Thuật ngữ hấp phụ sinh học (biosorption) đề cập đến nhiều cách hấp thu kim loại thụ động nhờ sinh khối (vi sinh vật) mà sinh khối này thậm chí đã chết. Sự cơ lập kim loại bởi những phần khác nhau của tế bào cĩ thể xảy ra nhờ:
Sự tạo phức Sự phối hợp
Tạo chelat kim loại Trao đổi ion
Hấp phụ
Bất kỳ một hoặc tổ hợp của những cơ chế này cĩ thể cĩ chức năng ở mức độ
khác nhau trong sự cố định một hay nhiều loại kim loại lên chất hấp phụ sinh học (biosorbent). Các cation kim loại bị lơi kéo bởi các điểm tích điện âm trên bề mặt tế
bào. Nhiều phối tử anion tham gia vào sự gắn kết kim loại như: các nhĩm chức phosphoryl, carboxyl, sulfohydryl, và hydroxyl của các protein màng. Vì thế, các cơ
chế cơ lập kim loại trong hấp phụ sinh học thường cĩ liên quan tới bề mặt tế bào. Khái niệm hấp phụ sinh học được sử dụng vào năm 1940 bởi Ruchhoft, người
đã thực hiện việc loại bỏ239Pu khỏi nước bằng bùn hoạt tính. Ơng đã quan sát thấy loại bỏ được khoảng 60% khi sử dụng quá trình xử lý một giai đoạn. Ơng đã mơ tả
quá trình khử ơ nhiễm như là sựnhân lên của quần thể vi sinh vật “cĩ chất nhầy trên diện tích bề mặt lớn nên cĩ khả năng hấp phụ các vật liệu phĩng xạ”.
Sự khảo sát sớm nhất về cơ chế đãđược nêu ra bởi Rothstein và cộng sự vào
năm 1948. Họ đãđưa ra bằng chứng rằng uranium gắn vào bề mặt tế bào nấm men
“bằng cách tạo phức với những nhĩm chức chưa biết liên quan tới sự trao đổi
glucose”. Sự tạo phức đã được thơng báo là cĩ tỷ lệ 1:1 với những “nhĩm” hoạt
động nhất định trên bề mặt tế bào. Một sự tạo phức khác sau đĩ được cho là “với các nhĩm khơng liên quan tới trao đổi glucose”.
Polikarpov (1966) trong các nghiên cứu của mình về sinh thái học phĩng xạ
của các thủy sinh vật đã chỉ ra rằng các radionuclides hiện diện trong mơi trường
nước (biển) được tích tụ bởi các vi sinh vật biển thơng qua “sự hấp phụ trực tiếp từ nước”. Ơng cũng chỉ ra rằng sự cĩ mặt của tính chất này nhìn chung khơng phụ
thuộc vào chức năng sống của các tế bào. Nhiều vi sinh vật thể hiện tính chất này
như nhau khi sống cũng như khi đã chết. Một lợi thế của việc dùng các vi sinh vật khơng sống là sự nhân lên và việcứng dụng các vi sinh vật cĩ thể tiến hành riêng rẽ
nhờ đĩ cả hai đều được kiểm sốt tốt hơn nhằm tăng khả năng hấp thu kim loại nhờ
vật liệu hấp phụ sinh học.
Tezuka (1968) đã đề nghị rằng sự kết bơng của vi khuẩn trong bùn hoạt tính với sự hỗ trợ của các cation hĩa trị hai như Cu2+ hay Mg2+ là kết quả của các liên
kết ion hình thành giữa các bề mặt tế bào tích điện âm và các cation trong dung dịch.
Thành tế bào của cả sinh vật prokaryotes (tiền nhân) và eukaryotes (nhân thực)
đều chứa các polysaccharide khác nhau như là nh ững chất liệu xây dựng cơ bản. Tính chất trao đổi ion của các loại polysaccharide tự nhiên nhất định đã được nghiên cứu chi tiết. Người ta đã khẳng định rằng các ion hĩa trị hai được trao đổi với các ion đối lập của polysaccharide, ví dụ như trong trường hợp của acid alginic:
2NaAlg + Me2+ Me(Alg)2 + 2Na+
Hai kiểu sinh khối, vi nấm thuộc giống Rhizopus và vi khuẩn Bacillus subtilis
cĩ lẽ là những vật liệu hấp phụ sinh học được nghiên cứu rộng rãi nhất. Các nghiên cứu cho thấy rằng sự trao đổi ion đĩng vai trị quan trọng trong việc cơ lập kim loại rất hiệu quả của sinh khối của các vi sinh vật này ngay cả khi đã chết. Hai vi khuẩn
Gram dương Bacillus megaterium và Streptococcus mutans cũng thể hiện tính chất liên kết thuận nghịch với cation tương tự như nhựa trao đổi ion carboxylic thương
mại.
