微生物在自然界中分布广泛、种类丰富，包括原核生物、真核生物、藻类及非细胞类的病毒和亚病毒等，而且大部分的菌种已被研究证实具有优越的吸附能力。微生物吸附是利用活性或死体微生物及其衍生物吸附、分离和去除某些成分的过程。与传统的非生物吸附处理法相比，微生物吸附具有显著的优点：一是生物材料来源丰富、品种多、成本低廉，设备简单易操作、投资小、运行费用低，吸附量大、有较好的选择性；二是微生物吸附剂的再生性能好，用一般的物理、化学方法可以解吸微生物上的吸附质，实现循环利用。20世纪中期，人们发现微生物对金属离子具有特殊亲缘性，从此以后微生物吸附引起了国内外学者的高度重视，尤其是用微生物吸附剂从废液中回收或处理金属离子的研究变得非常活跃并取得显著进展，包括细菌、酵母菌、霉菌和藻类等多种微生物被证实对不同的重金属具有高效的吸附性能。

贵金属具有独特的物理化学特性，作为催化剂广泛应用于工业、农业和医疗。常见的贵金属包括锂(Ｌi)铯(Cs)铷(Rb)金(Au)铂(Pt)钯(Pd)银(Ag)等。由于贵金属的有限性及可用性，从废水中回收这些金属具有较高的经济价值。目前常用于回收废水中贵金属的工业循环利用方法包括热法冶炼和湿法冶炼。用这些回收方法处理低浓度贵金属废水费用昂贵，需要大量的劳力和时间，而且容易造成二次污染。相比之下，微生物吸附法是非常有发展前途的贵金属回收技术。即使是失活菌体也能有效吸附重金属，而且微生物来源广泛，相对化学药剂更为便宜，可以大规模发酵培养。微生物吸附是一个独立代谢的过程。不同的微生物种类对不同的金属离子有特殊亲缘性。与传统处理方法相比，微生物吸附法应用于治理贵金属污染具有选择性广、运行费用低、不会产生二次污染、利于低浓度贵金属回收等优势。细菌、真菌及一些细胞提取物均可作为微生物吸附剂应于贵金属回收。

物理化学法

常用的物理化学方法包括化学沉淀法 、氧化还原法 、电解法、离子交换法、膜分离法、活性炭吸附法、溶剂萃取法等。例如，废水中银的回收方法包括沉淀法、离子交换法、氧化还原法、电解法。溶剂萃取法是传统的铂回收法，离子交换法、膜分离法和吸附法也应用于废水中铂的回收，其中，吸附法能有效地回收低浓度的铂。尽管物理化学方法操作简单、回收效率高，但也存在不足，主要有：①大部分物理化学方法不能有效地回收低浓度贵金属。例如，当金属离子浓度为1～100mg·L^-1时，化学沉淀法和电解法不适用；②化学沉淀法、离子交换法、活性炭吸附法、电解法均容易造成二次污染；③离子交换法、膜分离法、活性炭吸附法处理费用相对较昂贵，其中活性炭使用寿命短，再生利用成本较高。

微生物吸附法

微生物吸附法回收贵金属是利用微生物体及其衍生物对废水中贵金属离子的吸附作用积累贵金属，之后通过解吸达到回收贵金属的目的。能够吸附贵金属及其他污染物的微生物及其衍生物称为微生物吸附剂。

微生物吸附法可以进行原位回收贵金属，不需要复杂的工业过程。最初鼓励发展微生物吸附法是因为吸附剂廉价，对贵金属的处理效率高（尤其是处理低浓度废水）、吸附剂再生能力强、吸附和脱附速度快、无二次残留物及吸附回收的贵金属能补偿废水处理的费用。因此，近年来，微生物吸附法成为回收贵金属技术的研究热点，是工业生产中回收贵金属最有前景的技术方法。

微生物对贵金属的吸附作用包括胞外聚集、细胞表面吸附和胞内积累。微生物产生的胞外多糖、胞外蛋白等在菌体胞外聚集中发挥重要作用，且通常当金属离子浓度较低时，胞外聚集的效果更好。细胞表面吸附作用主要包括络合作用和离子交换作用。微生物细胞表面含有巯基、羟基、羧基、咪唑基、氨基、胍基、亚氨基等活性基团，这些基团中的 N、O、P、S 等均可提供孤对电子与贵金属离子在细胞表面形成络合物或螯合物，使溶液中的金属离子被吸附。研究发现磁螺菌 (Magnetosprillum gryphiswaldense) 细胞壁能够络合大量的Au³⁺、Ag⁺(Li et al, 2013)。离子交换作用是指与细胞物质结合的离子如K⁺、Mg²⁺等被结合能力更强的贵金属离子代替的过程。胞内积累金属的过程首先是通过物理、化学作用把金属吸附到细胞表面，然后通过主动运输转运到胞内。微生物吸附的机理取决于微生物吸附剂的特性，不同微生物细胞主要组成成分的差异导致了它们吸附机理的不同，溶液中贵金属离子的存在状态在一定程度上也影响着微生物吸附。

微生物吸附通常是一个独立代谢过程，即使微生物失活，它们仍然可以通过细胞表面的官能团吸附溶液中的贵金属，而且吸附速度很快。常见的应用于贵金属吸附的微生物吸附剂包括真菌、细菌、蛋白质。

