黑曲霉菌株TLSF2對水中Cu、Cd的吸附機理探討

羅鵬林++張然然++師莉升++鄭進++康薇

摘要：黑曲霉（Aspergillus niger）菌株TLSF2是1株新發現的耐重金屬真菌，為深入了解該菌株對水中Cu、Cd的吸附機理，借助原子分光光度法，通過吸附試驗探討了菌體對Cu、Cd的吸附能力，用化學試劑逐步提取法分析了Cu、Cd在黑曲霉菌體中的化學形態及其Cu、Cd含量，采用差速離心法分離黑曲霉菌體的亞細胞結構并測定其各組分Cu、Cd含量，并對Cu、Cd處理后的黑曲霉菌株TLSF2的細胞壁進行了紅外光譜分析。結果表明，Cd濃度保持50 mg/L條件下，Cu濃度為200 mg/L時，菌株TLSF2對Cu的吸附量最大，達到17.76 mg/g；Cu濃度保持200 mg/L條件下，Cd濃度為50 mg/L時，菌株TLSF2對Cd的吸附量最大，達5.19 mg/g，表明該菌株對Cu、Cd有很強的耐受性和富集能力。并且證實細胞壁是菌株TLSF2富集Cu、Cd的主要部位，Cu、Cd的化學形態均以氯化鈉提取態為主。菌株TLSF2吸附Cu的化學基團主要涉及羧基、氨基和羥基等，吸附Cd的化學基團主要包括酰胺基、氨基、羧基、羥基以及磷酸基等。

關鍵詞：黑曲霉（Aspergillus niger）TLSF2；Cu；Cd；吸附機理

中圖分類號：X172 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）13-2429-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.13.008

Discussion on the Absorption Mechanism of Aspergillus niger TLSF2 Strain to Copper and Cadmium in Water

LUO Peng-lina，ZHANG Ran-rana，SHI Li-shenga，ZHENG Jingb，KANG Weia，b

（a.Scholl of Environmental Science & Engineering；b.Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control & Remediation，

Hubei Polytechnic University， Huanggang 435003， Hubei， China）

Abstract：Aspergillus niger TLSF2 is a new-found fungus with heavy metal tolerance. In the study， in order to understand the adsorption mechanism of the strain to copper and cadmium in the water deeply， a series of experiments have done. The strains adsorption capacity was determined by AAS， the analysis of chemical form was done and content of the copper and cadmium in the A. niger TLSF2 was determined using the chemical reagent extraction step by step. Then the subcellular structure of the strain was separated by differential centrifugation， the copper and cadmium content of the component was determined，and the FTIR result of cell wall treated with copper and cadmium was discussed. The results showed that the largest copper adsorption of strain was up to 17.76 mg/g when the stress of cadmium and copper were 50 mg/L and 200 mg/L， the highest cadmium adsorption was 5.19 mg/g when the cadmium and copper were 50 mg/L and 200 mg/L respectively， which reflected the strains high tolerance and strong adsorption ability to copper and cadmium. In addition， the cell wall were verified the primary adsorbing position to heavy metal， the sodium chloride extraction condition were the main chemical form of the heavy metals combination. The carboxyl， amino and hydroxyl groups were proved the major perssad to integrate the copper， besides， the cadmium binding site included the amide and phosphate group.

Key words：Aspergillus niger TLSF2； copper； cadmium； adsorption mechanism

Cu是生命所必需的微量元素，但過量的Cu不僅會造成環境污染，而且會危及人和動物的生命安全。正常情況下環境中Cd的含量很低，但Cd是一種生命非必需的元素，一旦進入生物體內就會造成永久性的傷害。環境中的Cu、Cd污染源主要有三大類，一類是原生礦物經過自然礦化或者風化作用導致銅元素的過量存在，自然條件下Cu、Cd往往與其他重金屬元素造成環境的復合污染；另一類是采礦或冶煉過程中產生的Cu、Cd污染；第三類是工業“三廢”的排放、使用Cu、Cd制劑和城市垃圾處理不當等導致的污染[1]。Cu作為一種細胞代謝的抑制劑，在水體中時可毒害微生物群落，使其在水生生物中富集，人類通過食物鏈攝取過量的Cu會出現Cu中毒反應，嚴重影響健康甚至造成死亡[2]。

