不同EPS組成生物膜對(duì)Cu2+吸附的研究

胡學(xué)偉,李 姝,榮 燁,李 媛(.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650500；.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,云南 昆明 650500)

不同EPS組成生物膜對(duì)Cu2+吸附的研究

胡學(xué)偉1*,李 姝1,榮 燁2,李 媛1(1.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,云南 昆明 650500)

采用自行設(shè)計(jì)的反應(yīng)器,通過(guò)調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的配比對(duì)載體進(jìn)行掛膜,得到蛋白質(zhì)和多糖含量比分別為7:1、5:1和10:1的3種生物膜作為吸附劑,用其對(duì)Cu2+進(jìn)行吸附試驗(yàn),同時(shí)對(duì)吸附機(jī)理進(jìn)行探討.結(jié)果表明,培養(yǎng)8d后,生物膜可掛膜成熟,在C/N=12時(shí),生物膜上的菌落數(shù)較C/N=4和C/N=37條件下多.PN/PS值越小,生物膜對(duì)銅的吸附量越高,EPS3對(duì)Cu2+的吸附量分別高出EPS17.37 %, EPS27.62%.在生物膜吸附Cu2+后,溶液中Ca2+、Mg2+、K+含量明顯升高,表明離子交換對(duì)生物膜吸附Cu2+起主要作用,且Cu2+更易與Ca2+和Mg2+產(chǎn)生離子交換作用.當(dāng)KNO3濃度在0.1～0.6mol/L之間,隨著離子強(qiáng)度的增加,生物膜吸附Cu2+的量迅速減少,當(dāng)KNO3濃度大于0.6mol/L時(shí),生物膜對(duì)Cu2+吸附量的變化趨于平緩,說(shuō)明生物膜對(duì)Cu2+的吸附同時(shí)包括離子交換吸附和化學(xué)吸附.

生物膜；胞外聚合物；碳氮比；銅

銅對(duì)低等生物和農(nóng)作物毒性較大,其濃度達(dá)0.1～0.2mg/L時(shí)可使魚(yú)類(lèi)致死,過(guò)量的銅也會(huì)危害人體健康,但重金屬在自然環(huán)境中不易降解,探尋高效易得的方法去除重金屬是目前的研究熱點(diǎn)[1-4].生物膜法是一種高效的污水處理方法,是利用附著生長(zhǎng)在某些載體表面的微生物進(jìn)行污水處理的方法.生物膜法具有產(chǎn)泥量少、生物膜相豐富、操作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).生物膜是微生物的聚集地,它被微生物細(xì)胞和其胞外多聚物所填充,其內(nèi)部被形成的空隙分割,孔隙中充滿了營(yíng)養(yǎng)底物或低濃度的胞外聚合物,空隙之間彼此相連通,構(gòu)成“異質(zhì)鑲嵌”和“蘑菇或郁金香”模型,成為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、信息傳遞等現(xiàn)象發(fā)生的場(chǎng)所[5-6].微生物的EPS主要成分是多糖、蛋白質(zhì)、腐植酸等[7],其上含有大量的官能團(tuán),如羧基、氨基、羥基等,這使得生物膜吸附重金屬具有可行性[8-9].實(shí)際工業(yè)廢水都具有較高的鹽度,多為多種金屬離子的共存體系,因此,有必要確定離子強(qiáng)度的增加對(duì)吸附的影響,對(duì)設(shè)計(jì)高效的重金屬?gòu)U水處理系統(tǒng)有一定的幫助[10].本文研究了不同培養(yǎng)條件下,生物膜胞外聚合物的成分組成情況及其對(duì) Cu2+吸附行為效果對(duì)比,并考察了在不同離子強(qiáng)度條件下,生物膜吸附Cu2+的規(guī)律研究,以期為應(yīng)用生物膜處理銅污染廢水處理提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

采用自行設(shè)計(jì)、間歇運(yùn)行方式的反應(yīng)器對(duì)載體進(jìn)行掛膜,其尺寸為長(zhǎng) 440mm×寬 330mm×高240mm 的有機(jī)容器,有效容積為 34.85L.將150mm× 150mm的玻璃板用3%～5% HNO3浸泡24h后,用去離子水清洗2遍,置于鋼架上采用排泥法掛膜.運(yùn)行前,向3個(gè)相同的反應(yīng)器中各自加入污泥濃度為3000mg/L、12L左右的污泥.

