《微生物吸附剂》是一部关于微生物吸附剂制备、作用机理及其在环境污染治理方面的应用的著作，在简单介绍微生物吸附剂的定义、种类、特性、影响因素，以及微生物吸附法的发展历程与趋势的基础上，系统总结微生物选育制备微生物吸附剂和微生物吸附剂处理重金属废水的作用机理等方面的研究成果，提出微生物吸附法在环境、能源等方面的应用前景。
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《微生物吸附剂》可供环境科学与工程、环境微生物学、水处理工程、发酵工程等学科的科研人员，环境保护、矿产资源、制药、食品及水利等部门的工程技术与管理人员，以及高等院校相关专业的师生参考。
目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 微生物吸附剂的定义 1
1.2 微生物吸附剂菌种的种类 1
1.3 微生物吸附剂的特性 2
1.4 微生物吸附剂吸附性能的影响因素 3
1.4.1 微生物因素 3
1.4.2 重金属因素 5
1.4.3 环境因素 6
1.5 微生物吸附法的发展历程与趋势 9
1.5.1 微生物吸附法的发展历程 9
1.5.2 微生物吸附法的发展趋势 11
第2章 微生物吸附剂菌种的选育 16
2.1 微生物吸附剂菌种的筛选 16
2.1.1 筛选微生物吸附剂菌种的重要性 16
2.1.2 微生物吸附剂菌种的筛选方法 16
2.2 自然选育 17
2.2.1 实验室自然选育高效菌株的流程和步骤 17
2.2.2 自然选育的局限性 22
2.3 诱变育种 22
2.3.1 诱变育种的基本程序 22
2.3.2 诱变剂 25
2.3.3 物理诱变育种 21
2.3.4 化学诱变育种 34
2.3.5 突变菌株的筛选 31
2.4 原生质体技术育种 34
2.4.1 原生质体制备技术 34
2.4.2 原生质体诱变育种技术 41
2.4.3 原生质体融合育种技术 42
2.5 基因组改组育种 51
2.5.1 基因组改组技术的具体方法 51
2.5.2 基因组改组技术的特点 52
2.5.3 基因组改组技术的应用 52
2.1 基因工程 54
2.1.1 基因工程育种技术的特点和步骤 54
2.1.2 基因工程育种技术在环境中的应用 55
2.1.3 基因工程育种技术的发展 55
第3章 微生物吸附剂的制备 57
3.1 微生物吸附剂制备的基本程序 57
3.1.1 微生物的筛选和发酵培养 57
3.1.2 菌株的预处理与修饰 60
3.1.3 微生物吸附剂的固定化处理 62
3.1.4 微生物吸附剂固定化载体 64
3.2 微生物吸附剂的廉价制备 66
3.2.1 剩余污泥制备微生物吸附剂 66
3.2.2 发酵工业副产物制备微生物吸附剂 68
3.2.3 发酵废液的资源化利用 72
3.3 微生物吸附剂产品 75
3.3.1 BV-SORBEXTM 75
3.3.2 AlgaSORB 74
3.3.3 Bio-Fix 79
3.3.4 ATM-BioclaimTM 79
第4章 重金属的微生物吸附机理 80
4.1 微生物吸附剂对重金属的作用机理 82
4.1.1 胞外沉淀 82
4.1.2 表面吸附与络合 84
4.1.3 静电吸附 87
4.1.4 离子交换 88
4.1.5 氧化还原 89
4.1.1 微沉积 94
4.1.7 金属离子跨膜运输 95
4.1.4 胞内积累 101
4.1.9 高容量金属络合物吸附 101
4.2 重金属的生物解毒和生物转化 103
4.2.1 生物解毒 103
4.2.2 微生物对重金属的转化 107
4.3 仪器分析在微生物吸附机理研究中的应用 110
4.3.1 原子力显微镜 111
4.3.2 电子显微镜与能谱分析仪联用 114
4.3.3 红外光谱 118
4.3.4 X射线吸收精细结构谱 120
4.3.5 核磁共振 121
4.3.1 流式细胞术 121
第5章 微生物吸附法处理重金属废水 124
5.1 微生物吸附剂处理重金属废水 124
5.1.1 解脂假丝酵母对铬的吸附 124
5.1.2 嗜麦芽窄食单胞菌对铜的吸附 131
5.2 工程菌吸附剂处理重金属废水 172
5.2.1 重金属微生物吸附剂菌种选育 172
5.2.2 酵母融合菌E32处理含镍废水 185
5.2.3 酵母融合菌E32处理含铬废水 191
