王繼斌

（中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院，河北秦皇島066004）

趨磁細(xì)菌在重金屬污水處理中的應(yīng)用

王繼斌

（中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院，河北秦皇島066004）

趨磁細(xì)菌具有獨(dú)特的磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)特性、生物學(xué)特性，其磁小體可作為生物活性物質(zhì)的固定載體、磁記憶材料等，在重金屬?gòu)U水處理方面具有巨大潛力。介紹了趨磁細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)、種類、特點(diǎn)及趨磁細(xì)菌在重金屬?gòu)U水處理中的應(yīng)用，總結(jié)其應(yīng)用前景及難點(diǎn)。

趨磁細(xì)菌；重金屬；污水處理；應(yīng)用

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)地發(fā)展，工業(yè)污染物的排放量呈增加趨勢(shì)，特別是一些含重金屬離子廢水的排放量及其污染濃度在逐年增加，造成重金屬污染事件保持高發(fā)態(tài)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009-2011年，我國(guó)已連續(xù)發(fā)生30多起重特大重金屬污染事件。重金屬一般指原子量在21～83之間的金屬，重金屬?gòu)U水是指礦冶、機(jī)械制造、化工、電子、儀表等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排出的含重金屬的廢水。重金屬（如含鎘、鎳、汞、鋅等）廢水是一類對(duì)環(huán)境污染最嚴(yán)重和對(duì)人類危害最大的工業(yè)廢水，科學(xué)合理地將廢水中的重金屬離子去除或轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物，是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)工作亟待解決的問(wèn)題。廢水中的重金屬一般不能分解破壞，只能轉(zhuǎn)移其存在位置和轉(zhuǎn)變其物化形態(tài)。目前處理重金屬離子廢水的方法很多，有化學(xué)沉淀法、樹脂交換法、焚燒法、化學(xué)吸附法、氧化還原法、電解法、化學(xué)萃取法等等。隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，人們對(duì)水質(zhì)的要求正逐步提高，并不斷探索如何降低處理成本，最大程度減少二次污染。許多高校和科研院所研究開發(fā)了一些污水處理新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料，其中用生物法處理重金屬污染廢水成為研究的熱點(diǎn)。生物處理法是利用微生物或植物的絮凝、吸收、積累、富集等方法去除廢水中重金屬的方法。

趨磁細(xì)菌（magnetotactic bacterium）是一類在外磁場(chǎng)的作用下能做定向運(yùn)動(dòng)并在體內(nèi)形成納米磁性顆粒——磁小體（magnetosome）的細(xì)菌，主要分布于土壤、湖泊和海洋等水底污泥中。由于趨磁細(xì)菌在外磁場(chǎng)的作用下可做定向運(yùn)動(dòng)，所以趨磁細(xì)菌還有望用于重金屬?gòu)U水的處理。

1 趨磁細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)

首先發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌的是意大利Pavia大學(xué)的醫(yī)學(xué)博士Salvatore Bellini。1958年，他在檢測(cè)水樣中的病原菌時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了某些細(xì)菌具備趨磁性。他經(jīng)過(guò)5年不懈研究探索，積累了試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，撰寫了關(guān)于細(xì)菌趨磁性的文章，但由于種種原因卻沒(méi)能成功發(fā)表，趨磁細(xì)菌的研究暫且擱淺。直到1975年，勃萊克摩（Richard P.Blakemore）在一種被稱為折疊螺旋體（spirochaeta plicatilis）的趨磁細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了磁小體，并給其命名。他是在研究海洋底部污泥中的螺旋菌時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了一類細(xì)菌總是聚集在顯微鏡視野液滴的靠北部邊緣。通過(guò)進(jìn)一步研究，證實(shí)這類細(xì)菌運(yùn)動(dòng)方向能隨著外加磁場(chǎng)極性的改變而改變，他將這類細(xì)菌定名為趨磁細(xì)菌。勃萊克摩是有報(bào)道的發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌的第一人，他首先在《Science》上報(bào)道了趨磁細(xì)菌。Blakemore發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌在顯微鏡下觀察時(shí)總是移向載玻片的一邊。如果他拿一個(gè)磁鐵靠近載玻片，細(xì)菌就會(huì)向磁鐵的N極移動(dòng)。這些細(xì)菌之所以有這種舉動(dòng)，主要是因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生了微小的、含鐵的、具有磁性的小顆粒。每顆顆粒都具有北極和南極。這些細(xì)菌將這些小磁粒排成一條直線，形成長(zhǎng)的磁鐵，并用這種磁鐵作為指南針來(lái)使小磁粒沿著地磁方向移動(dòng)。像其它很多類型的細(xì)菌一樣，趨磁細(xì)菌并不十分喜歡氧氣。它們需要從富氧區(qū)移至貧氧或無(wú)氧區(qū)。在水性環(huán)境中，含氧量隨著水深度的增加而降低，所以，趨磁細(xì)菌喜歡生活在水性環(huán)境的底部。趨磁細(xì)菌用磁性羅盤告訴它們哪個(gè)方向?yàn)橄?。在南半球，地磁?chǎng)北極實(shí)際上是以一定角度向上的。所以，在南半球的趨磁細(xì)菌是“追南型”。在赤道區(qū)，地磁北極不是向上也不是向下的，所以趨磁細(xì)菌為“追南型”、“追北型”、“混和型”[1-2]。

