1. 任务来源 “大型真菌对重金属的生物积累及应用”是四川省科技厅自2004年以来资助的多项科研项目的一个成果集成。几年来,课题组全体研究人员相继承担了三个四川省科技攻关项目。包括“蕈菌作为环境净化和环境质量指示特种生物的研究”,项目计划编号04SG023-006-05,经费5万元(2004-2006);“栽培食用菌对重金属的生物吸附技术研究”,课题计划编号05SG023-005,经费5万元(2005-2007);“白腐真菌生物吸附废水中重金属的工艺研究和开发”,计划编号07FG001-006,经费10万元(2008-2009)。在以上项目的支持下,课题组在相关研究方面取得了较大成绩,鉴于此,2008年进一步获得国家自然科学基金资助,“土壤中重金属镉和铅在牛肝菌中的生物积累及其机理研究”,课题编号40741004,经费10万元。本项目在地方和中央单位的共同资助下,共计经费30万元,实际执行时间7年,自2004年10月起至2011年5月止。 2. 应用领域与技术原理 本项目属应用基础研究,首先研究了大型真菌对重金属的积累特性,同种菌类对不同重金属的积累特性,不同种菌类对同种金属的积累特性以及同种菌类对同种金属积累的区域特性。利用大型真菌子实体中的重金属含量来指示环境重金属的污染度,为环境的改良修复提供参考。在此基础上,发现了一些对重金属积累能力特别强的菌类,利用这些菌类的菌丝体或子实体来吸附水体中的重金属,选择出了一些对重金属去除能力特别强的菌类(株)。针对我国食用菌生产规模越来越大的现状,利用食用菌生产加工后的废弃物作为吸附剂吸附去除的水体中的重金属,效果明显。为提高吸附能力,对食用菌废弃物还进行物理和化学加工,自制小球,明显增强了祛除水体中金属的能力。为降低成本和提高效率,将小球经过物理化学处理后,进行再循环使用,自主设计出吸附反应器,采取静态和动态吸附方式来测试水质量的达标程度。通过以上的研究,选出了对重金属积累能力强的菌类,对水体中重金属吸附祛除能力强的菌类,配置出了对重金属吸附能力强的大型真菌生物吸附剂,自制了动态吸附反应柱。在国内外高级刊物上发表文章60余篇。通过历时7年的研究和推广应用,使该研究不仅在基础理论上有明显突破,而且在实际应用上也取得了好的效果。 性能指标：(1)通过对野生大型真菌和土壤重金属含量分析和生物富集常数的计算选择出了对重金属积累能力强的菌类和对土壤重金属污染有指示作用的菌类,并对食用菌类进行了食用安全性评价。(2)通过不同大型真菌对水体中重金属的吸附实验选择出了对重金属吸附祛除能力强的菌类(株)。(3)利用金针菇和香菇废弃菌柄进行水体中Cd和Pb的吸附,发现它们对重金属具有很强的吸附积累能力,利用扫描电镜和红外光谱分析探讨吸附机理,发现细胞壁的官能团在吸附和积累中发挥着重要作用。(4)选择出了海藻酸钠-聚乙烯醇固定香菇废弃菌柄的最佳配方。(5)利用固定香菇废弃菌柄进行了重金属污染水体的动态与解吸研究,在实际废水处理中应用效果明显。(6)在国际国内高水平学术期刊上发表文章余篇在国际国内高水平学术期刊上发表文章40余篇。 3. 与国内外同类技术的比较 国际上有学者研究过野生大型真菌对重金属的生物积累,国内学者研究较少。国际上有学者进行过用食用菌活体菌丝吸附重金属Ni,Cr,Zn,Cu,Cd等的研究,但鲜有利用食用菌子实体废弃物吸附水体中重金属进而固定进行动态吸附的研究。在积累和吸附机理方面也进行了利用扫描电镜和红外光谱全面系统深入的研究。国外有关的研究比较零散。本研究还将试验结果的技术和材料应用于实际废水处理中,取得了明显的效果,是一个系统完善的理论和实际应用相结合的研究成果集成,在国际国内都具有先进水平。 4. 成果的创新性和先进性 (1) 技术创新。大型真菌尤其是食用和药用蘑菇的营养,保健和医用价值广为人知,而其生态作用确被人们忽视,用它们对重金属的积累水平评价其环境污染,去除水体中的重金属,净化污染水体是一项有生态环境意义的研究,利用其对金属的积累水平进行食品安全评价对人类的健康保护也有重要的贡献。其机理的研究一直是学界的兴趣和难点。 本研究率先在国内采用蘑菇菌丝体和食用真菌废弃部分作生物吸附剂去除水体中的重金属材料,减少二次污染,废物利用在循环经济方面也是一种新突破。 利用固定香菇废弃菌柄和固定床吸附除去水体中的重金属是本课题的又一个创新。 (2) 理论创新。利用FT-IR光谱仪分析大型真菌作为生物吸附剂的吸附功能基团,为吸附机理的解释提供理论依据,这在我国少有报道。 以上两方面的创新性、先进性及系统性,填补了国内外研究的空白。 5. 研究意义 我国多数矿产资源的人均占有量远低于世界水平,近年来工业发展,尤其是乡镇企业的迅速发展给我国的环境造成了巨大压力,资源枯竭,环境恶化对我国经济的可持续发展构成了严重威胁。一方面许多金属(如Pb,Hg及Zn)的存在指数(世界储量与世界生产水平之比)很小,价格越来越高,另一方面由于技术不过关和运行费用过高,我国的废水处理系统还没有真正运转起来,有的甚至是摆设,与废水一起排放的有毒金属又污染着环境,对人类健康造成严重危害。开发出成本低廉,性能良好,操作方便的回收利用废水中金属的方法和材料成为当务之急。利用生物吸附回收废水中金属离子的技术是目前国外研究较多的一种处理重金属污染的新方法,因其特有的优点而具有广阔的应用前景。自九十年代开始,世界少数国家如美,俄,日等国,采用生物吸附法处理电镀废水,己取得成效,并开始在工业上应用。 环境生物技术领域的发展表明,细菌、真菌、酵母、藻类能够借助生物吸附祛除水溶液中的重金属,利用这些微生物生物吸附剂祛除水溶液中的重金属成为对现存方法的革新替代。生物吸附法作为一种新兴的处理技术,特别是在处理低浓度的重金属废水方面有着极为广阔的发展前景。 高等真菌由于其生物吸附量大,成本低,取材广泛,对某些种类的重金属具有专一的吸附,因此具有极大的应用潜力。除可用来处理废水和饮用水中的金属外,还可以用来处理有机污染物及放射性废水,甚至可以用来回收贵重金属。本研究在国内首次尝试利用高等真菌菌丝体和子实体的废弃部分作为重金属的吸附剂,填补了国内有关研究的空白,具有较高的理论和实际意义。由于成本低廉,无二次污染,比细菌等生物吸附剂更能为人们控制,还可利用该技术回收贵重金属,因此具有广阔的应用前景。本研究中的高等真菌对重金属的生物积累和安全评价,可以指示环境重金属的污染,并利用人工培养的菌丝体助力共生树种改良金属污染土壤,具有重要的生态环境意义,在人类食品的健康指导食用方面更有现实意义。在对金属积累和吸附机理的研究方面具有科学理论意义。 6. 推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见 我国幅员辽阔,地形复杂,气候多样,大型真菌资源非常丰富。利用大型真菌对重金属的生物积累可以指示环境的重金属污染情况,可以利用该特点将人工培养的菌丝体接种到重金属污染的土壤中积累稀释植物根区的重金属浓度,改良根区部分微环境,使修复环境植物正常生长,从而达到对重金属污染环境修复的目的;在掌握食用真菌对重金属积累水平的基础上可以为食品的安全实用提供合理的参考意见,避免中毒事件发生;利用大型真菌对重金属强烈的积累能力可以吸附水体中的重金属,达到净化重金属污染水体的目的,成本低,材料来源广泛;经过物理-化学处理后,所制作的生物吸附剂可以重复使用,提高了吸附量和效率。特别是在处理低浓度的重金属废水中具有不可取代的优越性,材料易获得,使用食用菌加工后的废弃物作为吸附剂,废物利用,变废为宝,大型真菌的菌丝体均可进行人工培养获得,取其菌丝体作为生物吸附剂,培养周期短,成本低廉,生长扩繁均可人为控制,不会造成再度污染;吸附后的金属可以解析,从而可以回收金属,再度用于工业,同时解吸后的生物体还可以重复使用,因此具有广阔的应用前景。课题组成员属于从事科研和教学的一线人员,其所从事的研究始终与研究生的培养紧密相连,依托本研究项目,已培养研究生7名,博士1名,博士后1名,累计发表高质量学术论文40余篇,课题组研究生指导老师积极接纳大四即将毕业的本科生参与课题组的研究工作,指导其完成和推荐发表毕业论文。课题组与企业一直保持良好的合作关系,把所获成果应用在内江市东兴区数个小型污水厂、四川农业大学污水厂、绵阳市各县区污水厂进行示范推广,提高治污效率、减低治污成本,具有很好的经济效益,生态效益和社会效益。累计每年节约污水处理成本上千万元。 共生菌丝体的人工培养有一定难度,一直是世界科学家关注的课题,一旦这一难题得到解决,利用与植物共生的外生菌根真菌来给力共生宿主植物修复重金属污染环境将会有无限广阔的应用前景。