5.2.4 基因工程菌处理含镍废水 205
5.3 固定化微生物吸附剂处理电镀废水 213
5.3.1 材料 213
5.3.2 实验方法 213
5.3.3 固定化酵母融合菌E32吸附剂处理含铬废水的影响因素 215
5.3.4 固定化吸附剂对实际电镀废水的处理 217
5.3.5 固定化吸附剂填充柱吸附工艺连续处理含铬废水 214
第6章 微生物吸附法的应用前景 219
6.1 微生物吸附法回收贵金属 219
6.1.1 物理化学法 219
6.1.2 微生物吸附法 219
6.1.3 贵金属微生物吸附的影响因素 222
6.1.4 微生物吸附剂中贵金属的解吸 224
6.2 放射性元素的微生物吸附 225
6.2.1 物理化学法 225
6.2.2 植物修复法 225
6.2.3 微生物吸附法 221
6.3 微生物吸附法在染料废水处理中的应用 224
6.3.1 染料废水处理发展现状 224
6.3.2 微生物吸附剂在染料废水处理中的应用 230
6.4 有机金属化合物的微生物吸附 234
6.4.1 有机金属化合物特性及环境行为效应 234
6.4.2 有机金属化合物的微生物修复 231
6.5 毒害性有机污染物的微生物吸附 237
6.5.1 环境中毒害性有机污染物的去除 234
6.5.2 吸附材料 239
6.5.3 毒害性有机污染物微生物吸附机理 239
6.5.4 国内外研究现状 241
6.5.5 毒害性有机污染物微生物吸附的影响因素 242
6.6 微生物吸附与环境微量元素的检测 243
6.6.1 利用微生物吸附进行环境中微量金属元素检测的前处理 243
6.6.2 利用微生物吸附法对环境中微量金属元素的生物检测 244
6.7 微量元素富集菌剂 245
6.7.6 微量元素富集菌剂的特点 245
6.7.2 微量元素富集菌剂的研发 245
6.8 微生物吸附法在催化剂上的应用 250
6.8.1 催化反应中的吸附作用 250
6.8.2 催化反应中的微生物吸附 251
6.9 微生物吸附法在杀菌剂和消毒剂中的应用 257
6.9.1 杀菌剂和消毒剂的发展现状 257
6.9.2 微生物杀菌剂和消毒剂 258
6.10 微生物吸附法在生物探矿与采矿中的应用 263
6.10.1 微生物吸附法在生物探矿和采矿中的作用 264
6.10.2 微生物吸附法在探矿和采矿中的应用技术 265
6.10.3 微生物吸附法在探矿和采矿中的应用研究 267
6.11 微生物吸附与微生物污损 268
6.11.1 微生物污损定义 268
6.11.2 微生物污损影响 268
6.11.3 微生物吸附与微生物污损 269
6.11.4 防污涂料 270
6.12 生物吸附与同步生物固碳 271
6.12.1 固碳微生物 271
6.12.2 生物固碳技术 272
6.13 生物吸附与同步生物制氢 273
6.13.6 光解水制氢法 274
6.13.2 暗发酵制氢法 275
6.13.3 光发酵制氢法 276
6.13.4 光发酵和暗发酵耦合制氢法 276
6.13.5 生物制氢与生物吸附 277
6.14 生物吸附与同步生物多糖制备 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离纯化 279
6.14.3 微生物胞外多糖的特性 280
参考文献 281
第1章绪论
1.1微生物吸附剂的定义
微生物吸附剂指能有效地从水体或气体中吸附、分离或去除某些成分的微生物或其衍生物，主要包括细菌、真菌、藻类或有机化合物等。它*早被用于水体中重金属等无机化合物的分离，之后随着研究的深入和扩展，微生物吸附剂也被用于染料、放射性元素、杀虫剂、持久性有机化合物等生物难降解和有毒有害物质的分离和富集。
微生物吸附剂处理重金属废水实质上是利用细菌、真菌、酵母菌、藻类等微生物材料及其生理代谢活动的产物吸附、转化、积累和去除废水中的重金属，并通过化学、物理等不同方法使重金属从吸附剂上解吸、释放出来，从而实现吸附剂的再生和重金属的分离和回收。
1.2微生物吸附剂菌种的种类
研究表明，可用于制备吸附剂的微生物种类非常丰富，包括细菌、酵母菌、霉菌和藻类等。近年来研究较多的微生物吸附剂菌种见表1-1
表1-1微生物吸附剂的种类-王建龙和陈灿
