膠質芽孢桿菌對重金屬Cr(VI)的吸附

高玉振，趙 林，劉德飛，劉新利

(齊魯工業大學 生物工程學院，山東 濟南 250353)

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膠質芽孢桿菌對重金屬Cr(VI)的吸附

高玉振，趙 林，劉德飛，劉新利

(齊魯工業大學 生物工程學院，山東 濟南 250353)

以膠質芽孢桿菌微生物吸附劑為研究對象，探究了其對模擬廢水中鉻的吸附。分析了pH、鉻初始質量濃度、吸附時間以及吸附溫度對吸附的影響，得出了最優吸附條件：細菌培養物添加量10%，鉻初始質量濃度為20 mg/L,pH5.0，吸附溫度為20 ℃，吸附時間20 min，此時吸附率高達82.9%，最大吸附量為257 mg/L。Langmuir吸附模型能夠很好地解釋吸附過程。傅里葉紅外光譜儀(FTIR)和掃描電子顯微鏡(SEM)分析表明：吸附重金屬后，吸附劑表面官能團與表面結構發生了變化。

膠質芽孢桿菌；生物吸附；金屬鉻

0 引言

鉻是一種在工業上廣泛應用的重金屬，主要以電鍍、制革和印染等排放物進入水生生態系統[1]。環境污染物中的鉻主要以六價和三價形式存在，由于具有高致癌性和高流動性，六價鉻比三價鉻的毒性更高[2-3]，鉻污染的防治已經引起國內外的廣泛關注。目前，常用的鉻污染處理方法多為物理化學方法，包括吸附法、離子交換法和電解法等[4]，這些方法都會不同程度地產生二次污染，而且處理過程成本高，操作困難[5]。

生物吸附是一種新型的污染處理技術，是指利用農業廢棄物和微生物等物質吸附環境系統中的重金屬污染物的處理方法[6]。生物吸附劑具有來源廣泛、操作簡單、成本低等優點，不產生二次污染，在低濃度重金屬污水處理方面具有廣闊的應用前景[7]。文獻[8]對釀酒酵母吸附重金屬鉻進行了動力學研究。文獻[9]研究了膠質芽孢桿菌對重金屬鈾和汞的吸附性能。文獻[10]以膠質芽孢桿菌為試驗菌株，探究了其對金屬鋅和鎘的吸附動力學模型。目前，多種微生物包括細菌、真菌和藻類都已經應用于污水處理中[11]。

為了探究膠質芽孢桿菌在鉻污染處理上的應用前景，本試驗以膠質芽孢桿菌為生物吸附劑進行了對鉻污染物的吸附特性研究，討論了pH值、吸附溫度、吸附時間和溫度等因素對吸附過程的影響，并應用不同吸附模型分析吸附過程，用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)和掃描電子顯微鏡(SEM)分析吸附前后吸附劑的變化情況。本文為更深層次研究生物吸附的機理提供了基礎。

1 材料和方法

1.1 微生物吸附劑的制備

試驗所用菌株為膠質芽孢桿菌(由山東省工業微生物菌種保藏中心保藏)，將試驗菌株接種至產吸附劑培養基(蔗糖1%，酵母浸粉0.1%，MgSO40.02%，NaCl 0.1%，K2HPO40.15%，各成分添加量均為質量分數)中，在30 ℃搖床上150 r/min培養7 d。

1.2 重金屬質量濃度的測定和吸附量的計算

用二苯碳酰二肼分光光度法[12]測定Cr(VI)的含量。

1.3 吸附試驗

1) 適生區域：適宜于年均溫17～20 ℃、年降水量1 000～2 000 mm、海拔600 m以下的地區生長，在酸性土或石灰質土壤上均可生長。長江流域以南廣大地區可栽培。

取一定微生物吸附劑和一定體積的Cr(VI)添加到300 mL錐形瓶，用去離子水補至反應體系總體積100 mL。將錐形瓶放入恒溫振蕩器中，在恒定溫度下進行吸附反應，達到吸附平衡后，取上清液測定Cr(VI)濃度，計算吸附結果。

2 結果與分析

2.1 重金屬離子質量濃度對吸附過程的影響

為了研究重金屬離子質量濃度對吸附過程的影響，添加10 mL微生物吸附劑、一定體積的重金屬鉻儲備液和去離子水至100 mL反應體系，使得反應體系中Cr(VI)的質量濃度分別為0.5 mg/L、1.0 mg/L、2.0 mg/L、5.0 mg/L、10.0 mg/L、20.0 mg/L、50.0 mg/L，調節pH至5，在30 ℃恒溫振蕩器上振蕩20 min。結果如圖1所示。

圖1 初始質量濃度對吸附的影響

由圖1可以看出：在重金屬鉻離子質量濃度較低的時候，吸附比例較高(>95%),在這種情況下，微生物吸附劑吸附位點的數量遠大于重金屬鉻化合物的數量。因此，絕大多數的重金屬離子被吸附，微生物吸附劑吸附位點遠沒有飽和。與此相反，隨著鉻離子質量濃度的增加，吸附比例越來越小，吸附量越來越大(最大值為257 mg/L)，絕大部分的吸附位點與鉻離子結合，大量的鉻離子不被吸附。研究結果表明：在重金屬離子質量濃度較低的情況下，隨著金屬離子質量濃度的增加，吸附量快速增加，在金屬離子質量濃度較高的情況下達到飽和。以滅菌的空白培養基做空白對照試驗，空白對照在任何金屬離子質量濃度下均不能吸附。

