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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2013年第6期
重金属废水因处理不当被超标排放，已成为
目前地表水和地下水重要的污染物之一。传统的处
理技术包括化学沉淀法、电解法、离子交换法和膜
处理法等，但这些方法都很难处理低浓度（<100
mg/L）的重金属废水，且治理成本较高。微生物吸
附法适于处理低浓度重金属废水，吸附条件容易控
制，处理成本低且不产生二次污染。因此，微生物
吸附技术在处理重金属污染方面有广阔的应用前景。
本试验研究了微生物菌体对重金属离子的吸附率及
菌体活性随时间的变化关系，探讨菌体表面吸附重
金属离子的主要位点，并进一步对菌体进行预处理
试图增加菌体表面的有效吸附位点来提高菌体的吸
附能力，还研讨了菌体对重金属离子的解吸，以使
收稿日期 ：2012-12-03
作者简介 ：周广麒，男，教授，研究方向 ：微生物技术及产业化 ；E-mail ：dlzgq@126. com
通讯作者 ：赵玉清，女，教授，研究方向 ：生物无机化学 ；E-mail ：zyq@yahoo.com.cn
微生物菌体对 Cd2+ 等重金属离子的吸附研究
周广麒1  任铮宇1  杨洪泽2  李荣娇2  邢艳杰2  赵玉清2
（1. 大连工业大学生物工程学院，大连 116034 ；2. 大连民族学院生命科学学院，大连 116605）
摘 要 ： 旨在研究筛选的微生物菌体对溶液中 Cd2+ 等重金属离子的吸附及解吸的方法。结果表明，微生物菌体对 Cd2+ 的适
宜吸附时间为 60 min。通过红外光谱分析，明确了菌体表面某些多糖和蛋白质中的酰胺基、羟基、羰基等官能团在吸附过程中的
重要作用。使用 0.1 mol/L NH4OH 溶液对微生物菌体进行预处理，能大大提高其对 Cd
2+、Ni2+ 和 Pb2+ 的吸附能力 ；0.02 mol/L HCl
溶液对各重金属离子的解吸率都在 96% 以上，解吸后的菌体可以重复用于吸附。
关键词 ： 微生物菌体 重金属离子 红外光谱 吸附 解吸
Bacterial Adsorption of Heavy Metal Ions such as Cd2+
Zhou Guangqi1 Ren Zhengyu1 Yang Hongze2 Li Rongjiao2 Xing Yanjie2 Zhao Yuqing2
（1. School of Biological Engineering，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034 ；2. College of Life Science，Dalian Nationalities
University，Dalian 116605）
Abstract:  This paper studies the bacterial adsorption and desorption of cadmium ions and other heavy metal ions. The test results showed
that the appropriate adsorption time of cadmium ions by the bacteria is 60 min. Infrared spectral analysis indicates that the amide, hydroxyl and
carbonyl functional groups of polysaccharides and proteins on cell surface play a key role in the adsorption process. Further experimental results
show that pretreatment of 0.1 mol/L NH4OH solution on cell can significantly increase the bacterial adsorption capacity for Cd
2+, Ni2+ and Pb2+；0.02
mol/L HCl solution can make more than 96% of the heavy metal ions to be desorbed from the microbial cell, and after desorption, the bacteria can
be reused.
