海藻酸鈣包埋惡臭假單胞菌吸附Cd2+的效果及機理研究

許 銀，熊 哲，倪 紅

(湖北大學 生命科學學院,湖北 武漢 430062)

1 引言

重金屬廢水的常用處理方法有：化學法、膜分離法、離子交換樹脂法和生物吸附法等[1]。生物吸附法因其適用于處理大體積低濃度的重金屬廢水，并且高效廉價，固定化微生物技術是在一定得空間范圍內,保留微生物固有的催化活性[2]，因其具有細胞密度高、機械強度高、可重復利用等特點而受到了廣泛關注。微生物固定方法有吸附法、包埋法和交聯法[3]等，其中海藻酸鈉包埋法具有凝固成型方便、對微生物的毒性小、固定的密度高等優點[4]。

芽孢桿菌、酵母菌、假單胞桿菌等細菌對金屬離子均有很大的吸附能力[5,6]。P.K.Wong等[7]用固定化假單胞菌回收工業廢水銅離子，M.P.Pons等[8]用固定化假單胞菌菌株EPS 5028提取鈾，J.S.Chang等[9]用滅活的銅綠假單胞菌PU21(Rip64)吸附汞離子等，均取得了很好的效果。但用表面展示金屬硫蛋白的惡臭假單胞處理廢水中的Cd2+，鮮有報導。

將富含巰基的金屬硫蛋白(metallothionein,MT)展示在惡臭假單胞菌的表面，能顯著增強其結合Zn2+、Cd2+、Cu2+等離子的吸附能力[10]。為了克服游離菌在應用上的不足，本實驗將海藻酸鈣來包埋該重組菌和多孔生物濾料，探索了包埋菌濾料小球吸附Cd2+的最佳條件，并對其吸附動力學方程和吸附等溫線進行了分析，為該重組菌在實際廢水深度處理中的應用提供實驗依據。

2 材料和方法

2.1 實驗材料

2.1.1 實驗菌株

惡臭假單胞重組菌(Pseudomonasputida)，系由華中農業大學國家農業微生物學國家重點實驗室提供。

2.1.2 試劑藥品

五水硫酸銅、鹽酸、蛋白胨、酵母膏、海藻酸鈉、氫氧化鈉、氯化鈉、硝酸鎘、羧芐青霉素等均為分析純，購于江蘇美正生物科技有限公司。多孔濾料(粒徑：4～6 mm)，購于河南金信諾商貿郵箱公司。

2.1.3 Cd2+標準溶液的配置

準確稱取0.693 g Cd(NO3)2，溶于150 mL蒸餾水中，用容量瓶定容至250 mL，得到1.0 g/L的Cd2+標準溶液，用等離子體發射光譜儀測定Cd2+濃度[11]。

2.2 主要實驗儀器

722S型可見分光光度計(無錫科達儀器廠)、恒溫搖床(上海科學儀器廠)、奧豪斯EX系列萬分之一電子天平(西杰天平北京儀器有限公司)、恒溫培養箱(濟南佰源醫療設備有限公司)、H2500R2高速冷凍離心機(湖南湘儀儀器有限公司)、等離子體發射光譜儀(ICP-900)(北京中和測通儀器有限公司)。

2.3 包埋小球的制備

2.3.1 惡臭假單胞菌重組菌的制備

將活化的重組菌，涂平板挑單菌落，于5 mL的牛肉膏、蛋白胨培養基(LB)中，28 ℃、220 r/min培養過夜，取1 mL 的過夜菌液加到100 mL LB培養基中(含有終濃度500 g/mL的羧芐青霉素)，28 ℃，220 r/min培養24 h后，用離心機去上清(10000 r/min)，得到菌體，待用。

2.3.2 海藻酸鈣小球的制備

100 mL的蒸餾水和2 g的海藻酸鈉，加熱溶解后冷卻至室溫，用恒流泵將海藻酸鈉滴到2%的氯化鈣中，放置3 h，將制成的小球放在4 mM的氯化鈣溶液中，冰箱保存待用。

2.3.3 海藻酸鈣包埋多孔濾料和重組菌的小球制備

稱取菌體4 g，用60 mL無菌水混合均勻，加入15 g滅菌多孔濾料，吸附3 h。再和4%的海藻酸鈉溶液混合，參照2.3.2的方法制備出包埋菌濾料小球，待用[12,13]。

2.4 包埋菌濾料小球吸附Cd2+條件優化實驗

2.4.1 pH值對吸附Cd2+效果的影響

稱取6份包埋菌濾料小球1.5 g分別加入含120 mg/mL的Cd2+溶液的250 mL的三角瓶中，用酸、堿分別調pH值為2、3、4、5、6、7。于35 ℃下，靜置吸附3 h。取上清，測量Cd2+含量。方法同2.1.3，實驗做3次平行。

