尾礦藻表面磷調(diào)控及其強(qiáng)化固定重金屬研究

夏 令 王芷芯 黃 容 王 朕1

（1.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070；2.國土資源部稀土稀有稀散礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070；3.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430070）

鉛（Pb2+）等重金屬離子由于其毒性和難降解性對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境具有巨大危害［1-2］。其主要來源于采礦、電池、染料、制造、充電等工業(yè)的生產(chǎn)制造，低濃度的鉛可導(dǎo)致許多嚴(yán)重的疾病，如貧血、高血壓、腎病綜合征和肝炎等［3-4］。吸附是去除重金屬的一個(gè)非常好的方法，其中生物吸附因其價(jià)廉易得，無二次污染等優(yōu)勢(shì)獲得越來越多的重視。

生物吸附劑中，微藻細(xì)胞壁上含有豐富的官能團(tuán)，主要包括羥基、羧基和氨基等，具有很高的富集重金屬的能力［5］，微藻具有繁殖快、易培養(yǎng)、可選擇種類多等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前應(yīng)用的微藻吸附劑多是干燥或預(yù)處理的藻類生物質(zhì)干物質(zhì)［6-7］。相比之下，活藻吸附更具有優(yōu)勢(shì)，首先，活藻在生長(zhǎng)過程中，可以同時(shí)去除重金屬和過剩營養(yǎng)物（硝酸鹽和磷酸鹽）［8-9］；此外，活藻的胞內(nèi)吸收和累積作用，可降低部分污染物如磷元素的殘留［10］；更重要的是活藻吸附相較于死藻等生物吸附質(zhì)，省略了干燥、活化等加工步驟，可以更好地應(yīng)用于實(shí)際工程中［11］。

活藻本身對(duì)重金屬的吸附能力弱，磷調(diào)控可以增加微藻的耐受性，強(qiáng)化重金屬的固定能力，因此本實(shí)驗(yàn)通過改變培養(yǎng)基中的磷濃度對(duì)微藻進(jìn)行改性［12］。實(shí)驗(yàn)利用Zeta電位儀測(cè)定藻表面的負(fù)電性，探究pH對(duì)藻類吸附重金屬的影響［13］，利用傅里葉紅外光譜法（FT-IR）對(duì)吸附前后的微藻進(jìn)行表征，判斷微藻表面官能團(tuán)種類，另外通過自動(dòng)電位滴定儀測(cè)定的數(shù)據(jù)，模擬出微藻表面官能團(tuán)的濃度，以期獲得對(duì)吸附機(jī)理的深刻認(rèn)知。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用的微藻Didymogenes palatinaXR，分離自廣東省韶關(guān)市凡口尾礦廢棄地。經(jīng)土壤分離純化后的藻種培養(yǎng)在BG-11培養(yǎng)基中。1 L的BG-11培養(yǎng)基中含有300 mg NaNO3，36 mg CaCl2·2H2O，6 mg檸檬酸銨，6 mg檸檬酸鐵銨，1 mg EDTA，2.86 mg H3BO3，1.81 mg MnCl2·4H2O，0.222 mg ZnSO4·7H2O，0.39 mg NaMoO4·5H2O，0.079 mg CuSO4·5H2O，0.050 mg CoCl2·6H2O，40 mg K2HPO4。

分離純化出來的藻種在上述BG-11培養(yǎng)基中活化3 d后接種到不同濃度磷培養(yǎng)基種。BG-11培養(yǎng)基中磷濃度分別為40 mg/L，80 mg/L，160 mg/L，200 mg/L。每種磷濃度下的藻培養(yǎng)3組平行樣。所有的藻樣置于恒溫恒濕箱中進(jìn)行培養(yǎng)，以光照14 h、黑暗10 h周期晝夜循環(huán)，溫度設(shè)置為25℃。培養(yǎng)在40 mg/L，80 mg/L，160 mg/L，200 mg/L的活體微藻分別被命名為B-40，B-80，B-160，B-200。

1.2 試驗(yàn)方法

吸附試驗(yàn)所用到的Pb2+溶液是通過稀釋1 000 mg/L的Pb（NO3）2溶液得到的。將藻樣置于有2 mL Pb2+溶液的帶蓋離心管中，混勻后置于恒溫?fù)u床上振蕩，溫度設(shè)置在25℃，轉(zhuǎn)速為150 r/m。通過調(diào)節(jié)Pb2+溶液的初始pH為3、4、5、6來探究pH對(duì)藻類吸附重金屬的影響。吸附等溫線在Pb2+初始濃度為2～20 mg/L下進(jìn)行。

