸基團與重金屬離子具有較強的親和力,采用半胱氨酸改性的聚合物納米纖維經證實能夠快速高效的去除制革廢水中的鉻(Cr3+)，去除率可達到99%[35]。聚L-半胱氨酸包覆的磁性Fe2O3納米顆粒和L-半胱氨酸包覆的CdS納米顆粒是有效的Hg2+吸附劑[36]。

2.3 多肽脫除重金屬研究進展 金屬結合肽來源廣泛，如金屬結合硫蛋白(MTs)、金屬硫蛋白樣蛋白、植物絡合素(PCs)、金屬抗性調節蛋白等都是良好的重金屬吸附劑。目前已有許多研究學者證實多肽及金屬結合蛋白具有較好的重金屬吸附作用，且金屬結合肽可以是從抗性菌株中獲得的天然多肽，也可以是人工改造的更高效的合成多肽。利用序列信息比對等生物信息技術與方法對已知的金屬結合肽進行分析得出有效的金屬結合肽常富含組氨酸的結果[37]，且多肽的組成多以組氨酸、谷氨酸、脯氨酸、丙氨酸為主，為金屬結合肽與重金屬離子可相互作用提供了理論基礎；利用大腸桿菌的LamB蛋白將源于酵母和哺乳動物的金屬結合硫蛋白(MTs)展示在其外膜上，可使大腸桿菌對鎘(Cd2+)的結合能力增加15～20倍；谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸組成的三肽，且已有研究證實谷胱甘肽具有多個可參與配位的原子[38]，與金屬離子作用形成絡合物的同時又可與金屬離子產生電化學效應；植物螯合肽緩解重金屬污染的植物修復技術成為國際上環境治理的研究熱點[39]。以上結果均說明多肽在脫除重金屬方面具有良好潛力。

3 氨基酸均聚物、衍生物、多肽脫除重金屬機制

氨基酸均聚物及衍生物材料脫除重金屬主要是因為具有大量金屬離子螯合位點，除此之外含有巰基基團的氨基酸具有軟堿性質，大多數具有軟酸性質的重金屬離子便易于與之結合從而將其除去；重金屬與多肽結合則是通過肽鏈上的組氨酸和半胱氨酸等氨基酸殘基實現。Lader等[40]發現聚谷氨酸與重金屬離子螯合存在兩種機制：一種是金屬與羧基的直接相互作用；另一種是由羧基基團產生的靜電勢保留重金屬反離子(流動形式)，除了與羧酸基團的相互作用外，酰胺鍵還可能提供弱的相互作用位點。聚天冬氨酸分子中具有大量的-COOH、-NHCO-等極性基團，且其側鏈上的羧基在水溶液中很容易電離，形成羧基負離子(-COO-)，故可以有效地吸附多種重金屬離子，如鉛(Pb2+)，鎘(Cd2+)，汞(Hg2+)，鉻(Cr3+)，銅(Cu2+)及 錳(Mn2+)等[41]。

4 結語

重金屬的過多暴露導致全球性污染的問題亟待解決，吸附法脫除重金屬的原理為金屬離子擴散到吸附劑表面及內部孔隙與吸附位點結合發生相互作用[42]。氨基酸類高分子聚合材料比表面積較大，材料表面具有大量可與金屬離子螯合的基團，且水溶性良好，可與重金屬離子充分接觸，對重金屬離子吸附效果顯著，操作簡便又不易造成二次污染，具有較好的發展前景，但同時也面臨諸多挑戰：①目前被報道用于脫除重金屬的氨基酸僅有五種，但自然界存在的氨基酸種類豐富，且此5種氨基酸聚合材料被用于重金屬的脫除方面的具體應用效果還有待研究，如聚組氨酸脫除重金屬的參考資料較少；有研究者發現脯氨酸對植物中的重金屬有作用，很多植物對有毒重金屬作出響應和解毒的一種機理是合成脯氨酸，脯氨酸也可作為開發脫除重金屬的發展材料[43]；②氨基酸聚合物在脫除重金屬方面確有結構上的優勢，但并未有資料明確將氨基酸聚合物與其他類型吸附材料的重金屬脫除效果進行對比，氨基酸聚合物用于重金屬的脫除科研成果產業化任重而道遠；③大多數研究中僅將氨基酸聚合物作為重金屬脫除的輔助材料而并非主要材料，可見氨基酸聚合物用于重金屬的脫除還沒有引起人們的足夠重視。且國外關于氨基酸的聚合及其對于重金屬的脫除應用較多，國內研究機構應加大對其重視程度，若此吸附材料得到充分利用，有望在重金屬脫除領域發揮獨特優勢。此外，由于中藥材全產業鏈包括生長環境、藥材自身特性及藥材加工炮制運輸等因素，重金屬對環境造成污染的同時極易影響我國傳統中藥材的質量[44]，中藥湯劑為其主要應用形式，目前已有研究表明氨基酸聚合物有利于中藥湯劑中重金屬的脫除[45]，氨基酸、多肽類吸附材料有望對水溶液及中藥制劑的重金屬脫除提供新的思路。