重金属抗性菌及其去除CMP...中Cu-(2+)的研究进展_王小雨.pdf
《重金属抗性菌及其去除CMP...中Cu-(2+)的研究进展_王小雨.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《重金属抗性菌及其去除CMP...中Cu-(2+)的研究进展_王小雨.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 43 卷第 3 期2023年 3 月Vol.43 No.3Mar.,2023 工业水处理Industrial Water TreatmentDOI:10.19965/ki.iwt.2022-009931重金属抗性菌及其去除CMP废水中Cu2+的研究进展王小雨,黄小霞,高磊(东北师范大学环境学院,吉林长春 130017)摘要 环境中重金属主要来源于工业废水的排放,如何经济有效地去除工业废水中的重金属是水处理领域的难点。重金属抗性菌比通常微生物具有更高的重金属抵抗能力,可以在重金属胁迫的情况下生长,这为重金属废水的微生物处理提供了新的思路。但是,目前人们对重金属抗性微生物的特性和应用仍然知之甚
2、少。基于此,综述了重金属抗性菌的发现过程及其分离状况,对重金属抗性菌抗性能力的评价方法进行了介绍,着重分析了重金属抗性菌抗性机制中可作为去除重金属离子理论基础的胞外吸附与胞内累积机制,并以集成电路板生产关键工艺,即化学机械研磨(CMP)过程产生的低浓度含铜废水为处理对象,总结了重金属抗性菌对铜离子的去除原理及其在 CMP废水处理中的应用,最后对今后的研究方向进行了展望,以期为应用重金属抗性菌生物膜处理含铜废水的研究提供参考。关键词 重金属抗性菌;微生物;生物吸附;生物累积;含铜废水中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1005-829X(2023)03-0031-08Research
3、 progress on heavy metal resistant bacteria and their removal of Cu2+from CMP wastewaterWANG Xiaoyu,HUANG Xiaoxia,GAO Lei(School of Environment,Northeast Normal University,Changchun 130017,China)Abstract:Heavy metals from industrial effluent are the main resource of environmental heavy metal contami
4、nation.How to effectively remove heavy metal ions in industrial effluent is the difficulty of wastewater treatment.Heavy metal resistant bacteria have higher resistance to heavy metals than the common microorganisms and can grow under heavy metal stress,which provides a new approach for the microbia
5、l treatment of heavy metal wastewater.However,the knowledge about the characteristics and applications of heavy metal resistant bacteria remain unclear.Based on these,the discovery and separation process of heavy metal resistant bacteria was summarized,and the evaluation methods for the resistance o
6、f heavy metal resistant bacteria were introduced.The extracellular adsorption and intracellular accumulation mechanisms that could be used as the theoretical basis for removing heavy metal ions in the resistance mechanism of heavy metal resistant bacteria were emphatically analyzed.Then take the low
