南海红树林内源真菌Fusarium sp.#ZZF51生物吸附铀(Ⅵ)

阳海斌，谭 倪,*，张红萍，邓昌爱,孙 曼,林永成,佘志刚

1.南华大学 化学化工学院，湖南 衡阳 421401；2.邵阳学院 生物与化学工程系，湖南 邵阳 422000；3.中山大学 化学化工学院，广东 广州 510275

红树林内源真菌Fusariumsp.#ZZF51，采自湛江海域。前述工作初步表明，它对重金属具有较强的吸附能力，其吸附不是依靠简单渗透的被动吸收，而是依靠“泵”式的主动生物吸收[11]。为了系统全面研究该受试菌吸附铀(Ⅵ)的生物吸附特性，本工作拟从铀(Ⅵ)的初始浓度、pH 值、吸附时间等方面讨论受试菌对铀(Ⅵ)吸附效果的影响，并确定其吸附模型。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

硝酸双氧铀，兰州四零四厂；偶氮胂Ⅲ，天津市光复精细化工研究所；2，4-二硝基苯酚，上海山浦化工有限公司；氯乙酸、葡萄糖CR，天津市福晨化学试剂厂；乙酸钠，淄博天智化工有限公司；氨水、HCl及NaOH均为分析纯；蛋白胨BR，北京奥博星生物技术有限责任公司；酵母膏BR，上海展云化工有限公司；粗海盐(微生物养殖用)，湖南省轻工盐业集团有限责任公司。

受试菌Fusariumsp.#ZZF51，由中山大学林永成教授研究组提供。

721型分光光度计，天津市普瑞斯仪器有限公司；PHS-3C pH计，上海鹏顺科学仪器有限公司；电子天平，上海民桥精密科学仪器有限公司，感量为0.001 g；振荡器，长沙索拓科学仪器设备有限公司；Spectrum GX傅里叶-红外光谱仪，美国Perkin Elmer设备有限公司。

1.2 菌种培养

以PDA为培养基，4 ℃保存。发酵培养基为GYP:葡萄糖10 g/L，蛋白胨2 g/L，酵母膏1 g/L，粗海盐2 g/L，pH=7.0。500 mL三角瓶内装培养液300 mL，经121 ℃(0.1 MPa)高温灭菌15 min后，接菌100瓶，共计30 L，25 ℃静置培养22 d， 过滤、收集菌体，菌体经烘干、研磨后，过100目筛并置于干燥器中保存备用。

1.3 静态吸附实验方法

移取一定浓度的硝酸双氧铀溶液50 mL于锥形瓶中，用0.1 mol/L的HCl或NaOH 调节pH 值，投加0.1 g受试菌粉，室温下置于振荡器中反应一定时间，离心分离10 min，取上清液测定铀(Ⅵ)的浓度，计算铀(Ⅵ)的吸附率和吸附容量。实验研究吸附时间、pH、铀(Ⅵ)的初始浓度对受试菌吸附铀(Ⅵ)的影响。每个样品重复2次并做空白对照，取平均值。

1.4 分析方法

在上清液中加入2滴1 g/L的2，4-二硝基苯酚溶液，用1∶1的氨水调至浅黄色，再用3 mol/L HCl溶液调至无色，并过量3 滴，加入1.0 mL pH =2.5 的氯乙酸-乙酸钠缓冲溶液，再用1.0 mL 0.5 g/L的偶氮胂Ⅲ溶液进行显色。用可见分光光度计测定铀(Ⅵ)的浓度。

1.5 计算方法

其中：ρ0和ρe分别为铀(Ⅵ)的初始和平衡质量浓度；V为溶液的体积；m为吸附剂的质量。

2 结果与讨论

2.1 吸附时间对吸附效果的影响

准确移取50 mg/L的硝酸双氧铀溶液于一系列锥形瓶中，调节其pH=4.0，改变吸附时间，测定溶液中铀(Ⅵ)的吸附率和受试菌吸附量的变化，实验结果示于图1。由图1可知，随着时间的增加(0～60 min)，吸附量和吸附率迅速增大。60 min时吸附达到饱和，其吸附率和吸附量分别为61.89% 和 15.46 mg/g。此后随着时间的增加，溶液中铀(Ⅵ)的吸附率不再增加。原因可能是在吸附过程的最初阶段，受试菌表面具有大量的吸附活性点，吸附可能是单分子层的快速吸附，反应速度快，吸附效率很高[3,9]。随着时间的不断增加，受试菌表面的吸附活性点逐渐饱和，同时吸附的过程中也伴有解吸现象，从而导致溶液中铀(Ⅵ)的吸附率有所降低[2]。