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)采用人工配水,通過(guò)變化培養(yǎng)液中蔗糖和NH4Cl溶度改變水中C/N,具體組成如表1所示.運(yùn)行參數(shù)為曝氣 1h,間歇 2h,溶解氧量 3.8～5.0mg/L,溫度為20.1～20.8 .℃

表1 污泥培養(yǎng)液成分Table 1 Composition of cultivated solution for sludge

1.3 生物膜掛膜效果評(píng)價(jià)

掛膜試驗(yàn)開(kāi)始后,每隔1d觀察1號(hào)反應(yīng)器載體上生物膜的附著情況,通過(guò)肉眼觀察、流水剪切和擦拭的方式,確認(rèn)生物膜的牢固程度,并用體視顯微鏡(XTL-165Phoenix)觀察生物膜掛膜變化過(guò)程.從試驗(yàn)的第5d開(kāi)始,連續(xù)5d刮取不同反應(yīng)器中載體上(1cm2)的生物膜,用滅菌水稀釋至合適倍數(shù)后,涂布NBM培養(yǎng)基,30℃培養(yǎng)48h后進(jìn)行菌落計(jì)數(shù).NBM培養(yǎng)基成分為1L蒸餾水中亞硝酸鉀1g、硫酸鎂0.1g、硫酸亞鐵0.1g,磷酸二氫鈉 0.2g,磷酸氫二鉀 0.5g,碳酸鈣 1g,氯化鈉25g,經(jīng)120℃滅菌30min后備用[11].

1.4 胞外聚合物提取方法及測(cè)定

將掛膜成熟的生物膜刮至250mL錐形瓶中,加入20mL1mol/L的NaOH并放入搖床進(jìn)行振蕩,其轉(zhuǎn)速為150r/min,溫度為4 .℃振蕩3h后倒入離心管中并加入 30mL的 0.85%NaCl溶液,在6000g、4℃條件下離心20min后,用0.45μm的濾膜過(guò)濾得上清液,并測(cè)定濾液中蛋白質(zhì)和多糖的含量,以蛋白質(zhì)和多糖兩者之和作為EPS的含量.蛋白質(zhì)含量測(cè)定用 Folin-酚試劑法[12].多糖含量測(cè)定用苯酚-硫酸法[13].

1.5 吸附試驗(yàn)

試驗(yàn)前用5% HNO3浸泡燒杯24h,用去離子水清洗 2～3遍,將各反應(yīng)器掛膜穩(wěn)定后的生物膜取出放于10mg/L的Cu2+溶液中靜態(tài)吸附1h后,用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(PS1000Leeman Labs.美國(guó))測(cè)定吸附前后溶液中Cu2+、Ca2+、Mg2+的濃度,用原子吸收光譜儀(AA240FS Varian美國(guó))測(cè)定吸附前后溶液中 K+的濃度,按下式計(jì)算吸附量和去除率.

式中:q為生物膜單位吸附量,mg/g;C0為吸附前溶液中金屬離子濃度,mg/L;C為吸附后溶液中金屬離子濃度,mg/L;V為溶液的體積,L;m為生物膜的干重,g;Q為去除率,%.

1.6 離子強(qiáng)度試驗(yàn)

向一定體積的去離子水中加入 KNO3,使其溶度范圍為 0.1～1mol/L,再加入一定體積的1000mg/LCu2+儲(chǔ)備液,使其濃度為 0.2mmol/L,調(diào)節(jié)pH為5.0,并將1號(hào)反應(yīng)器中的生物膜浸入燒杯中靜態(tài)吸附1h后,用原子吸收光譜儀測(cè)定吸附前后溶液中Cu2+的含量.

