pH 和鐵磁納米顆粒對菌絲球吸附EE2 的影響研究

孔祥震，郭海娟，馬 放，耿明月，肖 霄

（1. 哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 遼寧大學環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036）

鐵磁性納米材料目前已廣泛應用于醫(yī)學、食品等領域。在水處理領域，磁性納米顆粒仍處于探索和研究階段。目前，也有研究人員嘗試將磁性納米顆粒材料引入生化系統(tǒng)，對傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)進行改進[4-5]。由于磁性納米顆粒具有比表面積大、吸附活性強和在磁場作用下易分離的特點，僅在污染物的去除方面是具有一定優(yōu)點的。但是，磁性納米顆粒對于微生物的影響作用還不明確。

近年來，環(huán)境領域?qū)τ谖鬯谐霈F(xiàn)的新型微污染物越來越重視。雌激素類物質(zhì)是新興污染物的代表之一，其在水環(huán)境中的含量低，但仍會對人類和動物造成影響和危害[6-7]。常規(guī)的水處理技術和手段往往難以將雌激素有效的去除。因此，在該研究中，嘗試采用菌絲球作為優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)吸附材料，對代表性雌激素（17α-乙炔雌二醇，EE2）進行吸附去除效果的研究，并在吸附過程中加入鐵磁納米顆粒，研究其對菌絲球吸附效果的影響作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

培養(yǎng)菌絲球所用的藥品均購自國藥集團化學試劑有限公司（優(yōu)級純），試驗時所用EE2 及預處理和分析樣品時所用的甲醇、乙腈、乙酸乙酯均購自Sigma 公司（色譜純）。EE2 使用甲醇配制標準儲備液，試驗時根據(jù)不同濃度需要稀釋加入反應容器中。

1.2 真菌菌種選擇和菌絲球的培養(yǎng)

培養(yǎng)菌絲球所用的真菌采用城市水資源國家重點實驗室保存的黑曲霉Aspergillus nigerY3，培養(yǎng)基成分為葡萄糖10 g/L，NH4Cl 1 g/L，KH2PO4·3H2O 1 g/L，MgSO4·7H2O 0.5 g/L，110 ℃，20 min 條件下滅菌。

接種方式采用孢子懸液接種法，接種量為：0.025×0.10%×液體培養(yǎng)基體系/孢子懸液吸光度。接種后放入搖床中，在30 ℃，150 r/min 條件下進行培養(yǎng)[8]。

1.3 鐵磁納米顆粒的制備

將100 mL、2 mol/L 的FeCl2和400 mL、1 mol/L的FeCl3置于燒杯中，加入轉子置于磁力攪拌器上，用堿式滴定管滴加500 mL、5 mol/L 的氨水，控制滴加速度，緩慢滴加，待反應完畢后將轉子取出反復沖洗，洗液收集在原燒杯中，燒杯下部放置磁鐵，倒出上清液，移開磁鐵反復清洗3～4 次，最后取500 mL 去離子水于沖洗完畢后的鐵磁納米顆粒中，超聲5 min 后倒出密封保存[9]。

1.4 試驗方法

在pH 對菌絲球吸附EE2 影響作用試驗中，稱取2 g 菌絲球（濕重）放入若干100 mL 三角瓶中，共分為4 組，分別加入用0.1 mol/L 的磷酸緩沖液調(diào)至預定pH 的去離子水溶液，pH 分別為2.5、3.8、4.7、5.6、6.5 和7.8 共6 組，根據(jù)采樣時間順序進行標記，并加入50 μL 的1 g/L EE2 標準儲備液，使稀釋后的EE2 濃度為1 mg/L。另在各pH 條件下均設置一組在90 ℃，30 min 下的滅活菌絲球平行試驗，定時取樣檢測。

在不同底物濃度下菌絲球?qū)E2 的吸附作用試驗中，在之前確定的最優(yōu)pH 條件下，于EE2 濃度分別10、7.5、5、2.5 和1 mg/L 條件下進行吸附試驗。定時取樣檢測。

隨著國際貿(mào)易環(huán)境日趨復雜、國內(nèi)經(jīng)濟邁入新階段，以及自貿(mào)區(qū)改革經(jīng)驗的積累，推動形成全面改革開放新格局是我國目前經(jīng)濟轉型發(fā)展的必然要求。2017年3月，國務院頒發(fā)了《全面深化中國(上海)自由貿(mào)易試驗區(qū)改革開放方案》，正式提出“設立自由貿(mào)易港區(qū)”。同年10月，十九大報告重申“賦予自由貿(mào)易試驗區(qū)更大改革自主權，探索建設自由貿(mào)易港區(qū)”的戰(zhàn)略部署。2018年3月，十三屆全國人大一次會議政府工作報告再次提出“探索建設自由貿(mào)易港”。截止目前，已有包括上海、浙江、四川等沿海內(nèi)陸十余省份競逐建設自由貿(mào)易港。