Key words:  Microbial bacteria Heavy metal ions Infrared Spectroscopy Adsorption Desorption
微生物菌体吸附剂可以重复利用。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 试验菌种 来自大连民族学院生命科学学院
生物无机实验室，从大连金州新区的电镀厂废水中
分离筛选到一种对重金属离子的耐受性及吸附能力
较强的菌株，将其编号为 ZH-4。
1.1.2 主 要 试 剂 分 析 纯（NH4）2CO3，NH4OH，
NaOH，HCl，CH3COOH 等 ；金属离子标准溶液由国
家检测中心提供 ；试验用水为超纯水。
1.1.3 主 要 仪 器 Z-2000 型 原 子 吸 收 仪，Biofuge
stratos 型 Heraeus 高速冷冻离心机，IR Prestige-21 型
傅立叶变换红外光谱仪。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第6期156
1.2 方法
1.2.1 吸附条件 Cd2+ 初始浓度 15 mg/L（为国家
排放标准的 300 倍），离心湿菌质量浓度为 1 g/L
（6 000 r/min，离心 5 min），吸附温度 25℃，pH6.5［1］。
吸附时间根据吸附率及吸附反应体系中剩余的活菌
数这两个因素确定。吸附率［2］（%）＝（吸附前溶
液中重金属离子的初始量 M1- 菌体吸附后溶液中重
金属离子的剩余量 M2）／吸附前溶液中重金属离子
的初始量 M1。重金属离子浓度用原子吸收法测定，
活菌数用稀释平板法计数。
1.2.2 微生物菌体表面基团 分别取吸附前后的湿
菌，真空冷冻干燥后 KBr 压片，用红外光谱仪扫描，
分析菌体吸附重金属离子前后其表面一些重要基团
的变化，以探究菌体对金属离子的吸附机理。
1.2.3 非重金属阳离子的影响 在吸附体系中分别
加入 Na+、Mg2+、Fe3+、H+、NH4
+ 等非重金属阳离子
（其浓度范围均为 0.01-0.05 mol/L）进行吸附试验，
然后测定菌体对目标重金属离子 Cd2+ 的吸附量，分
析非重金属阳离子对菌体吸附 Cd2+ 的影响情况。吸
附量［2］定义为每 1 g 菌体所能吸附的重金属离子的
量（mg）。
1.2.4 菌 体 的 预 处 理 在 进 行 吸 附 之 前 分 别 用
（NH4）2CO3、NH4OH 和 NaOH 溶液（其浓度范围均
为 0.02-0.12 mol/L）浸泡微生物菌体 20-30 min，然
后将菌体离心处理，利用处理后的菌体进行吸附试
验，对比预处理前后菌体对重金属离子的吸附能力。
1.2.5 解吸试验 分别用 HCl 和 CH3COOH（其浓度
范围均为 0.01-0.05 mol/L）做解吸剂，将吸附重金
属离子后的菌体浸泡、洗提 30 min，然后离心分离
菌体，测定离心剩余解吸液中重金属离子的量，即
为被解吸的重金属离子的量 Q1。解吸率（%）＝被
解吸的重金属离子的量 Q1 ／解吸前菌体所吸附重金
属离子的量 Q2。
2 结果
2.1 吸附率与活菌数随时间的变化分析
微生物菌体对重金属离子 Cd2+ 的吸附率与吸附
时间有关，如图 1 所示，吸附开始时吸附率增加速
度较快，在 20 min 内吸附率已经达到 47.7%（为最
大吸附率的 90%）；至 60 min 左右时吸附率达到最高，
之后几乎趋于平稳，甚至略有降低的趋势。另一方面，
吸附反应体系中的活菌数随时间的增加而减少，说
明重金属离子对微生物菌体活性有不利影响。综合
考虑这两方面因素，吸附反应时间确定为 60 min 较
为适宜。
0
20
30
40
50
60
70 ੨䱴⦷ ⍫㧼ᮠ
7
8
9
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13
੨䱴
⦷%

⍫㧼
ᮠ×
10
9 C
FU
/m
L
20 40 60 80 100 120 140 160
੨䱴ᰦ䰤min
图 1 不同时间吸附率与活菌数的变化
2.2 菌体吸附重金属离子前后的红外光谱分析
图 2 和图 3 分别为菌体吸附金属离子 Cd2+ 前后
的红外光谱扫描图。根据图 2 光谱图分析可知，微
生物菌体吸附剂主要是由含大量羟基的多糖化合物
以及蛋白质等物质组成。比较菌体吸附金属离子前
后的红外光谱图发现，菌体在吸附金属离子后，其
峰形基本未变，只是特征峰的位置发生了变化，即
羟基峰紫移 18 cm-1，酰胺 I 带、酰胺 II 带峰及糖环
上 C-O-C 峰位均发生了明显的红移，并没有出现明
显的新吸收峰。
3 290 cm-1 左右处是羟基吸收峰 ；1 662 cm-1 左右处为酰胺（O=CN-H）I 带，
