納米Co3O4負載鞘氨醇單胞菌去除養殖海水中重金屬離子的研究

摘要：以納米Ｃｏ３Ｏ４負載鞘氨醇單胞菌（Ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓ ｓｐ． XJ2）制備復合生物吸附劑，對此吸附劑進行表征并考察了其吸附養殖海水中重金屬離子的性能。利用合成的新型Ｃｏ３Ｏ４納米材料吸附性能、再生性能好的優點去除養殖海水中重金屬離子，吸附性能研究表明，納米Ｃｏ３Ｏ４負載鞘氨醇單胞菌制備復合吸附劑進行海水中重金屬離子動態吸附試驗，當F值為１．２ Ｌ／ｈ、處理時間為9０～１3０ ｍｉｎ，重金屬離子去除率達到９０％以上，處理后水質達海水質量Ⅰ類標準；連續出水ＣＯＤ值為2.5~３．２ ｍｇ／Ｌ，ＣＯＤ值去除率達８５％左右。

關鍵詞：納米Ｃｏ３Ｏ４；復合生物吸附劑；重金屬離子；動態吸附試驗

中圖分類號：Ｘ７１２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）24－5211-05

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｍｅｔａｌ ｉｎ Ｃｕｌｔｕｒｅｄ Ｓｅａｗａｔｅｒ ｂｙ Ｌｏａｄｉｎｇ Ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓ ｓｐ． ｏｎ Ｎａｎｏ Ｃｏ３Ｏ４

ＣＨＥＮ Ｗｅｎ－ｂｉｎａ，ｂ，ＹＩＮ Ｌｅｉｂ，ＸＵ Ｘｉｎｇ－ｙｏｕｂ，ＭＡ Ｗｅｉ－ｘｉｎｇｂ

（ａ． Ｊｉａｎｇｓｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ； ｂ． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕａｉｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ ２２２００５， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｉｏｓｏｒｂｅｎｔ ｏｆ ｎａｎｏ Ｃｏ３Ｏ４ ｃａｒｒｙｉｎｇ Ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓ ｓｐ． ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ， ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｉｏｓｏｒｂｅｎｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｉｏｎｓ ａｄｓｏｒｂｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｓｅａｗａｔｅｒ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｆｌｏｗ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｉｏ ｃｏｕｌｄ ａｒｒｉｖｅ ｔｏ ９０％ ａｆｔｅｒ 9０～１3０ ｍｉｎ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｗａｓ １．２ Ｌ／ｈ． Ｔｈｅ ｅｆｆｌｕｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｍｅｔ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ Ｉ ｏｆ ｓｅａｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｔａｎｄａｒｄ． Ｔｈｅ ＣＯＤ ｖａｌｕｅ ａｆｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗａｓ 2.5~３．２ ｍｇ／Ｌ， ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｔｏ ａ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｉｏ ｏｆ about ８５％.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｎａｎｏ Ｃｏ３Ｏ４； ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｉｏｓｏｒｂｅｎｔ； ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｉｏｎｓ； ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｆｌｏｗ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ

海洋水域由于船舶海洋排污、傾廢、事故泄油，大量陸地生活污水、工農業廢污水直排，甚至一些未經任何處理的工業廢料、生活垃圾傾海或填海等，使得大量的污染物質排向海洋，導致近海海域污染加劇，海水環境質量逐年下降。

徐穎［１］在全國第二次海洋污染基線調查工作基礎上，研究了連云港附近海域水環境質量，結果表明，連云港附近海域已受到重金屬離子和有機物污染。其中Ｐｂ２＋和Ｈｇ２＋污染較重，海水ＣＯＤ值一般達到２０．０ ｍｇ／Ｌ以上，遠超過中度污染海水水平（ＣＯＤ值≤５ ｍｇ／Ｌ），不能作為養殖海水使用。進入水體的重金屬離子不易被微生物分解，它會通過生物富集和放大作用與水生生物體內酶的催化活性部位中的巰基結合形成難溶解的硫酸鹽，抑制酶的活性，妨礙了機體的代謝作用，對水生生物易造成“三致”效應（致死、致畸、致突變）［２］。養殖水體中有機物質在微生物和溫度作用下逐漸分解，并造成底層水溫升高，水中溶解氧含量下降。在有機質的發酵、分解過程中產生ＣＯ２、沼氣、有機酸、氨氮、亞硝酸鹽等有害物質，還會滋生大量致病菌，導致水生動物致病或死亡［３］。

從理論上講，許多常規的物理、化學、生物的廢水處理方法可以應用于養殖體系。例如通過沉積、砂濾、機械過濾等方法可以去除懸浮固體；通過嵌入式或流動式生物過濾器、旋轉式的生物反應器和流體化反應床等，可使有機物發生氧化、硝化及去氮化作用等，從而降低水體中ＣＯＤ值及氮、磷濃度。但是這些處理方法有其自身的缺陷，產生大量的淤泥，能量消耗大，保留時間短等，因此并不一定適用于水產養殖廢水的處理。最近幾年，國內外研究人員研究開發了許多養殖廢水處理方法。