在鐵磁納米顆粒對菌絲球吸附EE2 影響作用試驗中，于pH 為4.7、5.6、6.5 和7.8 條件下加入10 mL 鐵磁納米顆粒儲備液。EE2 濃度為1 mg/L，定時取樣檢測。

1.5 水樣的預處理

吸取10 mL 在預定時間下取出的水樣到玻璃離心管中，加入2 mL 乙酸乙酯，蓋緊管塞振蕩萃取5 min，靜置5 min 待液面分層后洗出上層有機相到KD 濃縮瓶中，再次向水樣加入0.5 mL 乙酸乙酯進行二次萃取，振蕩5 min，靜置5 min 待液面分層后再次吸出上層有機相與第1 次萃取的液體合并，旋轉蒸發(fā)至乙酸乙酯全部揮發(fā)后，用甲醇定容至1 mL，使用0.45 μm 濾膜過濾后裝入液相小瓶，放入4 ℃冰箱保存等待檢測。

1.6 分析方法

預處理后樣品采用HPLC 法檢測。流動相為乙腈:水=50:50，C18 柱，柱溫30 ℃，進樣量25 μL，保留時間5 min。

2 結果與討論

2.1 菌絲球的培養(yǎng)及表面特征

經(jīng)孢子懸液接種培養(yǎng)72 h 后形成的菌絲球SEM 圖像，見圖1。

圖1 菌絲球表面特征SEM 圖像

圖1 可知，經(jīng)過72 h 培養(yǎng)后形成的菌絲球，其整體呈完整的球體，結構緊實，菌絲相互纏繞團聚。表面疏松，提供了大量的附著空間和結合位點。

2.2 pH 對菌絲球吸附EE2 的影響

菌絲球與滅活后的菌絲球在不同pH 條件下對EE2 的靜態(tài)吸附結果，見圖2。

圖2 菌絲球與滅活后的菌絲球?qū)E2 的去除效果

菌絲球是由真菌孢子具有充足的氧和營養(yǎng)時，在特定水流剪切力條件下，所萌發(fā)的菌絲體不斷生長和纏繞所形成的球形顆粒。圖2 可知，菌絲球在具有活性和滅活條件下，分別在12 h 和24 h 時對EE2 的去除作用幾乎沒有差別，因此菌絲球本身對EE2 的降解作用可忽略不計，對EE2 的去除主要為吸附作用。

圖2 還可知，pH 的變化對菌絲球吸附EE2 有較為明顯的影響。當pH 在2.5～6.5 范圍區(qū)間內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)菌絲球?qū)E2 均具有比較明顯的吸附作用，當pH 為5.6 和6.5 時，在24 h 內(nèi)菌絲球?qū)E2 的吸附去除作用可達到99%，在pH＜5.6 時，菌絲球?qū)E2 的吸附去除也可達到90%以上，而pH=5.6 時，菌絲球?qū)E2 吸附速率明顯高于其他pH 條件。而當pH＞6.5，即pH=7.8 時，EE2 的吸附去除速率明顯下降，在24 h 時，菌絲球?qū)E2 的去除僅能達到53.23%。由此可見，菌絲球?qū)E2 的最佳吸附pH 為5.6 左右。此前，王昌穩(wěn)等[10]在pH 為6～7 條件下采用顆粒活性炭對EE2 進行吸附去除，在EE2 初始濃度為500 ng/L，顆?；钚蕴? g/L 的條件下，10 min 可達到吸附平衡，45 min 吸附結果后，EE2 的去除率為82.88%。段姝悅[11]考察了初始pH 對復合絮凝劑改性后的菌絲球吸附雌酮、17β-雌二醇和雌三醇效能影響，發(fā)現(xiàn)當初始pH 接近7 的時候，菌絲球?qū)σ陨? 種物質(zhì)的吸附能力較強，而當pH 降低或升高時，菌絲球的吸附能力逐漸減弱，且酸性條件下的吸附能力要優(yōu)于堿性條件下。林勝紅等[12]在研究pH 對復合菌絲球?qū)兹妇G的吸附脫色時發(fā)現(xiàn)，在堿性條件下，多糖溶解度升高，復合菌絲球的胞外聚合物穩(wěn)定性下降，菌絲球會出現(xiàn)一定的自溶現(xiàn)象，因此對染料的吸附性也會下降。

