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重金属污染与微生物处理


什么是重金属?
化学上常把密度大于4.5g/cm3,主要有 金、银、铜、铅、锌、镍、钴、铬、汞、 镉等大约45种 。其中对人体毒害最大的有 5种:铅、汞、铬、砷、镉。这些重金属在 水中不能被分解,人饮用后毒性放大,与 水中的其他毒素结合生成毒性更大的有机 物。

常见的重金属污染
1 2 3 4 5 汞污染 镉污染 铬污染 铅污染 砷污



汞(Hg)污染
来源:主要来源于仪表厂、食盐电解、贵金属冶炼、化妆品、 照明用灯、齿科材料、燃煤、水生生物等。 危害:血液中的金属汞进入脑组织后,逐渐在脑组织中积累, 达到一定的量时就会对脑组织造成损害,另外一部分汞离子 转移到肾脏。进入水体的无机汞离子可转变为毒性更大的有 机汞,由食物链进入人体,引起全身中毒作用;如果急性汞 中毒,会诱发肝炎和血尿。 易受害的人群有女性,尤其是准妈妈、嗜好海鲜人士;天然 水中含汞极少,一般不超过0.1μg/L。 正常人血液中的汞小 于5-10微克/升,尿液中的汞浓度小于20微克/升

水俣病事件

甲基汞中毒

1953年--1968年,发生在日本熊本县的水俣镇。水俣镇一 家氮肥公司在生产氯乙稀和醋酸乙稀时,采取了低成本的 汞催化剂工艺,排放到海湾中的废水含有重金属汞,然后 汞经过生物化学反应转变成甲基汞,通过食物链富集在鱼 虾和贝类体中,人或动物长期食用后就会中毒。 1950年,人们开始发现一些奇怪的猫,步态不稳,抽 筋麻痹,最后跳入水中溺死,当地人称之为“自杀猫”, “猫跳海”。1953年,该镇发现了一些奇怪的病人,开始 时口齿不清,步态不稳,面部痴吴,进而耳聋眼瞎,全身 麻木,最后神经失常,身体弯弓惨叫而死。人们将这种病 称为“水俣病”。1991年,日本环境厅公布的中毒病人仍 有2248人,其中1004人死亡。

水俣事件

镉(Cd)污染
来源:镉主要来源采矿、冶炼、燃料、电池和化学工业等排放 的废水;废旧电池中镉含量较高、也存在于水果和蔬菜中,尤 其是蘑菇,在奶制品和谷物中也有少量存在。 危害:镉不是人体的必要元素。镉的毒性很大,可在人体内 积蓄,主要积蓄在肾脏,引起泌尿系统的功能变化;镉能够 取代骨中钙,使骨骼严重软化,骨头寸断,会引起胃脏功能 失调,干扰人体和生物体内锌的酶系统,导致高血压症上升。 镉会对呼吸道产生刺激,长期暴露会造成嗅觉丧失症、牙 龈黄斑或渐成黄圈,镉化合物不易被肠道吸收,但可经呼吸 被体内吸收,积存于肝或肾脏造成危害,尤以对肾脏损害最 为明显。还可导致骨质疏松和软化

易感人群
主要是矿业工作者、免疫力低下人群。水中含镉0.1mg/L时, 可轻度抑制地面水的自净作用,用含镉0.04Mg/L的水进行灌 溉时,土壤和稻米受到明显污染,农灌水中含镉0.007mg/L 时,即可造成污染。正常人血液中的镉浓度小于5微克/升, 尿中小于1微克/升。如果长期摄入微量镉容易引起骨痛病。