7、 concentration copper-containing wastewater produced in the chemical mechanical planarization/polishing(CMP)process in the key process of integrated circuit board production as the treatment object,the removal principle of copper ions by heavy metal resistant bacteria and its application in CMP wast
8、ewater treatment were summarized.Finally,the future research direction was prospected.It hopes to provide a reference for the application of heavy metal resistant bacteria biofilm in the treatment of copper containing wastewater.Key words:heavy metal resistant bacteria;microbes;biosorption;bioaccumu
9、lation;copper-containing wastewater重金属污染是一个漫长且不可完全逆转的过程,其治理难度大、成本高,是世界各国面临的最棘手的环境问题之一。众所周知,工业源排放是环境重金属污染的主要贡献者,因此,在重金属排放到环基金项目 国家自然科学基金面上项目(52070037);首批吉林省专业学位研究生教学案例立项建设项目;东北师范大学研究生院经费 2022年重点资助项目开放科学(资源服务)标识码(OSID):专论与综述工业水处理 2023-03,43(3)32境之前,实施源头治理是重金属污染控制的有效保证。在当前污水处理行业既要追求卓越的污染物治理性能,又要降低能耗物耗、
10、最大程度地减少碳排放的情况下,探索重金属行业废水处理新技术,对建设可持续环境友好型社会具有重要理论价值和实际意义。吸附技术是简单、高效去除废水中污染物的方法之一。重金属微生物吸附是以细菌、真菌和藻类等微生物为吸附剂吸附液相中的重金属离子,之后再通过固液分离去除重金属离子的一种方法1。根据微生物细胞的不同活性,微生物吸附重金属可分为活/生长细胞吸附和死细胞吸附2种方法。尽管二者各有优缺点,但利用微生物活细胞吸附重金属是未来生物吸附领域的研究方向2-3。然而,到目前为止,重金属废水的微生物活细胞处理技术并没有在实际废水处理中得到广泛应用,其大多停留在实验室或中试研究水平4,导致这种情况的重要原因之
11、一就是重金属对微生物具有毒性和生长抑制作用。如何突破重金属废水微生物处理的技术瓶颈一直是工业水处理领域的研究热点。重金属抗性微生物是一类可以在重金属胁迫下生长,比通常微生物具有更高重金属抵抗能力的微生物,极具理论研究价值和应用价值,近年来在环境污染生物修复领域受到关注和重视5。但是,目前人们对重金属抗性微生物的特性和应用仍然知之甚少。笔者分别以“Metal biosorption”、“Metal biosorption and resistant”为检索主题词在 Web of Science数据库进行检索,结果见表 1。由表 1 可知,国内外有关金属生物吸附研究进展的综述性文章较多(629 篇
12、),针对金属抗性生物吸附的综述文章数量比较少(30篇),而中文综述文章则更少,仅有 1篇。因此,有必要对近年来国内外重金属抗性微生物理论和应用研究进展进行综述。基于此,笔者综述了重金属抗性菌及其抗性能力评价方法和重金属细菌抗性机制的研究进展,以集成电路板生产关键工艺过程化学机械研磨(Chemical mechanical planarization/polishing,CMP)过程产生的含铜废水为处理对象,对重金属抗性菌生长细胞处理低浓度含铜废水的应用进行了总结与展望,以期为重金属抗性菌在含铜废水处理中的应用提供参考。1 重金属抗性菌及其抗性能力评价方法1.1重金属抗性菌的发现及分离作为一种开