2.3 不同初始底物濃度下菌絲球?qū)E2 的吸附作用

不同EE2 初始濃度下菌絲球?qū)ζ湮叫Ч妶D3。

圖3 不同EE2 初始濃度下菌絲球?qū)ζ湮叫Ч?/p>

圖3 可知，在1～7.5 mg/L 范圍內(nèi)，隨著濃度升高，菌絲球?qū)E2 的吸附效率呈現(xiàn)上升趨勢。這一結果是由于EE2 初始濃度上升導致的傳質(zhì)驅(qū)動力增加，這一驅(qū)動力的增加可以使得EE2 從溶液中向菌絲球轉移的速率升高。當EE2 初始濃度高于7.5 mg/L，達到10 mg/L 時，菌絲球?qū)ζ淙コ视忻黠@的下降，這是由于EE2 的初始濃度過高，使得菌絲球?qū)ζ涞奈饺萘亢芸炀挖呄蛴陲柡?，同時傳質(zhì)驅(qū)動力降低的較為迅速，若要進一步提升去除效率，則需要進一步提高傳質(zhì)驅(qū)動力。此外，EE2 從溶液中轉移到固相中被吸附在菌絲球表面，是否會被進一步從表面吸附至內(nèi)部的多孔網(wǎng)狀結構內(nèi)，需要進一步的探究。

2.4 鐵磁納米顆粒對菌絲球吸附EE2 的影響

鐵磁納米顆粒在不同pH 條件下對菌絲球吸附EE2 的影響效果，見圖4。

圖4 鐵磁納米顆粒對菌絲球吸附EE2 的影響

相比于2.2 的結果，圖4a）可知，鐵磁納米顆粒的加入對菌絲球吸附EE2 產(chǎn)生了較為明顯的抑制作。當pH=5.6 時，在24 h 時的EE2 吸附效率相比不加入鐵磁納米顆粒由99%降低至40.91%；當pH=6.5 時，在前8 h 的EE2 去除率最高可達到53.44%，此后隨著吸附時間的延長又有明顯下降。而當pH=7.8 時，在前4 h 菌絲球混合鐵磁納米顆粒對EE2 去除率還可達到48.52%，而在8 h 后，去除率急劇下降直至降低到幾乎為0%。

菌絲球在形成的過程中，可分泌胞外聚合物，主要由多糖和蛋白組成，含有大量的羥基、羧基等基團，提供了豐富的吸附位點。同時，成熟菌絲球的表面帶正電荷[13]。EE2 的化學結構具有1 個苯環(huán)，2 個六元環(huán)和1 個五元環(huán)，在3 號位和17 號位上各有1 個羥基，并在17 號位上有1 個3 鍵。通過對EE2 結構的分析，菌絲球?qū)E2 的吸附作用應當是通過對其羥基的吸附來達成。而鐵磁納米顆粒在水中極易與水發(fā)生配位作用而使表面羥基化，形成—FeOH[14]，使其在結構上與EE2 在菌絲球進行吸附的過程中形成競爭，降低了菌絲球吸附EE2 的效率。同時，鐵磁納米顆粒的零電點在6.5左右[15]，當pH＞6.5 時，磁性納米顆粒表面帶負電荷，與表面帶正電荷的菌絲球可形成靜電吸引。當pH=7.8 時，鐵磁納米顆粒與菌絲球產(chǎn)生了靜電吸引作用，在前4 h，菌絲球?qū)E2 還有一定的吸附效果，而隨著吸附時間的延長，由于菌絲球與鐵磁納米顆粒的靜電吸引和競爭作用，已被吸附的EE2 被水溶液中的鐵磁納米顆粒從吸附位點上置換出來，使得菌絲球?qū)E2 的吸附效率明顯下降直至降至為0%，見圖4b）。

3 結論

菌絲球?qū)E2 的去除作用主要通過吸附作用實現(xiàn)，菌絲球本身對EE2 的降解作用幾乎為零。pH 的變化對菌絲球吸附EE2 有明顯影響，當水溶液pH 為中性偏酸性時，吸附效果最好，pH=5.6 是其最佳吸附pH。當pH 高于中性時，菌絲球吸附EE2 的效率有明顯下降。

菌絲球吸附EE2 的效率隨著EE2 初始濃度的升高而提高，當EE2 初始濃度超過一定濃度時，由于傳質(zhì)驅(qū)動力的降低，使得菌絲球吸附EE2 的效率有明顯下降。

菌絲球?qū)E2 的吸附作用應當是通過對EE2 的羥基吸附來達成，磁納米顆粒在水溶液中與水的配位作用形成—FeOH 與EE2 產(chǎn)生吸附位點的競爭，當pH＞6.5 時，鐵磁納米顆粒的表面帶負電荷，與表面帶正電荷的菌絲球相互之間產(chǎn)生靜電吸引，并隨著吸附時間的延長，由于菌絲球與鐵磁納米顆粒的靜電吸引和競爭作用，已被菌絲球吸附的EE2 被鐵磁納米顆粒從吸附位點上置換出來，使得菌絲球?qū)E2 的吸附效率明顯下降。