如何用微生物治理水中的重金属污染

水体重金属污染修复治理采用以下两条基本途径

一是降低重金属在水体中的迁移能力和生物可利用性。

二是将重金属从被污染水体中彻底清除。

1、物理化学方法

1.1、稀释法

稀释法就是把被重金属污染的水混入未污染的水体中，从而降低重金属污染物浓度，减轻重金属污染的程度。此法适于受重金属污染程度较轻的水体的治理，这种方法不能减少排入环境中的重金属污染物的总量，又因为重金属有累积作用，当重金属污染物在这些水体中的浓度达到一定程度时，生活在其中的生物就会受到重金属的影响，发生病变和死亡等现象，所以这种处理方法目前渐渐被否定。

1.2、混凝沉淀法

许多重金属在水体溶液中主要以阳离子存在，加入碱性物质，使水体pH值升高，能使大多数重金属生成氢氧化物沉淀。另外，其它众多的阴离子也可以使相应的重金属离子形成沉淀。所以，向重金属污染的水体施加石灰、NaOH、Na2S等物质，能使很多重金属形成沉淀去除，降低重金属对水体的危害程度。这是目前国内处理重金属污染普遍采用的方法。例如黄明等，采用化学分类法对含铬、铜、镍的电镀废水,废水进行处理，取得良好效果。

1.3、离子还原法和交换法

离子还原法是利用一些容易得到的还原剂将水体中的重金属还原，形成无污染或污染程度较轻的化合物，从而降低重金属在水体中的迁移性和生物可利用性，以减轻重金属对水体的污染。例如，电镀污水中常含有六价铬离子（Cr6+），它以铬酸离子（Cr2O72-）的形式存在，在碱性条件下不易沉淀且毒性很高，而三价铬毒性远低于六价铬，但六价铬在酸性条件下易被还原为三价铬。因此，常采用硫酸亚铁及三氧化硫将六价铬还原为三价铬。

离子交换法是利用重金属离子交换剂与污染水体中的重金属物质发生交换作用，从水体中把重金属交换出来，达到治理目的。经离子交换处理后，废水中的重金属离子转移到离子交换树脂上，经再生后又从离子交换树脂上转移到再生废液中。这类方法费用较低，操作人员不直接接触重金属污染物，但适用范围有限，并且容易造成二次污染。

1.4电动力学修复技术

电修复法是20世纪90年代后期发展起来的水体重金属污染修复技术，其基本原理是给受重金属污染的水体两端加上直流电场，利用电场迁移力将重金属迁移出水体。Ridha等提出，在一个碳的毡状电极上，用电沉积法从工业废水中除去铜、铬和镍的技术。另外，可以用电浮选法净化含有铜、镍、铬和锌等重金属的工业污水。此外，近年来还有人把电渗析薄膜分离技术应用到污水重金属处理实践当中。

微生物在开矿冶炼中的作用

杨坤，男，天津大学工学博士，现为四川大学化工学院副教授，制药与生物工程系工作。具有超过十年的生物工程相关领域的研究经验；研究兴趣广泛，涉及生物分离、功能磁性微粒的制备及套用、环境微生物及微生物生态等多个领域；在Journal Chromatography A，Biochemical Engineering Journal，等国际知名的学术期刊上发表SCI论文15篇，他引总次数超过150次。