是 C=O 的伸缩振动峰 ；1 538 cm-1 吸收峰为酰胺 II 带，可能是 N-H 弯曲振
动和 C-N 伸缩振动，这两个带是蛋白质的特征谱带 ；1000-1200 cm-1 的吸收
峰是糖环上 C-O-C 收缩峰，是糖类的特征峰范围
图 2 菌体吸附 Cd2+ 前的红外光谱图
18
16
14
12
10
8
6䘿ݹ
⦷%

4
2
0
3000 2000⌒ᮠcm1 1000
10751397
1538
1662
2926
3290
2013年第6期 157周广麒等 ：微生物菌体对 Cd
2+ 等重金属离子的吸附研究
2.3 非重金属阳离子对菌体吸附Cd2+的影响
由红外光谱分析结果可知，菌体对金属离子的
吸附是通过菌体表面的吸附位点来实现的。在处理
重金属废水的实际应用中，废水中还可能含有 Na+、
Mg2+、Fe3+、H+、NH4
+ 等阳离子，这些非重金属阳
离子会与目标重金属离子竞争菌体表面的吸附位点
（酰胺基、羰基等官能团），菌体对重金属离子的吸
附可能会受到这些阳离子的影响。
由图 4 的试验结果可见，吸附体系中存在的上
述阳离子都会使目标重金属离子 Cd2+ 吸附量下降。
其中 H+ 和 Fe3+ 等对目标离子 Cd2+ 吸附量的影响很
大，Cd2+ 吸附量随其浓度的增高而急剧减少，当其
浓度为 0.05 mol/L 时，菌体对 Cd2+ 几乎已经不吸附。
过多的 Mg2+、Ca2+（碱土金属离子）也会对 Cd2+ 吸
附量产生不利影响，当 Mg2+ 的浓度为 0.05 mol/L 时，
菌体对 Cd2+ 的吸附量已经减少到 1.95 mg/g。而 Na+
（碱金属离子）和 NH4
+ 离子对 Cd2+ 吸附量的影响较
小，不会使菌体对 Cd2+ 的吸附量大幅度减少。
2.4 菌体吸附剂的预处理结果
为了增加菌体表面的有效吸附位点，提高菌体
的吸附能力，利用（NH4）2CO3、NH4OH 和 NaOH 3
种碱性溶液对菌体进行了处理，结果如图 5 所示。
24
22
20
18
16
14
12䘿ݹ
⦷%

10
3000 2000 1000⌒ᮠcm1
8
6
4
10601396
1525
1648
2926
3308
图 3 菌体吸附 Cd2+ 后的红外光谱图
0.00
0
2
4
6
8
㧼փ
ሩC
d2
+ Ⲵ੨
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0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
䶎䟽䠁኎䱣⿫ᆀ⎃ᓖmol/L
H+
Mg2+
NH4
+
Fe3+
Na+
图 4 非重金属阳离子对菌体吸附 Cd2+ 的影响
0.00
4
6
8
10
12
14
㧼փ
ሩC
d2
+ Ⲵ੨
䱴䟿
mg
/g

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
༴⨶ࡲ⎃ᓖmol/L
NH42CO3
NH4OH
NaOH
图 5 三种碱性溶液对菌体预处理的效果
结果（图 5）显示，经（NH4）2CO3 和 NH4OH
溶液预处理后的菌体吸附量都有增加，以 NH4OH 处
理的增加效果最为显著，其浓度为 0.1 mol/L 时菌体
吸附量达到最佳。而用 NaOH 处理后的菌体对 Cd2+
的吸附量略有下降。
经 0.1 mol/L NH4OH 处理后，微生物菌体对 Cd
2+
的吸附能力显著提高（图 6），最大吸附量达到 13.4
mg/g，明显高于未经 NH4OH 处理的菌体最大吸附量
7.5 mg/g。NH4OH 处理前后菌体活菌数并无明显变化，
活菌数在吸附过程中随时间变化规律也几乎无差异，
说明 NH4OH 预处理菌体并没有影响菌体的活性。此
外，未经预处理的菌体达到最大吸附量的吸附时间
为 60 min，而经 NH4OH 预处理后的菌体在 50 min
即可达到最大吸附量。吸附时间的缩短可以避免活
菌数随时间的进一步降低。
0
0
2
4
6
8
10
12
14
ᵚ㓿༴⨶Ⲵ㧼փ੨䱴䟿
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10.5
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12.0
12.5
20 40 60 80
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d2
+ Ⲵ੨
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mg
/g

⍫㧼
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10