骨痛病事件 (富山事件)
1955年--1972年,发生在日本的富山市。日本三井金属公司排出 的含镉废水流入神通川河,重金属“镉”逐渐在河流中积累。神通 川河岸的老百姓人长期饮用含镉河水,食用浇灌含镉河水生产的稻 谷,重金属“镉”就富集在人体中,危害人体健康。 日本富山县的铅锌矿在采矿和冶炼中排放废水,废水在河流中 积累了重金属"镉"。人长期饮用这样的河水,食用浇灌含镉河水生 产的稻谷,就会得"痛痛病"。病人骨骼严重畸形、剧痛,身长缩短 ,骨脆易折。患者初发病时,腰、手、脚疼痛,以后疼通逐渐加剧 ,渐渐变成全身骨痛,行动困难,出现骨萎缩,骨弯曲,骨软化等 症状,进而发生自然骨折。病人日夜卧床,不断喊痛,最后在疼痛 中死运去,这就是世界著名的骨痛病。经患者尸体解剖,有的患者 全身骨折达72处,身长也缩短了30厘米。在此事件中,就诊患者 258人,其中死亡者207人。

铬(Cr)污染
主要来源于劣质化妆品原料、皮革 制剂、金属部件镀铬部分,工业颜 料以及鞣革、橡胶和陶瓷原料等; 如误食饮用,可致腹部不适及腹泻 等中毒症状,引起过敏性皮炎或湿 疹,呼吸进入,对呼吸道有刺激和 腐蚀作用,引起咽炎、支气管炎等。 水污染严重地区居民,经常接触或 过量摄入者,易得鼻炎、结核病、 腹泻、支气管炎、皮炎等。

毒胶囊事件
河北一些企业,用生石灰处理 皮革废料,熬制成工业明胶,卖 给绍兴新昌一些企业制成药用胶 囊,最终流入药品企业,进入患 者腹中。由于皮革在工业加工时 ,要使用含铬的鞣制剂,因此这 样制成的胶囊,往往重金属铬超 标。经检测,修正药业等9家药厂 13个批次药品,所用胶囊重金属 铬含量超标。重金属铬超标最多 达90倍

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铅污染
主要来源于各种油漆、涂料、蓄电池、冶炼、五金、机械、 电镀、化妆品、染发剂、釉彩碗碟、餐具、燃煤、膨化食品、 自来水管等 。 它是通过皮肤、消化道、呼吸道进入体内与多种器官亲和,主 要毒性效应是贫血症、神经机能失调和肾损伤,易受害的人群 有儿童、老人、免疫低下人群。铅对水生生物的安全浓度为 0.16mg/L,用含铅0.1~4.4mg/L的水灌溉水稻和小麦时,作 物中铅含量明显增加。人体内正常的铅含量应该在0.1毫克/升, 如果含量超标,容易引起贫血,损害神经系统。而幼儿大脑受 铅的损害要比成人敏感得多。

化妆品
主要重金属:汞、铅、铋,来自美白类化妆品及 颜色亮丽的唇膏 。
主要危害:含有汞的美白类化妆品会引起接触性皮炎、 红斑丘疹、水疱,愈后面部色素加深。含铅化妆品易引 起粉刺、红斑、脱皮、过敏性皮炎、皮肤癌、毁容等。 唇膏中的铋长期被误食入体内会对肝、肾造成伤害。
美白类化妆品中普遍含有汞和铅, 汞能减少皮肤的黑色素生成。铅也有 美白效果,可使皮肤明显光滑、白细 ,黑斑和粉刺也迅速消退。唇膏中往 往含有铋,铋能增加唇膏的光泽。

染发剂
劣质染发剂对人体健康的损害尤为严重。制假分子难 以把握其生产技术,他们往往将几种化学物质拼在一起, 其中铅、汞等有害物质含量非常高,消费者使用时极易引 起中毒。 染发剂接触的是人的头皮,那里是人体毛囊最多、最 密集的部位,这些都是化学成分进入人体的通道。所以, 染料只要接触了头皮,化学毒素就能通过这上面的无数个 “通道”进入人体内。不仅如此,即使染发剂没有直接接 触头皮,但它里面的化学成分经过挥发,形成的气体一样 可以通过毛囊进入人体。为此,要避免染发的危害,最好 就不要染发。

专家建议;每年染发不超过两次!少用 永久性染发剂!不用劣质染发剂!

