《微生物吸附劑》是一部關于微生物吸附劑制備、作用機理及其在環境污染治理方面的應用的著作，在簡單介紹微生物吸附劑的定義、種類、特性、影響因素，以及微生物吸附法的發展歷程與趨勢的基礎上，系統總結微生物選育制備微生物吸附劑和微生物吸附劑處理重金屬廢水的作用機理等方面的研究成果，提出微生物吸附法在環境、能源等方面的應用前景。
《微生物吸附劑》可供環境科學與工程、環境微生物學、水處理工程、發酵工程等學科的科研人員，環境保護、礦產資源、制藥、食品及水利等部門的工程技術與管理人員，以及高等院校相關專業的師生參考。
目錄
序
前言
第1章緒論1
1.1微生物吸附劑的定義1
1.2微生物吸附劑菌種的種類1
1.3微生物吸附劑的特性2
1.4微生物吸附劑吸附性能的影響因素3
1.4.1微生物因素3
1.4.2重金屬因素5
1.4.3環境因素6
1.5微生物吸附法的發展歷程與趨勢9
1.5.1微生物吸附法的發展歷程9
1.5.2微生物吸附法的發展趨勢11
第2章微生物吸附劑菌種的選育16
2.1微生物吸附劑菌種的篩選16
2.1.1篩選微生物吸附劑菌種的重要性16
2.1.2微生物吸附劑菌種的篩選方法16
2.2自然選育17
2.2.1實驗室自然選育高效菌株的流程和步驟17
2.2.2自然選育的局限性22
2.3誘變育種22
2.3.1誘變育種的基本程序22
2.3.2誘變劑25
2.3.3物理誘變育種21
2.3.4化學誘變育種34
2.3.5突變菌株的篩選31
2.4原生質體技術育種34
2.4.1原生質體制備技術34
2.4.2原生質體誘變育種技術41
2.4.3原生質體融合育種技術42
2.5基因組改組育種51
2.5.1基因組改組技術的具體方法51
2.5.2基因組改組技術的特點52
2.5.3基因組改組技術的應用52
2.1基因工程54
2.1.1基因工程育種技術的特點和步驟54
2.1.2基因工程育種技術在環境中的應用55
2.1.3基因工程育種技術的發展55
第3章微生物吸附劑的制備57
3.1微生物吸附劑制備的基本程序57
3.1.1微生物的篩選和發酵培養57
3.1.2菌株的預處理與修飾60
3.1.3微生物吸附劑的固定化處理62
3.1.4微生物吸附劑固定化載體64
3.2微生物吸附劑的廉價制備66
3.2.1剩余污泥制備微生物吸附劑66
3.2.2發酵工業副產物制備微生物吸附劑68
3.2.3發酵廢液的資源化利用72
3.3微生物吸附劑產品75
3.3.1BV-SORBEX 75
3.3.2AlgaSORB 74
3.3.3Bio-Fix 79
3.3.4ATM-Bioclaim 79
第4章重金屬的微生物吸附機理80
4.1微生物吸附劑對重金屬的作用機理82
4.1.1胞外沉淀82
4.1.2表面吸附與絡合84
4.1.3靜電吸附87
4.1.4離子交換88
4.1.5氧化還原89
4.1.1微沉積94
4.1.7金屬離子跨膜運輸95
4.1.4胞內積累101
4.1.9高容量金屬絡合物吸附101
4.2重金屬的生物解毒和生物轉化103
4.2.1生物解毒103
4.2.2微生物對重金屬的轉化107
4.3儀器分析在微生物吸附機理研究中的應用110
4.3.1原子力顯微鏡111
4.3.2電子顯微鏡與能譜分析儀聯用114
4.3.3紅外光譜118
4.3.4X射線吸收精細結構譜120
4.3.5核磁共振121
4.3.1流式細胞術121
第5章微生物吸附法處理重金屬廢水124
5.1微生物吸附劑處理重金屬廢水124
5.1.1解脂假絲酵母對鉻的吸附124
5.1.2嗜麥芽窄食單胞菌對銅的吸附131
5.2工程菌吸附劑處理重金屬廢水172
5.2.1重金屬微生物吸附劑菌種選育172
5.2.2酵母融合菌E32處理含鎳廢水185
5.2.3酵母融合菌E32處理含鉻廢水191
5.2.4基因工程菌處理含鎳廢水205
5.3固定化微生物吸附劑處理電鍍廢水213
5.3.1材料213
5.3.2實驗方法213
5.3.3固定化酵母融合菌E32吸附劑處理含鉻廢水的影響因素215
5.3.4固定化吸附劑對實際電鍍廢水的處理217