1.3 分析方法

1.3.1 微藻生物量及磷濃度的測(cè)試

微藻的生物量濃度（BC，g/L）在波長(zhǎng)范圍450～680 nm內(nèi)與光密度呈線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)選擇680 nm的光密度（OD680）來測(cè)量Didymogenes palatinaXR的生物量濃度，OD680與Didymogenes palatinaXR在紫外分光光度計(jì)下的生物量濃度的線性關(guān)系式［14］如下：

實(shí)驗(yàn)采用鉬銻比色法測(cè)定了培養(yǎng)基中的總磷，紫外分光光度計(jì)波長(zhǎng)設(shè)置為700 nm。

1.3.2 Pb2+生物吸附量的計(jì)算

用原子吸收光譜法（ZEEnit700，Analyjena，Germany）測(cè)定初始Pb2+濃度及實(shí)驗(yàn)后上清液中的Pb2+濃度，通過式（2）計(jì)算活藻對(duì)重金屬離子的吸附量。

式中，Qe為活藻對(duì)重金屬離子的吸附量，mg/g；C0為重金屬溶液的初始濃度，mg/L；Ce為吸附完成后離心得到的上清液中的重金屬離子濃度，mg/L；M為用于吸附的活藻質(zhì)量，g；V為重金屬溶液的體積，L。

1.3.3 吸附等溫線模型

實(shí)驗(yàn)使用Langmuir模型（式（3））、Freundlich模型（式（4））和Temkin模型（式（5））對(duì)測(cè)得的活藻吸附量數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬，計(jì)算式如下：

式中，Qm為活藻吸附重金屬離子的最大吸附量，mg/g；KL、Kf、A、B分別為L(zhǎng)angmuir、Freundlich和Temkin常數(shù)；n是吸附強(qiáng)度的平衡常數(shù)。

1.3.4 pH對(duì)微藻吸附實(shí)驗(yàn)的影響

通過Zeta電位儀（Malvern Zetasizer Nano ZS90）測(cè)定在pH變化的條件下微藻細(xì)胞表面的負(fù)電性。利用Medusa軟件模擬出不同pH條件下金屬Pb2+在環(huán)境中的存在形式。

1.3.5 藻表面特性的表征

利用傅里葉紅外光譜法（FT-IR）在波長(zhǎng)為400～4 000 cm-1的條件下測(cè)定出微藻表面官能團(tuán)的特征峰，并通過光譜分析探究微藻表面結(jié)合金屬離子的特異性官能團(tuán)種類。使用自動(dòng)電位滴定儀測(cè)定微藻細(xì)胞表面的結(jié)合位點(diǎn)，并利用ProtoFit軟件計(jì)算表面官能團(tuán)濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 藻細(xì)胞載磷改性

微藻Didymogenes palatinaXR在不同磷濃度下培養(yǎng)的生長(zhǎng)曲線如圖1所示。藻類生長(zhǎng)的4個(gè)時(shí)期包括延滯期、對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期、穩(wěn)定期及衰亡期［15］。由圖1可知，0～2 d時(shí)該藻生長(zhǎng)緩慢；在第2 d后藻類生物量迅速增加，說明細(xì)胞進(jìn)入對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期；至第6 d時(shí)藻類生物量增長(zhǎng)趨緩，生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期；在第8 d達(dá)到最大生物量后進(jìn)入衰亡期。微藻在第8 d的平均生物量最大，故采用第8 d的微藻細(xì)胞進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。

微藻在不同磷濃度培養(yǎng)條件下生長(zhǎng)至第8 d時(shí)的生物量及其對(duì)培養(yǎng)液中磷的去除率如表1所示。隨著培養(yǎng)基磷濃度的增加，微藻生物量有所提高，而B-200的生物量明顯低于其他條件下生長(zhǎng)的微藻，說明過高磷濃度會(huì)抑制微藻生長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)中最適宜微藻生長(zhǎng)的磷濃度為160 mg/L。此外，研究分析了藻細(xì)胞對(duì)培養(yǎng)基中磷元素的去除率，去除率超過90%，說明活藻細(xì)胞可以應(yīng)用于治理環(huán)境磷污染。