微生物是地球上种类*多、繁殖能力*强的物种，若能将其用作生物吸附的原材料，将是取之不尽的廉价资源。发酵工业产生的大量废菌体（如酿酒酵母、面包酵母、根霉菌属、枯草芽孢杆菌等）也是一种极具潜力的吸附剂。在这些微生物吸附剂中，就吸附效果而言，酵母、曲霉、青霉和毛霉等几个属的微生物极具应用前景，因为这些属的微生物中既包含具有高度吸附专一性的菌株，又包含具有吸附广泛性的菌株。
1.3微生物吸附剂的特性
微生物吸附法处理重金属废水越来越受到青睐，主要是因为微生物吸附法与传统的化学、物理法相比，具有无法比拟的优点。
与传统的吸附剂相比，微生物吸附剂具有以下主要特性：①适应性广，能在不同范围的PH和温度条件下进行加工操作②金属选择性好，能从溶液中吸附重金属离子而不受碱金属离子的干扰③金属离子浓度的影响小，在低浓度（<10mg.L）和高浓度（>100mg.L）下都具有良好的金属吸附能力④对有机化合物的耐受力好⑤再生能力强、步骤简单，再生后吸附能力无明显降低⑥节能、处理效率高。
利用微生物吸附法治理重金属废水时，不仅是具有活性的微生物吸附剂，死体的微生物吸附剂同样也具有较好的吸附效果。同时不同微生物对同一种金属的吸附去除效率是不同的。一般情况下，每一种金属都有其特定的**微生物吸附剂。
表1-2显示了不同微生物对同一种金属吸附量的显著差异。
表1-2不同微生物对同一种金属吸附量的比较
1.4微生物吸附剂吸附性能的影响因素
研究微生物吸附的影响因素，进而确定**的吸附条件是保证微生物吸附剂有优良稳定吸附效果的前提。影响微生物吸附剂吸附重金属能力的因素很多，主要包括三个方面：微生物因素、重金属因素、环境因素。其中微生物因素包括代谢能力、生理状态、细胞年龄、存在状态等；重金属因素包括重金属的浓度、化学形态和价态等；环境因素包括PH、温度、吸附时间和吸附液中的共存离子等。
1.4.1微生物因素
1.微生物吸附剂的预处理
微生物吸附剂的预处理是指在处理重金属废水之前，通过干燥、碱化、酸化或化学修饰等物理 化学方法处理微生物细胞。适当的预处理可有效提高微生物吸附剂对重金属的去除能力及吸附剂的稳定性。这是因为在酸、碱、无机盐或氨基酸等物质的作用下，微生物细胞表面的理化特性发生改变，例如：①增加细胞表面的有效基团②改变细胞壁上关键酶的结构和催化性能③通过几种不同基团间建立化学交联而达到提高酶活性的目的④对细胞壁表面基团进行修饰，提高微生物吸附剂的选择性⑤改变微生物表面电荷，增加细胞的有效吸附位点。
已有文献报道，干燥处理后的真菌凤尾菇对废水中cd的去除能力显著提高，且冷冻干燥的效果比高温干燥好。经乙醇处理的废弃酵母菌细胞对废水中cd和pb的吸附量分别达15.63mg(干重)和17.49mg(干重)，分别比对照实验组增加了2倍和1倍等。发现，处理后的氧化亚铁硫杆菌对重金属离子的吸附量显著增加，其原因是碱处理使细胞表面的吸附位点去质子化，使细胞表面的羟基增多，从而增加金属的有效吸附位点。
2.微生物吸附剂的细胞壁微生物细胞与动物细胞的**区别在于细胞原生质膜外有明显的细胞壁。它既可以避免微生物受到外界环境的伤害，又可以控制原生质和周围环境之间的物质交换，细胞壁直接与外界环境接触，并可以与液态介质中的可溶性物质发生作用。虽然细胞壁不是微生物发生吸附的**部位，但却是*早与污染物接触的部位，细胞壁上的有效基团、关键蛋白酶、离子通道是重金属吸附、络合和转运的主要位点，因此，细胞壁的特殊结构在微生物吸附中起重要作用。
3.微生物吸附剂的菌龄通常来说，微生物吸附剂的吸附效率与菌龄密切相关。有研究认为，细胞在生长对数期和衰亡期对重金属的吸附能力强于生长稳定期。这与微生物细胞的代谢有关，同时又与体系中的溶液环境变化相关。对数期细菌的细胞运动能力强，表面胞外聚合物的数量多且质量较好。细胞的运动能力不仅可以增加微生物与吸附质的接触机会，而且运动细胞所产生的动能可以克服微生物与吸附质之间的静电斥力；胞外聚合物中的多糖、蛋白质及核酸等生物大分子通过含有的带电官能团，如羧基、磷酰基、氨基和羟基等和金属阳离子相互作用。这是导致对数期微生物具有较高吸附量的原因。
有研究者发现，死细胞对某些金属也具有与活细胞相似甚至更高的吸附量，而且不受体系中有毒物质的限制，也不需要营养物质供给，所以更具有开发成吸附剂的潜力。不过也有研究表明，处于稳定期的微生物对重金属的吸附能力**。但由于一些细菌的芽孢，外霉素和抗生素等有害代谢产物大多在稳定期大量产生并积累，体系中营养物比例、溶液PH和E值等理化条件不利于微生物生长繁殖，因此，该阶段的细胞开始趋向衰亡，吸附能力减弱.