2 結(jié)果與討論

2.1 載體表面生物膜的生長(zhǎng)變化

1號(hào)反應(yīng)器中,生物膜在載體表面生長(zhǎng)變化具體情況見(jiàn)圖1.由圖1知,第2d有少量的生物膜附著;第 4d,載體表面有突起,粗糙度增加;隨培養(yǎng)時(shí)間的增加,載體表面凹凸不平,孔隙增多,說(shuō)明載體上有大量生物膜附著;生長(zhǎng)至第 8d,載體上的生物膜致密而厚實(shí),清晰可見(jiàn)孔狀結(jié)構(gòu).肉眼觀察載體表面,掛膜后的第 2d,可見(jiàn)載體表面有少量淡黃色黏性物質(zhì)附著,流水沖洗 1min 左右,黏性物質(zhì)易脫落;第 4d,載體表面附著的黏性物質(zhì)增多,流水沖洗1min后,有少量黏性物質(zhì)殘留;第6d,載體表面黏性物質(zhì)顏色變深,厚度增加,有粘滑感,流水沖洗 1min 后有大量黏性物質(zhì)殘留在載體上,說(shuō)明生物膜上有大量的EPS生產(chǎn),對(duì)生物膜在載體上的附著起穩(wěn)定作用;第 8d,載體已被灰褐色的物質(zhì)完全覆蓋,流水沖洗 2min后,黏性物質(zhì)不易脫落,說(shuō)明此時(shí)生物膜已在載體上完成不可逆附著的過(guò)程,掛膜成熟.

圖1 生物膜生長(zhǎng)變化過(guò)程Fig.1 The change of biofilm grouth process

2.2 生物膜的菌量

改變培養(yǎng)液中的 C,N時(shí),會(huì)使生物膜 EPS分泌的量和微生物活性受到影響.從掛膜試驗(yàn)的第5d開(kāi)始,刮取各個(gè)反應(yīng)器中載體上1cm2的生物膜,用NBM 瓊脂培養(yǎng)基涂布計(jì)數(shù)觀察細(xì)菌數(shù)量.表 2數(shù)據(jù)說(shuō)明,各反應(yīng)器中生物膜上的細(xì)菌含量表現(xiàn)出比較明顯的數(shù)量差異.1號(hào)生物膜上的細(xì)菌數(shù)量總體上高于2號(hào)和3號(hào),說(shuō)明在1號(hào)培養(yǎng)條件下有利于生物膜生長(zhǎng)第 7d開(kāi)始,各反應(yīng)器中生物膜的細(xì)菌數(shù)量有所下降,以3號(hào)反應(yīng)器數(shù)下降幅度最大,反映了在高濃度的蔗糖環(huán)境下對(duì)生物膜生長(zhǎng)有不利的影響,反應(yīng)器中的細(xì)菌難以附著到載體表面,只有在適宜的C/N范圍內(nèi),才對(duì)生物膜的生長(zhǎng)最為有利.

表2 生物膜的菌量計(jì)數(shù)(×106cfu/cm2)Table 2 Count results of bacteria in biofilm

2.3 EPS性質(zhì)對(duì)比

不同的 C/N比對(duì)微生物的胞外聚合物有一定的影響,表現(xiàn)在胞外多糖和蛋白質(zhì)的含量不同

[14].生物膜反應(yīng)器的培養(yǎng)液配比見(jiàn)表 l,通過(guò)調(diào)節(jié)蔗糖和NH4Cl的濃度,使之C/N=12,該條件下培養(yǎng)的生物膜中提取出的胞外聚合物記為 EPSl,它的蛋白質(zhì)(PN)和多糖(PS)之比約為 PN/PS= 7:l.C/N=4時(shí).該條件下培養(yǎng)的活性污泥中提取出的胞外聚合物記為EPS2,它的PN/PS=10:1.C/N= 37時(shí),該條件下培養(yǎng)生物膜中提取出的胞外聚合物記為EPS3,它的為PN/PS=5:l.由此可看出,在投加NH4Cl較多的2號(hào)反應(yīng)器中,其生物膜胞外聚合物中的蛋白質(zhì)含量也較高,為 PN/PS=10,這是因?yàn)镹元素是合成蛋白質(zhì)的必要元素,隨著氮元素的增加,生物膜在形成過(guò)程中能合成較多的蛋白質(zhì).在投加蔗糖較多的3號(hào)反應(yīng)器中,其生物膜胞外聚合物中的多糖含量比其他反應(yīng)器中的多糖含量高.

2.4 不同組成EPS吸附Cu2+效果對(duì)比

Cu2+溶液初始 pH值用 1mol/L HNO3和1mol/L NaOH調(diào)節(jié)值pH=5.0,3種EPS對(duì)Cu2+的吸附量以及溶液中Ca2+、Mg2+和K+的吸附量和去除率如表3所示.