13、放的生命体,微生物在其生长过程中不可避免地受到极端环境条件(温度、pH、干旱)和重金属胁迫等影响。当栖息在重金属环境时,部分微生物被发现具有重金属抗性。重金属抗性是指微生物在多种有毒重(准)金属离子存在下能够连续生长的能力6。重金属抗性微生物是某些可以在重金属胁迫条件下连续生长的特定微生物的总称,包括重金属抗性细菌、微藻和真菌等。相对而言,对重金属抗性微生物的研究目前多集中在对重金属抗性细菌的研究上7。对重金属抗性细菌的研究最早可追溯到 20世纪60、70年代,其主要与硫酸铜在养猪和农业种植中的使用有关。硫酸铜可以使猪肠道内微生物菌群发生变化8,因此被用作饲料添加剂以使猪的体重增加,研究者在以
14、硫酸铜作为饲料添加剂的养猪场废水中分离出具有铜抗性的 Escherichia coli9-10。作为金属无机盐,硫酸铜还常被用作农作物病原菌的杀菌剂,其长期使用后,杀菌效果降低,原因是某些植物病原菌对铜离子产生了抗性,此外,研究人员还在喷洒硫酸铜作为杀菌剂的作物如烟草、土豆、番茄、胡椒、猕猴桃受病原菌侵扰的叶片上分离出多种重金属铜的抗性菌,如 Xanthomonas campestris pathovar(pv.)vesicatoria、Pseudomonas syringae pv.tomato11-12、Escherichia coli13-14和Mycobacterium scroful
15、aceum15。由于细菌对重金属与抗生素具有协同抗性和交叉抗性,临床医学中也涉及到重金属抗性菌的分离,如银作为杀菌药物用于临床医学,研究人员在伤口附近分离出重金属银的抗性菌。在重金属抗性细菌研究早期,已报道的重金属抗性菌主要为肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、假 单 胞 菌 科(Pseudomonadaceae)、无色细菌科(Achromobacteriaceae)和螺旋菌表 1国内外有关金属生物吸附的文章发表情况Table 1 The publication of articles on metal biosorption in domestic and foreign检索主
16、题词Metal biosorptionMetal biosorption and resistant文章数量/篇12 864508中英文综述文章数量/篇62930中文综述文章数量/篇471注:检索数据库Web of Science,检索时间2022.01.15。33工业水处理 2023-03,43(3)王小雨,等:重金属抗性菌及其去除 CMP废水中 Cu2+的研究进展科(Spirillaceae)细菌等16。自20世纪 70年代后,不同种类的重金属抗性细菌陆续不断地被分离出来,为微生物重金属抗性机制的研究与应用奠定了基础。丁香假单胞菌、大肠杆菌和海氏肠球菌是重金属抗性细菌抗性机制研究的模式菌。
17、此外,贪铜菌属细菌(Cupriavidus)在重金属抗性机制研究中占有重要的地位,是目前已有报道的重金属抗性细菌中比较特殊的一类。贪铜菌属细菌分布广泛,在比利时、美国、中国、德国、新西兰和日本等地都有检出。该菌属最显著的特征是其对铜离子具有抗性,铜离子对贪铜菌属细菌的细胞繁殖没有影响,甚至可能促进其生长。贪铜菌属细菌 Cupriavidus metallidurans CH34 是重金属抗性外排系统研究的典型代表菌种,该菌株在比利时炼锌厂滗析槽污泥中被分离获得。由于滗析槽中含有较高浓度的重金属锌、镉和铜等17-18,菌株 CH34 对Cd、Co、Cu、Hg、Ni、Pb、Tl、Zn、Cr 等多种
18、重金属具有抗 性 作 用。菌 株 CH34 的 抗 性 基 因 位 于 pMOL28(171 kb)和 pMOL30(234 kb)2 个 大 质 粒 上,质 粒pMOL28携带铬、镍、钴抗性基因,质粒 pMOL30携带锌、钴、铅、铜抗性基因19。1.2重金属抗性能力评价在重金属抗性细菌研究过程中,如何判断某种细菌对重金属具有抗性是一个首要问题。大多数研究采用最小抑菌浓度(Minimum inhibitory concentration,MIC)评价细菌对某种抑菌剂(抗生素、重金属离子或杀菌剂)的抗性能力20。为了确定细菌对某种重金属的 MIC,通常在细菌培养基中添加不同剂量的重金属盐,能完全
19、抑制细菌生长的该重金属离子的最小浓度即为 MIC。尽管 MIC性能测试实验可能由于重金属离子与细菌培养基的某种成分产生螯合作用导致重金属离子浓度与实际浓度不完全相符,但其仍然是评估细菌对重金属抗性作用的一种有效方法21。目前,国内外对重金属铜抗性细菌的筛选研究相当活跃,相当数量的铜抗性细菌被分离出来。表 2总结了已报道的重金属抗性菌对常见重金属的MIC 值。对于铜而言,假单胞菌属 Pseudomonas putida CZ1 的抗性能力最强,其 MIC 值为 5 mmol/L,其次 是 贪 铜 菌 属 C.metallidurans CH34、C.gilardii CR3,二者 MIC 值均为
