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斯坦利·伯纳德·e·Igiri i r . Okoduwa恩典o . Idoko Ebere p . Akabuogu亚伯拉罕o . Adeyi Ibe k . Ejiogu, ”毒性和生物修复重金属污染的生态系统从制革厂废水:复习一下”,毒理学杂志》, 卷。2018年, 文章的ID2568038, 16 页面, 2018年。 https://doi.org/10.1155/2018/2568038
毒性和生物修复重金属污染的生态系统从制革厂废水:复习一下
文摘
排放未经处理的制革厂废水含有biotoxic物质重金属的生态系统是最重要的在我们的社会环境和健康的挑战。因此,人们越来越需要小说的发展,高效,环保,成本效益的方法补救的无机金属(铬、汞、Cd和Pb)释放到环境,维护生态系统。在这方面,最近的进步microbes-base重金属推动生物修复作为潜在的替代传统的技术。重金属是不能生物降解的和可能有毒的微生物。几种微生物进化开发解毒机制来对抗这些无机金属的毒性作用。现在评论提供了一个关键的评估生物降解能力的微生物,特别是在环境保护的背景下。此外,本文讨论了生物吸附能力对使用细菌、真菌、生物膜、藻类、转基因微生物,以及固定化微生物细胞对重金属的去除。生物膜的使用显示协同效应与许多褶皱增加重金属的去除可持续环境技术在不久的将来。
1。介绍
工业制革厂废水是在我们的环境中重金属污染的主要来源。重金属具有经济意义的工业环境中使用和最重要的污染物。重金属污染环境已成为严重威胁生物体在一个生态系统1- - - - - -5]。金属毒性具有重要的环境问题,因为他们的生物体内积累和nonbiodegradability [6,7]。几种无机镁等金属(毫克)、镍(镍),铬(Cr3 +)、铜(铜),钙(Ca)、锰(Mn)和钠(Na)和锌(锌)是至关重要的元素需要少量代谢和氧化还原功能。铝(Al),铅等重金属(铅)、镉(Cd),黄金(Au),水星(Hg),和银(Ag)没有任何有毒生物作用和生物(1,8,9]。
采用生物修复以有毒重金属转化为使用微生物危害较小的状态(10- - - - - -12)清理污染环境或其酶(13]。这项技术是环保和具有成本效益的振兴的环境(3,9,14]。重金属生物修复有一定的局限性。其中包括生产的有毒代谢产物的微生物和nonbiodegradability重金属。
特色的直接使用微生物分解代谢的潜在的和/或他们的产品,如酶和生物表面活性剂是一种新颖的方法来增强和提高修复效果15,16]。不同选择也被预期扩大的应用微生物对重金属的修复技术。例如,使用微生物燃料电池(MFC)降解已经探索过顽固的重金属。Biofilm-mediated生物修复可以应用于重金属污染环境的清理。
微生物技术是活跃的和不断增长的17]。长轨迹存在于微生物和金属如何相互作用在自然和人为环境。Microbial-metal交互主要是集中在金属去除,即。、补救和防止污染。近期复苏的使用固态电极作为电子给体或受体对微生物增长带来了创新的前景,导致microbial-electrochemical技术(大都会)[18]。微生物的应用的绿色方法合成金属纳米颗粒(NPs)据报道(19]。转基因微生物也被用作一个修复技术(20.,21]。基因工程和化学改性可以改变细胞的组件表面,可以有效地提高吸附容量和选择性target-metal物种。
几个因素影响和限制生物修复效率包括温度、pH值、氧化还原电位、营养状况、水分、重金属和化学成分(22]。使用微生物仅显示有限的效率由于各种因素包括缺乏竞争力以及过度的重金属浓度。可以增强有效性几个修正案无机营养,生物表面活性剂,膨胀剂,以及堆肥生物炭(23]。这些调整一直在全面回顾最近的研究(24- - - - - -26]。
有几种重金属抗性的微生物细胞的保护机制。这些机制是细胞外的屏障,细胞外的封存和主动运输的金属离子(流出),细胞内封存,减少金属离子(27,28]。