工程、生物、化學和農業治理是目前用于治理重金屬污染環境的重要措施。其中生物治理措施利用植物、微生物的營養代謝活動來降低環境中重金屬的毒性和重金屬含量，實現修復受污染的生態環境，被國際上稱作最有前途的重金屬污染治理技術[3]。微生物種類繁多，具有分布廣、繁殖快和對環境適應強等特點。近年來，微生物在修復重金屬污染環境方面的成本低、操作簡單和高效低耗等優勢，受到研究人員普遍關注[4]。研究表明，微生物通過吸附作用可以降低環境中的重金屬含量。微生物細胞壁上的羧基、羥基、琉基等活性基團能夠與重金屬離子發生配位結合或絡合、離子交換等作用，達到吸收重金屬離子的效果；微生物還可以通過物理性吸附使重金屬離子在細胞壁上沉淀下來[5]。

黑曲霉（Aspergillus niger）是一類絲狀真菌，在修復重金屬污染土壤和處理含重金屬離子、多環芳烴、紡織染料及農藥等污染物的廢水方面具有較高的研究應用價值。迄今，有關黑曲霉吸附重金屬Cr、Pb、Zn、Ni、Hg的研究報道較多[6-15]，黑曲霉處理Cu、Cd復合污染水體卻很少報道。近年來，湖北理工學院礦區環境污染控制與修復湖北省重點實驗室污染環境生物修復研究團隊從大冶銅綠山銅鐵礦洗礦池底泥中分離到1株Cu、Cd耐受能力較強的真菌菌株，經鑒定為黑曲霉（A. niger TLSF2）。為了深入了解黑曲霉菌株TLSF2修復重金屬污染水體的潛力，本研究在實驗室條件下探討了TLSF2對水中Cu、Cd的吸附能力及其作用機制，為該菌株的工程應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 菌株來源 所用黑曲霉菌株TLSF2由湖北理工學院礦區環境污染控制與修復湖北省重點實驗室污染環境生物修復研究團隊從大冶銅綠山銅鐵礦洗礦池底泥分離獲得。

1.1.2 培養基 菌株活化使用PDA培養基，液體培養使用額外添加Cu、Cd的PD培養基。

1.2 試驗方法

1.2.1 吸附試驗 用PDA平板活化培養黑曲霉菌株。取容量為150 mL三角瓶，先加入一定量的黑曲霉菌絲，然后分別加入50 mL已知濃度的CuSO4、Cd（NO3）2貯備液，置于恒溫振蕩器上進行吸附反應（150 r/min）。待達到吸附平衡后，過濾取出菌絲，用濃HNO3進行消解，原子吸收分光光度法（Varian AA-240FS-GTA120）測菌絲Cu、Cd含量。用公式計算菌體對Cu2+、Cd2+的吸附量，計算公式：Q=C菌×V÷（m×1 000）。式中，Q為吸附量（mg/g）；C菌為菌體Cu、Cd的含量（mg/L）；m為菌體干重（g）；V為反應液體積（mL）。

1.2.2 Cu、Cd在菌體細胞中的化學形態分析 用添加Cu、Cd的PD培養基振蕩培養黑曲霉菌3～5 d（28 ℃、150 r/min，下同）。用化學試劑逐步提取法[16-18]分析Cu、Cd在黑曲霉菌體中的化學形態。依次使用乙醇（體積分數80%）、去離子水、氯化鈉（1 mol/L）、醋酸（體積分數2%）及HCl（0.6 mol/L）5種提取劑進行逐步提取。上述5種提取劑提取的Cu、Cd化學形態分別為乙醇提取態（FE）、水提取態（FW）、氯化鈉提取態（FNaCl）、醋酸提取態（FHAc）和鹽酸提取態（FHCl），最后為殘留態（Fr）。將上述收集的上清液分別加入燒杯，用濃HNO3消解充分，原子吸收分光光度法測定各組分Cu、Cd含量。

