乳酸菌對海水中鉛離子的吸附作用

馬紅梅，黃國男，彭一鑫，張來軍

乳酸菌對海水中鉛離子的吸附作用

馬紅梅，黃國男，彭一鑫，張來軍

（海南熱帶海洋學院水產與生命學院，海南 三亞 572022）

【】分析德式乳桿菌、嗜熱鏈球菌及屎腸球菌3種不同乳酸菌對海水中鉛離子的吸附作用影響。采用原子吸收分光光度計法測定海水中鉛的含量，并通過計算乳酸菌對重金屬鉛的吸附率及單位菌體吸附量分析乳酸菌對鉛的吸附性能。菌液加入海水6 h 后，屎腸球菌的吸附率最大為80.85%，嗜熱鏈球菌的吸附率最大為51.73%，德式乳桿菌的吸附率為19.97%；6 ~ 48 h內，隨著吸附時間的延長，3種乳酸菌對海水中鉛離子的吸附率和吸附量均呈先降后升的趨勢。當投菌量為10 g/L時，屎腸球菌的吸附率和單位菌體吸附量分別為88.31%和2.48 mg/g，增大投放量，吸附率上升不顯著；當投菌量為40 g/L時，屎腸球菌、德式乳桿菌及嗜熱鏈球菌對鉛離子的吸附率均達到最大，分別為95.04%、83.73%及83.25%。當鉛離子濃度為150 mg/L時，德式乳桿菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時分別為40.18%和2.26 mg/g；嗜熱鏈球菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時分別為48.33%和8.15 mg/g；屎腸球菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時分別為62.90%和3.53 mg/g。屎腸球菌在3種乳酸菌中對鉛的吸附效果最好，當屎腸球菌生物投放量為10 g/L、海水中鉛離子濃度為150 mg/L，6 h后即可達到最大吸附量。

海水中鉛離子；生物吸附；乳酸菌；屎腸球菌

因近海養殖的規模化、集約化發展導致養殖密度不斷提高，同時我國近海區域因受城市發展和工業污水排放等因素影響，重金屬已成為近海養殖水體及其生物體內常見的一類污染物。研究表明，養殖海產品比天然野生海產品受重金屬污染更為嚴重[1-2]。對海南近海及海水養殖區中重金屬污染的調查和研究表明，近海養殖區海水鉛污染成為海洋環境污染高風險的重金屬污染物之一[3-4]。鉛污染水平較高貝類主要為近江牡蠣、華貴櫛孔扇貝、櫛江珧等，季節分布總體表現為春夏秋冬逐級遞增趨勢[5]。在海洋生境中，鉛與銅、鎘等金屬相比，鉛更容易被某些海洋生物所累積，嚴重影響海洋魚、參、貝等常見經濟生物的繁殖、生長、發育和存活[6]，對生物造成不同程度傷害，因而也成為當前威脅海洋食品安全的重要因素[7]。同時，通過水生生態系統中食物鏈與食物網的富集作用，對人類生命和健康造成直接或間接的影響和危害。目前，處理重金屬主要采用物理化學技術和新型的生物技術。與傳統物理化學技術相比，生物技術方法在治理重金屬污染方面展現出其菌種來源豐富、成本低廉、可行性高等特點和無二次污染等優勢[8]。微生物吸附劑是生物吸附中的一種。因微生物培養容易、繁殖速度快、吸附能力較強，吸附效果好、成本較低等成為重金屬污染治理研究的重點，特別在土壤、淡水及食品中耐鉛微生物的篩選及其生物吸附研究報道很多[9-11]，但利用微生物吸附海水中重金屬離子的研究較少[12]。

