馬燕 余曉斌

（江南大學(xué)生物工程學(xué)院 釀酒科學(xué)與酶技術(shù)研究中心，無錫 412122）

絲狀真菌生物富集重金屬?gòu)U水的研究進(jìn)展

馬燕 余曉斌

（江南大學(xué)生物工程學(xué)院 釀酒科學(xué)與酶技術(shù)研究中心，無錫 412122）

重金屬?gòu)U水是對(duì)環(huán)境污染最嚴(yán)重和對(duì)人類危害最大的工業(yè)廢水之一。絲狀真菌生物富集重金屬是處理廢水的一種重要的方法，近十幾年來一直是研究熱點(diǎn)。首先介紹了去除廢水中重金屬的常規(guī)方法：化學(xué)沉淀法、離子交換法和吸附法的優(yōu)缺點(diǎn)。尤其是生物吸附法的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：吸附劑材料廉價(jià)，耗費(fèi)少，吸附重金屬離子效率高，適用條件廣，生物體吸附劑可重復(fù)使用，特別適合于微量重金屬?gòu)U水的處理；其次，介紹了應(yīng)用到富集重金屬的絲狀真菌種類，如根霉（Pb2+、Cd2+、Cr5+）、毛霉（Pb2+、Ni2+、Cd2+、Zn2+）、曲霉（Pb2+）、木霉（Zn2+、Pb2+）和擔(dān)子菌（Cu2+、Pb2+、Cd2+）等都在重金屬?gòu)U水中取得較理想的效果；介紹了生物富集重金屬的機(jī)理，主要是細(xì)胞外、細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)富集重金屬離子的機(jī)理；最后介紹了影響生物富集重金屬效果的幾種因素：pH值、重金屬離子初始濃度和吸附劑的比例、富集溫度、共存離子，展望了絲狀真菌富集重金屬的研究，旨為推廣絲狀真菌在富集重金屬?gòu)U水中的應(yīng)用，并為即將投入新品種的絲狀真菌富集重金屬的研究奠定基礎(chǔ)。

絲狀真菌；生物富集；機(jī)理；展望

絲狀真菌廣泛分布于土壤、水體、空氣及動(dòng)植物體，在潮濕的環(huán)境下，會(huì)長(zhǎng)出肉眼可見的菌絲體。絲狀真菌主要分為藻狀菌綱、子囊菌綱、擔(dān)子菌綱以及半知菌類。其中，擔(dān)子菌就是有性孢子產(chǎn)生擔(dān)孢子的一類真菌，大多數(shù)大型真菌都屬于擔(dān)子菌，像蘑菇、靈芝等。

重金屬是比重大于5，原子量在63.5-200.6之間的元素［1］。隨著工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的重金屬?gòu)U水直接或間接排放到環(huán)境中，與有機(jī)物污染不同，重金屬是不可生物降解的，這導(dǎo)致它會(huì)在生物體內(nèi)不斷累積，造成環(huán)境污染，也對(duì)人體健康有害［2］。常見有毒的重金屬主要包括Zn、Cu、Ni、Hg、Pb和Cd等，所以，從廢水中分離出這些重金屬離子對(duì)保護(hù)人體和環(huán)境很重要。

1 去除重金屬的常規(guī)方法

常用的分離重金屬的傳統(tǒng)方法包括化學(xué)沉淀法、吸附法、離子交換法、電解法和膜分離技術(shù)等［3-4］。本文主要介紹化學(xué)沉淀法、離子交換法和吸附法。

1.1 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法（Chemical precipitation）是污水處理術(shù)語(yǔ)，是一種在工業(yè)上有效的、應(yīng)用最廣的處理方法，因其相對(duì)其他方法操作簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉［5］。在沉淀過程中，化學(xué)物質(zhì)與重金屬離子發(fā)生反應(yīng)可以形成不溶性沉淀物，所得沉淀物可以通過沉淀或過濾從水中分離出來，將處理過的水回收［2］。

常用的化學(xué)沉淀法包括氫氧化物沉淀法和硫化物沉淀法。其中氫氧化物沉淀法使用最廣泛，因其相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，pH值易控制。柳健等［6］等曾利用Pb（OH）2去除廢水中的Pb2+。硫化物沉淀法也是去除有毒重金屬離子的有效方法，金屬硫化物沉淀溶解度比氫氧化物沉淀低很多。李肅寧等［7］研究過黃鐵礦去除Au-Cl絡(luò)合物。雖然化學(xué)沉淀法在處理廢水中得到廣泛利用，但其缺點(diǎn)是：處理過程中產(chǎn)生的沉淀物存在二次污染、消耗大量沉淀劑造成費(fèi)用高、出水重金屬離子濃度高［3，5］。