4.微生物吸附剂对重金属的选择性
微生物吸附剂对重金属具有一定的选择性。这与吸附剂构造、官能团及重金属在溶液中的化学形态、大小、键能等因素有关。例如，小球藻、黑曲霉、褐藻等对金的选择吸附性强，假丝酵母、枯草杆菌、氰基菌对铬的选择吸附能力大。同时由于水体中重金属离子一般以水合金属离子M、强碱、络合物及金属有机物等不同形态存在，这更加促进了微生物吸附剂的吸附选择性。
5.微生物吸附剂的粒径
微生物吸附剂粒径对生物吸附量有明显的影响，主要是粒径决定吸附剂比表面积的大小及有效吸附位点的多少。吸附剂粒径太大、太小都不利于吸附处理。若利用曲霉处理含铬废水，大径菌丝球的去除率比小径菌丝球低4%，但采用的大径菌丝球对各种金属离子的单位吸附量均超过了小径菌丝球。因此，吸附剂的粒径1~3mm比较适宜，这与金属在吸附剂中的内扩散及吸附剂内表面积的利用状况有关。
微生物吸附剂固定化是指通过包埋、吸附、交联等物理、化学作用将游离的细胞或蛋白酶定位于限定区域，改变吸附剂本身的粒径、运动能力等性能，但仍保持其活性 载体不同，固定化微生物吸附剂的吸附量也不一样。无机载体大多具有多孔结构。例如，活性炭具有发达的孔隙结构和比表面积，且表面较粗糙，为微生物生长和繁殖提供了空间，有利于增加细胞密度和有效的吸附位点。微生物在有机物等其他载体表面黏附生长，一般载体的大小决定吸附剂的粒径及有效作用面积的大小。
另外，虽然较大粒径吸附剂有时表现出良好的吸附性能，但小粒径吸附剂的耐压能力却优于大粒径吸附剂，因此，在实际操作过程中必须综合考虑几方面的因素。
6.微生物的存在状态
微生物的存在状态（游离的或被固定在载体上）对其处理重金属废水的效果具有显著影响，且对不同的重金属种类其作用效果存在差异。例如，游离的酵母菌细胞对pb和zn的吸附量分别为79.2mg.g（干重）和23.4mg.g（干重），而当用明胶载体固定后，其吸附量分别为: 41.9mg.g（干重）和23.4mg.g（干重）。固定化微生物细胞富集水体中的重金属时，其实际上起着生物离子交换树脂的作用。微生物吸附剂固定化可以大幅度地提高参加反应的微生物浓度，增强耐环境冲击能力。固定化的微生物具有生物量高且稳定、不易流失、反应速率快、耐毒害能力强、产物容易分离、能实现连续操作等特点，使其在废水处理和受污染水环境的修复中更实用。
7.微生物的生理条件
微生物吸附包括活细胞和死细胞的吸附，而细胞是否具有活性对其吸附重金属也有较大的影响。非活性微生物吸附剂主要通过物理、化学机制去除重金属离子，涉及离子交换、表面络合、静电吸附等，主要受细胞表面组分和性质的影响，其表面吸附决定吸附速率快、可逆的特点，而活性微生物吸附剂的吸附特点则是吸附速率较慢且可逆性差，因为其吸附过程包含表面吸附和胞内积累两个阶段，虽然**个阶段的速率很快，但第二个阶段是一个主动运输的过程，吸附在细胞表面的重金属离子缓慢地进入细胞内部进行积累，该过程与细胞的生理代谢活动相关。微生物的活性不仅影响吸附速率，而且影响吸附量的大小。例如，对于zn，活性酿酒酵母的吸附量低于非活性的细胞；对于cu恰恰相反，非活性酿酒酵母的吸附量低于活性的细胞孟令芝等。但活性与非活性微生物吸附剂在吸附量上的差异还没有合理的解释。
1.4.2重金属因素
废水中重金属的浓度、化学形态和价态等都会影响微生物吸附剂的吸附效果。某些重金属的价态和化学形态不同，其毒性也有很大的差异。例如，对于重金属铬离子，cr可以参与细胞的糖代谢过程，而cr毒性很强；甲基汞比hg和hg2毒性更大，易溶于脂类中且在生物体内不易被分解，有机锡的生物毒性明显强于游离态的锡和金属锡。
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