檸檬酸修飾真菌Fusariumsp.#ZZF51生物吸附Th(Ⅳ)

楊司坤，譚　倪，向開祥，陸建生，林永成

1.湖南醫藥學院 化學系，湖南 懷化　418000；2.南華大學 化學化工學院，湖南 衡陽　421001；3.懷化市環境保護監測站，湖南 懷化　418000；4.中山大學 化學化工學院，廣東 廣州　510275

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檸檬酸修飾真菌Fusariumsp.#ZZF51生物吸附Th(Ⅳ)

楊司坤1,2，譚倪2，向開祥1，陸建生3，林永成4

1.湖南醫藥學院 化學系，湖南 懷化418000；2.南華大學 化學化工學院，湖南 衡陽421001；3.懷化市環境保護監測站，湖南 懷化418000；4.中山大學 化學化工學院，廣東 廣州510275

摘要：采用生物吸附法去除廢水中Th (Ⅳ)，研究了南海紅樹林內源真菌Fusarium sp.#ZZF51化學改性后吸附Th (Ⅳ)的行為特性、吸附模型及吸附機理。通過檸檬酸對真菌Fusarium sp.#ZZF51進行修飾，將吸附劑表面的羥基與檸檬酸發生酯化，能更有效地吸附釷離子。結果表明：常溫常壓下，pH=4.5，ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L，吸附劑0.03 g，反應90 min，最大吸附率為90.87%，吸附量為75.47 mg/g，吸附量比未經處理的真菌(最優吸附條件下，吸附量為11.35 mg/g)吸附要大。通過Langmuir、Freundlich、Temkin三種等溫吸附模型對數據進行擬合，Langmuir模型能更好地描述受試菌對Th (Ⅳ)的平衡吸附行為，同時吸附過程能很好的用準二級反應動力學來解釋。此外，比較吸附前后紅外光譜圖，發現細胞壁上羰基、羥基、氨基是主要的作用基團。

關鍵詞：Th(Ⅳ)；Fusarium sp.#ZZF51；生物吸附；檸檬酸

電鍍、鑄件清理、采礦、航空航天、電池及化工產業產生了很多工業廢水，通常此類廢水中都含有高濃度的金屬離子。Th是一種有毒的放射性重金屬元素，是一種潛在的核燃料，很容易進入表層水體，通過食物鏈的富集，會嚴重威脅人和動物的健康。一旦Th進入機體，常富集于肺、肝、腎及骨髓中，因此對Th的富集處理顯得日益重要。處理廢水中Th(Ⅳ)的常用方法包括稀釋法、化學沉淀法、離子交換法、電滲析和反滲透法等。但是傳統方法處理費用高、吸附效果差，并且存在二次污染，使其應用受到一定的限制[1]。因此，探索一種吸附效果好、方法簡單可靠、成本低廉的材料具有重大意義。

生物吸附法是一種通過生物細胞壁或生物代謝產物來吸附金屬離子的方法，現已被證明對重金屬離子和放射性元素的吸附非常有用[2-3]。盡管近年來很多真菌類微生物被普遍用來做吸附劑，不過吸附率和吸附量都不甚理想。與陸地環境不同，高鹽、低溫、高壓、貧營養、少光照的海洋環境，使得海洋微生物有其自身獨特的新陳代謝方式，由此并產生了許多結構新穎、接枝有大量羥基、羰基、氨基及含硫、磷基團的代謝產物。有研究表明，用甲醛、戊二醛和檸檬酸等對吸附劑表面進行化學修飾，能大大提高吸附率和吸附量[4]。已有研究[5]表明，真菌Fusariumsp.#ZZF51能較好的吸附金屬鈾、釷及銅離子，其吸附過程不是簡單的被動吸收，而是“泵”式主動吸收。本工作采自南海湛江海域的紅樹林內源真菌Fusariumsp.#ZZF51做生物吸附劑，通過檸檬酸對其進行化學修飾酯化接枝，提高生物吸附量，從Th (Ⅳ)初始濃度、溶液pH值、吸附劑用量和反應時間來討論受試菌對Th(Ⅳ)吸附的影響，同時對吸附過程的動力學模型和等溫吸附模型進行探討。