1.2 離子交換法

離子交換法（Ion exchange）具有高去除率和反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于廢水中重金屬的去除［2］。離子交換法是利用離子交換劑中可交換的基團(tuán)與溶液中各離子的結(jié)合能力不同將它們分開，即固相中的離子與水相中的離子之間的可逆反應(yīng)。常用的離子交換樹脂，無論是合成的還是天然的固體樹脂，都具有特定金屬離子的交換位置。在離子交換過程中所用的材料，合成樹脂優(yōu)先選擇，它們幾乎可以完全去除溶液中的金屬離子［8］。

離子交換樹脂吸收重金離子是在特定的條件下進(jìn)行，如pH值、溫度、初始金屬濃度和反應(yīng)時(shí)間等［9］。除合成樹脂，天然硅酸鹽礦物等也被應(yīng)用于離子交換法處理重金屬?gòu)U水［10］。此法廣泛應(yīng)用于處理水、化工、冶金、醫(yī)藥等領(lǐng)域［11］。但該法也存在對(duì)顆粒物敏感、樹脂具有選擇性且價(jià)格較貴等缺點(diǎn)［3，5］。

1.3 吸附法

吸附法（Adsorption）是指將水樣里一種或多種成分附著到有多孔性的固體吸附劑表面，是目前公認(rèn)的一種有效、經(jīng)濟(jì)的重金屬?gòu)U水處理方法，在設(shè)計(jì)和操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，吸附法具有靈活性，可以得到高質(zhì)量處理過的廢水。另外，吸附法某些情況下是可逆的，所以吸附劑可以通過適當(dāng)解吸過程再生［2］。

吸附具有成本低、操作簡(jiǎn)便、對(duì)有毒物質(zhì)不敏感等特點(diǎn)，對(duì)處理廢水有明顯優(yōu)勢(shì)，吸附方法包括物理、化學(xué)和生物吸附法。而生物吸附法是利用微生物的化學(xué)活動(dòng)對(duì)溶液中金屬進(jìn)行吸附，微生物體及其衍生物對(duì)重金屬的吸附是處理重金屬污染的新型方法，它的主要優(yōu)點(diǎn)是吸附劑材料來源廣，種類多；成本低，吸附量大，處理效率高；反應(yīng)的pH和溫度范圍廣；生物體解吸后可再次使用，特別適合于低濃度重金屬?gòu)U水的處理。生物吸附劑主要來源于細(xì)菌、真菌、藻類等有機(jī)體，已有的大部分研究都集中于細(xì)菌、藻類和絲狀真菌［3，12］。

2 應(yīng)用在生物富集中的絲狀真菌

霉菌（Mold）是對(duì)絲狀真菌的通稱，是在發(fā)酵過程中的一類重要菌，應(yīng)用廣泛，具有可形成菌絲球、富集能力強(qiáng)、固液分離效果好及可回收利用等特點(diǎn)，在重金屬去除應(yīng)用中前景廣闊。

2.1 根霉菌

根霉菌（Rhicopus）對(duì)幾種重金屬富集能力順序?yàn)椋篫n2+＞Cu2+＞Pb2+＞Uo2+＞Cd2+。黑根根霉菌（Rhicopus nigricans）對(duì)Pb2+、Cd2+、Cr5+的富集量能最大達(dá)到37.073 mg/g、52 mg/g 和 14 mg/g［13］。

2.2 毛霉屬

經(jīng)NaOH處理的魯氏毛霉菌（Mucor rouxii）對(duì)金屬 Pb2+、Ni2+、Cd2+和 Zn2+的富集量可以達(dá)到53.75、53.85、20.31 和 20.49 mg/g［13］。

2.3 曲霉屬

曲霉（Aspergillus）在重金屬?gòu)U水處理中應(yīng)用較多。梁峙等研究米曲霉（Aspergillus oryzae）菌絲球?qū)b2+的吸附作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在球徑為1.7 mm-1.8 mm的條件下吸附率最高為67.7%［3］。

2.4 木霉屬

木霉（Trichoderma）主要在微生物農(nóng)藥中運(yùn)用較多。劉永霞等［14］研究發(fā)現(xiàn)，綠色木霉（Trichoderma viride）生物富集重金屬Zn2+、Pb2+吸附量較高。