海洋底泥中的微生物長期處于高度貧營養和惡劣的環境，具有特殊的代謝調控機制以適應多變的環境（尤其是營養物缺乏的環境），能夠高效調整自身的生長來抵抗不利的環境變化。并且對眾多的底物，從多環芳烴類化合物、聚乙烯醇、稠環芳烴等高聚物到簡單無機物氮，都具有獨特的降解能力［４，５］，篩選出的菌種從生物活性、酶的結構特點等角度看，對多種重金屬離子有較強的富集作用，也更適合對海洋重金屬離子的凈化應用［６］，這為海洋中微生物的綜合利用提供了可能性［７，８］。

納米材料是粒徑在１００ ｎｍ以下的超微粉末，當物質顆粒被粉碎到大小為納米量級（１～１００ ｎｍ）時，隨粒徑變小而納米材料的表面原子數、表面積、表面能和表面結合能迅速增大。由于表面原子周圍缺少相鄰的原子，具有不飽和性，易與其他原子相結合而穩定下來［９］，具有很強的吸附能力，可在較短時間內達到吸附平衡，是進行痕量元素分析的較為理想的分離富集材料［１０］。

試驗從連云港海域底泥中分離、篩選出對重金屬離子有較強耐性的微生物，利用納米材料對微生物進行固定化，應用于室內養殖海水中有機物、重金屬離子污染的凈化處理，類似的研究在國內外未見報道。因而，該研究對于保障海水養殖業健康發展，提高水產品質量，增加經濟效益具有重要的現實意義。

１ 材料與方法

１．１ 主要儀器

ＷＦＪ－７２００型可見分光光度計［尤尼柯（上海）儀器有限公司］；ＴＤＬ－４飛鴿系列離心機（上海安亭科學儀器廠）；ＳW－ＣＪ－１Ｄ型無菌操作臺（蘇州凈化設備有限公司）；ｐＨＳＪ－５型實驗室ｐＨ計（上海樹立儀器儀表有限公司）；ＳＨＰ－１８０生化培養箱（上海雷磁儀器廠）；ＨＺＱ－ＱＸ型全溫振蕩器（上海實驗儀器總廠）；立式壓力蒸汽滅菌器（哈爾濱東聯電子技術開發有限公司）。

１．２ 復合生物吸附劑的制備

直接使用游離細胞，雖然具有傳質性能好、反應迅速、接觸面積大等優點，但是由于其密度小、顆粒直徑小、強度低、易被水流沖走、利用率低下、固液分離困難、培養基的帶入而引起二次污染等，難以直接用于實際生產。因此可以采用微生物細胞固定化技術，利用其生物離子交換樹脂的作用，而且固定化細胞比離子交換更為經濟，受Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｎａ＋和Ｋ＋等離子的影響較小；也可以使用納米材料負載微生物對其游離細胞進行固定化，可增加其化學穩定性和機械強度，減少吸附—解吸循環中的損耗。

試驗以合成的納米Ｃｏ３Ｏ４負載鞘氨醇單胞菌（Ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓ ｓｐ． ＸＪ２）。斜面活化（2次活化），轉接一次做種子，再按照１０％的接種量來制備活體細胞，用２５０ ｍＬ錐形瓶裝約６０ ｍＬ的菌液，在３７ ℃搖床中培養２４ ｈ，然后往不同菌懸液中加入不同量的Ｃｏ３Ｏ４納米材料，調節ｐＨ為５．５左右，磁力攪拌吸附３５ ｍｉｎ，使用磁力進行固液分離，然后傾倒掉上清液，得到納米Ｃｏ３Ｏ４負載菌的復合生物吸附劑，通過測定上清液的ＣＯＤ值來確定菌與納米Ｃｏ３Ｏ４的最佳比例，試驗結果表明復合生物吸附劑在磁場中能快速沉降，固液分離效果好。由表１可知，當菌體與納米材料的質量比為５∶４時，上清液ＣＯＤ值很低，溶液清澈，在顯微鏡下可觀察到游離菌明顯少于未負載前。

１．３ 試驗方法

以連云港贛榆縣某養殖場海水為樣品，分別測定此海水樣重金屬離子Ni2+、Hg2+、Pb2+、Zn2+和ＣＯＤ值的初始濃度。動態吸附試驗裝置如圖１。取２．０ Ｌ已知重金屬離子濃度的海水于反應器中，加入一定量的復合生物吸附劑，調節溶液ｐＨ，攪拌６０ ｍｉｎ，打開進樣閥連續運行，每隔一定時間在出水口處取樣，測定吸附后溶液中重金屬離子濃度，計算重金屬離子的去除率。