因此本研究旨在回顾之前的调查人员的报告的毒性作用和微生物细胞的使用和他们的产品,也就是说,生物表面活性剂,提高重金属的修复。它也讨论了影响重金属的生物修复的因素以及它们的突显出机制。研究结果和分析提出了以下部分。目前研究工作对微生物吸附重金属和解毒不仅总结了还提出了未来的发展方向。
2。研究方法
2.1。搜索策略
相关科学文献主要数据库寻找原始研究的文章在重金属的毒性作用和微生物细胞修复重金属的使用。以下数据库搜索:PubMed、ScienceDirect和谷歌学者。搜索的关键字组合是重金属的毒性,制革厂废水,生物膜,影响微生物修复的因素,生物修复,微生物修复机制。
2.2。入选标准
原始的科学研究,报道了重金属的毒性作用和使用微生物清除重金属的生态系统都包括在内。
2.3。排除标准
文章报道了有机化合物的生物修复,重金属的植物修复,和其他生物技术被排除在外。
3所示。重金属对微生物的毒性
重金属的毒性是一个金属的能力对微生物造成不利影响,这取决于重金属的生物利用度和吸收剂量(29日]。重金属毒性包括几种机制,打破致命的酶的功能,如氧化还原反应催化剂生产活性氧(ROS),破坏离子调节,并且直接影响DNA以及蛋白质的形成(30.,31日]。微生物的生理生化特性可以改变重金属的存在。(Cr)铬和镉(Cd)能够诱导氧化损伤和变性的微生物以及微生物的生物修复能力减弱。
铬铬(III)可能改变酶的结构和活动反应的羧基和巯基共同(32]。细胞内阳离子Cr (III)复合物与带负电荷的磷酸基的DNA静电相互作用,可能影响转录、复制,并导致诱变(32]。
铜等重金属(铜(I)和铜(II))可以通过Fenton和Haber-Weis催化ROS的产生反应,这将作为可溶性电子。这可能会导致严重受伤胞质分子,DNA、脂质和其他蛋白质(33,34]。铝(Al)可以稳定超氧化物自由基,负责DNA损伤(35]。重金属能阻止至关重要的酶功能通过竞争性或非竞争性与底物的相互作用会导致酶的构型变化(30.]。此外,它还会引起离子失衡通过坚持细胞表面,进入离子通道或跨膜运输36]。
镉(Cd)和铅(Pb)对微生物造成有害影响,破坏细胞膜,破坏DNA的结构。这个危害是由金属的位移本国结合位点或配体相互作用37]。微生物的形态、代谢和生长的影响通过改变核酸结构,造成功能障碍,破坏细胞膜,抑制酶活性和氧化磷酸化38,39)(表1)。
4所示。微生物修复重金属的影响因素
重金属的倾向刺激或抑制微生物是由金属离子总浓度,金属的化学形式,氧化还原电位等相关因素。环境因素如温度、pH值、低分子量有机酸、胡敏酸可以改变转换,交通、帷幔的重金属,重金属对微生物的生物利用度。重金属往往形成自由离子物种在酸性pH值,与更多的质子可饱和metal-binding网站。在更高的氢离子浓度,吸附剂表面带正电的,因此降低吸附剂和金属阳离子之间的吸引力从而增加其毒性。
温度在重金属的吸附中起着重要作用。增加温度上升的速度被吸附物在外部边界层扩散。重金属的溶解度随温度的增加,使重金属的生物利用度44]。然而,微生物随着温度上升而增加的行为在一个合适的范围内,它增强了微生物代谢和酶活性,这将加速生物修复。microbes-metal复杂的稳定性取决于吸附网站,微生物细胞壁配置和电离的化学根细胞壁。退化过程的结果取决于衬底和各种环境因素(表2)。
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5。微生物的重金属解毒机制
微生物采用不同的机制进行交互和生存的无机金属。各种机制所使用的微生物生存金属毒性生物转化,挤压,使用酶,胞外多糖的产量(EPS) [41,46),和金属硫蛋白的合成。为了应对环境中的金属,微生物发展巧妙的金属电阻和解毒机制。机制涉及到几个程序,加上静电作用,离子交换,沉淀、氧化还原过程,表面络合作用[47]。主要的机械手段抵抗重金属的微生物金属氧化,甲基化,酶减少,有机配合肤色,减少金属,金属配位体退化,金属射流泵、脱甲基作用,细胞内和细胞外的金属封存,排斥渗透屏障,金属螯合剂的生产金属硫蛋白和生物表面活性剂(48]。