基本介绍 外文名 ：Yang K. 国籍 ：中国 民族 ：汉族 职业 ：教师 毕业院校 ：天津大学 工作单位 ：四川大学化工学院 学位 ：博士 概述,简历,学历,工作经历,研究方向,科研项目,2004年9月-2007年5月,2008年5月-2011年6月,2011年7月至今,主持项目,受邀审稿杂志,期刊论文,期刊论文,会议论文/海报,课堂教学, 概述 杨坤，工学博士，四川大学化工学院副教授，制药与生物工程系工作。具有超过十年的生物工程相关领域的研究经验；研究兴趣广泛，涉及生物分离、功能磁性微粒的制备及套用、环境微生物及微生物生态等多个领域；在Journal Chromatography A，Biochemical Engineering Journal，Separation and Purification Technology，Chemical Engineering Science，Industrial & Engineering Chemistry Research，Journal of Biotechnology，Analytical Biochemistry， Applied and Environmental Microbiology，Journal of Applied Microbiology等国际知名的学术期刊上发表SCI论文15篇，他引总次数超过150次。 简历 学历 学士：生物工程专业，天津大学，2001年； 博士：（硕博连读）， 生物工程专业，天津大学，2007 年 。博士论文题目：《蛋白质离子交换色谱的吸附传质动力学研究》。 工作经历 2007年9月-2008年4月：助理教授，厦门大学化学化工学院，化学工程与生物工程系 2008年5月-2011年6月： 博士后，夏威夷大学马诺亚分校，分子生物科学与生物工程系（Department of Molecular Biosciences & Bioengineering, University of Hawai'i at Manoa） 2011年7月-2013年5月： 博士后，夏威夷大学马诺亚分校，市政与环境工程系（Department of Civil and Environmental Engineering,University of Hawaii at Manoa） 2013年11月至今： 副教授，四川大学化学工程学院，制药与生物工程系 研究方向 1. 生物分离：色谱分离过程的动力学研究； 2. 功能磁性微粒及相关套用：磁分离、多酶固定化、医学诊断、磁性免疫分析等； 3. 环境微生物及微生物生态：环境致病菌的高灵敏度检测、污水抗生素抗药组、抗生素土壤环境效应等。 科研项目 参研及主研项目 2004年9月-2007年5月 1、 共聚焦雷射扫描显微镜辅助多组分蛋白质吸附和色谱机理研究，国家自然科学基金；

2、、蛋白质静电吸附的多尺度研究，高等学校博士学科点专项科研基金；

3、蛋白质离子交换吸附平衡的多尺度方法学研究，国家自然科学基金； 2008年5月-2011年6月 1、 环境中Ralstoniasolanacearum菌株集成化快速检出系统的开发，美国农业部NRI支助；（Development of an integrated rapid detection system for discrimination of Ralstoniasolanacearum strains in the environment. No: 2005-55605-16683, USDA NRI grant, 2006-2011.） 2、 一种高效生产植物源抗体的集成化方法，美国农业部TSTAR研究项目；（An Integrated Approach for Efficient Production of Plant-derived Antibodies.） 3、金属螯合磁性纳米颗粒的制备及套用；

4、自主装的功能磁性纳米油体。 2011年7月至今 1、市政污水中大肠杆菌致病基因的丰度及多态性；（Abundance and diversity for E. coli virulence genes in municipal wastewater.) 2、人为因素暴露下土壤抗生素抗性的分子演化，美（国）-以（色列）两国科学基金会（项目）；（Molecular evolution of antibiotic resistance in soil exposed to anthropogenic factors. United States-Israel Binational Science Foundation） 3、夏威夷海滩沙中粪便指示菌及水生致病菌的存活，美国夏威夷卫生署（项目）；（Survival of Fecal Indicator Bacteria and Waterborne Pathogens in Hawaiian Beach Sand. Hawaii Department of Health） 主持项目 市政污水抗生素抗药组研究，YJ201355,四川大学引进人才科研启动经费资助项目，2014-2016。 受邀审稿杂志 Enzyme and Microbial Technology，Journal of Molecular Catalysis B 期刊论文 期刊论文 1. Yang K., Shi Q.and Sun Y. (2006) Modeling and simulation of protein uptake in cation exchanger visualized by confocal laser scanning microscopy. Journal Chromatography A. 1136, 19-28 2. Yang K.and Sun Y. (2007) Structured parallel diffusion model for intraparticle mass transport of proteins to porous adsorbent. Biochemical Engineering Journal. 37, 298-310 3. Lu M., BaiS., Yang K.and Sun Y. 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Nationwide Doctoral Forum of Chemical Engineering in China, Tianjin University, 2005; 190. (Oral presentation) 3. Yang K., Pagaling E., Li Y. and Yan T. Abundance and diversity of Escherichia coliintimin gene (eaeA) in Honolulu municipal wastewater. Hawaii Water Environment Association (HWEA) Annual Conference, 2013. (Poster presentation) 4. Yang K., Cui H., Pagaling E., and Yan T. Spatial and temporal variations of enterocoi abundance and its relationship with microbialcommunity in Hawai’i beach sand and water. Hawaii Water Environment Association (HWEA) Annual Conference, 2013. (Poster presentation) 5. PagalingE., Yang K., and Yan T.Microbes involved in concrete sewer pipe corrosion. Hawaii Water Environment Association (HWEA) Annual Conference, 2013. (Poster presentation) 课堂教学 1. 数学物理方程（研究生课程），厦门大学，2008 2. 环境生物技术（本科生课程），四川大学，2014年春起 3. 代谢工程（本科生课程），四川大学，2014年春起

