2.4　重金屬污染廢水生物修復的影響因素

影響微生物吸附的因素很多，受吸附劑、金屬離子本身的物理化學性質以及各種操作的環境條件的影響，如pH值、光、溫度、金屬離子濃度和共存離子等，也取決于某些生理條件，如微生物細胞是活性或非活性。

2.4.1　pH值

金屬離子溶液pH值是影響微生物吸附的重要因素，許多研究表明，在一定的pH范圍內，吸附量隨pH值的升高而增大。黃民生等[37]用曲霉吸附鉛離子和鎘離子時發現，pH值從4.0升到5.5時，吸附量隨pH值的升高而增大，而pH值提高到6.0以后，吸附量逐漸下降。pH值低時，微生物細胞壁上的各種基團被氫離子所占據，從而阻礙金屬離子的吸附，且pH值越低，阻力越大。當pH增大時，會暴露出更多帶負電荷的吸附基團，有利于金屬離子吸附在細胞表面。pH值過高對金屬吸附亦存在不利影響。當溶液pH值超過金屬離子沉淀的上限時，溶液中的金屬離子以氫氧化物的形式存在，微生物可吸附的游離金屬離子減少，所以金屬離子的吸附量急劇減少。

2.4.2　溫度

過高或過低的溫度都會使吸附量有所降低，但是總的來說，溫度對微生物的吸附量的影響不如pH值那樣明顯。吳涓等[38]研究了溫度對白腐真菌吸附鉛離子的影響，結果表明:28℃和35℃時的吸附率分別為95.62%和94.81%，40℃時的吸附率為82.49%，溫度對吸附影響不大。黃民生等研究了溫度對啤酒酵母吸附的影響，結果為溫度在20～50℃范圍內，隨著溫度的升高啤酒酵母吸附量有一定的增加。但由于升溫會增加運行成本，因此在微生物吸附過程中不宜采用高溫操作。

2.4.3　共存離子

當溶液中存在其他金屬離子時，一般都會抑制主要金屬離子的吸收。這是因為這些共存離子與主要離子競爭細胞上有限的帶負電荷的基團，從而導致主要金屬離子的吸附量的減少。例如吳涓等[38]考察了銅、鋅、鎘三種離子對鉛離子吸附能力的影響，結果發現這些共存離子的存在均使鉛離子的吸附量下降。但也有例外，牛慧等的研究發現，非活性產黃青霉對鉛離子的吸附受到鎘、鋅、銅、二價砷等離子的影響，其中鎘離子、二價砷離子對鉛離子的吸附影響很小，鎘離子使鉛離子的吸附量略有增加，鋅離子則使鉛離子的吸附量減少。

2.4.4　微生物吸附劑的預處理

微生物吸附劑的預處理：研究表明，對微生物吸附劑進行一些物理、化學的預處理，如用酸、堿浸泡或加熱等方法，可以不同程度改變其吸附能力。吳涓等[38]研究發現經過堿處理的白腐真菌吸附鉛離子的能力大大提高，在0.1mol/L的NaOH溶液浸泡40min，吸附量可以達到23.66mg/g，明顯大于未經堿處理的白腐真菌的吸附量（16.06mg/g）。認為堿處理可從細胞壁上除去無定形多糖，改變葡聚糖和甲殼質的結構，從而允許更多的Pb2+吸附在其表面。同時NaOH可溶解細胞上一些不利于吸附的雜質，暴露出細胞上更多的活性結合點，使吸附量增大。此外，堿處理使得細胞壁上的H+解離下來，導致負電性官能團增多，吸附量也會增大。黃民生等研究發現，經10%的甲醛、1%氯化汞和0.1mol/L的碳酸銨處理后，啤酒酵母對U的吸附效果明顯增加;而經0.1%谷氨酸、0.1%天冬氨酸和0.1mol/L的EDTA和0.1mol/L的硝酸處理后，啤酒酵母對U的吸附效果明顯降低。

2.4.5　影響微生物吸附-浮選的物理和化學因素

2.4.5.1　疏水作用

微生物具有許多獨特的表面化學性質，如較高的負電性和較強的疏水性，決定其表面性質的主要因素是它表面細胞壁的化學結構。其脂多糖、脂蛋白中含有大量長鏈脂肪酸等，這種非極性的碳氫鏈導致了表面疏水性。當與重金屬離子吸附作用后，可使重金屬離子從親水變成疏水，疏水性的重金屬離子易采用浮選法除去。單位膜基質是由磷脂組成的，疏水基向內，親水基向外與水相連。在磷脂雙分子膜中，埋入基質的是蛋白質，橫跨脂肪酸雙分子層的區城具有疏水特性，親水蛋白質和其他帶電荷的物質如金屬離子可附著在親水表面，這個通常被稱為單位膜，由磷脂雙分子層組成，蛋白質嵌入其中。細胞膜的主要蛋白通常有高度疏水的外表面，與高度的非極性脂肪酸緊密結合。整合膜蛋白實際上跨過雙分子層，因此它的表面暴露在細胞的內部和外部。細胞質膜的整個結構的穩定性主要依靠氫鍵和疏水作用。此外，陽離子如Mg2+、Ca2+也與磷脂類的負電荷結合，從而有助于膜結構的穩定。

2.4.5.2　氫鍵

通常認為氫鍵鍵合是普遍存在的吸附機理。傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）、核磁共振（NMA）和拉曼光譜等表面分析表明，這種吸附行為與藥劑表面結構和金屬離子種類有關[39]。由于細菌表面具有多個功能團，可與藥劑及離子在多個部位形成氫鍵。