日常交通
主要重金属:铅,来自汽车尾气 主要危害:铅在废气中呈微粒状态,随
风扩散,可随呼吸进入血液,并迅速地蓄 积到人体的骨骼和牙齿中,它们干扰血红 素的合成、侵袭红细胞,引起贫血;损害 神经系统,严 重时损害脑细胞,引起脑 损伤。当儿童血中铅浓度达0.6~0.8ppm 时,会影响儿童的生长和智力发育,甚至 出现痴呆症状。铅还能透过母体进入胎盘 ,危及胎儿。 虽然早在2000年,中国就开始使用无铅汽油,但公众有一个很大的 认识误区,就是认为“无铅汽油”不含铅。其实,无铅汽油是指含铅量在 0.013g/L以下的汽油,并非含铅量为零的汽油!这些铅和其他有害物质一同 被无数的上班族吸入体内。

砷污染
砷是人体的非必需元素,元素砷的毒 性极低,而砷的化合物均有剧毒,三 价砷化合物比其它砷化合物毒性更强。 砷主要通过呼吸道、消化道和皮肤接 触进入体内。无机砷在肝脏经甲基化 后主要代谢为二甲胂酸,经肾脏排出 体外。当砷的摄入量超过排泄量时, 就会在肺、肾、脾、骨骼等部位,特 别是毛发、指甲中蓄积。三价砷在体 内的蓄积性和毒性均较五价砷大 。

砷中毒,实际上是砷化物,主要是三氧化二砷 中毒。 三氧化二砷,又名砒霜。纯砒霜,色白, 无味,易溶于水,溶解度可高达30%。三氧化 二砷,主要会影响神经系统和毛细血管通透性, 对皮肤和黏膜有刺激作用。中毒后会出现恶心、 呕吐、腹痛、四肢痛性痉挛,最后导致昏迷、 抽搐、呼吸麻痹而死亡。如果是慢性中毒,也 会导致肝肾损害与多发性周围神经炎,最终可 致肺癌、皮肤癌。

砷污染的主要来源
(1)砷化物的开采和冶炼。特别是在我国流传广泛 的土法炼砷,常造成砷对环境的持续污染。 (2)在某些有色金属的开发和冶炼中,常常有或多 或少的砷化物排出,污染周围环境。 (3)砷化物的广泛利用,如含砷农药的生产和使用, 又如作为玻璃、木材、制革、纺织、化工、陶器、 颜料、化肥等工业的原材料,均增加了环境中的 砷污染量。 (4)煤的燃烧,可致不同程度的砷污染。

“人类史上最大的中毒案”
2009年11月报道,孟加拉国可能有两百万人集体 砷中毒,且已经造成多人丧命,未来将有更多人 因此失去生命,堪称人类史上最大的中毒案。孟 加拉国挖掘许多池塘作为养殖鱼类与储水灌溉用, 科学家发现,这些池塘是居民集体砷中毒的罪魁 祸首。科学家很早即知,这些砷来自孟加拉国全 境、数百万个以低科技挖掘的“管状深井”的井 水。讽刺的是,这些井多数是靠国际援助机关开 凿而成。据孟加拉国政府估计,大约有三千万人 饮用含砷量超过50ug/L的水源。

重金属污染
—— Heavy-metal contamination

? 定义:
重金属污染指由重金属及其化合物造成的环 境污染,主要是指生物毒性显著的汞、镉、 铅、铬以及类金属砷,还包括具有毒性的重 金属锌、铜、钴、镍、锡、钒等污染物造成 的污染。

特征 : 重金属污染的最根本特征是不能被降解而 消除,在自然界净化循环中,只能从一种 形态转化为另一种形态,从甲地迁移到乙 地,由高浓度变成低浓度。同时,重金属 污染易通过食物链而富集,从而对人类健 康产生重要影响。目前,重金属污染防治 已成为当今环境研究热点之一。