1　實驗部分

1.1試劑與儀器

四水硝酸釷，上海晶純試劑有限公司；偶氮胂Ⅲ，天津市光復精細化工研究所；HCl，分析純(AR)，湖南省邵陽市化學試劑廠；NaOH，AR，天津市大茂化學試劑廠；蛋白胨，生物試劑(BR)，北京奧博星生物技術有限責任公司；葡萄糖，化學純(CR)，天津市福晨化學試劑廠；酵母膏，BR，上海展云化工有限公司；粗海鹽，工業純，湖南省輕工鹽業集團有限責任公司；檸檬酸，AR，長沙明瑞化工有限公司；KBr粉末，AR，市售。

菌種:受試菌Fusariumsp.#ZZF51，由中山大學林永成教授研究組提供。

721型分光光度計，天津普瑞斯儀器有限公司；Spectrum GX傅里葉-紅外光譜儀，美國Perkin Elmer設備有限公司；振蕩器，長沙索拓科學儀器設備有限公司；PHS-3C pH計，上海鵬順科學儀器有限公司；JSM-7610F場發射掃描電鏡，日本電子株式會社；離心機，江蘇金壇市中大儀器廠。

1.2菌種培養與修飾

以馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)為培養基，4 ℃保存。培養液配制：葡萄糖10 g/L，蛋白胨2 g/L，酵母浸膏1 g/L，粗海鹽2 g/L，pH=7.0。在500 mL錐形瓶內加入培養液300 mL，經120 ℃(0.1 MPa)高溫滅菌60 min后冷卻、接菌，常溫靜置培養22 d。通過過濾，收集菌體，菌體經烘干、研磨，100目過篩并置于干燥器中保存備用。取干菌粉20 g于400 mL 0.1 mol/L的NaOH溶液中，常溫下300 r/min攪拌1 h，之后用蒸餾水清洗殘留的堿，在50 ℃下恒溫24 h。然后取NaOH處理過的吸附劑3 g加入100 mL 0.6 mol/L的檸檬酸中，常溫下300 r/min反應30 min，之后在50 ℃下恒溫24 h，再升溫至120 ℃攪拌90 min，用蒸餾水清洗殘留的酸。50 ℃干燥24 h，室溫冷卻備用，得到處理后的CA-Fusariumsp.#ZZF51[3]。其反應機理示于圖1。

1.3吸附過程

設置吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51用量(0.005～0.04 g)、溶液pH(2～6)、釷初始質量濃度(20～60 mg/L)、反應時間(5～120 min)四個變量，常溫常壓下試樣在150 r/min振蕩機中反應后取出3 mL溶液，4 000 r/min離心10 min，取出0.4 mL上清液于10 mL容量瓶中，加入0.5 mLw=0.05%的偶氮胂Ⅲ，再用7 mol/L HCl定容。搖勻、靜置10 min，于660 nm處[6]，以試劑空白樣做參比，平行三組，取平均值，測定吸光度。

1.4計算方法

吸附率R和吸附量Q(mg/g)計算如下：

圖1　檸檬酸修飾機理Fig.1　Thermochemical reaction of fungus materials and citric acid

其中：ρ0和ρe分別為Th(Ⅳ)初始和平衡質量濃度，mg/L；V為溶液體積，mL；m為吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51質量，g。

1.5樣品表征

為確認吸附過程吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51上各官能團的變化，在400～4 000 cm-1測定了吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51吸附前后的紅外光譜。稱取吸附前與吸附后的吸附劑各2 mg，分別加入200 mg純KBr粉末置于研缽中研磨均勻，真空狀態下壓成透明薄片進行測定。

為了觀察吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51在吸附前后表面的變化，用掃描電鏡進行了分析。將吸附前后吸附劑置于干凈的蓋玻片并風干，并用2.5%(體積分數)的戊二醛固定液溶液處理7 h，再通過濃度從稀到濃梯度的乙醇脫水20 min，最后在使用之前，將樣品風干并附上一層4 nm的均勻金粒。

2　結果與討論

2.1真菌化學改性前后紅外譜圖

通過檸檬酸化學改性，使得真菌Fusariumsp.#ZZF51表面基團發生變化，對比化學改性前后的紅外譜圖，主要譜峰的變化列入表1。

表1 真菌化學改性前后譜峰變化

Table 1 Infrared (FTIR) spectra peak changes before and after chemical modification