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L
㓿NH4OH༴⨶ਾⲴ੨䱴䟿
㓿NH4OH༴⨶ਾⲴ⍫㧼ᮠ
图 6 菌体经 NH4OH 预处理前后对 Cd
2+ 的吸附量及
其活菌数的变化
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第6期158
经 NH4OH 预处理后的菌体吸附效应的提高不仅
仅表现在对 Cd2+ 的吸附。图 7 是经 0.1 mol/L NH4OH
预处理前后的试验菌对 3 种重金属离子（Ni2+、Cd2+
和 Pb2+，其初始浓度均为 15 mg/L）的吸附效果比较。
在菌体预处理之前，其对 Ni2+、Cd2+ 和 Pb2+ 的吸附
量分别为 5.8、7.5 和 10.1 mg/g，预处理之后则分别
增加到 11.2、13.4 和 14.6 mg/g。经过预处理后的菌
体对各重金属离子的吸附量均有明显增加。
低，这说明解吸剂并未影响微生物菌体的活性。
用 两 种 解 吸 剂（0.02 mol/L HCl 和 0.05 mol/L
CH3COOH 溶液）分别对 3 种被微生物菌体吸附的重
金属离子 Ni2+、Cd2+ 和 Pb2+ 进行解吸，结果（表 1）
显示，两种解吸剂对 3 种重金属离子的解吸效果都
比较好，其中 HCl 溶液的解吸率都在 96% 以上。
表 1 两种解吸剂对 3 种金属离子的最大解吸率（%）
解析剂 Ni2+ Cd2+ Pb2+
0.02 mol/L HCl 97.8 99.2 96.4
0.05 mol/L CH3COOH 86.4 87.5 91.8
在相同条件下，微生物菌体对 Cd2+ 吸附 - 解吸 -
再吸附重复 5 次（每次 Cd2+ 初始浓度均为 15 mg/L，
解吸剂为 0.02 mol/L HCl），结果如表 2 所示，菌体
吸附剂对金属离子的吸附及解吸能力并没有明显降
低，说明微生物菌体可重复用于吸附重金属离子。
表 2 Cd2+ 的解吸率及解析后的菌体吸附量
解吸次数 解吸率（%） 吸附量（mg/g）
0 - 13.4
1 99.2 13.2
2 98.7 12.9
3 98.5 13.0
4 98.9 12.9
5 99.1 13.1
3 讨论
对大多数吸附体系而言，在微生物菌体与重金
属离子充分接触的条件下，20-60 min 即可达到吸
附平衡。若菌种与金属离子的种类及初始浓度不同，
达到吸附平衡所需时间也略有差异。
分析菌体吸附金属离子前后的红外光谱图可知，
菌体吸附剂的化学基团没有发生变化，重金属离子
并未破坏菌体本身的结构，菌体对金属离子的吸附
是以表面吸附为主，而菌体表面一些多糖和蛋白质
中的酰胺基、羟基、羰基等官能团是主要的吸附位
点［3，4］，重金属离子主要是通过络合反应或物理静
电吸附与这些基团相结合的。
在含有多种阳离子的吸附体系中，通常是过渡
金属离子（如 Fe3+、Zn2+、Ni2+、Cd2+ 等）被优先吸
收，而碱金属离子或铵离子则不被吸收。其它相关
㧼փ
ሩ਴
䠁኎
⿫ᆀ
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mg
/g
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Ni2+ Cd2+ Pb2+
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亴༴⨶ࡽⲴ㧼փ੨䱴䟿亴༴⨶ਾⲴ㧼փ੨䱴䟿
图 7 菌体预处理前后对重金属离子的吸附量比较
2.5 重金属离子的解吸结果
微生物菌体吸附了重金属离子之后，需将金属
离子从菌体上解吸下来，以消除二次污染。对于许
多贵重的金属元素来说，解吸是重金属离子能够回
收利用的一个关键，具有经济意义。解吸还有利于
微生物吸附剂的重复利用。
试验采用 HCl 和 CH3COOH 溶液作解吸剂，结
果（图 8）显示，当 HCl 和 CH3COOH 的浓度分别为
0.02 mol/L 和 0.05 mol/L 时，对重金属离子 Cd2+ 的解
吸率都已经很高。对解吸后的菌体进行活菌计数发
现，解吸后的菌体与解吸之前相比其活菌数没有降
0.00
50
60
70
80
90
100
HCl
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
䀓੨ࡲ⎃ᓖmol/L
䀓੨
⦷%

CH3COOH
图 8 重金属离子 Cd2+ 的解吸效果
2013年第6期 159周广麒等 ：微生物菌体对 Cd
2+ 等重金属离子的吸附研究
研究也表明，微生物菌体对大量存在的轻金属离子，
如 K+、Na+、Ca2+、Mg2+ 等不吸附或弱吸附，而对质