表3 不同組成EPS對(duì)Cu2+的吸附量和去除率Table 3 Different composition of EPS on the adsorption of Cu2+and removal rate

對(duì)比3種EPS對(duì)Cu2+的吸附結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著C/N的升高,PN/PS的比值反而下降.高 C/N下,微生物可以利用多余的碳合成的細(xì)胞的胞外多糖,使得多糖含量升高,PN/PS比值下降[15].EPS3對(duì) Cu2+的吸附量高出 EPS17.37%,高出 EPS27.62%,各 EPS所含 PN/PS比值的大小順序EPS3>EPS1>EPS2.上述趨勢(shì)表明,PN/PS值越小,EPS對(duì) Cu2+的吸附量越高.但是,對(duì) Cu2+的去除率卻不遵循此規(guī)律,以EPS1對(duì)Cu2+的去除率效果最好,并未嚴(yán)格地隨PN/PS比值的上升或下降.綜合比較吸附量和去除率,EPS1具有較好的應(yīng)用性.對(duì)比3個(gè)反應(yīng)器中的EPS量可發(fā)現(xiàn),隨C/N的增大,EPS含量呈先增大后降低的趨勢(shì),C/N為12時(shí),EPS含量最高達(dá)到了32.85mg.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象可能與 EPS上的吸附位點(diǎn)的數(shù)量和活性大小有關(guān),高C/N的條件下,宜于生物膜EPS多糖的形成,低C/N的條件下,宜于生物膜胞外蛋白的形成,EPS對(duì)Cu2+進(jìn)行吸附時(shí),Cu2+可能首先占據(jù)多糖中活性吸附點(diǎn),飽和后再與蛋白質(zhì)中活性吸附點(diǎn)位結(jié)合.另外,去除率的大小與生物膜量有關(guān).高C/N的條件下,形成的生物膜薄而小,生物膜量少;低 C/N的條件下,形成的生物膜厚而多,生物膜量多,這使得EPS對(duì)Cu2+的去除率只有在適合的C/N條件下,才有較高的去除率.因此,在實(shí)際的重金屬?gòu)U水處理中,可以通過(guò)調(diào)節(jié)培養(yǎng)液中的碳氮比,使生物膜對(duì)重金屬的去除率效果達(dá)到最優(yōu).

由表3還可看出,在生物膜吸附Cu2+過(guò)程中,吸附后的溶液中Ca2+、Mg2+和K+含量增加,表明了在生物膜吸附 Cu2+過(guò)程中有離子析出,其中又以Ca2+析出量最多,在EPS1、EPS2和EPS3的溶液中分別增加了5.28倍、8.74倍和2.98倍,說(shuō)明Cu離子更易與 Ca2+和Mg2+產(chǎn)生離子交換,主要是因?yàn)樯锬け砻娴奈轿稽c(diǎn)對(duì)二價(jià)離子的親和力更大.Ca2+、Mg2+和K+在吸附后溶液中的含量之和分別占3種不同生物膜中 Cu2+的吸附量的83.64%、92.50%和86.59%,這說(shuō)明了離子交換作用在生物膜吸附Cu2+的過(guò)程中起主導(dǎo)作用[16].李國(guó)新等[17]在研究輪葉黑藻對(duì)鉛的吸附特征中發(fā)現(xiàn),鉛離子因產(chǎn)生離子交換而被吸附且其更易與Ca2+和Mg2+發(fā)生離子交換作用,與本文所得的研究結(jié)果相似.薛培英等[18]研究黑藻吸附Cu2+的結(jié)果表明,黑藻吸附 Cu2+的機(jī)制除離子交換作用外,還有靜電吸附和表面基團(tuán)等的共同作用來(lái)去除Cu2+.

2.5 離子強(qiáng)度對(duì)生物膜吸附銅的影響

試驗(yàn)表明,溶液中離子濃度大小對(duì)生物膜吸附 Cu2+有一定的影響,為進(jìn)一步揭示生物膜吸附Cu2+特征點(diǎn),考察 1號(hào)反應(yīng)器中的生物膜在不同離子強(qiáng)度下對(duì)吸附Cu2+的影響,結(jié)果見(jiàn)圖2.

