真菌曲霉F77對水中Cs+的吸附

王衛(wèi)憲，王耀芹，張瑞榮，徐 輝，王 瑋，吳王鎖

1.蘭州大學 放射化學研究所，甘肅 蘭州 730000；2.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024；3.新疆農(nóng)業(yè)科學院 微生物應用研究所，新疆 烏魯木齊 830091

真菌曲霉F77對水中Cs+的吸附

王衛(wèi)憲1,2，王耀芹2，張瑞榮2，徐 輝2，王 瑋3，吳王鎖1,*

1.蘭州大學 放射化學研究所，甘肅 蘭州 730000；
2.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024；
3.新疆農(nóng)業(yè)科學院 微生物應用研究所，新疆 烏魯木齊 830091

微生物在環(huán)境放射性污染修復中具有廣泛的應用前景。從放射性污染土壤中篩選出一株耐輻射真菌曲霉F77，研究了它對水中Cs+的吸附及其影響因素。結(jié)果表明：酸對Cs+在曲霉F77上的吸附存在競爭作用，pH=2.0～3.5溶液中的Cs+幾乎不被曲霉F77吸附；曲霉F77生長過程中代謝產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)；Cs+的吸附隨著曲霉F77培養(yǎng)時間的增長而增大，在曲霉F77逐漸衰亡時吸附降低；K+質(zhì)量濃度小于500 mg/L時對Cs+在曲霉F77上的吸附?jīng)]有影響，當K+質(zhì)量濃度大于500 mg/L時Cs+的吸附隨K+濃度增大而減少；溶液中Cs+質(zhì)量濃度為0～500 mg/L范圍內(nèi)，曲霉F77對Cs+均有較高的吸附，Cs+質(zhì)量濃度為500 mg/L時，Cs+的吸附量為27.6 mg/g。溫度影響曲霉F77對Cs+吸附的快慢，不影響最后的吸附量；曲霉F77對Cs+具有較好的吸附性能，表明曲霉F77具有吸附劑的潛質(zhì)。

吸附；曲霉F77；Cs+；生物修復；微生物

城市化、工業(yè)化及人口增長造成全球性能源危機，可持續(xù)發(fā)展需求使得人類越來越依賴于新能源。核能以其極低的CO2排放和巨大的發(fā)展?jié)摿Χ絹碓绞艿奖姸鄧业闹匾?。核能高速發(fā)展的同時，也給全球環(huán)境造成巨大的壓力，使放射性污染成為當前重大的環(huán)境問題之一，特別是以切爾諾貝利和日本福島核電站為代表的核事故向環(huán)境釋放了大量的放射性物質(zhì)，造成當?shù)丶爸苓叚h(huán)境嚴重的放射性污染，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成長期巨大的潛在威脅[1-3]。

作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，微生物種群數(shù)量大、分布廣、比表面積大、繁殖快，對環(huán)境變化的適應能力強，對放射性輻射表現(xiàn)出高度的耐受性[4]。利用生物作用清除、修復和治理放射性污染具有選擇性強、處理時間短、成本低、不造成二次污染和不破壞生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，近年來已成為放射性污染治理的熱點研究技術(shù)之一[5-6]。137Cs是重要的裂變產(chǎn)物之一，其半衰期較長，具有較高的遷移性，易通過生物鏈轉(zhuǎn)移造成輻射危害，在環(huán)境放射性污染修復中備受關(guān)注[7]。

本工作以放射性污染土壤中提取的一株耐輻射真菌曲霉F77為研究對象，研究其對水溶液中Cs+的吸附及其影響因素，以為耐輻射微生物庫建設和放射性污染場址生物修復相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1儀器與試劑

XseriesⅡ型電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)，美國THERMO公司；Seven Easy Plus S20P型精密pH計，上海梅特勒-托利多儀器有限公司；DHG-924OA型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；THZ-82氣浴恒溫振蕩箱，江蘇金壇誠輝儀器廠；GMSX-280壓力蒸汽滅菌器，北京永光明醫(yī)療儀器有限公司。試劑均為分析純；水為超純水，18.2 MΩ·cm。