5.3.5固定化吸附劑填充柱吸附工藝連續處理含鉻廢水214
第6章微生物吸附法的應用前景219
6.1微生物吸附法回收貴金屬219
6.1.1物理化學法219
6.1.2微生物吸附法219
6.1.3貴金屬微生物吸附的影響因素222
6.1.4微生物吸附劑中貴金屬的解吸224
6.2放射性元素的微生物吸附225
6.2.1物理化學法225
6.2.2植物修復法225
6.2.3微生物吸附法221
6.3微生物吸附法在染料廢水處理中的應用224
6.3.1染料廢水處理發展現狀224
6.3.2微生物吸附劑在染料廢水處理中的應用230
6.4有機金屬化合物的微生物吸附234
6.4.1有機金屬化合物特性及環境行為效應234
6.4.2有機金屬化合物的微生物修復231
6.5毒害性有機污染物的微生物吸附237
6.5.1環境中毒害性有機污染物的去除234
6.5.2吸附材料239
6.5.3毒害性有機污染物微生物吸附機理239
6.5.4國內外研究現狀241
6.5.5毒害性有機污染物微生物吸附的影響因素242
6.6微生物吸附與環境微量元素的檢測243
6.6.1利用微生物吸附進行環境中微量金屬元素檢測的前處理243
6.6.2利用微生物吸附法對環境中微量金屬元素的生物檢測244
6.7微量元素富集菌劑245
6.7.6微量元素富集菌劑的特點245
6.7.2微量元素富集菌劑的研發245
6.8微生物吸附法在催化劑上的應用250
6.8.1催化反應中的吸附作用250
6.8.2催化反應中的微生物吸附251
6.9微生物吸附法在殺菌劑和消毒劑中的應用257
6.9.1殺菌劑和消毒劑的發展現狀257
6.9.2微生物殺菌劑和消毒劑258
6.10微生物吸附法在生物探礦與采礦中的應用263
6.10.1微生物吸附法在生物探礦和采礦中的作用264
6.10.2微生物吸附法在探礦和采礦中的應用技術265
6.10.3微生物吸附法在探礦和采礦中的應用研究267
6.11微生物吸附與微生物污損268
6.11.1微生物污損定義268
6.11.2微生物污損影響268
6.11.3微生物吸附與微生物污損269
6.11.4防污涂料270
6.12生物吸附與同步生物固碳271
6.12.1固碳微生物271
6.12.2生物固碳技術272
6.13生物吸附與同步生物制氫273
6.13.6光解水制氫法274
6.13.2暗發酵制氫法275
6.13.3光發酵制氫法276
6.13.4光發酵和暗發酵耦合制氫法276
6.13.5生物制氫與生物吸附277
6.14生物吸附與同步生物多糖制備277
6.14.6微生物胞外多糖的提取279
6.14.2微生物胞外多糖的分離純化279
6.14.3微生物胞外多糖的特性280
參考文獻286
第1章緒論
1.1微生物吸附劑的定義
微生物吸附劑指能有效地從水體或氣體中吸附、分離或去除某些成分的微生物或其衍生物，主要包括細菌、真菌、藻類或有機化合物等。它*早被用于水體中重金屬等無機化合物的分離，之后隨著研究的深入和擴展，微生物吸附劑也被用于染料、放射性元素、殺蟲劑、持久性有機化合物等生物難降解和有毒有害物質的分離和富集。
微生物吸附劑處理重金屬廢水實質上是利用細菌、真菌、酵母菌、藻類等微生物材料及其生理代謝活動的產物吸附、轉化、積累和去除廢水中的重金屬，并通過化學、物理等不同方法使重金屬從吸附劑上解吸、釋放出來，從而實現吸附劑的再生和重金屬的分離和回收。
1.2微生物吸附劑菌種的種類
研究表明，可用于制備吸附劑的微生物種類非常豐富，包括細菌、酵母菌、霉菌和藻類等。近年來研究較多的微生物吸附劑菌種見表1-1
表1-1微生物吸附劑的種類-王建龍和陳燦
微生物是地球上種類*多、繁殖能力*強的物種，若能將其用作生物吸附的原材料，將是取之不盡的廉價資源。發酵工業產生的大量廢菌體（如釀酒酵母、面包酵母、根霉菌屬、枯草芽孢桿菌等）也是一種極具潛力的吸附劑。在這些微生物吸附劑中，就吸附效果而言，酵母、曲霉、青霉和毛霉等幾個屬的微生物極具應用前景，因為這些屬的微生物中既包含具有高度吸附專一性的菌株，又包含具有吸附廣泛性的菌株。