20、 3 mmol/L。对于锌而言,贪铜菌属中最引人瞩目的是 C.gilardii CR3 和 C.metallidurans CH34,其 MIC值分别为24、12 mmol/L。2 重金属抗性菌的抗性机制为了避免过量重金属离子对细胞的生物毒性,细菌在长期的进化过程中形成了复杂多样的重金属抗性机制以维持正常的细胞内重金属离子浓度。依据不同的角度和理解,研究者对细菌的重金属抗性机制有着不同的划分27-28,如 R.M.MAIER 等28认为重金属抗性机制包括一般抗性机制和依赖金属的特殊抗性机制;J.A.LEMIRE 等29把细菌的重金属抗性机制归纳为如图 1所示的 5个方面,包括细胞外隔离、减少摄
21、取、外排系统、胞内累积和解毒机制,其认为当环境中存在过量重金属时,细菌可通过渗透屏障、胞外蛋白/螯合剂与被动容忍作用减少对重金属离子的摄取,当重金属离子跨膜进入胞内后,细菌可通过外排系统将胞内重金属离子主动运输到胞外。此外,细菌还可通过重金属与胞内蛋白/螯合剂结合、酶解毒、降低重金属靶标敏感性等多重作用使重金属在胞内进行累积和解毒27,30。鉴于对于重金属胞内外排机制国内外已经有大量专门的综述类文章31-32,以下仅对细菌的重金属抗性机制中的生物吸附和胞内累积进行综述。2.1生物吸附生物吸附(Biosorption)是一个概括性的术语,它包括多种作用机制,A.ROBALDS 等33把生物吸附机
22、理归纳为物理吸附、化学吸附、离子交换和微沉淀,其中化学吸附包括螯合作用与共价作用。对于重金属抗性菌而言,生物吸附是指其通过细胞外部表 2重金属抗性菌及其最小抑菌浓度(MIC)Table 2 Heavy metal resistant bacteria and their minimum inhibitory concentration(MIC)细菌Bacillus thuringiensisCupriavidus metalliduransCupriavidus gilardiiCitrobacter freundiiPseudomonas aeruginosaPseudomonas cepa
23、ciaPseudomonas paucimobilizPseudomonas putida编号/CH34CR3JPG1S7S14S12CZ1MIC/(mmolL-1)Cd1.2441.50.20.2Co0.052520.60.20.2Cu0.53321.61.21.55Zn0.512241.50.20.55Hg0.060.002 70.040.050.040.05参考文献2122232425252526注:表示无测定值。专论与综述工业水处理 2023-03,43(3)34和细胞表面的吸附位点将重金属离子吸附在细胞表面,减少细胞对重金属的摄入量,以提高自身抵抗重金属能力的重要机制34。重金属细胞
24、外部吸附的主体是胞外聚合物(Extracellular polymeric substance,EPS),它是微生物活细胞代谢过程分泌在细胞表层的高分子聚合物,主要成分为不定比例的蛋白质和多糖,以及少量的核酸、脂类和腐殖酸等35-36。EPS中的大分子含有多种可以与重金属离子结合的阴离子基团,如羧基、羟基、巯基和磷酸根基团等,各阴离子基团通过配位、吸附、沉淀和架桥絮凝等作用吸附重金属离子,防止重金属离子与细胞作用37。研究发现适当的重金属离子浓度可以诱导细菌增加 EPS 的分泌,即在一定浓度的重金属环境中,细菌对重金属胁迫产生响应而上调胞外聚合物基因的表达,从而增加胞外聚合物对重金属离子的捕获
25、,如 Pseudomonas putida26、Pseudomonas aeruginosa38、B.subtilis39在铜的作用下,EPS 都有明显的增加。反之,如果去除菌属细菌产生的胞外多糖,细菌吸附重金属能力明显降低,对重金属的敏感性增加。随着研究的不断深入,细胞外部吸附和细胞表面吸附机理逐渐明晰。研究表明,除了 EPS,构成细菌细胞壁的化学组分也可以吸附重金属离子。这是因为细菌细胞壁组分中所含的大量肽聚糖、脂多糖、脂类和磷壁酸等也可与重金属离子发生物理、化学作用,通过离子交换、表面络合、氧化还原、无机微沉淀和静电作用等吸附重金属离子从而减少进入胞内的重金属离子。如革兰氏阳性菌的细胞壁
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 重金属 抗性 及其 去除 CMP Cu 研究进展 小雨
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。