1.2.3 Cu、Cd在菌體的亞細胞分布 用添加Cu、Cd的PD培養基振蕩培養黑曲霉。采用差速離心法分離黑曲霉菌體的亞細胞結構[19]。提取液組分為50 mmol/L pH 7.5的Tris-HCl緩沖液、0.25 mmol/L蔗糖和1.0 mmol/L DTT，置于冰箱中預冷。試驗時，準確稱取1.0 g菌絲鮮樣，加入預冷的提取液20 mL，經充分研磨，將勻漿轉入離心管中進行差速離心，分步分離細胞的亞細胞組分：①細胞壁組分（F1）。在4 000 r/min下離心10 min所得沉淀；②細胞器組分（F2）。將上一步離心所得上清液在16 000 r/min下離心45 min，所得沉淀；③可溶性組分（F3）。即第二步所得的上清液。此組分主要是細胞質及液泡內的有機物，大分子和無機離子。

收集F1、F2和F3，分別用濃HNO3消解充分，原子吸收分光光度法測各組分的Cu、Cd含量。

1.2.4 菌體亞細胞組分紅外光譜分析 用添加Cu、Cd的PD培養基振蕩培養黑曲霉3～5 d，過濾取菌絲體，分別置于80 ℃烘箱中烘至恒重研磨備用。采用KBr壓片法對菌絲體進行紅外光譜分析（FTIR）[20，21]。

2 結果與分析

2.1 黑曲霉對水中Cu、Cd的吸附能力

由圖1可知，培養液Cd濃度為50 mg/L條件下，依次向培養基中添加濃度為0（對照）、50、100、150、200、250和300 mg/L CuSO4貯備液后，菌株TLSF2對Cu的吸附量分別為0、1.28、4.71、8.89、17.76、13.70和11.17 mg/g，并且在一定范圍內隨著Cu濃度的升高，菌株對Cu的吸附量相應增加，當初始Cu濃度為200 mg/L時，吸附達到最大值。試驗同時觀察到，Cd初始濃度保持50 mg/L不變時，對照中菌株對Cd的吸附量最大為13.91 mg/g，之后，隨著Cu濃度的升高，菌株對Cd的吸附量依次降低， Cu濃度為300 mg/L時，菌株對Cd的吸附量最低，為1.17 mg/g。可見，隨著共存Cu濃度的升高，菌株對Cd的吸附能力呈下降趨勢，Cu的共存對菌株吸附Cd存在較強的抑制作用。

由圖2可知，培養液中Cu濃度為200 mg/L條件下，依次向培養基中添加濃度為0（對照）、10、20、30、40、50和60 mg/L Cd（NO3）2貯備液后，黑曲霉對Cd的吸附量分別為0、0.64、1.45、2.52、3.91、5.19和4.99 mg/g，并且在一定范圍內隨著Cd濃度的升高，菌株對Cd的吸附量逐漸增加，初始Cd濃度為50 mg/L時，吸附量達到最大值。與此同時，Cu初始濃度保持200 mg/L不變時，隨著加入Cd濃度的升高，菌株對Cu的吸附量依次降低，對照菌株對Cu的吸附量最大，為21.75 mg/g，Cd濃度為60 mg/L時，菌株對Cu的吸附量最低，為7.54 mg/g。可見，隨著共存Cd濃度的升高，菌株對Cu的吸附能力呈下降趨勢，Cd的加入對菌株吸附Cu有一定的抑制作用。