重金属污染处理方法
传统的处理重金属的物理化学方法很多, 如化学沉淀法、离子交换法、电解法、 反渗透法、萃取法、活性炭吸附法、膜 分离法等。它们各有优点,但不同程度 地存在着投资大、能耗高、操作困难、 易产生二次污染等缺点 。特别是在处 理低含量重金属污染时,其操作费用和 原材料成本相对过高。

生物处理法
生物修复这一过程的修复主体是参与修复的 生物类群,包括微生物、植物、动物及其构成 的生态系统。 微生物对重金属污染土壤的生物 修复作用 主要是通过微生物对重金属的溶解、转化与固 定来实现。

微生物对重金属的抗性机制
?生物吸附 ?胞外沉淀 ?胞内隔绝 ?主动运输 ?生物转化

1.生物吸附
细胞壁是金属进入微生物胞内的第一屏障。通 过静电吸附和官能团(如-COOH、-NH2、-OH、PO43等)络合固定,微生物提供重金属结合位点, 减少向胞内进行运输重金属,保护敏感细胞器。而 对于细胞化学反应需要的金属则可以通过细胞壁运 输到原生质中的特定位点。 微生物吸附机理有四种:

表面络合,离子交换,氧化还原,静电吸附

微生物吸附机理有四种:
(1)表面络合机理:微生物能通过多种途径将重金属

吸附在其细胞表面,细胞壁是重金属离子的积累场所, 细胞壁主要由甘露聚糖、葡聚糖、蛋白质和甲壳质组 成,这些组成中可与重金属离子相结合的主要官能团 包括磷酰基、羟基、羧基、硫酸酯基、氨基和酰胺基 等,其中 H、O、S 等原子都可以提供孤对电子与金 属离子配位络合;
PS:芽孢杆菌属的菌株由于其细胞壁表面存在一 层很厚的、网状的肽聚糖结构,因此都有强大的吸附 金属的能力。

(2)离子交换机理:微生物利用细胞壁上与 重金属离子进行交换,从而使溶液中的重 金属离子浓度得以降低。 PS:离子交换是褐藻吸附金属离子的主 要机制 。离子交换主要是细胞表面的羧基, 其次是硫酸脂基和氨基在生物吸附中发挥 了重要作用。

(3)氧化还原机理:有些菌类本身具有氧化还原能 力,能改变吸附在其上的重金属离子的价态,使 之变成无挥发性和毒性的物质。 PS: 土壤中还分布着多种可以使铬酸盐和重铬 酸盐还原的微生物,如产碱菌属(Alcaligenes)、 芽孢杆菌属、棒杆菌属(Corynebaterium)、肠 杆菌属 、假单胞菌属和微球菌属(Micrococus) 等,这些菌能将高毒性的Cr6+还原为低毒性的 Cr3+ 。

(4)静电吸附机理:微生物细胞的外表面带 有负电荷,因此对带正电荷的重金属离子 具有静电吸附性能。 PS:细菌细胞壁表面带有负电荷。蓝细 菌、真菌和一些藻类可以产生带有负电荷 的胞外多糖。

2.胞外沉淀
分泌胞外蛋白等物质,与重金属结合形成 复合物沉淀,使之不能通过细胞膜进入胞内。

3.胞内隔绝
当重金属进入胞内并有所积累,胞内 隔绝会阻止其对重要细胞器的毒害。 PS:真核微生物如藻类、酵母和真菌 将重金属累积于胞内某些特殊细胞器中

4.主动运输
是一种最主要的重金属抗性机制,由染 色体和质粒编码主动输出系统,将重金属 从胞浆中排出,由多条路径构成。 依赖能量代谢调控,受温度、能源物质 和抑制物影响。 据能量来源可将输出系统分为两类: 1、由ATP水解供能的输出途径 2、由质子梯度供能的输出途径