PDA液體培養(yǎng)基(g/L)：土豆200 g，葡萄糖20 g；PDA固體培養(yǎng)基(g/L)：土豆200 g，葡萄糖20 g，瓊脂20 g。

1.2曲霉F77的提取和培養(yǎng)

利用傳統(tǒng)的平板培養(yǎng)法分離出土層中的微生物，平板劃線法純化菌株[8]。將純化的菌株接種到PDA固體培養(yǎng)基斜面上，在30 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)6 d，放入4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?。通過插片和水壓片的鏡檢觀察，實驗中應用的菌株為真菌曲霉F77。

1.3吸附實驗方法

移取100 mL PDA液體培養(yǎng)基于500 mL錐形瓶中，定量加入Cs+溶液，用HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值，濕熱滅菌。加入0.3 mL曲霉F77菌種懸濁液(菌種數(shù)量約1.0×106/mL)，用透氣膜封口后在振蕩器中回旋振蕩(160 r/min，30 ℃)70 h。吸附后的溶液離心，上清液用ICP-MS測定Cs+濃度，所得菌體在60 ℃條件下烘至恒重，用于計算生物量。

1.4單位吸附量和吸附率的計算方法

用單位吸附量(q)和吸附率(R)表征微生物對Cs+的吸附情況，計算方法分別示于式(1)、(2)中。

(1)

(2)

其中：ρ0為溶液中Cs+的初始質(zhì)量濃度，mg/L；ρt為吸附t時間后溶液中Cs+的質(zhì)量濃度，mg/L；V為吸附溶液體積，L；m為曲霉F77的干菌質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1pH值對吸附的影響

微生物的生命活動、物質(zhì)代謝與pH有密切關(guān)系，不同微生物生長過程對環(huán)境的要求不一。生長環(huán)境決定微生物的生物量，從而影響其對金屬離子的吸附。酸性溶液中，金屬元素多以離子形式存在，利于其被生物吸附和吸收。為此，考察了pH對曲霉F77吸附Cs+的影響。在溫度為30 ℃、Cs+質(zhì)量濃度為10 mg/L、培養(yǎng)時間為70 h條件下，曲霉F77吸附Cs+與pH的關(guān)系示于圖1。從圖1可見，2.03.5時，Cs+的吸附量迅速增大，表明氫離子濃度減少時，造成曲霉F77表面吸附位點急劇增加，增多了Cs+與吸附基團的相互作用。而pH>5.0后，吸附率增長趨于平緩。說明隨著溶液pH升高，曲霉F77表面的吸附位點逐漸飽和，因而吸附不再增大。

圖1 pH對吸附Cs+的影響Fig.1 Effect of pH on the sorption of Cs+

2.2曲霉F77生長過程中溶液pH值的變化

微生物的生長和對金屬離子的吸附與酸均有密切的關(guān)系。微生物在其生長過程中，根據(jù)其新陳代謝需求，與所在體系發(fā)生物質(zhì)和能量交換的交互作用，改變其所在體系的理化性質(zhì)。一些研究者發(fā)現(xiàn)某些微生物是酸性代謝物的生產(chǎn)者[10]，生長過程中分泌大量酸性物質(zhì)，造成體系酸度變化，影響其自身表面的性質(zhì)和體系中金屬元素的形態(tài)，從而對吸附過程產(chǎn)生影響。為明確吸附過程中曲霉F77與體系的交互作用，監(jiān)測了微生物生長過程中溶液pH值的變化情況。在溫度為30 ℃、初始培養(yǎng)基溶液pH=6.5的條件下，曲霉F77生長過程中培養(yǎng)基溶液pH值變化情況示于圖2。由圖2可見，曲霉F77生長前期，培養(yǎng)基溶液pH值逐漸降至4.8左右，這可能是微生物本身代謝產(chǎn)生了酸性物質(zhì)。這種變化與浸出電解錳廢渣中錳離子的實驗中[11]，微生物分泌有機酸(包括草酸、琥珀酸、蘋果酸、檸檬酸)，改變?nèi)芤簆H值的結(jié)果類似。150 h后，溶液的pH值迅速上升至7左右，其原因是隨著微生物F77的不斷生長，溶液中營養(yǎng)成分被消耗殆盡，曲霉F77生長代謝減緩，這使分泌出的酸性物質(zhì)也在不斷減少，溶液中酸堿動態(tài)平衡被打破，pH值上升。