Bằng phương pháp đi ện di người ta thấy rằng sự phân ly của các nhĩm phosphodiester cĩ lẽ làm tăng điện tích âm trên bề mặt tế bào nấm men
Saccharomyces cerevisiae. Vi khuẩn Escherichia coli cĩ các nhĩm carboxyl cịn vi
khuẩn Bacillus megaterium cĩ cả nhĩm phosphoryl lẫn nhĩm carboxyl. Bề mặt của các tế bào nấm men cũng cĩ thể đĩng vai trị như cation, do cĩ thể liên kết thuận nghịch nhanh chĩng với cation. Sự hấp thu nhanh chĩng uranium đã được chứng minhở nấm men S. cerevisiae, dẫn đến việc cho rằng các nhĩm polyphosphate cũng như các nhĩm carboxyl trên b ề mặt tế bào S. cerevisiae tham gia tích cực vào việc tạo phức với ion kim loại. Quan điểm này xuất phát từ phát hiện trước đây của Rothstein và Meir và cũng giải thích được vì sao sự hấp thu kim loại bởi các tế bào
sinh trưởng trong mơi trường tổng hợp lại được tăng cường khi chúng cĩ nhiều phosphate trong thành phần của thành tế bào. Các nhĩm phosphoryl hiện diện để
hình thành các phức chất bền với uranium. Các nhĩm carboxyl cũng tham gia vào
khả năng gắn kết với nhiều ion kim loại. Sự hiện diện của liên kết với kim loại
thường là quá trình gồm hai giai đoạn, trong đĩ giai đoạn đầu tiên là sự tương tác
giữa kim loại và các nhĩm hĩa học tham gia phảnứng, sau đĩ là sự lắng đọng vơ cơ
của số lượng lớn kim loại. Các nhĩm tham gia phản ứng này cĩ thể là phosphodiester của acid teichoic (ở vi khuẩn), các nhĩm carboxyl và nhĩm amin cũng liên kết với các cation [36].
Sự hình thành phức chất kết hợp giữa các loại kim loại và nitơ hay oxy của
chitin đã được nêu ra. Chitin là thành phần chính của thành tế bào nấm. Tuy nhiên sự tham gia của các thành phần khơng phải chitin của thành tế bào cũng đã được cơng bố. Các nghiên cứu gần đây cho thấy thực ra cĩ nhiều cơ chế gắn kết kim loại tham gia vào quá trình hấp phụ sinh học kim loại.
Các vi sinh vật sản xuất ra tác nhân tạo phức chelate ngoại bào cĩ ái lực đặc biệt cao với những kim loại nhất định. Các vi sinh vật này cĩ thể được điều khiển sao cho sản xuất thật nhiều các tác nhân tạo phức này. Các tác nhân tạo phức
chelate dư thừaấy cĩ thể được tách ra và gắn với chất mang để hình thành vật liệu
trao đổi ion chọn lọc và hiệu quả làm sạch cĩ thể đạt đến mức ppb hay thậm chí ppt. Cơng nghệ này vẫn rất non trẻ nên cịn chưa áp dụng được ở quy mơ cơng nghiệp, chủ yếu là do giá thành của việc sản xuất các tác nhân tạo phức chelate này trong phịng thí nghiệm cịn quá cao. Tuy nhiên những trở ngại này rồi sẽ được vượt qua và nhất định nĩ sẽ là phương pháp tốt nhất trong việc loại bỏ kim loại ra khỏi nước thải trong một tương lai khơng xa [35].
Vị trí và cấu trúc hĩa học của điểm liên kết với kim loại bên trong vật liệu hấp phụ sinh học, cơ chế cơ lập kim loại, hĩa học của dung dịch kim loại cĩ liên quan, tất cả đều là những khía cạnh thiết yếu cần khám phá để quá trình hấp phụ sinh học trở nên cĩ hiệu quả và cĩ tính chọn lọc cao hơn.