微生物可以通过价转换,净化金属挥发或细胞外化学沉淀(48]。微生物细胞表面的负电荷因为存在的阴离子结构,使微生物与金属阳离子(49]。微生物的带负电荷的网站参与吸附的金属羟基、酒精、磷酰基、氨基、羧基、酯、巯基、磺酸盐、硫醚、硫醇组49]。
5.1。生物吸附机理
通过微生物细胞生物吸附重金属的吸收机制可以分为metabolism-independent生物吸附,主要是发生在细胞外和metabolism-dependent生物体内积累,包括封存,氧化还原反应和种变态方法(50,51]。生物吸附可以由死生物量或活细胞被动吸收通过表面络合在细胞壁和表面层(52]。生物体内积累取决于各种化学、物理和生物机制(图1)和这些因素是细胞内和细胞外的过程,生物吸附作用有限的和不明确的地方(52]。
5.2。细胞内封存
细胞内封存的络合金属离子的各种化合物细胞的细胞质中。金属会导致微生物细胞内的浓度与表面配体之后,缓慢的运输到细胞内。细菌细胞的能力积累金属细胞内一直在利用实践,主要在废水处理的治疗。Cadmium-tolerantp . putida应变具有胞内封存的能力的铜、镉和锌离子的帮助下cysteine-rich低分子量蛋白质(54]。此外,细胞内谷胱甘肽是封存的镉离子根瘤菌leguminosarum细胞(55]。
刚性真菌的细胞壁是由甲壳素、矿物离子、脂类、多糖、聚磷酸盐、和蛋白质。他们可以净化金属离子的能量吸收,细胞外和细胞内沉淀,和价转换,一些真菌积累金属菌丝体和孢子。真菌的细胞壁的外观像一个金属离子和配体用于标签带来消除无机金属(56- - - - - -59]。肽聚糖、多糖和脂质细胞壁成分,富含metal-binding配体(例如,-哦,羧基,hpo42−, SO42−-RCOO−, R2OSO3−, - nh2,和sh)。胺可以在这些官能团之间的金属吸收更活跃,因为它与阴离子结合金属物种通过静电相互作用和阳离子物种通过表面络合。
5.3。细胞外的封存
细胞外封存是金属离子的积累通过蜂窝组件的周质或络合金属离子的不溶性化合物。Copper-resistant两菌株产生copper-inducible蛋白质国王杯,CopB(周质的蛋白质)和康菲石油(外膜蛋白)结合铜离子和微生物群落60]。细菌可以把金属离子从细胞质到周质中隔离金属。锌离子可以从细胞质中交叉射流系统的地方积累的周质集胞藻属PCC 6803株61年]。
金属沉淀是一种细胞外封存。铁减少细菌等核废料旁边种虫害和硫减少细菌Desulfuromonas种虫害的能力减少有害金属少或无毒的金属。g . metallireducens,严格的厌氧菌,能够减少锰(Mn),从致命的Mn (IV)锰(II)、和铀(U),从有毒的U (VI) U (IV) (49]。g . sulfurreducens和g . metallireducens有能力减少铬(Cr)非常致命的铬(VI)更少的有毒铬(III) [62年]。硫酸盐还原细菌产生大量硫化氢引起降水的金属阳离子(63年,64年]。
克雷伯氏菌planticola菌株产生硫化氢在厌氧条件下硫代硫酸盐和沉淀镉离子的不溶性硫化物(65年]。同时,镉被沉淀铜绿假单胞菌在有氧条件下应变(66年]。鳗弧菌应变沉淀溶性二价铅复杂磷酸铅盐(67年]。
5.4。细胞外的屏障防止金属进入微生物细胞
微生物细胞膜、细胞壁或胶囊可以防止金属离子进入细胞。细菌可以吸附金属离子得组织的细胞壁(磷酸氨基、羧基和羟基)(68年,69年]。帕尔多et al。(70年),他et al。(69年],Green-Ruiz [71年)观察到高水平的被动不能存活的细胞生物吸附重金属离子假单胞菌putida,枯草芽孢sp。芽孢杆菌sp。
铜绿假单胞菌生物膜细胞显示更高的抗离子铜、铅和锌比浮游细胞,而细胞位于生物膜的边缘被杀。积累的生物膜胞外聚合物金属离子,然后保护生物膜内细菌细胞(72年]。