圖2 曲霉F77生長中pH的變化Fig.2 Change of pH during the growth of Aspergillus F77

2.3Cs+初始濃度對吸附的影響

在吸附溫度為30 ℃、pH=6.5、培養(yǎng)時間為70 h的條件下，將曲霉F77接種于含不同質(zhì)量濃度Cs+(0.1、1.0、10.0、100.0、200.0、500.0 mg/L)的培養(yǎng)液中，吸附量隨Cs+濃度變化情況示于圖3。由圖3看出，隨著Cs+濃度的升高，曲霉F77對Cs+的吸附量也逐漸增大，在所測試Cs+濃度范圍內(nèi)，單位吸附量與Cs+濃度正相關(guān)，在Cs+質(zhì)量濃度為500 mg/L時，曲霉F77對Cs+的單位吸附量為27.6 mg/g，說明曲霉F77對Cs+有較強的吸附作用。菌體的比表面積較大，當溶液中金屬離子的濃度增大時，金屬離子與菌體間的碰撞幾率增加[12]，有助于菌體對Cs+的吸附。

圖3 Cs+初始濃度對吸附效果的影響Fig.3 Effect of the initial concentration of Cs+ on the sorption of Cs+

在實驗Cs+濃度范圍內(nèi)，曲霉F77對Cs+有較強的吸附能力。多數(shù)情況下，微生物對放射性核素的吸附過程符合Freundlich等溫吸附公式，用Freundlich方程對實驗數(shù)據(jù)進行擬合：

(3)

兩邊取對數(shù)得：

(4)

其中：KF為Freundlich吸附系數(shù)；qe為平衡吸附容量，mg/g；ρe為吸附平衡質(zhì)量濃度，mg/L。將lgqe對lgρe作圖，示于圖4，得到相關(guān)系數(shù)r2=0.998的直線，說明曲霉F77對Cs+的吸附過程可以用Freundlich等溫吸附方程很好地描述[13]。

圖4 吸附等溫式擬合曲線Fig.4 Fitting curve of the sorption isotherm equation

2.4溫度對吸附的影響

適宜的溫度有利于微生物的正常生長，在這種溫度范圍內(nèi)，微生物新陳代謝加快，在短時間內(nèi)產(chǎn)生的活性酶增加，自身化學反應速率加快，對營養(yǎng)物質(zhì)吸收提高，縮短時間，提高效率。本實驗考察了20、30、40 ℃下真菌曲霉F77對Cs+的吸附影響，結(jié)果示于圖5。由圖5可見，不同溫度下真菌曲霉F77對Cs+的吸附量在不同時間段有所差異。50 h時，真菌在溫度為20、30、40 ℃時的生長量分別為0.426、0.545、0.868 g，20 ℃時吸附量最少，說明低溫延緩生物生理機能，生物量較少，吸附量較少。30 ℃和40 ℃的吸附量均高于20 ℃時，而且兩者吸附量相差不大，但40 ℃吸附量和30 ℃相比較略少，其原因是溫度高促進曲霉F77生長，造成微生物表面吸附位點急劇增加，吸附未達到飽和。到100 h時，真菌在20 ℃低溫生長平緩，當其適應環(huán)境迅速開始生長后，微生物的吸附逐漸增加。曲霉F77在30 ℃下吸附穩(wěn)定，說明F77最適合的吸附溫度范圍在30 ℃左右。在40 ℃吸附逐漸達到飽和，和30 ℃的吸附量一致。100 h后不同溫度下曲霉F77對Cs+的吸附量相當，這說明溶液中的營養(yǎng)物質(zhì)都消耗殆盡，曲霉F77停止生長，因而各溫度下吸附量相一致。從實驗實際考慮，溫度選擇30 ℃為佳。