乳酸菌作為公認的安全食品，為人及動物腸道的益生菌，因其獨特細胞結構與生物特性使其在食品等領域中得到廣泛應用。近年來，研究人員發現乳酸菌能夠吸附食品和土壤及淡水中重金屬[13]，但對乳酸菌在海洋生境中吸附重金屬研究報道甚少。乳酸菌在液體中培養生長較快，比表面積大，結構復雜，產生理活性物質多且菌體自身能促進海水養殖區環境中魚類的生長，故其可作為海洋環境中重金屬吸附的友好材料；此外，乳酸菌中很多種類具有耐酸、耐鹽及耐較高的滲透壓[14－15]。因此，乳酸菌具備開發成海洋重金屬吸附劑的潛力。本研究利用乳酸菌的生物學特性，測定3種乳酸菌在海水中對重金屬鉛離子的吸附效果，找出吸附效果好的乳酸菌及對重金屬鉛離子的最佳吸附條件，為更好利用微生物吸附處理近海養殖中重金屬污染、促進水產養殖業可持續健康發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要器材

設備：火焰原子吸收光譜儀AAS990：北京普析通用儀器有限公司；臺式全溫振蕩培養箱：上海知楚儀器有限公司。

菌株與試劑：供試菌株德氏乳桿菌（）編號為LAB-2、嗜熱鏈球菌（）編號為LAB-3、屎腸球菌（）編號為LAB-4，均為標準菌株，購自廣東環凱微生物科技有限公司。試劑：氯化鈉、醋酸鉛、濃硝酸、硝酸鉛等為分析純；MRS肉湯培養基、LB培養基為化學純。

1.2 實驗方法

1.2.1 菌種的活化與擴大培養 將3種菌株分別通過劃線接種至LB固體培養基上，于37 ℃的生化培養箱中培養2 ~ 3 d，待斜面長滿，將菌種制備成菌懸液接種至MRS肉湯培養基中，置臺式恒溫震蕩培養箱于150 r/min，37 ℃條件下擴大培養24 h。

1.2.2 乳酸菌吸附重金屬鉛離子試驗 采用國標GB17378.4-2007中原子吸收分光光度法測定海水中鉛離子[16]。

1.2.2.1 海水中鉛離子濃度溶液的配置 準確稱取0.5 g醋酸鉛，加入1 L配置好的海水溶液，于1 L容量瓶中定容，制得500 mg/L的醋酸鉛溶液。醋酸鉛遇海水后有白色沉淀生成，將制得的500 mg/L醋酸鉛溶液進行抽濾，上清液倒入試劑瓶中標記備用。按相同操作，對500 mg/L醋酸鉛溶液進行稀釋，配置300、150、100、75、50mg/L不同質量濃度的鉛離子溶液。

1.2.2.2 鉛離子標準溶液配制 1 000.00 mg/L鉛標準儲備液配制：準確稱取1.598 5 g硝酸鉛，用少量濃硝酸溶液溶解，移入1 L容量瓶，加水至刻度，混勻。

1.00 mg/L鉛標準中間液配制：準確地吸取1 000.00 mg/L鉛標準儲備液1.00 mL于1 L容量瓶中，加體積分數為5%硝酸溶液至刻度，混勻。

鉛標準工作溶液配制：分別吸取1.00 mg /L鉛標準中間液0、0.100、0.500、1.00、1.50 mL于 100 mL容量瓶中，加體積分數為5%硝酸溶液至刻度，混勻。此鉛標準系列溶液的質量濃度分別為0、1.00、5.00、10.0、15.0、20.0 μg/L。

1.2.2.3 乳酸菌吸附鉛離子的實驗 將3種乳酸菌接種至MRS肉湯培養基中進行擴大培養，離心分離（4 000 r/min，10 min）收集菌體，用超純水洗滌菌體上殘留液，置50 ℃烘箱中烘干至恒重。取出后加入超純水，制備濃度為100 g/L的3種乳酸菌的菌懸液，測定不同條件對乳酸菌吸附鉛離子的影響。