２ 結果與分析

２．１ 條件試驗

２．１．１ 時間對重金屬離子吸附效果的影響 取一定量的海水，室溫，控制海水流量為１．０ Ｌ／ｈ，菌含量５００ ｍｇ／Ｌ，納米Ｃｏ３Ｏ４ ４００ ｍｇ／Ｌ，結果見圖２。從圖２可以看出，前６０ ｍｉｎ吸附速度較快，６０～１００ ｍｉｎ吸附速度相對減慢。這主要是由于起初納米材料和菌體內部積累的重金屬離子的濃度較低，體系對Zn2+的吸附在很短時間內完成，可能主要是由于細菌的代謝產物的作用和菌體、納米材料的表面吸附作用，而通過參與代謝過程的重金屬離子是非常少的。隨著時間的推移，吸附體系胞內重金屬離子的濃度增大以及生物吸附劑的聚集而導致一部分吸附位點被掩蓋，使吸附速率減小；當吸附時間達到１００ ｍｉｎ時，吸附基本達到飽和，圖中曲線將會出現平臺的趨勢。并且對重金屬離子的去除率都可以達到９５％以上，達到海水質量Ⅰ類標準。

２．１．２ 流量對重金屬離子吸附效果的影響 室溫，菌含量５００ ｍｇ／Ｌ，納米Ｃｏ３Ｏ４ ４００ ｍｇ／Ｌ，取一定量海水控制不同流量（Ｆ）考察其對重金屬離子吸附效果的影響，結果如表２所示。由表２可知，在不同Ｆ值情況下，對重金屬離子的去除率在１５０ ｍｉｎ左右基本都可以達到８０％，在１１０ ｍｉｎ可以達到９０％。Ｆ值為１．２ Ｌ／ｈ，處理時間為９０～１３０ ｍｉｎ時去除率達到９０％以上，處理海水質量達到了海水質量Ⅰ類標準。此后去除率緩慢下降。如果Ｆ值過大，運行時間太短，吸附過程還沒有達到平衡就開始出水，導致去除率迅速下降；原因可能是在反應器運行初期階段復合生物吸附劑表面有大量吸附位點，重金屬離子極易吸附到材料表面上，去除效果最好；反應器運行一段時間后，材料上吸附位點減少，但是由于材料的吸附量較大，可以連續處理大量的海水，去除率下降緩慢。Ｆ值過小，運行時間太長，可能會有一部分復合生物吸附劑隨出水流失，導致重金屬離子去除率略有下降。

Ｆ值為１．８ Ｌ／ｈ，第８次取樣，運行時間為１１０ ｍｉｎ時重金屬離子去除率降至８０％以下；Ｆ為０．８ Ｌ／ｈ，第１０次取樣，運行１００ ｍｉｎ時重金屬離子去除率降至８５％以下；Ｆ為１．２ Ｌ／ｈ、處理時間為１１０ ｍｉｎ時，連續取樣處理前１２次重金屬離子去除率均可以達到９０％以上，并且去除率下降緩慢，吸附劑可重復使用７次以上。因此在處理海水重金屬離子過程中Ｆ值控制為１．２ Ｌ／ｈ，處理時間為１１０ ｍｉｎ。

２．１．３ 復合生物吸附劑的可再生性 用５００ ｍＬ ０．２0 ｍｏｌ／Ｌ、１ ０００ ｍＬ ０．１0 ｍｏｌ／Ｌ、２ ０００ ｍＬ ０．０５ ｍｏｌ／Ｌ ＥＤＴＡ對失效的復合生物吸附劑進行再生１ ｈ，再生液重復使用。然后用再生后的復合吸附劑進行吸附試驗，室溫條件，Ｆ值為１．２ Ｌ／ｈ，時間１００ ｍｉｎ，通過吸附劑再生后的單位吸附量ｑ計算再生率ｕ（％），考察再生液濃度對吸附劑再生效果的影響。由表３可知，再生液ＥＤＴＡ濃度對再生效果影響不大，從操作方便的角度考慮，選用５００ ｍＬ ０．２0 ｍｏｌ／Ｌ ＥＤＴＡ對復合生物吸附劑進行再生。

復合生物吸附劑經３次再生后，對重金屬離子Ni2+、Hg2+、Pb2+、Zn2+去除率可以達到９２％，第４次再生后可以達到８５％，第５次再生后吸附劑對重金屬離子去除效果較差。如果更換再生液進行再生，吸附劑仍具有較好的吸附性能，故每再生４次后重新更換再生液。連續測定吸附后出水的ＣＯＤ值都為２．５～３．２ ｍｇ／Ｌ，對海水ＣＯＤ值的去除率可以達到８５％左右。