2.2 黑曲霉細胞內Cu、Cd的化學形態分析

由表1可知，采用初始濃度50 mg/L Cd分別與初始濃度50、100、150、200、250、300 mg/L Cu聯合處理菌株后， Cu初始濃度低于250 mg/L時，菌體Cu總含量逐漸升高，Cu濃度達到250 mg/L以上時，菌體Cu總含量出現下降趨勢，且黑曲霉細胞內各化學形態Cu含量隨著Cu初始濃度變化也呈現出與吸附總量變化大致相同的趨勢。經濃度為50、100、150、200、250、300 mg/L Cu處理后，氯化鈉提取的Cu含量分別為0.46、2.37、4.74、7.46、7.14和6.18 mg/g，分別占菌體Cu總含量的47.92%、48.17%、41.36%、42.53%、39.36%、40.55%。同樣條件下，去離子水提取態Cu含量占總含量的比例分別為20.83%、23.58%、28.27%、27.34%、26.00%、27.23%。其他化學提取態的Cu含量明顯低于氯化鈉提取態和去離子水提取態。Cu含量最低的是殘渣態，Cu初始濃度在100 mg/L以內時，殘渣態Cu含量接近于0。菌株TLSF2對Cu的化學形態主要為氯化鈉提取態。

由表2可知，用初始濃度200 mg/L Cu分別與初始濃度10、20、30、40、50、60 mg/L Cd聯合處理黑曲霉，菌株吸附Cd的總含量依次為1.18、2.93、4.13、5.13、5.94、5.50 mg/g，且隨著加入Cd初始濃度的升高，菌株對Cd的吸附量呈上升的趨勢，其中，氯化鈉提取態的Cd含量分別為0.64、1.66、2.20、2.33、2.50、2.20 mg/g，分別占菌體Cd總含量的34.44%、56.66%、53.27%、45.42%、42.09%和40.00%；醋酸提取態Cd含量占總含量的比例分別為13.56%、18.77%、23.97%、27.88%、26.09%和24.18%，去離子水提取態Cd含量略低于醋酸提取態Cd含量。此外，乙醇提取態和殘渣態Cd含量均遠小于氯化鈉提取態Cd含量，特別是殘渣態Cd含量，隨著Cd濃度升高，其變化值并不顯著，且接近于0。結果顯示，菌株TLSF2對Cd的化學形態也主要為氯化鈉提取態。

2.3 Cu、Cd在黑曲霉菌體內的亞細胞分布

由表3可以看出，Cu在黑曲霉菌體內主要分布在細胞壁上。細胞壁組分的Cu含量遠遠高于其余兩部分的Cu含量，且隨著Cu處理濃度的增加，細胞壁上的Cu含量占菌絲體Cu含量的比例呈先增加后減少趨勢，用濃度為50 mg/L的Cd分別與濃度為 50、100、150、200、250、300 mg/L的Cu 聯合處理菌體，分布在細胞壁上的Cu含量分別占總含量的89.12%、95.09%、97.02%、97.85%、96.51%和94.31%，并且隨著Cu處理濃度的增加，在細胞器組分和可溶性組分上的Cu含量及其占菌株Cu總含量的百分比變化不明顯，只有小幅度的差異變化。這表明，A. niger TLSF2菌株吸附Cu時，Cu大部分富集在菌體的細胞壁上。這可能是細胞壁作為一道天然屏障，擋住了培養液中的Cu，使得進入到菌絲細胞內的Cu極少，維持了菌絲細胞內較穩定和較低的Cu含量，增強了菌絲對Cu的耐性。

由表4可知，細胞壁也是黑曲霉富集重金屬Cd的主要結構。當采用初始濃度為200 mg/L Cu分別與初始濃度分別為10、20、30、40、50、60 mg/L Cd聯合處理菌株，富集在細胞壁上的Cd含量依次為0.94、2.31、3.06、4.19、5.12和4.73 mg/g，分別占菌株Cd總含量的77.69%、92.77%、85.47%、93.11%、94.46%和92.93%。與Cu在細胞壁上的富集率相比，菌株細胞壁對Cd的富集率略低，可能是由于Cd的生物毒性較大，更能破壞菌體細胞壁結構從而進入細胞內部。