（1）吸附時間對乳酸菌吸附鉛離子影響。在試管中各加入5 mL鉛離子濃度為150 mg/L海水，分別投入3種質量濃度為100 g/L乳酸菌，使投放后菌體質量濃度最終為5 g/L。將投放菌種后的試管置轉速為150 r/min，37 ℃臺式慍溫振蕩培養箱中進行吸附作用，吸附時間分別為6、12、24、36、48 h。吸附完成后離心，取上清液進行檢測。

（2）菌量對乳酸菌吸附鉛離子的影響。在試管中各加入5 ml鉛離子質量濃度為150 mg/L的海水，分別投入3種質量濃度為100 g/L乳酸菌，使投放后的菌體質量濃度最終分別為5、10、20、30、40 g/L，每種菌各做1組梯度。將投放菌種后的試管置轉速為150 r/min，37 ℃臺式慍溫振蕩培養箱中進行吸附作用1 d。吸附完成后離心，取上清液進行檢測。

（3）鉛離子濃度對乳酸菌吸附鉛離子的影響。取鉛離子濃度分別為500、300、150、100、75、50 mg/L的海水各5 mL加入試管中，分別投入3種濃度為100 g/L乳酸菌，使投放后的菌體的濃度最終為5 g/L。將投放菌種后的試管置轉速為150 r/min，37 ℃臺式慍溫振蕩培養箱中進行吸附作用1 d。吸附完成后離心，取上清液進行檢測。

1.2.3 數據分析 乳酸菌對鉛吸附率與單位菌體吸附量采用下面公式計算：

重金屬鉛的吸附率：=（01）/0，（1）

單位菌體吸附量：e=（01）×/，（2）

式中，0表示初始的鉛離子濃度，1表示吸附后溶液中的鉛離子濃度，表示鉛離子溶液的體積，表示投放菌體的質量。

2 結果與分析

2.1 標準曲線的繪制

以鉛標準工作液濃度為橫坐標，以鉛離子對應的光密度為縱坐標，繪制標準曲線（圖1），線性歸方程為：= 0.014 81+ 0.004 38，相關性= 0.999 42，呈良好線性關系。

圖1 鉛離子質量濃度的標準曲線

2.2 吸附時間對乳酸菌吸附鉛離子影響

吸附時間對乳酸菌吸附鉛離子影響的結果見圖2和圖3。

圖2 時間對鉛吸附率的影響

圖3 時間對單位菌體鉛吸附量的影響

由圖2可知，在6 ~ 24 h，隨著吸附時間延長，嗜熱鏈球菌與屎腸球菌吸附量下降，24 ~ 48 h內對鉛的吸附率逐漸上升，而德氏乳桿菌整體上吸附率變化不大。

由圖3可知，屎腸球菌與德氏乳桿菌隨著吸附時間延長，單位菌體鉛吸附量變化不大，但屎腸球菌單位菌體鉛吸附量最大，而嗜熱鏈球菌單位菌體鉛吸附量在24 h時吸附量最低。

由圖2和圖3可以看出3種菌的吸附率與單位菌體吸附量均是先降低再升高。德式乳桿菌在6 ~ 12 h內吸附率從19.97%下降至17.81%，12 h后逐漸上升，48 h后吸附率達到23%，單位菌體吸附量達到1.30 mg/g；嗜熱鏈球菌與屎腸球菌的吸附率與吸附量在6 ~ 24 h逐漸下降，24 h后逐漸上升，到48 h嗜熱鏈球菌的吸附率達28.34%，單位菌體吸附量達1.59 mg/g，屎腸球菌的吸附率達73.39%，單位菌體吸附量達4.12 mg/g。由此可見，3種乳酸菌中對鉛離子吸附效果最好的是屎腸球菌。

2.3 菌量對乳酸菌吸附鉛離子的影響

菌量對乳酸菌吸附鉛離子影響的結果見圖4和圖5。

圖4 菌量對鉛吸附率的影響

圖5 菌量對單位菌體鉛吸附量的影響

由圖4可知，隨著投入菌量的增加，3種乳酸菌對鉛離子的吸附率均增加。由圖5可知，德式乳桿菌與嗜熱鏈球菌在菌量為10 g/L時，單位菌體鉛吸附量最大，之后隨著菌量增加，單位菌體鉛吸附量下降。