1.3微生物吸附劑的特性
微生物吸附法處理重金屬廢水越來越受到青睞，主要是因為微生物吸附法與傳統的化學、物理法相比，具有無法比擬的優點。
與傳統的吸附劑相比，微生物吸附劑具有以下主要特性：①適應性廣，能在不同范圍的PH和溫度條件下進行加工操作②金屬選擇性好，能從溶液中吸附重金屬離子而不受堿金屬離子的干擾③金屬離子濃度的影響小，在低濃度（<10mg.L）和高濃度（>100mg.L）下都具有良好的金屬吸附能力④對有機化合物的耐受力好⑤再生能力強、步驟簡單，再生后吸附能力無明顯降低⑥節能、處理效率高。
利用微生物吸附法治理重金屬廢水時，不僅是具有活性的微生物吸附劑，死體的微生物吸附劑同樣也具有較好的吸附效果。同時不同微生物對同一種金屬的吸附去除效率是不同的。一般情況下，每一種金屬都有其特定的**微生物吸附劑。
表1-2顯示了不同微生物對同一種金屬吸附量的顯著差異。
表1-2不同微生物對同一種金屬吸附量的比較
1.4微生物吸附劑吸附性能的影響因素
研究微生物吸附的影響因素，進而確定**的吸附條件是保證微生物吸附劑有優良穩定吸附效果的前提。影響微生物吸附劑吸附重金屬能力的因素很多，主要包括三個方面：微生物因素、重金屬因素、環境因素。其中微生物因素包括代謝能力、生理狀態、細胞年齡、存在狀態等；重金屬因素包括重金屬的濃度、化學形態和價態等；環境因素包括PH、溫度、吸附時間和吸附液中的共存離子等。
1.4.1微生物因素
1.微生物吸附劑的預處理
微生物吸附劑的預處理是指在處理重金屬廢水之前，通過干燥、堿化、酸化或化學修飾等物理 化學方法處理微生物細胞。適當的預處理可有效提高微生物吸附劑對重金屬的去除能力及吸附劑的穩定性。這是因為在酸、堿、無機鹽或氨基酸等物質的作用下，微生物細胞表面的理化特性發生改變，例如：①增加細胞表面的有效基團②改變細胞壁上關鍵酶的結構和催化性能③通過幾種不同基團間建立化學交聯而達到提高酶活性的目的④對細胞壁表面基團進行修飾，提高微生物吸附劑的選擇性⑤改變微生物表面電荷，增加細胞的有效吸附位點。
已有文獻報道，干燥處理后的真菌鳳尾菇對廢水中cd的去除能力顯著提高，且冷凍干燥的效果比高溫干燥好。經乙醇處理的廢棄酵母菌細胞對廢水中cd和pb的吸附量分別達15.63mg(干重)和17.49mg(干重)，分別比對照實驗組增加了2倍和1倍等。發現，處理后的氧化亞鐵硫桿菌對重金屬離子的吸附量顯著增加，其原因是堿處理使細胞表面的吸附位點去質子化，使細胞表面的羥基增多，從而增加金屬的有效吸附位點。
2.微生物吸附劑的細胞壁微生物細胞與動物細胞的**區別在于細胞原生質膜外有明顯的細胞壁。它既可以避免微生物受到外界環境的傷害，又可以控制原生質和周圍環境之間的物質交換，細胞壁直接與外界環境接觸，并可以與液態介質中的可溶性物質發生作用。雖然細胞壁不是微生物發生吸附的**部位，但卻是*早與污染物接觸的部位，細胞壁上的有效基團、關鍵蛋白酶、離子通道是重金屬吸附、絡合和轉運的主要位點，因此，細胞壁的特殊結構在微生物吸附中起重要作用。
3.微生物吸附劑的菌齡通常來說，微生物吸附劑的吸附效率與菌齡密切相關。有研究認為，細胞在生長對數期和衰亡期對重金屬的吸附能力強于生長穩定期。這與微生物細胞的代謝有關，同時又與體系中的溶液環境變化相關。對數期細菌的細胞運動能力強，表面胞外聚合物的數量多且質量較好。細胞的運動能力不僅可以增加微生物與吸附質的接觸機會，而且運動細胞所產生的動能可以克服微生物與吸附質之間的靜電斥力；胞外聚合物中的多糖、蛋白質及核酸等生物大分子通過含有的帶電官能團，如羧基、磷酰基、氨基和羥基等和金屬陽離子相互作用。這是導致對數期微生物具有較高吸附量的原因。
有研究者發現，死細胞對某些金屬也具有與活細胞相似甚至更高的吸附量，而且不受體系中有毒物質的限制，也不需要營養物質供給，所以更具有開發成吸附劑的潛力。不過也有研究表明，處于穩定期的微生物對重金屬的吸附能力**。但由于一些細菌的芽孢，外霉素和抗生素等有害代謝產物大多在穩定期大量產生并積累，體系中營養物比例、溶液PH和E值等理化條件不利于微生物生長繁殖，因此，該階段的細胞開始趨向衰亡，吸附能力減弱.