5.5。甲基化的金属
甲基化增加金属毒性的亲油性增加,从而增加跨细胞膜渗透。微生物甲基化在金属修复中起着重要作用。甲基化化合物经常爆炸;例如,Hg (II)可以由一些细菌等生物甲基化芽孢杆菌仕达屋优先计划,大肠spp。,梭状芽孢杆菌仕达屋优先计划。,和假单胞菌仕达屋优先计划。气态的甲基汞。生物甲基化硒(Se)不稳定的二甲基硒化和砷(与气态胂)以及铅(Pb)二甲基铅被目睹在表层土壤污染48]。
5.6。减少重金属离子通过微生物细胞
微生物细胞可以转化为氧化态金属离子从一个到另一个地方,因此降低他们的危害性73年]。使用金属和非金属作为电子给体或受体细菌发电。金属的氧化形式可以作为终端的细菌在厌氧呼吸的电子受体。减少金属离子通过酶活性可能导致更少的有毒的形成形式的汞和铬(74年,75年]。
6。生物修复微生物对重金属的能力
重金属的吸收发生微生物通过生物体内积累是一个活跃的过程和/或通过吸附,这是一个被动的过程。一些微生物,如细菌、真菌和藻类被用来清理重金属污染环境(表3)[76年,77年]。耐金属的应用在单一菌株,财团,固定化形式对重金属的修复取得了有效的结果,而固定化形式可以有更多chemosorption网站biosorb重金属。
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6.1。细菌修复重金属的能力
微生物生物量有不同biosorptive能力,也在微生物之间的差异很大。然而,每一个微生物细胞的吸附能力取决于其预处理和实验条件。微生物细胞必须适应变化的物理、化学和生物反应器的配置来提高吸附(52]。细菌是重要biosorbents因其普遍性、大小和受控条件下的生长能力和弹性环境条件(78年,79年]。
De Jaysankar和他的合著者(99年)使用mercury-resistant细菌等粪产碱杆菌属、芽孢杆菌、铜绿假单胞菌,和枯草芽孢iodinium镉(Cd)和铅的去除(Pb)。在这项研究中,铜绿假单胞菌和答:粪去除镉(Cd)减少70%和75% 1000 mg / L为17.4 mg / L的镉(Cd)铜绿假单胞菌和19.2 mg / L答:粪大约72小时。枯草芽孢iodinium和杆菌、消除超过87%和88%的铅(Pb)减少1000 mg / L在96小时(表1.8 mg / L3)。在另一项研究中,(118年使用本土兼性厌氧蜡样芽胞杆菌消除六价铬。蜡样芽胞杆菌一个优秀的能力在1000年72%的铬(VI)删除吗μg / mL铬酸浓度。减少铬(VI)的细菌能够在广泛的温度(25 - 40°C)和最佳pH值(6 - 10)在37°C和初始pH值8.0。
几种重金属测试用细菌物种黄杆菌属,假单胞菌,肠杆菌属、芽孢杆菌、和微球菌sp。(表3)。他们伟大的生物吸附能力是由于较高的表面体积比率和潜在的积极chemosorption网站(磷壁酸)细胞壁(119年]。细菌是更稳定和更好地生存,当他们在混合文化120年]。因此,联盟的文化被新陈代谢卓越的生物吸附的金属和更适合现场应用(121年]。De Jaysankaret al。(99年]报道减少78%的铬(Cr)使用细菌财团不动杆菌sp.和节细菌属sp. 16 mg / L的金属离子浓度。微球菌危害用于删除一个巨大数量的Pb合成培养基。在理想的环境中,消除能力是1965毫克/克(122年]。
Abioye和他的同事(123年]研究了铅的吸附重金属(铅),(Cr)、铬和镉(Cd)在制革厂废水利用枯草芽孢杆菌,b . megaterium、黑曲霉和青霉菌sp。b . megaterium记录最高领导(Pb)减少(2.13到0.03 mg / L),紧随其后B。细小(2.13 - -0.04 mg / L)。答:尼日尔显示最高的能力降低铬的浓度(Cr) (1.38 - -0.08 mg / L)紧随其后青霉菌sp。(1.38 - -0.13 mg / L)枯草芽孢杆菌表现出最高的能力减少镉(Cd)的浓度(0.4 - -0.03 mg / L)紧随其后b . megaterium(0.04 - -0.06毫克/升)后20天。金正日和他的合著者(76年使用zeolite-immobilized),设计了一个批处理系统脱磷孤菌属desulfuricans铬的去除(Cr6 +)、铜(铜)和镍(镍),去除效率为99.8%,98.2%,和90.1%,分别为(表3)。Ashruta和他的同事(124年]报道的有效去除铬、锌、镉、铅、铜和钴细菌财团约75 - 85%在不到两个小时的时间联系。