由圖4和圖5可知，投放菌的量越多，吸附率越高。投放菌量為40 g/L時，乳酸菌吸附率達到最大值，德式乳桿菌、嗜熱鏈球菌及屎腸球菌的吸附率分別為83.73%、83.25%及95.04%。投放菌量為5 ~ 10 g/L時，3種乳酸菌吸附率急劇上升，德式乳桿菌和濕熱鏈球菌的單位菌體吸附量也上升，單位菌體吸附量達到最大值，分別為1.40、2.03 mg/g，20 g/L后逐漸下降；當投放菌量10 g/L時，兩種乳酸菌單位菌體吸附量開始下降。當菌投放量為10 g/L時，屎腸球菌吸附率和單位菌體吸附量分別為88.31%和2.48 mg/g，增大投放量，吸附率上升不顯著，且單位菌體吸附量下降明顯。出于經濟實用目的考慮，可選用濃度為10 g/L的屎腸球菌進行實際投放。

2.4 鉛離子濃度對乳酸菌吸附鉛離子的影響

鉛離子濃度對乳酸菌吸附鉛離子影響的結果見圖6和圖7。

圖6 鉛離子濃度對鉛吸附率的影響

由圖6可知，在鉛離子濃度為50 ~ 100 mg/L時，德式乳桿菌和屎腸球菌的吸附率呈上升趨勢，當在鉛離子濃度大于100 mg/L時，屎腸球菌的吸附率下降；而德氏乳桿菌與嗜熱鏈球菌的吸附率變化較復雜。由圖7可知，3種乳酸菌的吸附量均隨著海水中鉛離子濃度升高，吸附量上升。

圖7 鉛離子濃度對單位菌體吸附量的影響

由圖6、7可知，德氏乳桿菌在鉛離子質量濃度為50 mg/L時，吸附率為68.49%，單位菌體吸附量為0.81 mg/g，隨著海水中鉛離子濃度增長，吸附率呈下降趨勢，單位菌體吸附量呈逐步上升趨勢。

鉛離子濃度為500 mg/L時，分別為27.73%和4.68 mg/g。嗜熱鏈球菌與屎腸球菌在鉛離子質量濃度為100 mg/L時，其吸附率均達到最大值，分別為78.55%、91.35%，之后鉛離子逐漸上升，吸附率逐步下降，當鉛離子濃度為500 mg/L時，其吸附率降至48.33%、53.14%，其中單位菌體吸附量逐漸上上升，最終可達8.15、8.96 mg/g。

結合吸附率和單位菌體吸附量分析，鉛離子濃度為150 mg/L時，德式乳桿菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時分別為40.18%，2.26mg/g；嗜熱鏈球菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時分別為48.33%，8.15mg/g；屎腸球菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時分別為62.90%，3.53mg/g。由此可見，屎腸球菌的吸附效果優于德式乳桿菌與嗜熱鏈球菌。

3 討論

實驗結果表明，不同乳酸菌對海水中鉛離子的吸附能力不一樣，且乳酸菌吸附性能受吸附時間、投入菌量及海水中鉛離子濃度的影響。從吸附時間上來看，菌體吸附率與單位菌體吸附量從一開始緩慢下降得知，在6 ~ 24 h內，會出現解吸作用，這與乳酸菌的自我保護機制、防止重金屬的毒害作用有關[17]；24 h后，從吸附率與單位菌體吸附量緩慢上升推斷乳酸菌可能適應了重金屬鉛離子環境，開始出現鉛離子運輸至細胞內部并與細胞內部化合物質進行結合。