2.4.5.3　靜電作用

廢水中的重金屬離子，多數帶正電，如Hg2+、Cd2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+等。有些高價重金屬離子雖然帶負電，但可通過還原作用將它轉變成帶正電的離子，如等帶負電的離子通過還原作用轉變成帶正電的Cr3+，帶正電的重金屬離子廢水可用細菌來治理。細菌最外的表面具有荷負電的基團（磷酸鹽、羧酸鹽等），游離的羧酸鹽荷磷酸鹽基團的pKa值位于pH值2～4范圍，荷負電的細菌細胞可與荷正電的金屬離子發生靜電作用，特別是在高于細菌等電點時。

2.4.5.4　細胞表面成分對吸附-浮選的影響

（1）氨基酸的電離　所有的蛋白質均由同一組共20種標準氨基酸構成，典型的氨基酸有氨基）、羧基（—COOH）、氫原子（H）和側鏈（R基）結合到中心α-碳原子（Cα）上。在中性pH值條件下，氨基質子化），而羧基離子化（COO-），此時，氨基酸是個兼性離子。

帶有能離子化側鏈的那些氨基酸有一個附加的酸-堿基團，在低pH值時，氨基和羧基都質子化，因而氨基酸呈陽離子形式H3N+CH2COOH；當用增加強堿的量滴定氨基酸溶液時，它失去兩個質子，首先從有較低pK值（pK=2.3）的羧基（基團在此pH時是一半解離），然后從有較高pK值（pK=9.6）的氨基；當其不帶電荷時，此時的pH值稱為等電點（pI）。所有的20種標準氨基酸的α-羧基的pK值為1.8～2.9，而它們α-氨基的pK值在8.8～10.8。當氨基酸相互連接成蛋白質時，只有其側鏈基團和末端的α-氨基和α-羧基是可以離子化的。

（2）氨基酸側鏈的疏水化與氫鍵　20種氨基酸的側鏈有很大的區別，有些側鏈是非極性的，表現出疏水性；而其他一些側鏈是極性的或是在中性pH值下離子化的，表現出親水性。由于單個氨基是兼性離子，所以是水溶性的。按照側鏈，它可分為6種脂肪族、3種芳香族、2種含硫、2種醇類、3種堿性、2種酸性和2種酰胺氨基酸，其中脂肪族、芳香族、含硫氨基酸都具有疏水性，而天冬氨酸和谷氨酸是二羧基氨基酸，它們的側鏈在pH=7時都離子化了，所以在蛋白質中是帶負電荷的。這兩個氨基酸經常出現在蛋白質的表面上。另外，蛋白質是氨基酸以肽鍵連接在一起的線性序列。肽鍵是一個氨基酸的α-氨基和另一個氨基酸的α-羧基之間的共價鍵。線性序列的肽鍵構成蛋白質的一級結構，而蛋白質的二級結構涉及多肽鏈的局部的有規律折疊，三級結構涉及多肽鏈中所有氨基酸的三維排布，這些具有生物活性的天然的構象由多重非共價鍵所維持。

多肽螺旋結構的穩定性部分是由于在螺旋不同部分之間形成一些弱的靜電鍵，稱為氫鍵。原子核對軌道電子的吸引稱為親電子性，不同的原子是不等的，它依賴于原子核中的質子數目。羰基中氧原子比碳原子更親電子。氧原子帶負電荷δ-，碳原子帶正電荷δ+，而氫原子比碳原子和氧原子的親電子性小。因此，弱的靜電鍵可以在兩個氨基酸的羰基氧原子和氨基氫原子或羥基氫原子之間形成。在多肽螺旋中，可以沿著多肽形成大量的氫鍵，提供很大的結構穩定性。

（3）肽聚糖與表面脂多糖　細胞壁是由肽聚糖構成的，它是寡糖類和蛋白質的復合物。寡糖是單糖，是用糖苷鍵連接到蛋白質（糖蛋白）或脂質（糖脂）的短肽鏈。單糖的通式為（CH2O）n，由許多羥基的碳鍵和一個醛基或一個酮基組成。在開鏈構型中含有一個游離醛基或酮基的糖能還原銅離子（Cu2+）為亞銅離子（Cu+），由此稱為還原糖。其中，由氨基（通常是乙酰化的）取代一個或一個以上羥基的氨基糖（例如乙酰葡萄糖胺）及其糖衍生物是許多糖蛋白的常規組分。

多糖是單糖連接在一起的長鏈，主要的儲存多糖是糖原（在動物中）、淀粉（在植物中）和葡聚糖（在酵母和細菌中）。纖維素是結構多糖，存在于植物細胞壁中。葡聚糖是葡萄糖殘基主要以6鍵連接的葡萄糖高聚物。它所形成的脂多糖是革蘭陰性菌的主要表面成分，約占細菌干重的3.4%。每個細菌表面約有一百多萬個脂多糖分子，它和蛋白質、磷脂、脂蛋白等共同形成革蘭陰性菌細胞壁的外膜。O-特異性多糖鏈具有親水性，帶負電荷。作為主要表面成分，脂多糖在細菌和外環境的相互作用中扮演著重要角色。

（4）膜與脂肪酸鏈　脂肪酸有一長的烴鏈，其一端為羧基。絕大多數的脂肪酸有著偶數的碳原子，而且不是側鏈。脂肪酸是膜的組成成分，膜構成環繞細胞和獨特區室的界面，起著選擇性通透屏障的作用，并參與信號傳遞過程。所有膜都含有不同數量的脂質和蛋白質，而某些膜還含有少量糖類，在膜中主要有三類脂質：甘油磷脂、鞘質和固醇。它們主要由脂肪酸的碳氫鏈和一個磷酸化的頭部基團組成，脂肪酸的碳氫鏈疏水而極性頭部基團親水，易形成雙分子層或微團。