2.5 擔(dān)子菌

擔(dān)子菌（Basidiomycota）包括食用菌、毒菌和藥用菌等。Chen等［15］研究絲狀白腐菌黃抱原毛平革菌富集Cd（II），Cu（II）和Zn（II）時(shí)最佳條件：pH 5.5-6.5，溫度37℃和時(shí)間為602 h。研究硬田頭菇（Agrocybe dura）和平菇（Pleurotus ostreatus）菌絲體在富集Pb2+、Cd2+時(shí)發(fā)現(xiàn)，菌絲體對(duì)Pb2+的富集有促進(jìn)作用，對(duì)Cd2+的富集有抑制作用［16］。

2.6 其他絲狀真菌

白腐菌（Phanerochaete chrysosporium）具較大能力富集重金屬，李清彪等研究了形成白腐真菌菌絲球的條件對(duì)鉛的吸附發(fā)現(xiàn)，黃泡展齒革菌形成的菌絲球，具有一定機(jī)械強(qiáng)度，并對(duì)鉛離子有較好的吸附能力［3］。

綜上所述，對(duì)于不同的絲狀真菌富集重金屬離子的種類也不一樣，但是縱觀大部分絲狀真菌，對(duì)富集鉛離子都是可行的。

3 生物吸附法富集重金屬的機(jī)理

生物吸附法的吸附機(jī)理，受吸附劑自身生理結(jié)構(gòu)以及外界環(huán)境因素的復(fù)合影響，相當(dāng)復(fù)雜，現(xiàn)無明確完整的定論。但近十幾年國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，生物吸附法機(jī)理可分為細(xì)胞外累積、細(xì)胞表面吸附和細(xì)胞內(nèi)累積，而細(xì)胞外累積僅限于活生物細(xì)胞［17］。

3.1 細(xì)胞外富集機(jī)理

絲狀真菌菌絲在重金屬的脅迫下可以增強(qiáng)分泌低分子量的有機(jī)酸等有機(jī)物的能力，利用有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行螯合和沉淀金屬離子，影響重金屬離子的生物有效性。草酸是研究得最多的低分子量有機(jī)酸，Clausen等［18］利用Cu離子能促進(jìn)褐腐菌和白腐菌的胞外產(chǎn)酸，所產(chǎn)生的草酸能螯合重金屬離子，形成不溶于水的晶體沉淀，并研究了絲狀真菌對(duì)重金屬的耐受能力。一些微生物可以在胞外分泌諸如糖蛋白和脂多糖等細(xì)胞外多聚糖（EPS），這些多聚糖都含有一定數(shù)量的能夠吸附重金屬的負(fù)電荷基團(tuán)［19］。大部分利用EPS吸附重金屬的研究集中于原核微生物，對(duì)于真核微生物十分有限。Breierova等［20］研究得到重金屬離子Cd2+和Ni2+促進(jìn)出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）分泌EPS的量，并提高了出芽短梗霉對(duì)金屬離子的耐受性。

3.2 細(xì)胞表面富集機(jī)理

絲狀真菌富集廢水中的重金屬時(shí)，重金屬暴露遇到第一屏障是細(xì)胞壁，其主要成分包括肽聚糖、蛋白質(zhì)等。林曉燕等［21］探究銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）吸附鎘的機(jī)理發(fā)現(xiàn)，鎘處理后的菌體表面粗糙，有不規(guī)則凸起及有大量沉淀物。從其分子結(jié)構(gòu)看，細(xì)胞壁含有很多能與重金屬離子進(jìn)行配位絡(luò)合的官能團(tuán)，像咪唑基、巰基、PO43-、-NH2、R-CHO、C=O 等。王鶴［22］利用紅外光譜和掃描電鏡發(fā)現(xiàn)節(jié)桿菌屬（Arthrobacter sp.）在吸附Zn2+過程中，菌體表面的活性基團(tuán)參與反應(yīng)。通常認(rèn)為，絲狀真菌細(xì)胞壁上的-OH和C=O等化學(xué)官能團(tuán)是結(jié)合重金屬的主要位點(diǎn)［23］。

細(xì)胞表面富集機(jī)理具體包括配位絡(luò)合、離子交換、氧化還原及無機(jī)微沉淀等［24］。黑曲霉菌株被發(fā)現(xiàn)富集Cu離子是利用多糖類集團(tuán)上的P作為配位原子與Cu配位絡(luò)合造成［25］。

3.3 細(xì)胞內(nèi)富集機(jī)理

絲狀真菌可以利用細(xì)胞外富集和細(xì)胞表面富集機(jī)理吸附廢水中重金屬離子，阻止其進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，但是仍有部分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。細(xì)胞內(nèi)富集是依賴于活體新城代謝消耗能量的過程，屬于主動(dòng)吸附模式，由活體絲狀真菌起吸附劑作用［24］。