2 已知的趨磁細(xì)菌

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究和觀察，趨磁細(xì)菌的形態(tài)和種類很多，目前還沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行專業(yè)性的詳細(xì)分類。通過(guò)對(duì)一些單一培養(yǎng)及復(fù)合培養(yǎng)出來(lái)的趨磁細(xì)菌進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，趨磁細(xì)菌在生物系統(tǒng)進(jìn)化階段和細(xì)菌域4個(gè)主要特定類群相關(guān)，分別屬于硝化螺旋菌門（nitrospira）、變形菌門（proteobacteria）的α變形菌（alphaproteobacteria）、δ變形菌綱（deltaproteobacteria）、γ變形菌綱（gammaproteobacetria）。通過(guò)16 SrRNA序列測(cè)定、熒光標(biāo)記、單細(xì)胞水平原位雜交等方法研究的趨磁細(xì)菌大約有40余株。其中，屬于硝化螺旋菌門的趨磁細(xì)菌非常特殊，有些能在體內(nèi)礦化合成數(shù)百至上千個(gè)呈多鏈排列的子彈頭狀磁小體；在湖泊沉積物的特定層位中，其數(shù)量可以達(dá)到該層位微生物總數(shù)的30%。因此，該類趨磁細(xì)菌在沉積物磁性以及鐵、氮和硫循環(huán)中發(fā)揮重要作用，成為生物地磁學(xué)和生物地球化學(xué)研究的熱點(diǎn)。但是，由于硝化螺旋菌門趨磁細(xì)菌尚不能在實(shí)驗(yàn)室純培養(yǎng)，目前對(duì)這些趨磁細(xì)菌的多樣性、生理生化特性以及系統(tǒng)進(jìn)化所知甚少?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的趨磁細(xì)菌有球菌、桿菌、弧菌、螺旋菌和多細(xì)胞聚集體[3]。

目前所知的趨磁細(xì)菌主要為水生螺菌屬（aquaspirillum）和嗜膽球菌屬（bilophococcus）。這些細(xì)胞中含有大小均勻、數(shù)目不等的磁小體，其主要成分為Fe3O4和Fe3S4。目前磁小體來(lái)自活體細(xì)胞，不會(huì)產(chǎn)生任何毒性，且因其顆粒小而均勻（20～100 nm），具有較大的表面積與體積比，且磁小體外有一層磷脂、蛋白或糖蛋白生物膜包被，為單磁疇晶體，顆粒間不聚集，也沒(méi)有細(xì)胞毒性，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有2～10顆。形狀為平截八面體、平行六面體或六棱柱體等。其功能是導(dǎo)向作用，即借鞭毛游向?qū)υ摼钣辛Φ哪?、水界面微氧環(huán)境處生活，因而將在許多領(lǐng)域有潛在的不可估量的應(yīng)用價(jià)值[4]。

3 趨磁細(xì)菌在重金屬污染廢水處理中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)證明，在外加磁場(chǎng)作用下，趨磁細(xì)菌會(huì)沿一定的磁場(chǎng)方向游動(dòng)。趨磁細(xì)菌與重金屬離子存在相互吸引作用，污水中的金屬離子如果是順磁性的，它們就會(huì)不斷地被趨磁微生物細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)所吸引，并在其外部富集，溶液中的金屬離子濃度很快降低。被離子包裹的微生物細(xì)胞變成了新磁性復(fù)合物顆粒，在外加磁場(chǎng)的作用下，這些有機(jī)顆粒就會(huì)沿著規(guī)定的方向遷移，沉淀在容器的底部。通過(guò)高梯度磁分離技術(shù)可以成功將廢水中的重金屬離子分離出去。