5.生物转化
微生物对重金属的转化作用:
甲基化作用(硒、汞),还原作用,氧化作用 ( 银 、砷 、金 、铬、 汞、钼 、硒 等)。

重金属离子一旦进入微生物细胞,可通 过氧化、还原、甲基化或去甲基化转化成 价态稳定、毒性较小或无毒的化合物,从 而减轻对生物体的毒害作用。 其中抗性基因编码解毒酶,催化高毒性 金属转化为低毒状态。

微生物对重金属的抗性多是由染色体外的质粒或转座子上 的抗性基因决定。抗性基因编码金属解毒酶催化高毒性金属 转化为低毒形态,其中对微生物汞的转化研究最为清楚。 革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌中都发现了 Hg2 +抗性菌株。 它们含有一套 Hg2 +抗性操纵子(mer),可编码重金属解毒酶、 编码调节蛋白、周质结合蛋白、细胞膜转移蛋白。不但对重 金属解毒,还具有运输及自我调节等一系列功能。 Hg2 +抗性操纵子(mer)可编码2个解毒酶。第一个是有机汞裂 解酶,催化反应式为: RHgX + H++ X RH + HgX2 第二个为汞还原酶,催化反应式: Hg(SR) 2 + NADPH + H+ Hg(0) + NAPDH++ 2RSH 产生的金属汞穿过细胞膜,重新释放到周边环境中。

重金属降解微生物的应用技术 —微生物修复技术
1.微生物淋滤技术 2.微生物表面展示技术 3.细菌表面展示技术 4.酵母表面展示技术 5.噬菌体表面展示技术 6.植物菌根修复技术 7.异位修复技术 8.原位修复技术

1.微生物淋滤技术
利用微生物的直接转化作用或其代谢产物的 间接转化作用 ,产生氧化、还原、络合、吸附或 溶解作用,将固相中某些不溶性成分(如重金属、 硫及其它金属)分离浸提出来的一种技术 。 用于难浸提矿石或贫矿中金属的溶出与回收, 又称微生物湿法冶金。 一些嗜酸细菌被广泛用于铜、金等金属的浸 提。如在氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌作用下, 污泥中难溶性金属硫化物被氧化成金属硫酸盐而 溶出,通过固液分离即可达到取出或提取重金属 的目的。

2.微生物表面展示技术
表面展示技术:利用基因工程手段,将外源目
的基因克隆到特定的表达载体中,使其表达产物 (重金属结合肽)与外膜蛋白或噬菌体外壳蛋白以 融合蛋白的形式呈现在细胞表面或噬菌体表面。 融合蛋白赋予微生物对重金属的亲和力,或增 强其原本的亲和能力。如:通过多肽上的组氨酸和 半胱氨酸等氨基酸残基,实现对重金属的亲和吸附。 PS:重金属结合多肽可以是从抗性菌株中获得的天然多
肽,也可以是人工改造的更高效的合成多肽。

3.细菌表面展示技术
目前 ,已经开发出几个以外膜蛋白、纤毛和鞭 毛为基础的细菌展示系统 ,纤毛与其他载体分子相 比有某些优点 ,它大量呈现在细菌表面 ,与环境持 续接触。 构建重复多肽,如六聚组氨酸多肽、162 个 氨基酸的多聚组氨酸等,可以通过细菌表面展示 用于重金属降解修复。可以提高抗性菌种对某一 重金属的结合能力,而且往往成倍提高。

4.酵母表面展示技术
作为生物吸附剂的表面工程酵母菌 ,其 特性依赖于展示蛋白结合金属离子的能力 , 细胞表面对重金属离子的吸附在细胞对金 属离子毒性的抗性能力方面起主要作用。