2.4.2 溫度對吸附Cd2+效果的影響

稱取6份包埋菌濾料小球1.5 g分別加入含120 mg/mL的Cd2+溶液的250 mL的錐形瓶中，將pH值調為6，分別在20、25、30、35、40、45 ℃下，靜置吸附3 h。取上清，測量Cd2+含量。方法同2.1.3，實驗做3次平行。

2.4.3 轉數對吸附Cd2+效果的影響

稱取8份包埋菌濾料小球1.5 g分別加入含120 mg/mL的Cd2+溶液的250 mL的錐形瓶中，將pH值調為6，37 ℃下分別置于0、30、60、90、120、150、180、210 rpm搖床中,吸附3 h。取上清，測量Cd2+含量。方法同2.1.3，實驗做3次平行。

2.4.4 Cd2+初始濃度對吸附效果的影響

分別取1 g的包埋菌濾料小球，加到6個含有200 mL不同Cd2+初始濃度的500 mL錐形瓶中，濃度分別為10、50、100、200、300、400 mg/mL，pH值為6，靜置37 ℃下條件，吸附3 h。取上清液，測定Cd2+含量。方法同2.1.3，實驗做3次平行。

2.5 包埋菌濾料小球吸附Cd2+的動力學分析

稱取1.5g包埋菌濾料小球，吸附15 mL，初始濃度為100 mg/L的Cd2+溶液，每隔一段時間(5、10、20、30、40、50、60、180 min)，取上清液，測Cd2+濃度，并進行準一級、準二級反應動力學模型分析[14,15]。

準一級動力學方程：以吸附時間t為橫坐標，以在該t時間段所對應的t/qe值為縱坐標，根據得到的線性方程的斜率和截距值，來計算K1和qe值。通過算出qeq和qt，制作1/qt與1/t和log(qeq-qt)與t的曲線。其方程如下：

(1)

對方程(1)取對數得方程：

log(qe-qt)=logqe—k1t/2.303

(2)

其中：k1為一級吸附速率常數，qt～qe，分別為平衡吸附量和t時刻的吸附量。

準二級動力學方程以吸附時間t為橫坐標，以在該t時間段所對應的log(qe-qt)值為縱坐標，根據得到的線性方程的斜率和截距，計算K2和qe值。其方程如下：

(3)

對方程(3)取積分得方程：

(4)

其中：k2為二級吸附速率常數，qt～qe，分別為平衡吸附量和t時刻的吸附量。

2.6 包埋菌濾料小球對Cd2+吸附等溫線分析

分別取包埋菌濾料小球1.5 g，來吸附50～600 mg/L的Cd2+溶液，條件：pH值為6，溫度30 ℃，轉數180 rpm，吸附3 h，分別取上清液，測Cd2+濃度。計算包埋小球的吸附量，以達到吸附平衡的濃度對吸附量作圖，制作吸附等溫線[16,17]。

(5)；

式(5)中：Q為吸附容量(mg/g)；e為吸附后金屬離子濃度(mg/L)；K，1/n是由吸附體系決定的常數。

根據實驗得到logQ和logCe值后，將logQ對logCe作圖，截距為K，斜率為1/n。

式(6)中：Q0為最大吸附容量(mg/g)；K為常數。根據實驗得到l/Q和l/Ce值后，將l/Q對1/Ce作圖，截距為Qo，斜率為K。

3 結果與分析

3.1 多孔濾料、海藻酸鈣小球和包埋菌濾料小球吸附Cd2+條件優化

3.1.1 pH值對3種材料吸附Cd2+效果的影響

多孔濾料、海藻酸鈣小球和包埋菌濾料小球對Cd2+的吸附條件是：在靜置、30 ℃不同pH值下，吸附100 mg/L的Cd2+溶液，吸附3 h后，取上清測Cd2+濃度，并計算出pH值對吸附容量的影響，如圖1所示。

圖1 pH對3種材料吸附Cd2+效果的影響

由圖1可知，pH值在2.0～6.0，吸附能力逐漸增加，超過6.0后，吸附量開始下降。當pH值為6.0時，3種材料對Cd2+的最大吸附量分別為：9.021、10.845、24.186(mg/g)。

可見，pH值對生物吸附劑的吸附量比較大，這與吸附劑表面電荷和電離程度有關[18]。

3.1.2 溫度對3種材料吸附Cd2+效果的影響

將上述3種材料，在不同溫度，pH值為6.0，靜置條件下，分別吸附100 mg/L的Cd2+溶液，吸附3 h后，取上清液測得Cd2+濃度，溫度對吸附量影響，如圖2所示。