■——20 ℃，●——30 ℃，▲——40 ℃

2.5時間對吸附的影響

在吸附溫度為30 ℃、pH=6.5、Cs+質(zhì)量濃度為10 mg/L的條件下，微生物對Cs+的吸附動力學曲線示于圖6。從圖6可見，曲霉F77生物量在70 h左右隨著時間的增加而增長，Cs+在曲霉F77上的吸附和生長趨勢一致。當生物停止生長后，Cs+的吸附也達到飽和，100 h后生物量略有下降，Cs+的吸附也略有降低。結(jié)果說明了隨著生物量的增加，吸附位增多，增加了Cs+的吸附量，當細胞表面對Cs+的吸附逐漸達到飽和，細胞壁上對其產(chǎn)生的斥力增強，造成金屬離子進一步進入到細胞表面的阻力增大，而后達到相對平衡階段。隨著培養(yǎng)時間的延長，曲霉F77因營養(yǎng)物質(zhì)消耗殆盡，菌體開始死亡，甚至出現(xiàn)自溶現(xiàn)象[14]，打破固液吸附平衡，造成菌體吸附下降。

圖6 吸附時間對Cs+吸附行為的影響Fig.6 Effect of time on the sorption of Cs+

2.6K+對吸附的影響

圖7 K+對曲霉F77吸附的影響Fig.7 Effect of K+ on the sorption of Cs+

K+是微生物生長的必需元素，由于Cs+與K+同屬堿金屬元素，具有相似的理化性質(zhì)，這樣K+與Cs+之間必然存在吸附吸收[15]競爭關(guān)系。在吸附溫度為30 ℃、pH=6.5、Cs+質(zhì)量濃度為10 mg/L、培養(yǎng)時間為70 h的條件下，考察了溶液中不同質(zhì)量濃度K+(5～10 000 mg/L)對曲霉F77吸附Cs+的影響，結(jié)果示于圖7。由圖7所示，溶液中的K+在5～500 mg/L時，曲霉F77生物量基本一致，曲霉F77對Cs+的吸附也相當，表明在這K+濃度范圍內(nèi)對Cs+的吸附?jīng)]有影響。K+質(zhì)量濃度在500～10 000 mg/L范圍內(nèi)，生物量隨著K+濃度的增大而增加，但Cs+的吸附明顯下降。說明溶液中K+濃度到一定量時對Cs+的吸附產(chǎn)生抑制作用。王建龍[15]在微生物對Cs+相互作用的研究中發(fā)現(xiàn)，微生物體內(nèi)有代謝依賴型的轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，用于在細胞內(nèi)積累K+和Cs+，這種轉(zhuǎn)移系統(tǒng)對K+的親合力大于Cs+，當溶液中K+濃度高于Cs+濃度時，就會對Cs+吸收產(chǎn)生競爭性抑制，K+濃度越高，對Cs+的抑制作用越強。

3 結(jié) 論

(1) Cs+的吸附隨pH值的增大而增大，2.0

(2) 曲霉F77在生長過程中產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)，降低了溶液的pH值，當曲霉F77停止生長時，pH值上升。

(3) Cs+在曲霉F77上的吸附量隨Cs+初始濃度的增大而增大，吸附量在Cs+濃度為500 mg/L時達到27.6 mg/g。

(4) Cs+的吸附量隨著曲霉F77培養(yǎng)時間的增長而增大，并逐漸達到吸附飽和，在曲霉F77逐漸衰亡時吸附量降低。

(5) 培養(yǎng)初期30 ℃時曲霉F77對Cs+吸附最好，20 ℃吸附最差，不同溫度下達到飽和的吸附量相差不大。

(6) K+質(zhì)量濃度小于500 mg/L時Cs+在曲霉F77上的吸附?jīng)]有影響，當K+質(zhì)量濃度大于500 mg/L時Cs+的吸附隨K+濃度增大而減少。

[1]IAEA. Worldwide marine radioactivity studies (WO-MARS) radionuclide levels in oceans and seas: IAEA-TECDOC-1429[R]. Vienna: IAEA, 2005.

[2]Aarkrog A. The radiological impact of the Chernobyl debris compared with that from nuclear weapons fallout[J]. J Environ Radioact, 1988, 6(2): 151-162.

[3]Moller A P, Mousseau T A. Biological consequences of Chernobyl: 20 years on[J]. Trends Ecol Evol, 2006, 21(4): 200-207.

[4]Zhdanova N N, Zakharchenko V A, Vember V V, et al. Fungi from Chernobyl: mycobiota of the inner regions of the containment structures of the damaged nuclear reactor[J]. Mycol Res, 2000, 104(12): 1421-1426.