生物冶金

生物冶金是指在相关微生物存在时，由于微生物的催化氧化作用，将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸出液中加以回收，或将矿物中有害元素溶解并除去的方法。许多微生物可以通过多种途径对矿物作用，将矿物中的有价元素转化为溶液中的离子。利用微生物的这种性质，结合湿法冶金等相关工艺，形成了生物冶金技术。浸矿微生物主要有氧化铁硫杆菌(thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫杆菌(thiobacillusthiooxidant)、硫化芽孢杆菌(sulfobacillus)、氧化铁杆菌(ferrobacillusferrooxi dant)、高温嗜酸古细菌(thermoacidophilicarchae bacteri a)、微螺球菌属(1eptospirillum)等。在有关生物冶金的报道Thiobacillusferrooxidans(氧化亚铁硫杆菌)为浸矿菌种的论文占绝大多数，但从研究者对浸矿细菌的分离及培养方法来看，应该是多个菌种的富集混合菌。它们有些生长在常温环境，有些则能在50～70℃或更高温度下生长。硫化矿氧化过程中会产生亚铁离子和元素硫及其相关化合物，浸矿微生物一般为化能自氧菌，它们以氧化亚铁或元素硫及其相关化合物获得能量，吸收空气中的氧及二氧化碳，并吸收溶液中的金属离子及其它所需物质，完成开尔文循环生长。

用于浸矿的几十种细菌，按其生长的最佳温度可以分为三类，即中温菌、中等嗜热菌与高温菌。

硫化矿生物浸出过程包括微生物的直接作用和间接作用，同时还具有原电池效应及其它化学作用。直接作用是指浸出过程中，微生物吸附于矿物表面通过蛋白分泌物或其他代谢产物直接将硫化矿氧化分解。间接作用则指微生物将硫化矿物氧化过程产生的及其它存在于浸出体系的亚铁离子，氧化成三价铁离子，产生的高铁离子具有强氧化作用，其对硫化矿进一步氧化，硫化矿物氧化析出有价金属及铁离子，铁离子被催化氧化，如此反复。根据矿石的配置状态，生物冶金工业化生产主要有3种。

(1)堆浸法。这种方法常占用大面积地面，所需劳动力较多，但可处理较大数量的矿石，一次可处理几千至几十万吨。

(2)池浸法。在耐酸池中，堆集几十至几百吨矿石粉，池中充满含菌浸提液，再加以机械搅拌以加快冶炼速度。这种方法虽然只能处理少量的矿石，但却易于控制。

(3)地下浸提法。这是一种直接在矿床内浸提金属的方法。其方法是在开采完毕的场所和部分露出的矿体上浇淋细菌溶浸液，或者在矿区钻孔至矿层，将细菌溶浸液由钻孔注入，通气，待溶浸一段时间后，抽出溶浸液进行回收金属处理。这种方法的优点是，矿石不需要开采选矿，可节约大量人力和物力，减轻环境污染。

应用微生物浸矿，其优势在于：反应温和，环境友好，能耗低，流程短，特别适于贫矿、废矿、表外矿及难采、难选、难冶矿的堆浸和就地浸出，在矿石日益贫杂及环境问题日益突出的今天，微生物浸矿技术将是有效的金属元素提取、环境保护及废物利用的手段。近年来，国外该技术的研究已成为矿冶领域热点，细菌浸出已发展成了一种重要的矿物加工手段，利用此法可以来浸出铜、铅、锌、金、银、锰、镍、铬、钼、钴、铋、钒、硒、砷、镉、镓、铀等几十种贵重和稀有金属。