趨磁細(xì)菌體內(nèi)含有的磁小體，在磁場(chǎng)下很容易被去除，它是一種對(duì)重金屬有著很強(qiáng)吸附性的細(xì)菌。一些重金屬如Fe、Ni、Mg、Cu等，還能被趨磁細(xì)菌吸收，并用于細(xì)菌自身的繁殖代謝。自從發(fā)現(xiàn)以來(lái)，國(guó)外就開始了利用趨磁細(xì)菌處理重金屬?gòu)U水的研究，如南安普敦大學(xué)的Bahaj教授等研究了不同重金屬離子對(duì)趨磁細(xì)菌的活性的影響，發(fā)現(xiàn)Cu、Co、Cd、Zn等離子能抑制趨磁細(xì)菌的活性，而Fe、Mg、Mn、Al、Cr等則能被有效吸附和去除，所以可用來(lái)處理特定的重金屬?gòu)U水。研究發(fā)現(xiàn)，趨磁細(xì)菌對(duì)上述離子的去除效率很高，一般情況下能將濃度由（10～100）×10-6mg/L降至（10～100）×10-9mg/L，從而遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際上的排放標(biāo)準(zhǔn)。在利用趨磁細(xì)菌處理重金屬?gòu)U水的過(guò)程中，只要讓廢水流過(guò)一個(gè)固定的磁場(chǎng)，就可以將重金屬離子去除，不需要額外的動(dòng)力，也不需要加入其它的藥品。因此，可以大大減少?gòu)U水處理的費(fèi)用，在經(jīng)濟(jì)可行性上獨(dú)占優(yōu)勢(shì)。在能源緊缺的現(xiàn)今社會(huì)，大力倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)，人們節(jié)能意識(shí)普遍增強(qiáng)，這種方法有著光明的應(yīng)用前景[5-7]。目前國(guó)外研究者已經(jīng)對(duì)在磁場(chǎng)作用下游離態(tài)的趨磁細(xì)菌對(duì)重金屬離子的去除過(guò)程進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，在證明其高效性和廣譜性的基礎(chǔ)上，還對(duì)趨磁細(xì)菌的連續(xù)培養(yǎng)、循環(huán)利用和再生過(guò)程進(jìn)行了探討。而國(guó)內(nèi)利用趨磁細(xì)菌處理重金屬?gòu)U水的相關(guān)報(bào)道還比較鮮見，只有天津大學(xué)孫津生、任茂明、王艷紅等對(duì)趨磁細(xì)菌的培養(yǎng)和處理不同重金屬的操作條件等方面進(jìn)行了研究。天津大學(xué)任茂明等研究了pH值、溫度、時(shí)間以及微生物量等因素對(duì)趨磁細(xì)菌吸附Cr3+的影響，并選擇出其符合的吸附模型，趨磁細(xì)菌對(duì)Cr3+去除率可達(dá)80%以上。天津大學(xué)武振華等以趨磁細(xì)茵MTB作為吸附劑，研究了吸附溶液中的Pd2+的去除率及最佳吸附條件。

4 趨磁細(xì)菌應(yīng)用研究展望

日本學(xué)者M(jìn)rtsunaga早在1991年就預(yù)測(cè)趨磁細(xì)菌的磁小體在未來(lái)10年中將是高新技術(shù)應(yīng)用中的一種新的生物資源。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著不同，大塊的純鐵矯頑力約為80 A/m，而當(dāng)顆粒尺寸減小到2×10-2μm以下時(shí)，其矯頑力可增加1000倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6×10-3μm時(shí)，其矯頑力反而降低到0，呈現(xiàn)出超順磁性。利用其高矯頑力的特性，磁性超微顆粒已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。同樣在醫(yī)療領(lǐng)域，目前也普遍認(rèn)為趨磁菌有一定的實(shí)用前景，包括生產(chǎn)磁性定向藥物或抗體，以及制造生物傳感器等。趨磁細(xì)菌屬微好氧細(xì)菌，生長(zhǎng)速率低，培養(yǎng)產(chǎn)物不穩(wěn)定，因而目前對(duì)它研究的深度遠(yuǎn)不及某些好氧細(xì)菌，如芽孢桿菌等。可見，從特殊環(huán)境中分離趨磁細(xì)菌，并對(duì)其培養(yǎng)特征和磁小體進(jìn)行研究具有重要意義。另外，將趨磁細(xì)菌接種于硅藻土中，形成生物組件，并用于重金屬污水的處理，將具有很好的前景。

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The Application of Magnetotactic Bacteria in Heavy Metal Sewage Treatment

Wang Jibin
（Environmental Management College of China，Qinhuangdao Hebei 066004，China）

Magnetotactic bacteria have specifically magnetic athletic and biological property,and magnetosomes can be used as materials of fixed vector and memory.Its discovery,types and characteristics were described,and its applications in wastewater treatment containing heavy metals was introduced in the paper,the prospects and difficulties of its application were summed up.

magnetotactic bacteria；heavy metal；wastewater treatment；application

X703

A

1008-813X（2011）05-0054-03

10.3969/j.issn.1008-813X.2011.05.016

2011-09-07

2011年河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目《改性硅藻土磁生物膜載體污水處理技術(shù)研究》（11276707D）

王繼斌（1962-），男，遼寧鞍山人，畢業(yè)于燕山大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，正高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境污染控制技術(shù)教學(xué)與研究工作。