從圖 2中可以看出,當(dāng) KNO3濃度在 0.1～0.6mol/L之間,隨著離子強(qiáng)度的增加,生物膜吸附Cu2+的量迅速減少,當(dāng) KNO3濃度大于 0.6mol/L時(shí),生物膜對(duì)Cu2+吸附量的變化趨于平緩.這可能和電介質(zhì)離子與吸附質(zhì)之間的離子交換競(jìng)爭(zhēng)有關(guān).當(dāng)溶液中KNO3濃度較低時(shí),生物膜上有較多的吸附位點(diǎn)供 Cu2+占據(jù),隨著 KNO3濃度的增加,Cu2+與生物膜之間的靜電作用減弱,疏水作用增強(qiáng)[19],此時(shí) K+會(huì)占據(jù)生物膜表面的負(fù)電荷位點(diǎn),使得生物膜對(duì)Cu2+的吸附量降低并趨于平緩,此時(shí)表明離子交換吸附位點(diǎn)吸附陽(yáng)離子已經(jīng)飽和,Cu2+已經(jīng)達(dá)到由共價(jià)鍵或配位鍵的起主要作用化學(xué)吸附控制階段.

圖2 離子強(qiáng)度對(duì)生物膜吸附Cu2+的影響Fig.2 The influence of ionic strength for the absorption of Cu2+by biofilm

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液的配比,使反應(yīng)器中的碳氮比發(fā)生改變, 在C/N為12的條件下,生物膜上的菌量最多,掛膜8d可達(dá)成熟狀態(tài).

3.2 高C/N條件下,生物膜細(xì)菌數(shù)量相對(duì)應(yīng)地會(huì)減少,不利于生物膜的生長(zhǎng).隨著 C/N 的升高,PN/PS的比值反而下降;PN/PS值越小,生物膜對(duì)Cu2+的吸附量越高.但生物膜對(duì)Cu2+的去除率卻不遵循此規(guī)律,以EPS1對(duì)Cu2+的去除效率最高,并未嚴(yán)格隨PN/PS比值的上升或下降.

3.3 在生物膜吸附 Cu2+的過(guò)程中,離子交換作用是主要的吸附機(jī)理且Cu2+更易與Ca2+和Mg2+產(chǎn)生離子交換.增加離子強(qiáng)度,生物膜對(duì)Cu2+的吸附表現(xiàn)為抑制作用.

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The research on biofilm composed by different EPS to adsorb Cu2+.

HU Xue-wei1*, LI Shu1, RONG Ye2, LI Yuan1

(1.Faculty of Envionmental Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China；2.Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China). China Environment Science, 2014,34(7)：1749～1753

The biofilm were cultured in a self-designed reactor by adjusting the ratio of nutrients in order to get 3different biofilms as adsorbents for Cu2+, in which the proportion of protein and polysaccharide were 7:1, 5:1and 10:1respectively. This paper had a study on the adsorption of 3different bilfilms to Cu2+. Besides, the adsorption mechanism was discussed. The results showed that the biofilm became mature after 8days. When the value of C/N was 12, the biofilm grew better than that C/N was 4and 37, and the number of bacteria on it was more than the the number of bacteria on C/N =4and C/N=37. PN/PS value was smaller, and the adsorption capacity of Cu2+was higher. The amount of Cu2+adsorbed on EPS3is higher than EPS1(7.37%) and EPS2(7.62%). Cu2+was absorbed on the biofilm, the concentration of Ca2+, Mg2+, K+was significantly increased in the solution, demonstrating ion exchange play a main role during the adsorption and Cu2+prefer to exchange with divalent Ca2+and Mg2+. As the concentration of KNO3was from 0.1to 0.6mol/L, along with the increase of ionic strength, the Cu2+content adsorbed on biofilm decreased rapidly. However, the concentration of KNO3is greater than 0.6mol/L, the change of Cu2+content adsorbed by biofilm trended to be gentle, the phenomenon showed that Cu2+adsorption mechanism include ion exchange and chemical adsorption.

biofilm；extracellular polymeric substance；C/N；copper

X703

A

1000-6923(2014)07-1749-05

胡學(xué)偉(1979-),男,河南洛陽(yáng)人,副教授,博士,主要研究方向?yàn)樗廴究刂萍百Y源化利用.

2013-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51178208,51368024);云南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2013Z123);昆明理工大學(xué)分析測(cè)試基金(20140549);云銅校企合作項(xiàng)目(2013YT02)

* 責(zé)任作者, 副教授, huxuewei.env@gmail.com