5.噬菌体表面展示技术
将外源DNA片段插入噬菌体编码蛋白的基因 PⅢ或PⅥ中,使外源DNA片段对应的表达产物融 合在噬菌体的外壳蛋白中形成融合蛋白,呈现在 噬菌体表面。 该技术将蛋白质分子的表型和基因型巧妙地结 合于噬菌体这样一个便于对其进行一系列生化和 遗传操作的载体上,从而大大简化了蛋白质分子 表达文库的筛选和鉴定。

6.植物菌根修复技术
微生物死亡分解或环境条件改变,会导致细 菌固定的重金属部分活化而重新释放到环境中。 植物及其根际微生物体系,协调形成菌根, 将重金属积累到超富集植物体中,从而彻底从环 境中清除出去。两者结合,能使两者对重金属的 耐受能力同时增强 。 其技术核心在于筛选有较强降解能力的菌种 和适宜的共生植物,从而得到有效的菌根。

微生物修复技术的局限性
(1) 一种微生物只能降解特定一种或几种重金属,而非 所有重金属。 (2) 特定的微生物只降解特定类型的化学物质,状态稍有 变化的化合物就可能不会被同一微生物酶所破坏。 (3) 特定污染地点或污染物可能限制修复技术的应用, 如在一些低渗透的土壤中可能不宜使用微生物修复, 因为这类土壤或在这类土壤中的注水井会由于细菌生 长过多而阻塞。 (4) 微生物修复技术受各种环境因素的影响较大,因为微 生物活性受温度、 氧气、 水分、 pH等环境条件的变 化影响。与物理法、 化学法相比,这一技术治理污染 的时间相对较长。 (5) 有些情况下,生物修复不能将污染物全部去除,当污染 物浓度太低,不足以维持降解细菌的群落时,残余的污 染物就会留在土壤中。

筛选抗重金属的微生物菌株
以金属铅(Pb)和铬(Cd)为例说明:
培养基:牛肉膏蛋白胨(分离细菌)和PDA马铃薯蔗糖培养基 (分离真菌) 。 溶液:Pb(N03 )2溶液,Cd(N03 )2溶液(采用分析纯Cd(N03 )2试 剂)在121℃下灭菌30min,备用。 测定方法:采用稀释平板涂布法和液体培养法,用火焰原子吸收 分光光度法测定Pb,Cd。
空白对照组重金属离子含量—菌处理组重金属离子含量 重金属去除率(%)= 空白对照组重金属离子含量

采用火焰原子吸收分光光度法测定Pb,Cd

称取新鲜土样10g,加入到90 mL的无菌水中,在室温下振荡30 min,制备成土悬液,吸取0. 1 mL土悬液涂布在Pb浓度为300 mg/kg , Cd浓度为200 mg/kg及Pb和Cd浓度分别为300 mg/kg和200 mg/kg的 牛肉膏蛋白胨和PDA培养基上,30℃下培养,经过多次划线纯化后, 转接到Pb浓度依次为500,700,900,1200,1500 mg/ kg的培养基上,Cd 浓度依次为300,500,600,700,900 mg/kg的培养基上,Pb和Cd混合浓 度为500和300,700和300,700和500,900和500,900和700,1200和 600,1200和900,1500和700,1500和900 mg / kg的培养基,多次划线 纯化菌株,同时做镜检,直到获得纯的菌株。 取1mL菌悬液(待分析菌株)加入到49 mL含重金属(Pb, Cd)的液体 培养基中,液体培养基中Pb,Cd浓度分别为500 mg / L ,5 mg / L及同 时Pb和Cd浓度为500 mg/L和5 mg/L,在恒温摇床上培养(160r/min , 28 ℃),细菌培养3d,真菌培养7d, 4500 r/min离心20 min,上清液直 接测定Pb,Cd含量,菌体经去离子水洗涤两次离心,再经70℃烘干磨 细,称取0. 01g干菌体于瓷坩埚中,加5mL浓HN03消化至澄清,定容 至10 mL的容量瓶,测定其体内Pb,Cd的含量。通过液体培养基和菌 体内Pb.Cd的含量来分析不同菌株对重金属的去除效果。


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