2.4 Cu、Cd共存下黑曲霉菌體紅外光譜分析

利用傅立葉紅外光譜對經Cu、Cd處理的菌株TLSF2細胞組分進行解析，在4 000～500 cm-1波段下，比較對照和處理細胞官能團的紅外表征。通過分析對照未經Cu處理菌株細胞組分紅外光譜圖（圖3）可知，在3 500～3 200 cm-1處存在強寬峰，為碳水化合物O-H的對稱伸縮振動峰和蛋白質的 -NH的不對稱伸縮振動峰共同作用的結果；2 924 cm-1處的峰代表亞甲基，是烷基鏈中C-H伸縮振動峰；1 622 cm-1附近處的吸收峰是蛋白質酰胺Ⅰ帶C=O伸縮振動峰；1 383 cm-1處可能為羧酸鹽中 -C（=O）O-的對稱與反對稱伸縮振動峰；1 314 cm-1處的吸收峰代表胺類中的C-N 伸縮振動；而1 200～900 cm-1之間的吸收峰主要是細胞壁多糖結構中 -C-O-C和-C-O-P伸縮振動峰，1 149 cm-1處的峰主要來自P=O的伸縮振動以及-（=O）O-與-OH的疊加；1 081 cm-1處主要為糖類的C-H和P-O伸縮振動；1 036 cm-1附近處為磷酸基團、糖羥基中的C-O伸縮振動和S=O的伸縮振動共同作用的結果。與無Cu對照相比，經不同Cu濃度（50～300 mg/L）處理72 h的菌株細胞組分紅外光譜圖并無新的特征峰出現，表明經Cu處理后，菌株的細胞結構并沒有改變，只是已有特征峰隨著Cu濃度增加發生變化。

由圖4可知，低濃度Cd（10～30 mg/L）處理下，特征峰的吸收峰無明顯變化；隨著Cd濃度的增加，代表-OH和-NH伸縮振動吸收峰發生明顯紅移（60 mg/L Cd，No.1處），代表-COOH的伸縮振動吸收峰發生藍移，代表磷酸基團、糖羥基中的 C-O 伸縮振動峰出現紅移（50、60 mg/L Cd下），代表酰胺Ⅰ帶C=O伸縮振動峰發現藍移（40、50 mg/L Cd下），代表糖類的C-H和P-O伸縮振動峰峰位變化很小，出現小幅度的紅移（40～60 mg/L Cd下）。

綜上分析可知，黑曲霉菌株TLSF2在吸附Cu的過程中，主要的結合位點為羥基、羧基和氨基等；在吸附Cd的過程中，結合位點涉及羧基、羥基、氨基、磷酸基、酰胺基等。

3 小結

通過研究黑曲霉菌株TLSF2對水中Cu、Cd的吸附作用，初步得出以下結論。

1）在Cu、Cd共存條件下，隨著Cu濃度的升高，菌株對Cd的吸附能力呈下降趨勢，Cu的共存對黑曲霉菌株吸附Cd存在較強的抑制作用。同樣，隨著共存Cd濃度的升高，菌株對Cu的吸附能力呈下降趨勢，Cd的加入對菌株吸附Cu有一定的抑制作用。

2）在Cu、Cd共存條件下，隨著培養液中Cu、Cd濃度的增加，細胞壁上Cu、Cd含量占總含量的比例隨之增多，而進入細胞內的Cu、Cd含量變化不顯著。這可能是由于幾丁質、蛋白質和多糖等對于絲狀真菌吸附與富集重金屬起著關鍵作用的組分主要存在于真菌細胞壁，這些組分能配位結合一些進入到真菌體內的金屬離子，通過有效抑制重金屬離子的活度來抑制重金屬離子在真菌細胞中的跨膜運輸。這有利于細胞內重金屬離子濃度維持在較低的水平，因此增強了真菌對重金屬的耐性和抗性[22]。細胞壁作為一道重要屏障，能夠有效阻止重金屬進入絲狀真菌細胞體。

3）Cu、Cd在黑曲霉菌株TLSF2細胞內的化學形態都以氯化鈉提取態為主。

4）羥基、羧基和氨基等是黑曲霉菌株TLSF2細胞與Cu發生作用的主要官能團，菌株吸附Cd結合位點涉及羧基、羥基、氨基、磷酸基、酰胺基等多個官能團。

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