环境地球化学国家重点实验室知识库

重金属污染严重威胁生态环境安全和人体健康，是当前我国经济社会持续发展所面临的主要环境污染问题之一。微生物吸附方法处理重金属污染废水具有很多理论上的优势而受到专家学者的普遍关注，至今仍然是地球科学和环境科学研究的热点之一，但是由于还存在一些尚未解决的理论和实际问题，距离大规模的实际应用还有很长的路。汞是对生态环境和人体健康有严重影响的重金属五毒之一，但是与微生物吸附处理汞污染相关的研究报道相对较少；本课题组前期研究表明，胶质芽孢杆菌有可能成为一种有应用前景的微生物吸附剂，但是与之相关的研究尚不完善。本文针对该领域研究中存在的一些不足之处，以胶质芽孢杆菌培养物为吸附剂和氯化汞水溶液为处理对象，研究了胶质芽孢杆菌发酵液的理化性质及其对吸附汞的影响，细菌吸附汞的模型、平衡参数和机理，几种常见重金属与汞的竞争吸附，以及胶质芽孢杆菌对汞的生物成矿作用，取得如下成果：（1）胶质芽孢杆菌对汞有很好的吸附效果；pH值对吸附作用有显著影响，在pH值3－11范围内，汞的吸附率随着pH值的升高而升高；细菌对汞的吸附效果与发酵液中细菌数量呈正相关关系；在胶质芽孢杆菌发酵液中检测到13种小分子物质，其中相对含量大于10%的有乙酸、二羟基丙酮、丙酮醇等三种物质，实验证明乙酸、二羟基丙酮可以促进汞的吸附作用。该细菌发酵液有很高的粘度，特别容易粘附在硅酸盐矿物上，在实际应用中有利于解决吸附剂的固定以及与溶液的分离问题。（2）胶质芽孢杆菌对汞的吸附作用符合下列Langmiur吸附模型： θ=q/q0=kc/(1+kc) 其中饱和吸附量q0=0.393（mg/mL），吸附常数k=0.01654(L/mg)，c为吸附平衡浓度（mg/L）。按干菌体计算细菌对Hg(Ⅱ)的饱和吸附量为112.3 mg/g，平均每一个菌体可吸附9.83×109个Hg原子；当Hg(Ⅱ)浓度为0.5mg/L时，加入5%的细菌吸附剂对汞的吸附率可以达到98.2%；胶质芽孢杆菌对汞的吸附速率很快，1min即可达到吸附平衡；分析认为胶质芽孢杆菌的吸附作用机理主要是表面吸附，细菌表面和汞之间的结合力主要是范德华力。（3）汞元素的特殊物理化学性质使得胶质芽孢杆菌对汞的吸附机理和速率不同于大多数常见的金属离子。大多数常见的金属离子在中性水溶液中是以离子态或络合离子态存在，而汞主要是以分子态存在；大多数金属离子吸附到细菌表面的主要机理是表面络合，依靠的结合力是离子间的静电作用力，而胶质芽孢杆菌对汞的吸附机理主要是表面吸附，结合力主要是范德华力。胶质芽孢杆菌吸附剂对多种金属离子都具有较好的吸附作用，对汞的吸附作用具有特异性，主要表现在以下两个方面： 多种金属离子的存在对汞的生物吸附作用没有明显影响，无明显的竞争吸附现象，汞的吸附率保持相对稳定；‚ 胶质芽孢杆菌对汞的吸附速率非常快，在1min内即可达到吸附平衡，而对其他金属离子一般需要2h左右。（4）胶质芽孢杆菌对汞的生物成矿作用：在低的汞浓度下，胶质芽孢杆菌对汞的作用以吸附为主，在500mg/L的汞浓度下，细菌可以将溶液中远未达到饱和状态的HgCl2吸附并形成结晶沉淀下来，作为对照的其他几种相同浓度的重金属（PbCl2、ZnCl2、CdCl2）尚未发现有胶质芽孢杆菌引发的生物成矿作用；胶质芽孢杆菌对HgCl2具有很强的耐受性，可以在Hg（Ⅱ）浓度达到10mg/L的培养基中生长，生物量可以达到无汞培养基中的一半左右。综上所述，胶质芽孢杆菌对汞有特异性的吸附作用，对其吸附机理、动力学和热力学过程进行深入研究，有望开发出能专一处理汞污染废水的有应用前景的微生物吸附剂。