我国生物冶金研究的发展

中国是世界上最早采用生物冶金技术的国家，早在公元前2世纪，就记载了用铁从硫酸铜溶液中置换铜的化学作用，堆浸在当时就是生产铜的普遍做法。不过是在采铜、铁过程中不自觉地利用了自发生长的某些自养细菌浸矿。西汉《淮南万毕术》里有“白青(硫酸铜)得铁则化为铜”的描述。在公元11世纪大量应用了这种工艺，北末时代，又记载有“胆水浸铜”，产铜占当时总产量的15%～25%，仅江西铅山铜采矿场就年产19×104kg，安徽铜官山采场还超过铅山。

近年来，我国微生物浸出的研究和及工业化应用有了相当的发展。在浸矿微生物研究方面，张东晨、张明旭等对质粒在硫杆菌中普遍存在的观点提出了质疑，其研究结果表明，氧化亚铁硫杆菌对Fe2+、S等的氧化能力可能只是与拟核染色体DNA有关，而氧化亚铁硫杆菌的遗传物质就是拟核染色体DNA。徐晓军、孟运生等报道了经紫外线诱变的浸矿细菌，对黄铜矿的浸出率比原始菌提高了46%以上，到达浸出终点的时间比原始菌缩短了5～10d，浸矿细菌能更好地氧化浸出黄铜矿。赵清、刘相梅等利用DNA体外重组技术，构建了含有强启动子、可在tra基因诱动下转移的组成型表达的抗砷质粒pSDRA4。通过接合转移的方式将其导入专性自养极端嗜酸性喜温硫杆菌AcidithiobacilluscⅡIdW中，构建了冶金工程菌Acidithiobacilluscal dus(pSDRA4)，经检测，重组质粒在喜温硫杆菌中具有较好的稳定性，在无选择压力条件下传代50次基本保持稳定(重组质粒保留76%以上)，经抗砷性能检测，与野生菌相比，构建的喜温硫杆菌工程菌抗砷能力明显提高，从0mmol/L提高到45mmol/L。在工业化应用方面，生物浸出技术成功运用于江西德兴铜矿，并建成年产2000t电铜的堆浸厂。在广东大宝山建立了我国第一个生物浸铜中试基地。福建紫金山建成千吨级生物提铜堆浸厂。由北京有色金属研究总院与福建紫金山矿业有限公司承担的国家十五攻关项目“生物冶金技术工程化”，将在福建紫金山建成万吨级的生物提铜堆浸厂。同时，金精矿生物预氧化提金在山东莱州已开始工业应用。镍、锌等硫化矿的生物冶金亦得到不同程度的发展。

总体来说，我国生物冶金的工业应用规模较小、应用矿山较少、矿种单一，需加大力度发展。由于国内有90%的原生硫化矿为复杂低品位，因此这一技术应用前景十分广阔。目前，以中南大学邱冠周教授为首席科学家已正式启动“微生物冶金的基础研究”，该项目以教育部为依托、由中南大学为第一承担单位，北京有色金属研究总院、山东大学、中国科学院过程工程研究所、北京矿冶研究总院和长春环境研究院等单位协作承担，这标志着我国有色金属矿产选冶领域的基础研究进入了与国际一流水平同步的发展阶段。

生物冶金发展趋势及研究方向

生物冶金是近代学科交叉发展生物工程技术和传统矿物加工技术相结合的一种新工艺。生物工程应用于矿物加工无疑具有重要意义，目前发展趋势、研究方向和需要解决的问题主要有：

①受极端条件的微生物选育；

②基因工程菌的构建；

③生物浸出机理；

④低浓度溶液中镍、钴等金属的提取新技术；

⑤浸出过程的优化与控制；

⑥异养菌浸矿的研究；⑦高效反应器的研制；⑧地下生物溶浸技术的开发；⑨贵金属和稀有金属的生物吸附研究；⑩煤中硫的生物脱除的研究；铝土矿脱硅的研究；非金属矿(如高岭土)脱铁的研究；生物选矿药剂的研究。