污染廢水中Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+的微生物吸附研究

臧淑艷， 賈 晨， 李盼盼， 李笑妍， 侯雪敏， 尹利利， 馬 原， 張 洋

(1.沈陽化工大學應用化學學院，遼寧沈陽 110142;2.解放軍65735部隊68分隊，遼寧丹東 118010;3.中國石油大學化學工程學院，北京 102249)

重金屬一般以天然濃度廣泛存在于自然界中，但是現(xiàn)代工業(yè)特別是礦業(yè)的發(fā)展使人類對重金屬的開采、冶煉、加工及商業(yè)制造活動日益增多，造成不少重金屬進入水和土壤中.例如，Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+等重金屬及其化合物主要來源于儀表廠、食鹽電解、貴金屬冶煉、化妝品、照明用燈、燃煤、水生生物等.大量留存于環(huán)境中的重金屬物質以各種化學狀態(tài)存在，即使?jié)舛刃?，也會在各級食物鏈中逐步濃縮，從而造成公害［1-2］.

傳統(tǒng)處理重金屬一般采用物理化學方法，包括沉淀過濾、離子交換、反滲透、氧化還原、電解和膜分離等，這些技術存在的最大缺點在于處理低濃度的重金屬廢水時，處理的成本高，而且常伴有二次污染［3-5］.從一些研究報導來看，各種微生物結構復雜、代謝產(chǎn)物多樣，這使其吸附重金屬的行為與物理化學吸附行為有較大差異，而微生物法處理重金屬污染廢水具有獨特的優(yōu)勢［6-8］.連賓等［9-11］報道了膠質芽孢桿菌(Bacillus mucilaginosus)對多種重金屬廢水的絮凝作用，證明其在水處理中有廣泛的應用潛力.重金屬的微生物吸附技術則在很大程度上彌補了傳統(tǒng)方法的不足，尤其是在低質量濃度下(1～100 mg/L)，微生物方法具有處理效率高、費用低、對重金屬吸附容量大、吸附速度快、吸附設備簡單、易操作等優(yōu)點［12-14］.因此，進一步研究微生物對重金屬的吸附十分必要.

本研究利用傳統(tǒng)的微生物吸附重金屬的技術，首次將黑曲霉真菌和假單胞菌聯(lián)合，以其發(fā)酵液為吸附劑，探討它們對模擬污染廢水中Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+的吸附性能，闡述它們聯(lián)合對重金屬吸附所起協(xié)同還是拮抗作用，以便為環(huán)境部門處理廢水提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

假單胞菌購自中國科學院微生物研究所微生物菌種保藏中心，黑曲霉真菌由中國科學院生態(tài)研究所友情提供.

1.2 主要儀器

SG-921型雙光數(shù)顯測汞儀，江蘇江分電分析儀器有限公司;自動手提式滅菌器(YXQ-LS-18SI型)，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠;原子熒光光譜儀(SK2003AZ型)，北京金索坤技術開發(fā)有限公司;數(shù)顯電熱恒溫培養(yǎng)箱(JS061型)、數(shù)顯雙層氣浴振蕩器(ZD-85型)，金壇市杰瑞電器有限公司;電子天平(JA203N型)，上海?？惦娮觾x器廠.

1.3 培養(yǎng)基

1.3.1 黑曲霉和假單胞菌擴大生長培養(yǎng)液

基本組成(1/L):200 g土豆浸出液，20 g葡萄糖，pH自然;假單胞菌的營養(yǎng)瓊脂配方:NaCl 5 g/L，牛肉浸粉 3 g/L，蛋白胨10 g/L，純凈水1 000 mL，pH值為7.2～7.4.

1.3.2 制備吸附劑

取出4℃斜面保存的菌種，放置使其達到室溫.無菌條件下接種在液體生長培養(yǎng)基中，放入搖床，29℃、150 r/min條件下培養(yǎng)24 h，4℃冷藏備用.

1.4 實驗方法

1.4.1 菌體對重金屬的吸附實驗

菌體的稱量:對于真菌采用直接稱重的方法;對于細菌，將培養(yǎng)12 h的菌懸液在590 nm下測定OD值，每次使用相同體積、相同OD值的菌懸液，OD值高的用無菌水逐級稀釋.

重金屬的吸附實驗:取一定濃度一定體積的金屬離子(Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+)液體，將上述真菌和細菌菌體分別按質量和體積加入實驗溶液中，29℃、150 r/min搖瓶培養(yǎng).取樣后8 000 r/min離心10 min，取上清液，用原子吸收分光光度計(Pb2+、Cu2+和 Zn2+)和測汞儀(Hg2+)分別測定殘余離子濃度.以相同操作但不加菌體的重金屬離子溶液作為對照，每個樣品重復4次.吸附率按照下列公式計算:

qex是吸附率(mg/g)，c0、c分別為對照溶液金屬離子濃度和實驗樣品金屬離子濃度，V為溶液體積，n為稀釋倍數(shù)，m為菌體質量(g).

1.4.2 金屬離子濃度對吸附的影響

將一定濃度的金屬離子(Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+)溶液加蒸餾水稀釋成不同濃度梯度，將它們的pH值調為5.0～6.0，然后取50 mL，加入10%(體積分數(shù))菌體，28℃、150 r/min搖瓶培養(yǎng)24 h后取樣，測定上清液中重金屬離子的殘留量.

1.4.3 吸附劑用量對模擬廢水中Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+去除的影響

模擬廢水是由 Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+4種金屬離子組成.設計5組實驗，每組加菌總量(黑曲霉真菌和假單胞菌)是樣品溶液的0%、2%、6%、10%、14%(體積分數(shù))，黑曲霉真菌和假單胞菌的體積比例是1∶1.其他條件選用上述實驗的最佳值，實驗方法同上.

