固定化酵母菌吸附混合重金屬離子的研究

趙瑞雪，薛丹，高達，鄭笑秋，劉淑梅，張淑華

（1.長春理工大學 化學與環境工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 生命科學技術學院，長春 130022）

重金屬是造成水體污染的一類有毒物質，目前，電鍍、制革、化工、染料、冶金、耐火材料等行業含重金屬廢水的排放量不斷增加，即使少量的重金屬經過生物濃縮、生物積累和生物放大作用，也可產生毒性效應，嚴重威脅人類健康［1］。生物吸附法是去除工業廢水中重金屬離子的一種較新技術。目前，利用酵母菌可吸附 Pb、Hg、Cu、Zn、Cd、Co、Cr、Ni等多種重金屬離子［2-8］，以達到對廢水的高效處理，但基本都是處理的單一離子，本研究是在此基礎上，著重探討利用固定化酵母菌同時吸附溶液中的Pb2+、Cu2+、Zn2+混合離子。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗菌種

酵母菌菌種取自長春理工大學生命科學技術學院，將酵母菌用馬鈴薯培養基在振蕩培養箱中，于28℃條件下振蕩培養18h，離心(4000 r/min)，收集菌體，60℃下烘干，研磨成粉末狀，干燥保存。

1.1.2 主要儀器

BS-1E振蕩培養箱，LD4-2高速離心機，PHS-3B精密pH計，OPTIMA 2100DV電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP）。

1.1.3 主要試劑

硝酸鉛、硝酸銅、硝酸鋅、4%的氯化鈣飽和硼酸溶液、海藻酸鈉、聚乙烯醇（PVA）。

1.2 試驗方法

1.2.1 酵母菌的固定化方法

海藻酸鈉—PVA包埋法：以2%的PVA和1%的海藻酸鈉為包埋劑，制得菌體濃度為16 g/L的固定化酵母菌。

1.2.2 Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附

將固定化小球加入需要進行吸附的 Pb2+、Cu2+和Zn2+的混合溶液中，調節溶液的pH，于180 r/min的振蕩培養箱中吸附一定時間，取上清液于100 mL容量瓶中定容，用ICP測定其中的Pb2+、Cu2+和Zn2+的濃度，計算吸附率：

2 結果與討論

2.1 pH值對吸附的影響

取 Pb2+、Cu2+、Zn2+離子混合溶液100 ml濃度均為100 mg/L，用0.1 mol/LHCl和0.1 mol/L NaOH調節pH分別為2.1、3.1、3.5、4.4、5.7，再分別加入菌體濃度為16.0 g/L固定化酵母菌小球，在溫度為25℃，轉速180 r/min，振蕩吸附100 min，計算吸附率，結果如圖1所示。

圖1 pH值對吸附的影響Fig.1 Influence of pH on adsorption

由圖1可知，pH在2.5～5.5之間，固定化酵母菌對Pb2++、Cu2+、Zn2+的吸附率都超過了80%。由于在低pH值條件下，H3O+與重金屬離子爭奪吸附位點，同時阻礙活性基團的解離，致使吸附率低；在高pH值條件下，重金屬離子會以不溶解的氧化物、氫氧化物微粒的形式存在，從而使吸附過程無法進行［9］。

固定化酵母菌對Pb2+的吸附：當pH在從2.0升至5.7時，固定化酵母菌對Pb2+的吸附率變化不大，都超過了97.50%；固定化酵母菌對Cu2+的吸附：當pH<3.0時，固定化酵母菌對Cu2+的吸附率隨pH升高而升高，當 pH為 3.0時，達到最大吸附率87.01%，當pH>3.0時，固定化菌體的吸附率隨pH的升高而降低；固定化酵母菌對Zn2+的吸附：當pH值從2.0升至5.7時，固定化酵母菌對Zn2+的吸附率隨著pH增大而先增大后減小，在pH值為4.4時，吸附率達到最大86.28%。由此可見，酵母菌對重金屬離子的吸附存在一個最佳pH值。考慮水體中Cu2+對人體的危害程度大于Zn2+對人體的危害，綜合各個因素，確定固定化酵母菌對Pb2+、Cu2+、Zn2+吸附的最佳pH值為3.0。