子（H+）和重金属离子却有较强的吸附能力［5］。
NH4OH 预处理可提高微生物菌体对金属离子的
吸附能力，其原因可能是 NH4OH 处理改变了菌体表
面某些多糖或蛋白质的结构，从而允许更多的金属
离子吸附到菌体表面上［6］。NH4OH 可能会溶解细胞
表面一些不利于吸附的杂质，使菌体表面暴露出更
多的活性吸附结合位点，因此使吸附量增大。此外，
NH4OH 处理还可以使菌体细胞表面的 H
+ 解离下来，
从而使负电性官能团增多，也会使吸附量增加。总
之，预处理可以提高微生物对重金属离子的吸附能
力，对生物吸附剂的应用与发展有重要的实用意义。
解吸的原理是解吸剂中阳离子（如 H+ 等）与
菌体表面吸附位点（酰胺基、羟基、羰基等官能团）
的结合能力比重金属离子更强，将重金属离子 “置
换”下来 ［7，8］。解吸对于菌体吸附剂的重复使用和
重金属的回收都具有重要的经济价值。
4 结论
综合考虑菌体 ZH-4 对金属离子的吸附率与菌
体活性这两方面因素，吸附时间为 60 min 较为适宜。
菌体主要是通过其表面一些多糖和蛋白质中的
酰胺基、羟基、羰基等官能团来吸附金属离子的。
碱金属离子（Na+、K+）及 NH4
+ 对菌体吸附 Cd2+ 的
影响很小，而 H+ 与过渡金属离子却对菌体吸附目标
重金属离子的影响很大。
经 0.1 mol/L NH4OH 预处理的菌体对重金属离子
Cd2+、Ni2+ 和 Pb2+ 的吸附量明显增加，对 Cd2+ 的吸
附达到 13.4 mg/g，比未处理时提高了 78%。HCl 和
CH3COOH 溶液都可以使重金属离子从菌体上解吸下
来，其中 0.02 mol/L 的 HCl 溶液对重金属离子 Ni2+、
Cd2+ 和 Pb2+ 的解吸率都在 96% 以上。
参 考 文 献
［1］ 赵玉清 , 朴永哲 , 孙天竹 , 等 . 嗜镉菌对重金属 Cd2+ 的吸附研
究［J］. 黄金 , 2011, 32（3）：60-62.
［2］ Zhao Y, Li J, Zhou G, et al. Investigation on adsorption of Ni2+ by
special microorganisms ［J］. Advanced Materials Research, 2012
（550-553）：1387-1390.
［3］ 赵玉清 , 陈吉群 , 张凤杰 , 等 . 嗜铅菌对水中重金属 Pb2+ 的吸
附研究［J］. 离子交换与吸附 , 2009, 25（6）：519-526.
［4］ Chen JP, Yang L. Study of a heavy metal biosorption onto raw and
chemically modified Sargassum sp. via spectroscopic and modeling
analysis ［J］. Langmuir, 2006, 22（21）：8906-8914.
［5］ Iskandar NL, Zainudin NAIM. Tolerance and biosorption of copper
（Cu）and lead（Pb）by filamentous fungi isolated from a freshwater
ecosystem ［J］. Journal of Environmental Sciences, 2011, 23（5）：
824-830.
［6］ Quintelas C, Rocha Z, Silva B, et al. Removal of Cd（II）, Cr（VI）,
Fe（III）and Ni（II）from aqueous solutions by an E. coli biofilm
supported on kaolin ［J］. Chemical Engineering Journal, 2009, 149
（1-3）：319-324.
［7］ Ozdemir G, Ceyhan N, Ozturk T, et al. Biosorption of chromium
（VI）, cadmium（II）and copper（II）by Pantoea sp. TEM18 ［J］.
Chemical Engineering Journal, 2004, 102（3）：249-253.
［8］ Rajiv Gandhi M, Kousalya GN, Viswanathan N, et al. Sorption beha-
viour of copper on chemically modified chitosan beads from aqueous
soluti-on［J］. Carbohydrate Polymers, 2011, 83（3）：1082-1087.
（责任编辑 马鑫）