1.4.4 金屬離子吸附率隨時間變化的關系

將含4種元素的重金屬溶液50 mL裝入250 mL三角瓶中，加入5 mL的吸附劑，在25℃、150 r/min條件下，于振蕩器中振蕩，吸附不同時間:0、20、40、60、480、960、1 440 min.離心，取上清液，測量吸附前后溶液中離子濃度，每個樣品4個平行.

1.4.5 有機物對模擬廢水中金屬離子吸附率的影響

選擇3種多環(huán)芳烴(菲、芘、苯并芘)，在模擬廢水中分別加入60 mg/L，吸附一定時間，然后去除菌體，分別測定上清液中重金屬離子.其他條件和計算方法同1.4.1.

1.4.6 溫度對金屬吸附率的影響

實驗分成4組，每組金屬離子吸附實驗的溫度分別為25、30、35、40℃，其他選用上述實驗的最佳條件，實驗方法同上.

2 結果與討論

2.1 金屬離子質量濃度選擇

金屬離子質量濃度對吸附率有很大影響.由圖1可以看出:在一定實驗質量濃度范圍內(0～80 mg/L)，隨著重金屬離子質量濃度的增加，黑曲霉真菌和假單胞菌對 Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+的吸附率都隨之增加，基本符合Langmuir單分子層吸附行為［12］.但是當質量濃度大于80 mg/L時，2株菌對4種金屬離子的吸附率逐漸降低.60～80 mg/L對此4種金屬離子是最佳實驗質量濃度范圍.在同一質量濃度情況下，4種金屬離子的去除率大小為:Zn2+＞Pb2+＞Cu2+＞Hg2+.

圖1 濃度對幾種金屬離子吸附的影響Fig.1 Influence of concentration of several metal ion on biosorption

2.2 加菌量對 Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+吸附率的影響

吸附劑越多可以提供越多的吸附位點，從而提高金屬離子去除率，但同時也一定程度上造成浪費.相反，如果吸附劑量偏低則提供的吸附位點較少，金屬離子去除率必然降低.因此，合適的微生物劑量至關重要.由圖2可以看出:隨著加菌量的增加(0% ～10%)，幾種金屬吸附總量顯著上升;當吸附劑總量從10% ～14%時，金屬離子的吸附率提升緩慢.從能源節(jié)約的角度考慮，以下實驗加菌總量定為10%(體積分數(shù))，即黑曲霉真菌和假單胞菌分別為5%(體積分數(shù)).

圖2 加菌量對金屬吸附率的影響Fig.2 Influence of biosorption dose on metal ion biosorption

2.3 最佳吸附時間的選擇

一般情況下，一定時間范圍內，金屬離子去除率隨金屬離子吸附時間的增加而增加.但是，當吸附時間超過一定范圍，金屬離子可能隨吸附時間的延長而去除率增長緩慢，或者負增長(解吸速率可能大于吸附速率);并且吸附時間增長，會造成能源上的浪費.由圖3可以看出:20 min到1 440 min時間范圍內，金屬去除率整體上呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，但是變化不是很大(除了Cu2+).去除率上升的原因可能是隨著吸附時間的增加，被吸附的金屬離子逐漸增加，微生物吸附劑的表面吸附位點逐漸充分利用;另一方面某些金屬離子通過微生物自身代謝從溶液中去除，從而加大了金屬離子的去除率.綜合考慮，以下實驗吸附時間均采用20 min.

圖3 吸附時間對金屬吸附的影響Fig.3 Effect of sampling time on adsorption

2.4 有機物對模擬廢水中金屬離子吸附率的影響

現(xiàn)在的多數(shù)重金屬污染廢水中往往污染的種類表現(xiàn)為復合污染，即既有重金屬也有有機污染物.所以在通過微生物吸附去除重金屬的試驗中，有機物的影響因素也是至關重要的.持久有機污染物則是重點考慮的對象.菲、芘、苯并(a)芘屬于多環(huán)芳烴類，是典型的持久有機污染物，自然環(huán)境下難于降解.

由圖4可以看出:菲、芘、苯并(a)芘對上述試驗中的4種重金屬的去除均有一定的影響，影響大小順序如下:菲＞芘＞苯并(a)芘.這可能和這幾種有機物的分子大小有關.

圖4 有機物對4種金屬離子吸附的影響Fig.4 Influence of organic compounds on adsorption

2.5 溫度對模擬廢水中 Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+去除的影響

溫度對金屬吸附試驗很重要，溫度稍高，離子活動較快，幾種金屬離子能夠快速占據(jù)微生物吸附劑的吸附位點，同時溫度過高也會加快解吸的速度.因此，適宜的吸附實驗溫度范圍很關鍵.

由圖5可以看出:當實驗溫度從25～35℃，Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+吸附率緩慢上升，但是變化幅度較小;當溫度高于35℃時，Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+的吸附率略有降低.考慮能源與吸附率的綜合結果，以后實驗的溫度采用室溫25℃.

圖5 溫度對金屬吸附的影響Fig.5 Effect of temperature on adsorption

3 結論

探討了黑曲霉真菌和假單胞菌對模擬廢水中Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+的吸附.結果表明:實驗條件下，最佳吸附濃度范圍是60～80 mg/L;在同一濃度情況下，4種金屬離子的去除率大小為Zn2+＞Pb2+＞Cu2+＞Hg2+;最適合的加菌總量為10%;吸附時間為20 min;菲、芘、苯并(a)芘對Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+的去除均有一定的影響，影響大小順序為菲＞芘＞苯并(a)芘;最適合的實驗溫度是25℃.

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