4.微生物吸附劑對重金屬的選擇性
微生物吸附劑對重金屬具有一定的選擇性。這與吸附劑構造、官能團及重金屬在溶液中的化學形態、大小、鍵能等因素有關。例如，小球藻、黑曲霉、褐藻等對金的選擇吸附性強，假絲酵母、枯草桿菌、氰基菌對鉻的選擇吸附能力大。同時由于水體中重金屬離子一般以水合金屬離子M、強堿、絡合物及金屬有機物等不同形態存在，這更加促進了微生物吸附劑的吸附選擇性。
5.微生物吸附劑的粒徑
微生物吸附劑粒徑對生物吸附量有明顯的影響，主要是粒徑決定吸附劑比表面積的大小及有效吸附位點的多少。吸附劑粒徑太大、太小都不利于吸附處理。若利用曲霉處理含鉻廢水，大徑菌絲球的去除率比小徑菌絲球低4%，但采用的大徑菌絲球對各種金屬離子的單位吸附量均超過了小徑菌絲球。因此，吸附劑的粒徑1~3mm比較適宜，這與金屬在吸附劑中的內擴散及吸附劑內表面積的利用狀況有關。
微生物吸附劑固定化是指通過包埋、吸附、交聯等物理、化學作用將游離的細胞或蛋白酶定位于限定區域，改變吸附劑本身的粒徑、運動能力等性能，但仍保持其活性 載體不同，固定化微生物吸附劑的吸附量也不一樣。無機載體大多具有多孔結構。例如，活性炭具有發達的孔隙結構和比表面積，且表面較粗糙，為微生物生長和繁殖提供了空間，有利于增加細胞密度和有效的吸附位點。微生物在有機物等其他載體表面黏附生長，一般載體的大小決定吸附劑的粒徑及有效作用面積的大小。
另外，雖然較大粒徑吸附劑有時表現出良好的吸附性能，但小粒徑吸附劑的耐壓能力卻優于大粒徑吸附劑，因此，在實際操作過程中必須綜合考慮幾方面的因素。
6.微生物的存在狀態
微生物的存在狀態（游離的或被固定在載體上）對其處理重金屬廢水的效果具有顯著影響，且對不同的重金屬種類其作用效果存在差異。例如，游離的酵母菌細胞對pb和zn的吸附量分別為79.2mg.g（干重）和23.4mg.g（干重），而當用明膠載體固定后，其吸附量分別為: 41.9mg.g（干重）和23.4mg.g（干重）。固定化微生物細胞富集水體中的重金屬時，其實際上起著生物離子交換樹脂的作用。微生物吸附劑固定化可以大幅度地提高參加反應的微生物濃度，增強耐環境沖擊能力。固定化的微生物具有生物量高且穩定、不易流失、反應速率快、耐毒害能力強、產物容易分離、能實現連續操作等特點，使其在廢水處理和受污染水環境的修復中更實用。
7.微生物的生理條件
微生物吸附包括活細胞和死細胞的吸附，而細胞是否具有活性對其吸附重金屬也有較大的影響。非活性微生物吸附劑主要通過物理、化學機制去除重金屬離子，涉及離子交換、表面絡合、靜電吸附等，主要受細胞表面組分和性質的影響，其表面吸附決定吸附速率快、可逆的特點，而活性微生物吸附劑的吸附特點則是吸附速率較慢且可逆性差，因為其吸附過程包含表面吸附和胞內積累兩個階段，雖然**個階段的速率很快，但第二個階段是一個主動運輸的過程，吸附在細胞表面的重金屬離子緩慢地進入細胞內部進行積累，該過程與細胞的生理代謝活動相關。微生物的活性不僅影響吸附速率，而且影響吸附量的大小。例如，對于zn，活性釀酒酵母的吸附量低于非活性的細胞；對于cu恰恰相反，非活性釀酒酵母的吸附量低于活性的細胞孟令芝等。但活性與非活性微生物吸附劑在吸附量上的差異還沒有合理的解釋。
1.4.2重金屬因素
廢水中重金屬的濃度、化學形態和價態等都會影響微生物吸附劑的吸附效果。某些重金屬的價態和化學形態不同，其毒性也有很大的差異。例如，對于重金屬鉻離子，cr可以參與細胞的糖代謝過程，而cr毒性很強；甲基汞比hg和hg2毒性更大，易溶于脂類中且在生物體內不易被分解，有機錫的生物毒性明顯強于游離態的錫和金屬錫。
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