從菌量對乳酸菌吸附海水中鉛離子影響來看，吸附菌量越大，乳酸菌吸附率越大，單位菌體吸附量越小。造成這種現象的原因跟鉛離子與乳酸菌結合位點有關[18]。當投放菌量少時，鉛離子與乳酸菌表面的結合位點充分結合，因此單位菌體吸附量最高，但由于總的結合位點較少，因此吸附率較低。當投放菌量增多時，單位體積內菌體數量增多，鉛離子與菌膜上結合位點不充分結合，導致單位菌體吸附量減少，但由于總的結合位點增加，故吸附率仍呈緩慢上升趨勢。

從鉛離子濃度對乳酸菌吸附海水中鉛離子的影響來看，初始鉛離子濃度越大，乳酸菌對鉛離子的吸附量也越高，而吸附率變化較大，與文獻報導吸附率隨著鉛離子濃度升高而呈現平滑下降趨勢不一致[19]。出現此種情況，可能是本實驗所設吸附時間相對較長，此間發生生物積累或解吸作用，乳酸菌吸附率出現波動所致，此外還可能與乳酸菌所處海水介質有關。綜合以上分析，吸附率呈下降趨勢是由于在溶液中，單位體積內菌體數目固定，當單位菌體結合位點飽和時，鉛離子濃度越大，吸附率越低。在實際投入使用中，從經濟效益與成果效率來看，既需要保證所投放菌種吸附率，又要保障其單位菌體吸附量較高，而測試乳酸菌中只有屎腸球菌滿足該要求。

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Adsorption of Lead Ions in Seawater by Lactic Acid Bacteria

MA Hong-mei , HUANG Guo-nan, PENG Yi-xin, ZHANG Lai-jun

(,,572022,)

The adsorption properties of lead ions in seawater byandwere studied.The concentration of lead in seawater was detected by the atomic absorption spectrophotometer and the adsorption capacity of lactic acid bacteria to lead was analyzed by calculating the adsorption rate and adsorption capacity per unit of bacteria of heavy metal lead by lactic acid bacteria.The results showed that the maximum adsorption rates ofwere 80.85% and 51.73% respectively within 6 hours since inocula was added to the seawater, and the adsorption rate ofwas only 19.97%. The adsorption rate and adsorption capacity of lead ions by the three lactic acid bacteria decreased at first and then increased with the prolongation of adsorption time within 6―48 hours. The adsorption rate and unit bacterial adsorption capacity ofwere 88.31% and 2.48 mg/g respectively, but the adsorption rate wasn’t significantly increased when the concentation of lactic acid bacteria was 10 g/L. The adsorption rates of lead ion by,andreached the highest, which were 95.04%, 83.73% and 83.25% respectively with the 40 g / L concentration of lactic acid bacteria. When the concentration of lead ion was 150 mg/L, the adsorption rate and unit bacterial adsorption capacity ofwere 40.18% and 2.26 mg / g, and those of48.33% and 8.15 mg/g respectively, and those ofwere 62.90% and 3.53mg/g respectively when the adsorption rate and unit bacterial adsorption capacity ofwere both higher.had the best adsorption effect on lead among the three kinds of lactic acid bacteria by comparing the adsorption properties of the three kinds of lactic acid bacteria. When the biomass ofwas 10 g/L with the concentration of lead ion in seawater was 150 mg/L, the maximum adsorption capacity can be reached after 6 hours.

lead ion in seawater; biosorption; lactic acid bacteria;

X55

A

1673-9159（2020）06-0071-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.06.009

馬紅梅，黃國男，彭一鑫，等. 乳酸菌對海水中鉛離子的吸附作用[J]. 廣東海洋大學學報，2020，40（6）：71-76.

2020-05-02

海南省高等學校教育教學改革研究重點項目（Hnjg2020ZD-35）；國家自然科學基金(31260139)

馬紅梅（1976－），女，碩士，教授，研究方向為海洋微生態。E-mail:mahongmei612@163.com

（責任編輯：劉嶺）