2.2 不同表面載磷微藻對(duì)Pb2+的吸附

2.2.1 pH影響

圖2（a）為不同pH下微藻對(duì)Pb2+的去除率。由圖2（a）可以得知，隨著pH的增大，各種改性藻體對(duì)金屬離子的去除率均有提高，特別是在pH由3上升至4時(shí)，去除率有顯著提升，而在不同pH下，B-160的去除效果始終最為優(yōu)異。

圖2（b）顯示不同載磷微藻的Zeta電位。不難發(fā)現(xiàn)，在pH為2～10的范圍內(nèi)，細(xì)胞表面負(fù)電性隨pH的升高而增強(qiáng)。Pb2+在測(cè)試范圍內(nèi)始終以二價(jià)陽離子形式存在，藻細(xì)胞表面負(fù)電性越大，對(duì)金屬離子的靜電吸引力也越大，因此隨pH的增大，細(xì)胞的吸附能力也會(huì)增強(qiáng)。圖中細(xì)胞表面的負(fù)電荷數(shù)在pH=4時(shí)有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，在這之后細(xì)胞表面的負(fù)電性變化趨緩，這解釋了活藻細(xì)胞在pH＞4后吸附量增加緩慢的原因。此外，在較低pH的情況下，細(xì)胞壁表面的官能團(tuán)容易質(zhì)子化，造成金屬陽離子與氫離子（H+）的競(jìng)爭(zhēng)吸附，導(dǎo)致細(xì)胞表面可供金屬離子吸附的結(jié)合位點(diǎn)減少，從而降低了微藻細(xì)胞的吸附能力［16］。不同pH下Pb2+在環(huán)境中的分布情況如圖3所示，在pH＞6時(shí)會(huì)形成Pb（OH）2沉淀。由于金屬鹽的沉淀形式難以被活藻細(xì)胞吸附［17］，并且在pH＞6后，藻細(xì)胞表面的負(fù)電性幾乎不變。故本實(shí)驗(yàn)通過研究pH對(duì)微藻吸附Pb2+的影響，藻體吸附Pb2+的最適宜pH為6。

2.2.2 吸附等溫線

目前常見的吸附等溫線主要包括Langmuir、Freundlich和Temkin模型［18］。實(shí)驗(yàn)研究了在初始Pb2+濃度不同的條件下微藻的吸附能力，其關(guān)系如圖4（a）所示。本實(shí)驗(yàn)將所得數(shù)據(jù)使用Langmuir、Freundlich和Temkin模型進(jìn)行擬合，其中Fitted Langmuir是將非線性形式的Langmuir吸附等溫線轉(zhuǎn)化為線性形式，目的是為了更好地估算參數(shù)。擬合后的Pb2+吸附等溫線分別如圖4（b）～（d）所示。

藻吸附Pb2+的等溫線擬合參數(shù)總結(jié)于表2之中。通過表2可以看出，Langmuir的參數(shù)R2較Freundlich、Temkin的總體要更高一些，說明重金屬離子鉛在細(xì)胞表面的吸附主要為單層吸附。同時(shí)，通過Freundlich模擬參數(shù)中的n＞1可以看出，藻與Pb2+的結(jié)合效果良好。并且，Temkin模型中的參數(shù)B＜8說明在吸附過程中存在著重金屬離子通過微弱的范德華力相互作用于微藻上［18-19］。

Langmuir模擬顯示，B-160對(duì)Pb2+的飽和吸附量最大，為7.93 mg/g。不同磷濃度下培養(yǎng)的藻對(duì)Pb2+的吸附能力為B-160＞B-200＞B-80＞B-40，顯然，通過磷改性后的藻細(xì)胞其吸附能力明顯高于正常磷濃度下生長(zhǎng)的B-40，研究表明磷基基團(tuán)與重金屬離子有著較強(qiáng)的結(jié)合能力，而磷改性后微藻表面的磷基官能團(tuán)增加。

2.3 吸附機(jī)理

2.3.1 FT-IR

為了研究微藻表面所含有的官能團(tuán)種類及其行為變化［20］，本實(shí)驗(yàn)利用紅外光譜法對(duì)吸附Pb2+前后的B-160進(jìn)行表征。B-160吸附Pb2+前后的FT-IR譜圖如圖5（a）所示，圖5（b）為局部區(qū)域的放大圖。吸附前后振動(dòng)峰的變化被列于表3之中。