２．２ 不同吸附劑對養殖海水中重金屬離子處理效果比較

分別利用海藻酸鈉固定化鞘氨醇單胞菌、納米材料Ｃｏ３Ｏ４、納米Ｃｏ３Ｏ４負載鞘氨醇單胞菌作為處理后1、2、3處理含重金屬離子的養殖海水，結果比較見表４、５，可以看到，連云港海水水質都屬于Ⅲ到Ⅳ類的標準，不能作為水產養殖區和海洋漁業水域。通過試驗研究，使用海藻酸鈉固定化鞘氨醇單胞菌對重金屬離子吸附凈化后，海水水質標準可以達到ＩＩ類標準，納米材料Ｃｏ３Ｏ４達到Ｉ、ＩＩ類標準，納米Ｃｏ３Ｏ４負載鞘氨醇單胞菌處理效果最好，水質全部達到Ｉ類標準。

３ 結論

利用Ｃｏ３Ｏ４負載鞘氨醇單胞菌進行海水中重金屬離子的動態吸附試驗，當流速Ｆ值為１．２ Ｌ／ｈ，處理時間為9０～１3０ ｍｉｎ時，對Ｈｇ２＋、Ｎｉ２＋、Ｐｂ２＋、Ｚｎ２＋的去除率均達到９０％以上，達到海水質量Ⅰ類標準。連續測定吸附后出水的ＣＯＤ值都為2.5~３．２ ｍｇ／Ｌ，對海水中ＣＯＤ值去除率達到８５％左右。用ＥＤＴＡ對吸附Ｐｂ２＋后的固定化菌體進行解吸試驗，連續使用４次后再生率仍可以達到８５％，可以重復利用。所以可以根據海水受重金屬離子污染的程度，選擇不同的處理方法凈化養殖海水水質，對已被污染的水域或受損海洋生態系統進行環境凈化，從而保證水產養殖業的可持續發展。

參考文獻：

［１］ 徐 穎．連云港附近海域水環境質量評價［Ｊ］．海洋環境科學，２００１，２０（４）：５４－６０．

［２］ ＢＡＵＤＯＵＩＮ Ｃ，ＣＨＡＲＶＥＲＯＮ Ｍ，ＴＡＲＲＯＵＸ Ｒ，ｅｔ ａｌ． Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ａｎｄ ｓｋｉｎ ｃａｎｃｅｒ［Ｊ］． Ｃｅｌｌ Ｂｉｏｌ Ｔｏｘｉｃｏｌ，２００２，１８（５）：３４１－３４８．

［３］ 劉 鷹，楊紅生，劉石林，等． 封閉循環系統對蝦合理養殖密度的試驗研究［Ｊ］． 農業工程學報，２００５，２１（６）：１２２－１２５．

［４］ 鄭天凌，鄢慶枇，林良牧，等．海洋微生物對甲胺磷農藥的降解作用［Ｊ］． 臺灣海峽，１９９９，１８（１）：９５－９９．

［５］ ＫＹＯＵＮＧ Ｃ，ＺＹＬＳＴＲＡ Ｋ Ｙ，ＧＥＲＢＥＮ Ｊ，ｅｔ ａｌ． Ｃａｔａｂｏｌｉｃ ｒｏｌｅ ｏｆ ａ ｔｈｒｅｅ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓａｌｉｃｙｌａｔｅ ｏｘｙｇｅｎａｓｅ ｆｒｏｍ Ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓ ｙａｎｏｉｋｕｙａｅ Ｂ１ ｉｎ ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ａｒｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ ＆ Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００５，３２７（３）：６５６－６６２．

［６］ ＶＥＧＬＩＯ Ｆ，ＢＥＯＬＣＨＩＮＩ Ｆ．Ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ｍｅｔａｌｓ ｂｙ ｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎ：ａ ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］． Ｈｙｄｒｏｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，１９９７，４４（3）：３０１－３１６．

［７］ 賀艷輝，張紅燕，袁永明，等． 凈水微生物對水產養殖環境的修復作用［Ｊ］． 金陵科技學院學報，２００５，２１（３）：９６－１００．

［８］ 李秋芬，袁有憲． 海水環境生物修復技術研究展望［Ｊ］． 中國水產科學，２０００，７（２）：９０－９２．

［９］ 常 鋼，江祖成，彭天右，等．溶膠－凝膠法制備高比表面積的納米氧化鋁及其對過渡金屬離子吸附行為的研究［Ｊ］． 化學學報，２００３，６１（１）：１００－１０３．

［１０］ ＰＥＤＩＯ Ｍ，ＨＥＶＥＳＩ Ｋ，ＺＥＭＡ Ｎ，ｅｔ ａｌ． Ｃ６０／ｍｅｔａｌ ｓｕｒｆａｃｅｓ：ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９９， ４３７（１－２）：２４９－２６０．