對(duì)絲狀真菌細(xì)胞內(nèi)重金屬排出的研究很少，吳優(yōu)等［26］發(fā)現(xiàn)供試菌株DN-1經(jīng)鎘離子處理后胞內(nèi)出現(xiàn)黑色顆粒物，其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有些細(xì)胞胞內(nèi)物質(zhì)外流。相比于植物重金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，絲狀真菌的研究很少［21］。除了排出細(xì)胞內(nèi)的金屬離子，細(xì)胞內(nèi)的富集機(jī)理還包括螯合重金屬作用，研究報(bào)道過的細(xì)胞內(nèi)螯合重金屬的物質(zhì)主要是金屬硫蛋白、植物絡(luò)合素等。金屬硫蛋白是對(duì)金屬離子有親和力的蛋白質(zhì)，其作用是結(jié)合重金屬離子，使其以螯合物形式存在，這也是大型真菌重金屬富集能力比植物強(qiáng)的關(guān)鍵［16］。Jaeckel等［27］研究過 Cd離子可以誘導(dǎo)某水生絲孢菌（Heliscus lugdunensis）產(chǎn)生特殊金屬硫蛋白，每分子該蛋白可以結(jié)合兩個(gè)Cd離子。

4 影響絲狀真菌富集重金屬的因素

4.1 pH值

在酸性條件下，金屬離子以游離狀態(tài)存在，會(huì)與細(xì)胞壁上的質(zhì)子競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合位點(diǎn)，Luo等［28］發(fā)現(xiàn)pH＜2時(shí)，Cd2+和H3O+競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合位點(diǎn)導(dǎo)致不能很好地富集Cd金屬離子；堿性條件下，pH超過金屬離子形成微沉淀的極限，金屬離子會(huì)沉淀為不溶性的氫氧化物或氧化物，從而影響富集過程。最佳富集pH值對(duì)于不同的吸附劑和重金屬離子也是不同的，劉永霞等［14］研究發(fā)現(xiàn)，綠色木霉（Trichoderma viride）生物富集重金屬Zn2+、Pb2+時(shí)，最佳富集pH為7.5，吸附量最高。Chen等［15］研究絲狀白腐菌黃孢原毛平革菌富集 Cd（II），Cu（II）和 Zn（II）時(shí)最佳條件：pH 5.5-6.5。

4.2 重金屬離子初始濃度和吸附劑的比例

菌絲物質(zhì)累積金屬是一個(gè)化學(xué)平衡的可飽和機(jī)制，只要富集位點(diǎn)沒有飽和，富集量就會(huì)隨著金屬的初始濃度增加而遞增［15］。保持吸附劑的投加量不變時(shí)，吸附劑的富集能力隨著金屬離子濃度的增加而增大，但是其富集率會(huì)下降［24，15］。劉永霞等［14］研究發(fā)現(xiàn)，綠色木霉（Trichoderma viride）生物富集重金屬Zn2+、Pb2+時(shí)，金屬離子初始濃度為300 mg/L，富集率最高。程林潔等［29］在研究擬康寧木霉（Trichoderma koningiopsis）富集Cr（Ⅵ）時(shí)，得到在初始濃度為2 mg/L且吸附劑用量為2.5g/L的最佳實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)Cr（Ⅵ）的吸附率達(dá)到80.37%。鄒炎等［4］研究黑曲霉（Aspergillus niger）富集水溶液中Pb2+，菌體吸附率最高時(shí)初始濃度為80 mg/L，吸附率達(dá)到89.5%。

4.3 富集溫度

通常在20-35℃范圍內(nèi)不會(huì)影響生物吸附。在某一范圍內(nèi)，溫度升高可以增加富集位點(diǎn)對(duì)金屬的親和性，或增加某些材料的富集位點(diǎn)數(shù)目。但是溫度過高，可能會(huì)使細(xì)胞表面的富集位點(diǎn)發(fā)生形變導(dǎo)致金屬富集能力下降［15］。鄒炎等［4］研究黑曲霉（Aspergillus niger）富集水溶液Pb2+時(shí)，菌體吸附率最高時(shí)溫度為30℃。Chen等［15］研究絲狀白腐菌黃抱原毛平革菌富集 Cd（II），Cu（II）和 Zn（II）時(shí)最佳溫度為37℃。閆建芳等［30］研究龜裂鏈霉菌GQ-17（Streptomyces rimosus GQ-17）對(duì) Pb2+吸附性時(shí)發(fā)現(xiàn)，富集溫度為48℃，吸附量最大。

