固定化酵母菌吸附混合重金屬離子的研究

趙瑞雪，薛丹，高達(dá)，鄭笑秋，劉淑梅，張淑華

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

重金屬是造成水體污染的一類有毒物質(zhì)，目前，電鍍、制革、化工、染料、冶金、耐火材料等行業(yè)含重金屬?gòu)U水的排放量不斷增加，即使少量的重金屬經(jīng)過(guò)生物濃縮、生物積累和生物放大作用，也可產(chǎn)生毒性效應(yīng)，嚴(yán)重威脅人類健康［1］。生物吸附法是去除工業(yè)廢水中重金屬離子的一種較新技術(shù)。目前，利用酵母菌可吸附 Pb、Hg、Cu、Zn、Cd、Co、Cr、Ni等多種重金屬離子［2-8］，以達(dá)到對(duì)廢水的高效處理，但基本都是處理的單一離子，本研究是在此基礎(chǔ)上，著重探討利用固定化酵母菌同時(shí)吸附溶液中的Pb2+、Cu2+、Zn2+混合離子。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)菌種

酵母菌菌種取自長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，將酵母菌用馬鈴薯培養(yǎng)基在振蕩培養(yǎng)箱中，于28℃條件下振蕩培養(yǎng)18h，離心(4000 r/min)，收集菌體，60℃下烘干，研磨成粉末狀，干燥保存。

1.1.2 主要儀器

BS-1E振蕩培養(yǎng)箱，LD4-2高速離心機(jī)，PHS-3B精密pH計(jì)，OPTIMA 2100DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）。

1.1.3 主要試劑

硝酸鉛、硝酸銅、硝酸鋅、4%的氯化鈣飽和硼酸溶液、海藻酸鈉、聚乙烯醇（PVA）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 酵母菌的固定化方法

海藻酸鈉—PVA包埋法：以2%的PVA和1%的海藻酸鈉為包埋劑，制得菌體濃度為16 g/L的固定化酵母菌。

1.2.2 Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附

將固定化小球加入需要進(jìn)行吸附的 Pb2+、Cu2+和Zn2+的混合溶液中，調(diào)節(jié)溶液的pH，于180 r/min的振蕩培養(yǎng)箱中吸附一定時(shí)間，取上清液于100 mL容量瓶中定容，用ICP測(cè)定其中的Pb2+、Cu2+和Zn2+的濃度，計(jì)算吸附率：

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對(duì)吸附的影響

取 Pb2+、Cu2+、Zn2+離子混合溶液100 ml濃度均為100 mg/L，用0.1 mol/LHCl和0.1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH分別為2.1、3.1、3.5、4.4、5.7，再分別加入菌體濃度為16.0 g/L固定化酵母菌小球，在溫度為25℃，轉(zhuǎn)速180 r/min，振蕩吸附100 min，計(jì)算吸附率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 pH值對(duì)吸附的影響Fig.1 Influence of pH on adsorption

由圖1可知，pH在2.5～5.5之間，固定化酵母菌對(duì)Pb2++、Cu2+、Zn2+的吸附率都超過(guò)了80%。由于在低pH值條件下，H3O+與重金屬離子爭(zhēng)奪吸附位點(diǎn)，同時(shí)阻礙活性基團(tuán)的解離，致使吸附率低；在高pH值條件下，重金屬離子會(huì)以不溶解的氧化物、氫氧化物微粒的形式存在，從而使吸附過(guò)程無(wú)法進(jìn)行［9］。

固定化酵母菌對(duì)Pb2+的吸附：當(dāng)pH在從2.0升至5.7時(shí)，固定化酵母菌對(duì)Pb2+的吸附率變化不大，都超過(guò)了97.50%；固定化酵母菌對(duì)Cu2+的吸附：當(dāng)pH<3.0時(shí)，固定化酵母菌對(duì)Cu2+的吸附率隨pH升高而升高，當(dāng) pH為 3.0時(shí)，達(dá)到最大吸附率87.01%，當(dāng)pH>3.0時(shí)，固定化菌體的吸附率隨pH的升高而降低；固定化酵母菌對(duì)Zn2+的吸附：當(dāng)pH值從2.0升至5.7時(shí)，固定化酵母菌對(duì)Zn2+的吸附率隨著pH增大而先增大后減小，在pH值為4.4時(shí)，吸附率達(dá)到最大86.28%。由此可見(jiàn)，酵母菌對(duì)重金屬離子的吸附存在一個(gè)最佳pH值?？紤]水體中Cu2+對(duì)人體的危害程度大于Zn2+對(duì)人體的危害，綜合各個(gè)因素，確定固定化酵母菌對(duì)Pb2+、Cu2+、Zn2+吸附的最佳pH值為3.0。

總體上，在酸性范圍內(nèi)，pH值的變化并沒(méi)有引起吸附率的強(qiáng)烈變化，而實(shí)際廢水的pH經(jīng)常變動(dòng)，這對(duì)實(shí)際應(yīng)用較為方便。

2.2 金屬離子初始濃度對(duì)吸附的影響

將固定化酵母菌置于不同濃度的 Pb2+、Cu2+、Zn2+離子混合溶液中。其中，Pb2+、Cu2+、Zn2+離子濃度各自分別為 10 mg/L，50 mg/L，100 mg/L，150 mg/L，200 mg/L。調(diào)節(jié)pH為3.0，各加入菌體濃度為16.0 g/L固定化酵母，振蕩培養(yǎng)箱轉(zhuǎn)速180 r/min，25℃下吸附100 min。計(jì)算吸附率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 重金屬離子濃度對(duì)吸附的影響Fig.2 Influence of heavy metal ions concentration on adsorption