6.2。真菌修复重金属的能力
真菌是广泛使用的biosorbents清除有毒金属的金属吸收和复苏的能力(125年- - - - - -127年]。大多数研究表明,积极的和无生命的真菌细胞发挥重要作用在无机化学物质的附着力111年,128年- - - - - -130年]。斯利瓦斯塔瓦和Thakur131年)也报告的效率曲霉属真菌sp.用于制革厂废水中铬的去除。85%的铬被pH值6合成培养基的生物反应器系统,相比65%的制革厂废水的去除。这可能是由于有机污染物的存在阻碍生物体的生长。
Coprinopsis atramentaria研究其生物蓄积能力76%的Cd2 +在浓度为1毫克L−1的Cd2 +,94.7%的铅2 +,800毫克的L−1 Pb的浓度2 +。因此,它被记录为一个有效的重金属离子蓄电池(微娇技术132年]。帕克和他的合著者(133年)报道,死真菌的生物量黑曲霉、根霉oryzae,酿酒酵母,青霉菌chrysogenum可用于有毒铬(VI)转换为更少的有毒或无毒的铬(III),月神吗et al。(134年]也观察到假丝酵母sphaerica生产生物表面活性剂的去除效率为95%,90%,79%,铁(铁)、锌(锌),分别和铅(Pb)。这些表面活性剂可以和金属离子形成配合物和交互直接与重金属从土壤中分离之前。假丝酵母种虫害积累了相当数量的倪(57 - 71%)和铜镍铜(52 - 68%),但是这个过程是受初始金属离子浓度和pH值(最佳3 - 5)135年]。
生物表面活性剂近年来获得利益由于其低毒性、生物可降解特性,和多样性。穆里根等。(136年使用surfactin)评估的可行性,鼠李糖脂,sophorolipid移除重金属(铜和锌)。洗一个删除了鼠李糖脂0.5% 65%的铜(铜)和锌(锌)的18%,而4% sophorolipid移除25%的铜(铜)和60%的锌(锌)。几株酵母等Hansenula polymorpha,s .酵母Yarrowia lipolytica,红酵母pilimanae,毕赤酵母属guilliermondii,红酵母粘液被用来bio-convert铬(VI)铬(III) (137年- - - - - -139年]。
6.3。使用生物膜去除重金属
有几个报告的应用生物膜对重金属的去除。生物膜作为一个精通生物修复工具以及生物稳定剂。生物膜具有非常高的公差对有毒的无机元素浓度,是致命的。在一项研究显示红酵母mucilaginosa金属切削效率从4.79到10.25%的浮游细胞和生物膜细胞(从91.71到95.39%140年]。生物膜的生物修复机制可能是通过biosorbent或exopolymeric物质存在于生物膜含有表面活性剂和乳化剂分子性质(141年]。
6.4。藻类修复重金属的能力
藻类是自养,因此需要低营养和产生巨大的生物量与其他微生物biosorbents相比。这些biosorbents也被用于重金属去除具有高吸附能力(12]。藻类生物质用于生物修复重金属污染的废水通过吸附或集成到细胞。Phycoremediation是使用各种类型的藻类和蓝细菌的修复重金属毒物的清除或降解[142年]。海藻有各种化学根表面如羟基、羧基、磷酸和酰胺作为metal-binding网站(12,143年]。