4.4 共存離子

同濃度的不同金屬離子共存時(shí)，可能會(huì)影響絲狀真菌對(duì)金屬離子的富集。Cd2+、Pb2+、Hg2+和As3+共存時(shí)，變灰青霉對(duì)單種金屬離子的富集能力降低，但富集金屬離子的總量稍微增加，富集量大小順序?yàn)?Pb2+＞Cd2+＞Hg2+＞As3+［15］。但是對(duì)于擬康寧木霉富集Cr（Ⅵ）的研究，Cu2+對(duì)其富集有促進(jìn)作用［29］。

5 結(jié)語(yǔ)

生物吸附劑富集重金屬的研究在近十幾年迅速發(fā)展，得到了很多經(jīng)驗(yàn)和成果。而且絲狀真菌在生態(tài)系統(tǒng)中隨處可見，將其很好地運(yùn)用到重金屬污染處理中有重要的意義。雖然絲狀真菌富集重金屬的研究已經(jīng)得到重視，而且也進(jìn)行了很多研究，但還是有很多問題亟待解決。（1）絲狀真菌對(duì)重金屬離子的生物富集的機(jī)理沒有確切的認(rèn)識(shí)。胞外分泌的物質(zhì)用何種方式與金屬離子進(jìn)行螯合作用，并且這些螯合物的結(jié)構(gòu)如何均未知。這些對(duì)于開發(fā)高效的生物吸附劑具有重要的研究?jī)r(jià)值。（2）對(duì)于重金屬離子富集的影響因素中，其具體的影響機(jī)理尚未完全弄明白，如果能找到最佳的影響因素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)于高效處理重金屬污染將會(huì)大大減輕工作量。（3）并非每種絲狀真菌都對(duì)重金屬的富集有效，所以還需要加強(qiáng)各種絲狀真菌的研究。雖然目前正在研究的虎乳靈芝的富集效果暫時(shí)無法得知，但是對(duì)于絲狀真菌大家族對(duì)富集重金屬離子的研究效果，相信其在未來在富集某重金屬離子的研究中會(huì)有一席之地。

綜上所述，絲狀真菌的生物富集對(duì)于環(huán)境污染處理有很大的幫助，有廣闊的應(yīng)用前景。

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Research Progress on Bioaccumulation of Heavy Metals in Wastewater by Filamentous Fungi

MA Yan YU Xiao-bin
（School of Biotechnology，Jiangnan University，Wuxi 214122）

Wastewater containing heavy metals is the one that most seriously pollutes environment and damages human health.Bioaccumulation of heavy metals by filamentous fungi is an important mean for processing heavy metal wastewater，and it has been a hot research topic in recent years. Firstly，the advantages and disadvantages of conventional methods of removing heavy metals from wastewater were reviewed，including chemical precipitation，ion exchange and adsorption. Among them，biosorption owns special advantages，such as low price and low consumption of biosorbents，its high effectiveness in absorbing the heavy metal ions，wide application and biosorbents reusable，thus biosorption is particularly suitable for the treatment of trace heavy metal wastewater. Secondly，the types of filamentous fungi that were applied to the removal of heavy metals were introduced，such as Rhicopus（Pb2+，Cd2+，and Cr5+），Mucor（Pb2+，Ni2+，Cd2+，and Zn2+），Aspergillus（Pb2+），Trichoderma（Zn2+and Pb2+），and Basidiomycota（Cu2+，Pb2+，and Cd2+）；they all presented ideal results in removing heavy metals. Thirdly，the mechanisms of bioaccumulation were summarized，mainly about extracellular，cell surface，and intracellular absorption of heavy metals. Lastly，the several factors affecting the efficiency of removing heavy metals（pH，initial concentration of heavy metal ions，proportion of adsorbent，temperature，and coexisted ions）were discussed，as well as the future of studying filamentous fungi was prospected. It is aimed at expanding the application of filamentous fungi in the heavy metal accumulation from wastewater and laying a foundation for initiating new types of filamentous fungi in accumulating heavy metal from wastewater.

filamentous fungi；bioaccumulation；mechanisms；prospect

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017-0516

2017-06-21

馬燕，女，碩士研究生，研究方向：發(fā)酵法生產(chǎn)功能食品；E-mail：919589845@qq.com

余曉斌，男，博士后，教授，研究方向：發(fā)酵法生產(chǎn)功能食品/因子，酶技術(shù)；E-mail：xbyu@jiangnan.edu.cn

（責(zé)任編輯 狄艷紅）