2.2 pH值對吸附的影響

添加10 mL微生物吸附劑建立鉻質量濃度為20 mg/L、總體積為100 mL的反應體系，將反應體系的pH值分別調節至3、4、5、6、7、8、9,振蕩吸附20 min后，測定反應體系中鉻的質量濃度。試驗結果如圖2所示。

由圖2可以看出：在試驗設定的范圍內，pH值為3的極端酸性條件不利于Cr(VI)的吸附；隨著pH值的升高，吸附能力逐漸增強；在pH值為5的情況下，達到最好的吸附效果；繼續升高pH值會降低吸附效果。試驗結果表明：反應溶液的pH值是吸附過程中最為重要的影響因素，因為它能影響微生物吸附劑的吸附位點和可溶性鉻離子的狀態。

取10 mL吸附劑和一定體積的重金屬溶液配成初始質量濃度為20 mg/L的100 mL反應體系，將配置好的反應體系分別振蕩吸附(0 min、30 min、1.5 h、7.5 h)。結果如圖3所示。

圖2 pH值對吸附的影響

圖3 吸附時間對吸附的影響

由圖3顯示：在吸附過程的初始階段，隨著處理時間的增加吸附百分比迅速增加，大約90%的吸附發生在前20 min內，隨著時間的推移，吸附比例基本上不再增加，達到吸附平衡。該現象可能是由于細菌的比表面積大，在吸附過程的初始階段重金屬迅速占據了吸附位點，隨后未參與吸附的吸附位點越來越少。由快速吸附動力學分析，該反應是不涉及能量介導的物理吸附過程。

2.4 溫度對吸附的影響

為了研究溫度對吸附的影響，配制添加量為10 mL、初始Cr(VI)質量濃度為20 mg/L的反應體系，分別在10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃下振蕩吸附30 min，吸附比例分別為81.5%，82.6%，83.1%和83.8%。

由試驗結果可知：溫度的變化并沒有明顯地影響吸附過程。表明該吸附過程沒有明顯的溫度依賴性。在很多的吸附過程中，尤其涉及離子交換等耗能反應的金屬吸附過程，反應過程很大程度上受溫度的影響。

2.5 吸附等溫線

為了研究吸附過程中金屬離子與吸附劑之間的相互作用，本文應用了傳統模型中的Langmuir和Freundlich來分析試驗過程。等溫吸附方程能夠描述吸附可能的機理。將試驗數據用如下兩個方程進行擬合：

Langmuir 模型，

C/q=C/qmax+(1/k)qmax；

(1)

Freundlich模型，

Logq=logKf+1/ (nlogC)，

(2)

其中：C為溶液中的平衡質量濃度，mg/L；Kf為吸附量常數；q為吸附質量濃度，mg/L；qmax為最大吸附量；k為平衡常數；n為常數。擬合方程結果如表1所示。

表1 吸附等溫線參數

表1中，R2為相關系數。擬合結果顯示:Langmuir方程擬合的R2值為0.969，Freundlich方程擬合的R2值為0.806。因此，膠質芽孢桿菌對重金屬鉻的吸附更符合Langmuir方程。

2.6 吸附前后FTIR和SEM分析

圖4 FTIR分析

為了研究吸附過程中細菌表面不同官能團的作用和吸附前后菌體表面的結構變化，對吸附前后的吸附劑進行紅外光譜分析和掃描電鏡分析。紅外結果如圖4所示，掃描電鏡結果如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6的SEM分析顯示：吸附Cr(VI)后菌體的表面變得致密，相比吸附前，金屬離子與菌體表面基團結合在細菌表面。這從側面佐證了菌體表面多糖、蛋白質等參與了Cr(VI)的吸附[15]。

圖5 吸附前SEM結果圖6 吸附后SEM結果

3 結論

研究結果表明：膠質芽孢桿菌對重金屬鉻是一種有效的微生物吸附劑，其吸附效果主要受pH值、吸附時間和鉻離子初始質量濃度的影響。溫度的變化基本上不影響吸附反應。FTIR和SEM結果表明：吸附前后菌體表面結構發生了變化，吸附過程主要由細菌表面的多糖、蛋白質等物質參與。Langmuir吸附模型能很好地解釋吸附過程。作為一種環境友好型重金屬污染處理劑，膠質芽孢桿菌具有很好的應用前景。

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國家自然科學基金項目(31370110);“泰山學者”建設工程專項基金項目

高玉振(1989-),男,山東濟寧人,碩士生;劉新利(1971-),男,通信作者,山東寧津人,教授,博士,碩士生導師,主要研究方向為微生物代謝活性物質.

2014-12-29

1672-6871(2015)04-0078-04

Q89

A