峰值為 3 300.87 cm-1代表的是羥基［21］。2 800～3 000 cm-1波段的峰值是脂肪族官能團(tuán) CH 和 CH2［22］，峰值為1 659.34 cm-1的官能團(tuán)與共軛醛/酰胺彎曲蛋白中的＞C=O有關(guān)，出現(xiàn)在1 547.16 cm-1處的峰值為縮氨酸基團(tuán)CN。吸附前后峰值在1 456.52 cm-1處的波動(dòng)是由于羧酸類的C=O在參與吸附反應(yīng)時(shí)發(fā)生共軛效應(yīng)所導(dǎo)致的，在3 300.87 cm-1處的波動(dòng)說明羥基參與了吸附過程［23］。此外，峰值為1 253.12 cm-1所表征的P=O基團(tuán)只有在含磷培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的微生物細(xì)胞壁上出現(xiàn)，吸附前后峰值的變化說明P=O基團(tuán)在吸附過程中拉伸振動(dòng)，對(duì)藻吸附具有特殊意義［24］。峰值為1 153.89 cm-1的是C-O-C基團(tuán)，峰值為1 080.14 cm-1的基團(tuán)主要是 P-O-C基團(tuán)［23］。特別值得注意的是峰值為879.25 cm-1的特征峰在吸附前十分明顯，而吸附后變得平滑，處在該值的特征峰主要為磷酸鹽或磷基基團(tuán)［25］，這一變化說明金屬離子與官能團(tuán)有很強(qiáng)的結(jié)合能力，導(dǎo)致吸附后官能團(tuán)的掩蔽。該變化說明磷基基團(tuán)參與吸附反應(yīng)。通過分析峰值的變化，確定微藻在吸附Pb2+過程中主要起作用的官能團(tuán)包括：OH、C=O、CH、CH2、P=O、PO3-4、PO4，其中磷基基團(tuán) PO4、P=O和磷酸鹽（PO3-4）均只出現(xiàn)在含磷培養(yǎng)基中培養(yǎng)的微藻表面，對(duì)提高吸附能力具有重要意義［24］。

2.3.2 電位滴定

經(jīng)自動(dòng)電位滴定儀測(cè)定的酸堿滴定數(shù)據(jù)通過ProtoFit軟件模擬匯總于表4中。文獻(xiàn)表明，羧基、羥基、氨基、磷基基團(tuán)的pKa值分別為3～6，8～12，氨基的pKa值為8.6～9.0，磷基基團(tuán)的pKa值為5.6～7.2［26］，本實(shí)驗(yàn)中得到的 pK1、pK2、pK3、pK4分別對(duì)應(yīng)羧基、磷基、氨基和羥基官能團(tuán)。由表4可以得知，不同培養(yǎng)條件下微藻的磷基官能團(tuán)濃度存在顯著差異，特別是B-160的磷酸化官能團(tuán)，其濃度最高，達(dá)到3.25 mol/kg，并且官能團(tuán)總數(shù)的提高也是吸附能力增強(qiáng)的關(guān)鍵，由表4可以看出，B-160所具有的官能團(tuán)總數(shù)最多。此外，根據(jù)上述FT-IR的結(jié)果可知，磷基官能團(tuán)在吸附前后特征峰變化最大，這充分說明了磷基官能團(tuán)在微藻吸附重金屬離子的過程中起著主要作用。

3 結(jié) 論

（1）提高培養(yǎng)基中的磷濃度有助于提高微藻的生物量，本實(shí)驗(yàn)中最適磷濃度為160 mg/L，生長(zhǎng)第8 d的生物量可達(dá)1 117.26 mg/L。

（2）在最適pH=6條件下，高載磷藻B-160對(duì)Pb2+的去除率最高，達(dá)到91.59%。

（3）含磷基團(tuán)參與并主導(dǎo)微藻對(duì)Pb2+的吸附，磷能調(diào)控改性微藻表面磷，強(qiáng)化微藻對(duì)金屬離子的吸附能力。在160 mg/L的磷濃度改性的條件下，藻對(duì)Pb2+的最大吸附量最高，達(dá)到7.93 mg/g。