[5]Elias D A, Senko J M, Krumholz L R. A procedure for quantitation of total oxidized uranium for bioremediation studies[J]. J Microbiological Methods, 2003, 53(3): 343-353.

[6]Barkay T, Schaefer J. Metal and radionuclide bioremediation: issues, considerations and potentials[J]. Current Opinion in Microbiology, 2001, 4(3): 318-323.

[7]Gouthu S, Arie T, Ambe S, et al. Screening of plant species for comparative uptake abilities of radioactive Co, Rb, Sr and Cs from soil[J]. J Radioanal Nucl Chem, 1997, 222(1-2): 247-251.

[8]沈萍,范秀榮.微生物學實驗[M].北京:高等教育出版社,2006:70-71.

[9]Parab H, Joshi S, Shenoy N, et al. Uranium removal from aqueous solution by coir pith: equilibrium and kinetic studies[J]. Bioresour Technol, 2005, 96(11): 1241-1248.

[10]Mandal S K, Banerjee P C. Oxalic acid production by Aspergillus niger: influence of hydrogen ion concentration and nitrogen source[J]. Res Microbiology, 2010, 5(8): 820-827.

[11]曹建兵.微生物浸出電解錳廢渣中錳離子的研究[D].長沙：湖南大學,2011.

[12]Qzturk A, Artan A. Biosorption of nickel and copper ions from aqueous solution by streptomyces coelicolor[J]. Colloid Surf B, 2004, 34(2): 105-110.

[13]楊遠友,張?zhí)?劉寧,等.黑曲霉孢子和菌絲吸附241Am的研究[J].四川大學學報,2002,39(2):331-336.

[14]鐘石,朱儉勛.培養(yǎng)條件對桑黃菌絲體生物量的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)科學,2011(2):432-433.

[15]王建龍.微生物與Cs+的相互作用及其在放射性核素污染環(huán)境修復中的應用潛力[J].核技術(shù),2003,26(12):949-955.

BiosorptionofCesiumIonsinAqueousSolution
byAspergillusF77

WANG Wei-xian1,2, WANG Yao-qin2, ZHANG Rui-rong2, XU Hui2,
WANG Wei3, WU Wang-suo1,*

1.Radiochemistry Laboratory, School of Nuclear Science and Technology, Lanzhou University,
Lanzhou 730000, China; 2.Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China;
3.Insitute of Microbiology Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China

Microorganisms, ever applied to remediation of heavy metal polluted soils, seems to be a prospective approach in radioactive contamination remediation. In our work, Aspergillus F77 was separated from high-level radioactivity soils and used to remove Cs+from aqueous solutions. Effects of pH values, initial concentration of Cs+, concentration of kalium on the biosorption of Cs+by Aspergillus F77, as well as the kinetics and thermodynamics, were investigated through batch progress. The results indicate that acids, including organic acids generated in the metabolism of Aspergillus F77, inhibite the growth of the aspergillus intensively. The effective biosorption of Cs+was found to be in the pH range of 2.0-3.5, probably because of the decrease of competition adsorption of H+. When the concentration of Cs+is 500 mg/L, the amount of Cs+sorpted by Aspergillus F77 attains the maximum value of 27.6 mg/L. The present of kalium has no significant effect on the biosorption of Cs+when the concentration of kalium falls in the range of 0-500 mg/L, however, inhibits it evidently when kalium ions exceeds 500 mg/L, which is attributed to the competitive adsorption of the homologous kalium. Kinetics studies show that the biosorption equilibration is achieved within 70 h. Due to its high biosorption ability to remove Cs+from aqueous solutions, Aspergillus F77 can be a potential biosorbent in biological remediation of Cs+contaminated waters.

biosorption; Aspergillus F77 strain; Cs+; biological remediation; microorganisms

2014-02-10；

2014-08-28

國家863項目(編號:2012AA063503)

王衛(wèi)憲(1979—)，男，山西平陸人，碩士研究生, 主要從事環(huán)境放射化學研究

*通信聯(lián)系人：吳王鎖(1960—)，男，陜西澄城人，教授，主要從事放射化學研究，E-mail: wuws@lzu.edu.cn

X591

A

0253-9950(2014)06-0346-06

10.7538/hhx.2014.36.06.0346