改性處理羥基伸縮振動羰基伸縮振動飽和C—H伸縮振動N—H彎曲振動未處理3452cm-1強峰1639cm-1強峰2924cm-1弱峰1570cm-1弱峰改性后3450cm-1強峰、峰寬1631cm-1強峰2920cm-1中強峰1560cm-1中強峰

2.2pH值對吸附的影響

ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L，m=0.03 g，t=90 min圖2　 pH對吸附的影響Fig.2　Effect of initial solution pH on thorium sorption

2.3吸附劑用量對吸附的影響

當ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L、pH=4.5、t=90 min時，吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51用量對吸附的影響示于圖3。由圖3可知，當m<0.03 g時，吸附率隨吸附劑用量的增加而增加，因為投加量增加時活性位點總數隨之增加，溶液中釷離子與活性位點結合的幾率增大，最大吸附率可達90.87%，對應吸附量為75.47 mg/g；而m>0.03 g時，吸附率反而有所下降，可能是因為大量的吸附劑聚集成團，使得暴露出來的有效活性位點反而減小，對細胞壁產生一種“空間位阻效應”，導致吸附率有所降低。

ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L，pH=4.5，t=90 min圖3　 吸附劑用量對吸附的影響Fig.3　Effect of biomass dose on thorium sorption

ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L，pH=4.5，m=0.03 g圖4　 反應時間對吸附的影響Fig.4　Effect of time on thorium sorption

2.4反應時間對吸附的影響

當ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L、pH=4.5、m=0.03 g時，不同反應時間對吸附的影響示于圖4。由圖4可以看出，t<90 min時，吸附率和吸附量隨時間的增加而增大，是因為溶液中游離釷離子的濃度高、吸附劑上有效活性位點較多，并且吸附極有可能為單分子層吸附，所以反應速率快，效率高，最大吸附率可達90.87%，對應吸附量為75.47 mg/g；而當t>90 min時，釷離子的吸附率與吸附量保持穩定，略有降低，可能是因為吸附-解吸達到平衡的緣故。

2.5釷初始濃度對吸附的影響

當pH=4.5、m=0.03 g、t=90 min時，不同釷初始濃度對吸附率的影響示于圖5。從圖5可以看出：在ρ0(Th(Ⅳ))<50 mg/L時，隨著濃度的增大，吸附率隨之增大，可能是因為釷離子濃度增加，使游離釷離子與有效結合位點能夠充分接觸，最大吸附率可達90.87%，對應吸附量為75.47 mg/g；當ρ0(Th(Ⅳ))>50 mg/L時，吸附率有所下降，可能是吸附過程接近平衡。

pH=4.5，m=0.03 g，t=90 min圖5　 釷初始質量濃度對吸附的影響Fig. 5　Effect of initial thorium mass concentration on thorium sorption

2.6吸附動力學

吸附過程可用準一級反應動力學、準二級反應動力學和Elovich動力學模型[7]來解釋。方程如式(1—3)。具體擬合方法如下：對于準一級反應動力學模型，以t為橫坐標，ln(Q-Qt)為縱坐標得到一條直線(Qt，t時刻吸附量)，求出常數k1與吸附量Q。在準二級反應動力學模型中，以t為橫坐標，t/Qt為縱坐標得到一條直線，求出常數k2與吸附量Q。對于Elovich動力學模型，α與β是相關的常數，以lnt為橫坐標，Qt為縱坐標得到一條直線，求出常數α與β。

準一級反應動力學模型：

ln(Q-Qt)=lnQ-k1t

(1)

準二級反應動力學模型：

(2)

Elovich動力學模型：

(3)

吸附過程的各動力學參數列入表2。由表2可知，準二級反應動力學模型(r2=0.999 9)比準一級反應動力學和Elovich模型能更好地解釋吸附過程，說明吸附過程是化學吸附，且是速控步過程。此外，準二級反應動力學模型Q值75.75 mg/g