由圖2看出，在加入吸附劑為一定量時(shí)，金屬離子的吸附率總體上是隨著初始濃度的升高而降低，說(shuō)明當(dāng)金屬離子達(dá)到一定濃度時(shí)，盡管吸附系統(tǒng)中還殘留著大量的金屬離子，但由于菌體上能結(jié)合金屬離子的位點(diǎn)已被飽和，菌體對(duì)金屬離子的吸附率就不再增加。

Pb2+的初始濃度在10 mg/L～100 mg/L范圍時(shí)吸附率隨著初始濃度的升高而升高，當(dāng)初始濃度大于100 mg/L時(shí)，吸附率基本不變，當(dāng)Cu2+的初始濃度從10 mg/L到50 mg/L時(shí)，吸附率緩慢上升，在初始濃度為50 mg/L之后，吸附率隨著濃度的增加而緩慢降低，但在Cu2+的初始濃度不超過(guò)100 mg/L時(shí)，吸附率均大于93%；當(dāng)Zn2+的初始濃度增加時(shí)其吸附率是降低的，但當(dāng)Zn2+的初始濃度由10 mg/L增加到100 mg/L時(shí)，吸附率由80%降低到75%，考慮到實(shí)際排放廢水的情況，確定混合金屬離子濃度均為100 mg/L。

2.3 菌體濃度對(duì)吸附的影響

取菌體濃度分別為1.2 g/L、2.5 g/L、4.8 g/L、10.0 g/L、16.0 g/L、18.0 g/L、20.0 g/L，其他條件是：混合液中Pb2+、Cu2+、Zn2+離子的初始濃度均為100 mg/L，pH為3.0，溫度為25℃，轉(zhuǎn)速180 r/min下振蕩吸附100 min，計(jì)算吸附率，結(jié)果如圖5所示。

圖3 菌體濃度對(duì)吸附的影響Fig.3 Influence of yeast concentration on adsorption

從圖3中看出，在金屬離子初始濃度一定的條件下，隨著酵母菌用量增加，酵母菌對(duì)金屬離子Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附率提高，但是提高到一定程度后，吸附率變化幅度很小。其原因可能是增加生物量導(dǎo)致了吸附位點(diǎn)間的相互作用，因?yàn)榻湍妇?xì)胞的組成物質(zhì)大多屬兩性基團(tuán)，高濃度的情況下加大了它們之間相互結(jié)合的幾率，而占據(jù)了一部分有效的吸附位點(diǎn)，所以選擇最佳菌體濃度為18.0 g/L。

2.4 溫度對(duì)吸附的影響

取Pb2+、Cu2+、Zn2+離子混合溶液，各離子濃度均為100 mg/L，pH為3.0，加入菌體濃度為18.0 g/L固定化酵母菌小球，分別在10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃時(shí)，以 180 r/min振蕩吸附 100 min，計(jì)算吸附率，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，溫度在10℃～35℃范圍時(shí)，隨著溫度的升高，吸附率也逐漸上升，在20℃～25℃范圍時(shí)上升的幅度較大，一般來(lái)說(shuō)，吸附過(guò)程是一個(gè)放熱過(guò)程，略微升高溫度有利于生物吸附，而較大幅度升高溫度則不利于生物吸附。同時(shí)，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使飽和吸附量有所降低［10］。故選擇25℃為最佳溫度。

圖4 溫度對(duì)吸附的影響Fig.4 Influence of temperature on adsorption

3 結(jié)論

以海藻酸鈉—PVA為包埋劑固定化酵母菌，對(duì)Pb2+、Cu2+和Zn2+金屬離子具有較強(qiáng)的吸附能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知吸附的最佳條件：pH 值為3.0，Pb2+、Cu2+、Zn2+離子的初始濃度均為 100 mg/L，酵母菌濃度為18.0 g/L，吸附溫度為25℃，在此條件下，對(duì)模擬水樣進(jìn)行測(cè)定，其中Pb2+吸附率為97.95%，Cu2+吸附率為81.07%，Zn2+吸附率為84.34%。

［1］孔繁翔.環(huán)境生物學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2000：51-56.

［2］朱一民，周東琴，魏德州.啤酒酵母菌對(duì)汞離子（Ⅱ）的生物吸附［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（1）：89-91.

［3］陳燦，王建龍.釀酒酵母吸附Zn（Ⅱ）過(guò)程中陽(yáng)離子（K～+，Mg～（2+），Na+，Ca～（2+））的變化分析［J］.環(huán)境科學(xué)，2006，27（11）：2261-2267.

［4］陳燦，王建龍.釀酒酵母對(duì)Ag+的吸附特性研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29（11）：3200-3205.

［5］代淑娟，魏德洲，白麗梅，等.水洗廢啤酒酵母去除電鍍廢水中鎘的工藝試驗(yàn)研究［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（1）：127-131.

［6］昝逢宇，霍守亮，席北斗，等.啤酒酵母吸附去除水中Cd（2+）的影響因素［J］.化工進(jìn)展，2010，（2）：365-369，374.

［7］鄭展望，任洪強(qiáng).釀酒酵母對(duì)銅離子的吸附［J］.水處理技術(shù)，2000，26（4）：240-244.

［8］梁沙，馮寧川，郭學(xué)益.生物吸附法處理重金屬?gòu)U水研究進(jìn)展［J］.水處理技術(shù)，2009，35（4）：13-17.

［9］李霞，李風(fēng)亭，張冰如.生物吸附法去除水中重金屬離子［J］.工業(yè)水處理，2004，24（3）：1-5.

［10］邱廷省，唐海峰.生物吸附法處理重金屬?gòu)U水的研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.南方冶金學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，24（4）：65-69.