吴和他的合著者(113年)使用的死细胞小球藻寻常的去除镉(Cd2 +)、铜(铜2 +),和铅2 +)离子从溶液pH值在不同条件下,biosorbent剂量和接触时间。结果表明,生物质c .寻常的是一个极其有效的biosorbent去除镉(Cd2 +),铜(铜2 +和铅2 +)为95.5%,97.7%,和99.4%,分别从50毫克dm的混合解决方案−3金属离子(表3)。
6.5。固定化生物吸附重金属
使用封装生物量提高吸附性能和提高其物理和化学稳定性。固定化微生物生物量的聚合物矩阵赋予刚性和热电阻率与实际应用的最佳孔隙度。农杆菌属生物质是封装在海藻酸和氧化铁纳米颗粒显示197.02毫克/克的吸附容量Pb和连续五个周期是有效的144年]。
6.6。微生物基因工程
先进的基因工程、微生物工程所需的特色能够容忍金属等压力,过度金属络合蛋白质和多肽,金属积累的能力。弗雷德里克et al。(145年)转基因微生物生产海藻糖和建立,它减少了1毫米铬(VI)铬(III)工程衣藻reinhardtii产生显著增加公差Cd毒性及其积累(146年]。转基因微生物在重金属修复涉及的使用大肠杆菌(大肠杆菌ArsR (ELP153AR))为目标(III) [147年),酿酒酵母(CP2 HP3)针对Cd2 +和锌2 +(148年]。棒状杆菌属glutamicum使用超表达转基因的农业研究所操纵子(农业研究所1,农业研究所2)净化为污染的网站(149年]。
重金属生物修复已被广泛地研究和总结几个bioremediators的性能。生物修复是一种环保和节省成本的复杂工业制革厂废水的净化技术,含有重金属。许多天然biosorbents微生物的起源已确定与高效的吸附特征。最近表面修改这些bioremediators有助于改善他们的性质和过程的总成本增加。尽管这样的缺点,本地和修改biosorbents都展示了他们兼容性测试时制革厂废水。这些biosorbents表明有效的金属切削在广泛的温度、pH值和解决方案的条件。
7所示。未来的前景
某些因素抑制这一技术的广泛应用,很多研究人员确定,包括难以获得可靠和廉价的生物质和负面影响biosorptive共存金属离子的能力。制革厂废水和biosorbent特征应用程序之前需要评估。保持专注生物修复技术的禁忌,未来前景有望在微生物基因技术和增加特异性的发展使用生物膜可以通过优化流程和固定技术。因此,更多的努力应该在生物膜介导生物修复,转基因微生物,微生物燃料电池(MFC)生物修复重金属的生态系统。
8。结论
当前状态的重金属的生物修复了这个研究显示多承诺金属吸附重金属和解毒,尤其是生物膜和转基因微生物。Biofilm-mediated技术、微生物基因转移和微生物燃料电池技术近年来强劲的竞争者。肽聚糖和biosorbents的细胞壁多糖的组成部分是一个活跃的结合位点更高的金属吸收。这种技术具有成本效益和绿色技术,具有更快的动力学,高金属绑定在一个广泛的pH值,和温度。本文提供了一个机会来揭示微生物细胞的作用,生物膜及其代谢物对修复重金属和环境研究。进一步研究领域需要扩展基因转移的重点在对重金属修复的生物膜。这些将有利于改善技术的发展为重金属的生物修复的生态系统。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
作者的贡献
本研究是在所有的作者之间的合作进行的。伯纳德·e·Igiri的概念研究,写手稿起草,参与修订。斯坦利。r . Okoduwa设计研究和至关重要的知识内容的修订后的手稿。恩典o . Idoko,亚伯拉罕o . Adeyi Ebere p . Akabuogu和Ibe k Ejiogu参与收购和管理相关文献手稿和后续修订草案。最终版本是由伯纳德·e·Igiri和斯坦利。r . Okoduwa。所有作者给的最终批准修订版本出版。
确认
作者感谢理事会的成员和coresearch学者研发、尼日利亚皮革和科学技术研究所Zaria-Nigeria而言,他们精神上的支持这个项目的过程中。
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