图1 吸附时间的影响

2.2 铀初始质量浓度对吸附效果的影响

取不同浓度的硝酸双氧铀溶液于一系列锥形瓶中，调节其pH=4.0，各投加0.1 g受试菌粉，室温下振荡吸附60 min，检测铀(Ⅵ)的浓度，计算吸附量和吸附率，结果示于图2。由图2可知，铀(Ⅵ)初始质量浓度在20～70 mg/L、吸附量从5.51 mg/g增至21.25 mg/g、而铀(Ⅵ)的初始质量浓度为50 mg/L时，吸附率达最大，为61.89%。其原因可能如下：(1) 细胞壁表面已达到饱和；(2) 随着铀(Ⅵ)浓度的增加，大量的铀会聚集在溶液中，从而抑制铀(Ⅵ)的吸附[2]。

图2 铀初始质量浓度的影响

2.3 pH值对吸附的影响

图3 溶液pH值影响

移取初始质量浓度为50 mg/L的硝酸双氧铀溶液于一系列锥形瓶中，在室温下开展铀(Ⅵ)的吸附实验，考察溶液pH值对铀(Ⅵ)吸附的影响，结果示于图3。由图3可知，pH=4.0时吸附量最大。在pH<4.0的酸性环境下，由于氢离子占据了大量的吸附活性位点，从而阻碍了铀(Ⅵ)与细胞壁上官能团的结合，导致吸附率很低。随着pH值的增大，官能团上的质子不断解离，吸附量逐渐增大。但当pH>4.0时，溶液中的金属离子主要以UO2(OH)+和 UO2(OH)2的形式存在，游离金属离子减少，所以吸附率反而下降[2,11]。

2.4 吸附模型

用Langmuir和Freundlich方程来拟合受试菌对铀(Ⅵ)的等温吸附过程，其模型参数列入表1、2。具体拟合方法如下：对 Langmuir 方程，以1/ρe为横坐标、1/Q为纵坐标得到一条直线，求出常数Ka和最大理论吸附量Qm；在 Freundlich方程中，Kb和n分别是方程的常数，他们分别表征吸附容量和吸附强度的大小，ρe是溶液的质量平衡浓度，将方程两边取对数后，以lnρe为横坐标、lnQ为纵坐标得到一条直线，求出常数Kb和n[12]。由表1、2可知，两种吸附等温线均可用来拟合该受试菌对铀的吸附，其吸附容量Qm与质量平衡浓度ρe的双对数、双倒数均有良好的线性关系，其吸附行为同时符合Langmuir 和Freundlich等温吸附方程。

表1 最佳条件下Langmuir吸附方程参数

表2 最佳条件下Freundlich 吸附方程参数

2.5 红外光谱分析

真菌Fusariumsp.#ZZF51吸附铀(Ⅵ)前后的红外光谱图示于图4。据文献[2,13]报道，细胞壁是重金属离子的主要积累场所，金属离子可与细胞壁上的活性基团相结合。由图4(a)可知，在3 408 cm-1处观察到一个较宽的峰，可能是N—H或O—H键的伸缩振动峰；蛋白质是细胞壁的主要成分之一，1 649 cm-1处的吸附峰可能为酰胺Ⅰ带(由C=O的伸缩振动所产生)，1 550 cm-1处的吸收峰可能为酰胺Ⅱ带(由N—H键的弯曲振动所产生)，1 313 cm-1处的峰可能为酰胺Ⅲ带(由C—N键的伸缩振动所产生)，1 313 cm-1处的吸收峰还可能由P=O与C=S的伸缩振动或C—O的伸缩振动所引起。2 920 cm-1和1 409 cm-1处的吸收峰分别为饱和烷烃C—H键的伸缩振动峰和弯曲振动峰。通过比较图4(a)和4(b)可以发现，氨基或羟基的伸缩振动峰从3 408 cm-1移至3 452 cm-1，可能是由于氨基或羟基参与了吸附，使得形成的氢键断开，引起氨基或羟基的伸缩振动最大峰发生了位移，同时羰基的对称伸缩振动峰由1 649 cm-1移至1 631 cm-1，上述现象说明受试菌生物吸附铀(Ⅵ)时，羟基和羰基都有十分重要的贡献[13-15]。

图4 真菌Fusarium sp.#ZZF51吸附铀(Ⅵ)前(a)与吸附铀(Ⅵ)后(b)的红外光谱图

3 结 论

真菌Fusariumsp.#ZZF51对铀(Ⅵ)有一定的吸附能力，其吸附铀(Ⅵ)的最佳实验条件为：吸附时间为60 min，铀(Ⅵ)初始质量浓度为50 mg/L，pH=4.0，此时受试菌对铀(Ⅵ)的吸附容量为15.46 mg/g。根据实验数据与Langmuir和Freundlich方程拟合可知，受试菌生物吸附铀(Ⅵ)的热力学模型与Langmuir和Freundlich方程均符合较好。比较受试菌吸附铀(Ⅵ)前后的红外光谱图可得，在吸附过程中，羟基和羰基都起着重要的作用。

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