總體上，在酸性范圍內，pH值的變化并沒有引起吸附率的強烈變化，而實際廢水的pH經常變動，這對實際應用較為方便。

2.2 金屬離子初始濃度對吸附的影響

將固定化酵母菌置于不同濃度的 Pb2+、Cu2+、Zn2+離子混合溶液中。其中，Pb2+、Cu2+、Zn2+離子濃度各自分別為 10 mg/L，50 mg/L，100 mg/L，150 mg/L，200 mg/L。調節pH為3.0，各加入菌體濃度為16.0 g/L固定化酵母，振蕩培養箱轉速180 r/min，25℃下吸附100 min。計算吸附率，結果如圖2所示。

圖2 重金屬離子濃度對吸附的影響Fig.2 Influence of heavy metal ions concentration on adsorption

由圖2看出，在加入吸附劑為一定量時，金屬離子的吸附率總體上是隨著初始濃度的升高而降低，說明當金屬離子達到一定濃度時，盡管吸附系統中還殘留著大量的金屬離子，但由于菌體上能結合金屬離子的位點已被飽和，菌體對金屬離子的吸附率就不再增加。

Pb2+的初始濃度在10 mg/L～100 mg/L范圍時吸附率隨著初始濃度的升高而升高，當初始濃度大于100 mg/L時，吸附率基本不變，當Cu2+的初始濃度從10 mg/L到50 mg/L時，吸附率緩慢上升，在初始濃度為50 mg/L之后，吸附率隨著濃度的增加而緩慢降低，但在Cu2+的初始濃度不超過100 mg/L時，吸附率均大于93%；當Zn2+的初始濃度增加時其吸附率是降低的，但當Zn2+的初始濃度由10 mg/L增加到100 mg/L時，吸附率由80%降低到75%，考慮到實際排放廢水的情況，確定混合金屬離子濃度均為100 mg/L。

2.3 菌體濃度對吸附的影響

取菌體濃度分別為1.2 g/L、2.5 g/L、4.8 g/L、10.0 g/L、16.0 g/L、18.0 g/L、20.0 g/L，其他條件是：混合液中Pb2+、Cu2+、Zn2+離子的初始濃度均為100 mg/L，pH為3.0，溫度為25℃，轉速180 r/min下振蕩吸附100 min，計算吸附率，結果如圖5所示。

圖3 菌體濃度對吸附的影響Fig.3 Influence of yeast concentration on adsorption

從圖3中看出，在金屬離子初始濃度一定的條件下，隨著酵母菌用量增加，酵母菌對金屬離子Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附率提高，但是提高到一定程度后，吸附率變化幅度很小。其原因可能是增加生物量導致了吸附位點間的相互作用，因為酵母菌細胞的組成物質大多屬兩性基團，高濃度的情況下加大了它們之間相互結合的幾率，而占據了一部分有效的吸附位點，所以選擇最佳菌體濃度為18.0 g/L。

2.4 溫度對吸附的影響

取Pb2+、Cu2+、Zn2+離子混合溶液，各離子濃度均為100 mg/L，pH為3.0，加入菌體濃度為18.0 g/L固定化酵母菌小球，分別在10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃時，以 180 r/min振蕩吸附 100 min，計算吸附率，結果如圖4所示。

由圖4可知，溫度在10℃～35℃范圍時，隨著溫度的升高，吸附率也逐漸上升，在20℃～25℃范圍時上升的幅度較大，一般來說，吸附過程是一個放熱過程，略微升高溫度有利于生物吸附，而較大幅度升高溫度則不利于生物吸附。同時，溫度過高或過低都會使飽和吸附量有所降低［10］。故選擇25℃為最佳溫度。

圖4 溫度對吸附的影響Fig.4 Influence of temperature on adsorption

3 結論

以海藻酸鈉—PVA為包埋劑固定化酵母菌，對Pb2+、Cu2+和Zn2+金屬離子具有較強的吸附能力。通過實驗可知吸附的最佳條件：pH 值為3.0，Pb2+、Cu2+、Zn2+離子的初始濃度均為 100 mg/L，酵母菌濃度為18.0 g/L，吸附溫度為25℃，在此條件下，對模擬水樣進行測定，其中Pb2+吸附率為97.95%，Cu2+吸附率為81.07%，Zn2+吸附率為84.34%。

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