與實驗值75.47 mg/g接近。

2.7吸附模型

用Freundlich、Langmuir、Temkin三種等溫吸附模型[8]來擬合吸附過程，模型方程如式(4—6)。擬合結果示于圖6。從圖6可以看出，Freundlich 模型、Langmuir模型比Temkin吸附模型要適合，Langmuir吸附模型又比Freundlich等溫模型相關性更好，說明吸附過程主要是單分子層吸附。

表2 吸附過程的各動力學參數

Table 2 Kinetic parameters for the adsorption

模型Q/(mg·g-1)βkαr2準一級反應5.96610.04530.9644準二級反應75.750.02120.9999Elovich模型0.66481.02×10200.9689

(4)

(5)

Temkin模型：Q=blnA+blnρe

(6)

式中：K，吸附能力常數，mg1-1/n·L1/n·g-1；n，吸附強度常數，無量綱；Qmax，理論飽和吸附量，mg/g；B、b、A，分別為各模型的吸附平衡常數，b無量綱，B、A單位分別是L/mg、L/g。

圖6　Freundlich(a)、Langmuir(b)、Temkin(c)模型等溫線Fig.6　Freundlich(a), Langmuir(b), and Temkin(c) isotherm plot of Th(Ⅳ) adsorption for CA-Fusarium sp.#ZZF51

2.8吸附前后吸附劑的紅外表征

2.9掃描電鏡表征

吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51吸附前后的掃描電鏡圖示于圖8。由圖8可知，CA-Fusariumsp.#ZZF51在吸附前，表面相對均勻規則，而吸附后，吸附劑表面變得粗糙，被覆蓋得很嚴實。這表明吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51表面在釷離子的吸附過程中具有重要作用，細胞壁是主要的吸附部位。

ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L，pH=4.5，m=0.03 g，t=90 min圖7　處理后CA-Fusarium sp.#ZZF51吸附Th(Ⅳ)前(a)、后(b)的紅外光譜圖Fig.7　Infrared (FTIR) spectra for CA-Fusarium sp.#ZZF51 before(a) and after(b) loaded with Th(Ⅳ)

圖8　CA-Fusarium sp.#ZZF51吸附Th(Ⅳ)前(a)、后(b)的掃描電鏡圖(×5 000)Fig.8　Scanning electron micrographs for CA-Fusarium sp.#ZZF51 before(a) and after(b) loaded with Th(Ⅳ) (×5 000)

3　結　論

參考文獻：

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收稿日期：2015-03-04；

修訂日期：2015-05-09

基金項目：湖南省科技發展項目(2010FJ3014)

作者簡介：楊司坤(1988—)，男，湖南懷化人，碩士，講師，生物吸附與環境工程專業

中圖分類號：X703.1

文獻標志碼：A

文章編號：0253-9950(2016)03-0182-06

doi：10.7538/hhx.2016.38.03.0182

Biosorption of Th(Ⅳ) From Aqueous Solutions by Citric Acid Modified Mangrove Endophytic FungusFusariumsp.#ZZF51

YANG Si-kun1,2, TAN Ni2, XIANG Kai-xiang1, LU Jian-sheng3, LIN Yong-cheng4

1.School of Chemistry, Hunan University of Medicine, Huaihua 418000, China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China;3.Huaihua Municipal Environmental Protection Monitoring Station, Huaihua 418000, China;4.School of Chemistry and Chemical Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

Abstract:To remove Th(Ⅳ) ions from wastewater, the adsorption behavior was investigated by mangrove endophytic fungus Fussarium sp.#ZZF51 that citric acid treated from South China Sea. The biosorption process was optimized at pH=4.5, equilibrium time 90 min, initial Th(Ⅳ) mass concentration 50 mg/L and adsorbent dose 0.6 g/L with 90.87% of removal efficiency and 75.47 mg/g of adsorption capacity, which is obviously greater than that (11.35 mg/g) of the untreated fungus Fussarium sp.#ZZF51 for Th(Ⅳ) biosorption under the condition of optimization. The experimental data were analyzed by using isotherm and kinetic models. Kinetic data follow the pseudo-second-order model and equilibrium data agree very well with the Langmuir model. In addition, FTIR analysis indicates that hydroxyl, amino, and carbonyl groups act as the important roles in the adsorption process.

Key words:Th(Ⅳ); fungus Fussarium sp.#ZZF51; biosorption; citric acid