圖2 溫度對3種材料吸附Cd2+效果的影響

由圖2可知，在不同溫度條件下，3種材料對Cd2+的吸附能力都是先增加后降低。3種材料在35 ℃的最大吸附量分別為9.588、10.998、15.492(mg/g)，說明包埋菌濾料小球對Cd2+的吸附效果最好。對同一種材料來說，溫度對Cd2+的吸附量影響不是以物理吸附為主。

3.1.3 初始濃度對3種材料吸附Cd2+效果的影響

3種材料在pH值為6.0、溫度30 ℃，靜置條件下，分別去吸附50～400 mg/L不同濃度的Cd2+，吸附3h后，測定上清液中Cd2+濃度，得出Cd2+初始濃度對吸附量的影響，見圖3。

圖3 初始濃度對3種材料吸附Cd2+效果的影響

由圖3可知，3種材料對Cd2+的吸附量是隨著溶液中離子濃度的增加而增加，并逐漸達到飽和。在400 mg/L，3種材料的最大吸附量分別為11.019 、13.929、31.086(mg/g)。濃度對包埋菌濾料小球吸附量的影響比較大，說明包埋小球除去Cd2+效果明顯，有實際應用的前景。

3.1.4 轉數對3種材料吸附Cd2+效果的影響

3種材料分別去吸附100 mg/LCd2+溶液，在pH值為6.0、溫度30 ℃、不同轉數條件下，吸附3 h后，分別測定上清液中Cd2+濃度，轉數對吸附量的影響，見圖4。由圖可知，3種材料對隔離子的吸附量隨著轉數的增加而增加，超過180 rpm時，吸附量略有降低。3種材料對Cd2+的最大吸附量分別為11.175、13.194、20.937(mg/g)。轉數對包埋菌濾料小球吸附量的影響比較大。

圖4 轉數對3種材料吸附Cd2+效果的影響

3.2 包埋菌濾料小球對Cd2+的吸附動力學分析

包埋菌濾料小球在pH值為6.0、溫度35 ℃、轉數180 rpm條件下，吸附100 mg/L Cd2+溶液，每鎘10 mins測定上清液中Cd2+的濃度，并進行準一級、準二級動力學擬合曲線分析，結果見圖5、圖6和表1。

圖5 吸附Cd2+的準一級動力學方程擬合曲線

表1 吸附 Cd2+的準一級、準二級動力學方程相關參數

由圖4～6和表1可知，實驗結果與準一級、準二級動力學方程所擬合得到的理論值都比較吻合，擬合的相關系數R2分別為0.9639、0.9961，但準二級動力學方程的擬合值與實際值更加接近。

3.3 包埋菌濾料小球對Cd2+的吸附等溫線分析

包埋菌濾料小球在pH值為6.0、溫度35 ℃、轉數180 r/min條件下，吸附不同濃度的Cd2+溶液，吸附3 h后，測定上清液Cd2+濃度，計算并作出Langmuir 和 Freundlich吸附等溫線的相關參數和擬合曲線，結果見圖7、圖8和表2。

圖7 包埋菌濾料小球吸附Cd2+Langmuir等溫線

圖8 包埋菌濾料小球吸附Cd2+Freundlich等溫線

從上述圖7、8和表2的R2值大小可知，Langmuir吸附等溫線比Freundlich等溫線更好地描述包埋菌濾料小球的吸附過程。參數中的Kb值越大，表示吸附劑和金屬離子結合的穩定性越大，參數中的n值越大，表示吸附劑的吸附能力受表面金屬離子濃度的影響越大。因此，為了達到理想的吸附隔離子效果，離子的初始濃度的控制至關重要。

表2 吸附Cd2+的Langmuir和Freundlich吸附等溫線方程相關參數

實驗表明：包埋菌濾料小球對Cd2+的吸附符合Langmuir單分子層的吸附規律，但也存在一定的Freundlich指數型的吸附規律。

4 討論

通過多孔濾料、海藻酸鈣小球和包埋菌濾料小球吸附Cd2+條件的優化，3種材料吸附Cd2+的最佳條件為pH值為6、35 ℃、吸附平衡時間3 h，Cd2+的初始濃度為100 mg/L，包埋菌濾料小球的吸附效果做好，其最大吸附量為20.937(mg/g)，說明海藻酸鈉包埋菌和多孔濾料小球，機械強度、結構穩定性和生物耐受性能增加了，因此，包埋菌濾料小球有望在實際應用中，進行反復吸附和解吸附再利用。

包埋菌濾料小球對Cd2+的吸附動力學與吸附等溫線實驗表明：它的吸附規律跟準一級、準二級動力學方程都比較吻合，但準二級動力學方程的擬合值與實際值更加接近。Cd2+的吸附曲線跟Langmuir和Freundlich等溫吸附模型均能很好的擬合，說明包埋菌濾料小球吸附Cd2+過程中既存在單層吸附，也存在指數型多層吸附[19]。