真菌类微生物吸附剂

真菌类微生物具有菌丝体粗大、吸附后易于分离、吸附量大等特点，这使其更有利于被制备成微生物吸附剂，目前对真菌吸附剂的相关研究和应用较广泛。真菌的细胞壁由甘露聚糖、葡聚糖、几丁质、纤维素和蛋白质等成分组成，这些物质带有较强的负电荷，能吸附金属阳离子。因此真菌吸附剂可以有效地从工业废水中回收贵金属。实际上，重金属废水通常成分复杂，含有多种贵金属离子。真菌不仅能够有效地吸附某一种金属，而且很多研究也发现，同一类真菌可以对多种不同种类的贵金属具有吸附效果。

常用于贵金属吸附的微生物吸附剂及其吸附量比较

细菌类微生物吸附剂

许多研究表明细菌及其产物对溶解态的金属离子有很强的吸附能力。细菌细胞通过一些官能团［包括羟基、羰基（酮）、羧酸盐、二氧化氮、一氧化氮、巯基（硫醇）、磺酸盐、硫醚、氨基、仲胺、酰胺、亚胺、咪唑、磷酸酯和磷酸二酯］将金属离子吸附到细胞表面，然后通过新陈代谢作用促使金属离子在细胞内积累。

蛋白质类微生物吸附剂

微生物蛋白质富含多种活性基团如羟基、氨基、羧基，可与多种金属离子发生共价结合、络合等反应。常见的金属结合蛋白如金属硫蛋白、汞离子结合蛋白（MerP）是强效的微生物吸附剂。金属硫蛋白通常存在于真核细胞中，分子质量较低（6～7 kDa），是富含半胱氨酸的短肽，可以通过转录进行生物合成，能有效吸附Zn、Hg、Cu、Au、Ag、Co、Ni、Bi和Pt(Das N and Das D, 2013)。而牛血清蛋白（BSA）被证实对Au和Pd具有较强的吸附能力。这些蛋白质对贵金属的吸附能力比微生物更强，选择性更高，但是制备和处理费用昂贵，而且蛋白质的结构对所处的环境包括温度和pH非常敏感，以至于吸附过程非常不稳定。目前利用蛋白质作为微生物吸附剂的应用还较少。

另外，几丁聚糖（如聚葡萄糖胺）作为一种无毒、亲水、可生物降解的高分子化合物对金属离子也具有吸附作用，可以通过与其他官能团如硫脲、红氨酸、赖氨酸形成壳聚糖树脂促进其对金属离子的吸附能力。

影响微生物吸附贵金属的主要因素包括溶液pH、温度、生物量、溶液离子强度、金属离子初始浓度等。

微生物吸附剂中贵金属的解吸

解吸是微生物吸附法回收贵金属非常重要的一步。微生物细胞吸附重金属后，有多种方法可以将重金属从微生物细胞中解吸下来，化学法解吸是较常用的方法之一。

化学解吸最重要的就是选择合适的解吸剂，这由微生物吸附剂特性和吸附机理决定。解吸剂必须满足对微生物无害、价格便宜、属于环境友好型、能够高效回收贵金属。对于菌体细胞表面富集的金属离子，由于解吸剂中含有的大量氢离子、金属离子或者络合物可以与吸附的金属离子竞争吸附位点，从而把已吸附的贵金属离子从吸附剂上洗脱下来；对于细胞内积累的金属离子，解吸剂可以通过营造不利于菌体生长的环境而导致菌体对体内金属离子进行外流运输而脱附。通过这两种机制的联合作用达到贵金属离子的解吸、回收和吸附剂的再生。

常用的解吸剂主要有酸碱、络合物等。解吸剂的种类、浓度与解吸时间均会影响解吸效果。

贵金属的微生物吸附在最近几年受到国内外学者广泛关注，与传统处理方法相比，微生物吸附法回收贵金属具有很多优点，包括处理成本低、金属吸附率高、选择性好、技术需要低、再生能力强、吸附剂回收利用率高等。

虽然关于微生物吸附机制的研究为开展微生物吸附回收贵金属提供了科学依据，但目前该项技术尚处于实验室研究阶段, 大规模利用微生物吸附剂处理贵金属废水的生产应用还很少, 这是多方面的因素共同限制起作用的。因此，为实现微生物吸附法处理回收贵金属的实际生产应用，今后有待于进一步加强以下几方面的研究。

1. 利用现代分析手段研究贵金属在细胞内的沉积部位和状态、贵金属与细胞特定官能团结合的能量变化、官能团结构和特性，以期达到改进吸附剂性能和提高吸附量的目的。

2.加强对基因重组技术、原生质体融合技术构建“超级工程菌”及新型菌种的重视和研究，选择对贵金属吸附量大、平衡时间短的菌种应用于工业化生产。

3. 开发新的高效固定化生物反应器，以期获得不同类型的反应器和吸附?解吸工艺的特征参数，建立在微生物技术基础上的高效处理/回收贵金属工艺，最大限度地提高微生物吸附剂吸附?解吸的效率。

4. 研究开发可以高效回收吸附剂上贵金属的解吸剂，研发低成本的微生物吸附剂再生技术方法，从而为进一步将微生物吸附法应用于大规模的贵金属回收工业化生产奠定基础。

本文由安静摘编自尹华、陈烁娜、叶锦韶、彭辉、唐少宇著《微生物吸附剂》。

978-7-03-045686-1

《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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