轮叶黑藻对铅的吸附特征及生物吸附机理研究

李国新,张丹丹,颜昌宙*,薛培英 (.中国科学院城市环境研究所,福建 厦门 3602；2.湖南省建筑设计院,湖南 长沙 400)

轮叶黑藻对铅的吸附特征及生物吸附机理研究

李国新1,2,张丹丹1,颜昌宙1*,薛培英1(1.中国科学院城市环境研究所,福建 厦门 361021；2.湖南省建筑设计院,湖南 长沙 410011)

研究了轮叶黑藻对重金属铅的吸附特征,同时对吸附机理进行探讨.动力学研究结果表明,轮叶黑藻对铅有较快的吸附能力,10min后铅的去除率达到74.54%;20min后,吸附达到平衡.整个吸附过程符合伪二级动力学方程(R2=0.9910).Sips和Langmuir模型相比Freundlich而言,有着较好的拟合效果,表明轮叶黑藻对重金属铅的吸附属于单层吸附,相邻铅离子间的相互干扰可以忽略不计.红外光谱分析表明:轮叶黑藻叶片富含多种活性基团,羟基、羰基和羧基、C–O及C–N为主要作用基团.吸附铅后,轮叶黑藻叶片内K、Na、Ca、Mg含量明显下降,表明铅离子因产生离子交换而被吸附,且铅离子更易与二价的Ca和Mg产生离子交换.

轮叶黑藻；铅；生物吸附；机理；傅里叶红外光谱

利用廉价的生物材料对重金属进行吸附,用于较低质量浓度(＜100mg/L)重金属废水的处理,具有吸附量高、吸附速度快等优点[1-6].对植物材料如光叶眼子菜(Potamogeton lucens)、凤眼莲(Eichhornia crassipes)、狐尾草(Myriophyllum brasiliensis)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、龙须眼子菜(Potamogeton pectinatus)等的研究结果表明,沉水植物对重金属有很好的吸附能力

[7-15].轮叶黑藻(Hydrilla verticallata)是最常见的沉水植物,广泛存在于池塘、湖泊和水沟中,且南北各省均有分布,这种吸附材料来源广泛且价格低廉.目前对重金属离子生物吸附的研究,主要集中在对金属离子的吸附特性上,而对生物吸附金属的机理研究较少.本文研究了不同吸附条件下,轮叶黑藻对铅的等温吸附特征,以期探讨其吸附规律.实验采用扫描电子显微镜、X射线能谱仪及傅里叶红外光谱等仪器分析,考察了轮叶黑藻鲜样吸附铅前后植物叶片的表面形态变化、内部矿质元素含量的变化及起作用的关键基团等,进一步探讨重金属铅的生物吸附机理.

1 材料与方法

1.1 材料

实验材料轮叶黑藻采自无锡太湖水域.在实验室培养2周,截取新鲜、健康、形态较一致的约10cm长的顶枝,用3%的盐酸溶液浸洗后再用去离子水冲洗,晾干植物表面水分后备用.

将分析纯 Pb(NO3)2配制成金属离子质量浓度为1000mg/L的储备液,置于1000mL容量瓶中[(25±1)℃]备用.

1.2 实验方法

1.2.1 动力学实验 取初始浓度为100mg/L的铅溶液100mL于200mL锥形瓶中,用0.1mol/L HNO3或 0.1mol/L NaOH溶液调节 pH值为5.0～6.0,加入 1.5g(以鲜质量计,数值大小由预研究得出)轮叶黑藻,将锥形瓶放在摇床中振荡[200r/min,(25±1)℃],分别于5,10,20,30,45,60,120, 150min后,将锥形瓶内溶液过滤,使植物从溶液中分离.用原子吸收分光光度仪(Model SolaarM, Thermo Electron, USA)测定滤液中Pb浓度.

1.2.2 吸附平衡实验 配制不同浓度的Pb溶液,梯度为10,50,100,150,200,250mg/L.取100mL溶液于200mL锥形瓶中,加入1.5g(以鲜质量计)轮叶黑藻,将锥形瓶放在摇床中振荡[200r/min,(25±1)℃],120min后,将锥形瓶内溶液过滤,使植物从溶液中分离,测定滤液中 Pb浓度.实验均设置 3个平行,同时进行一系列未加植物材料的对照控制实验.对照实验结果表明:锥形瓶的器壁没有吸附重金属,也没有产生水解沉淀现象.

1.3 分析检测

1.3.1 叶片扫描及能谱分析 取吸附铅前后植物叶片中段(Pb:100mg/L),JE-OL5610LV高分辨率扫描电子显微镜(日本JEOL公司)进行表面形态扫描,JSM-5000软件成像分析.VANTAGE型X射线能谱仪(美国 Noran公司)能谱扫描,工作条件:工作距离:8.7mm;电压:5.0kV.系统自带软件对元素相对含量进行分析.

1.3.2 傅里叶红外谱图分析 分别取吸附Pb前后的轮叶黑藻叶片,放置在恒温烘箱内70℃烘干72h,取适量粉末样品采用 KBr压片法进行傅里叶红外谱图分析.

1.3.3 植物体内Pb浓度检测 选择吸附平衡后的轮叶黑藻,杀青30min、70℃恒温干燥72h后,将植物茎和叶分开,称取 0.1g植物于消煮管中,加入 10mL浓硝酸(优级纯),微波消解.消解完全后,定容至 50mL,过滤,用原子吸收分光光度计测试滤液中Pb含量.同时采用国家一级标准物质灌木枝叶(GBW07602)对实验结果进行验证,结果表明测定值与参考值是吻合一致的.

1.4 数据处理

实验结果均用平均值表示,标准误差＜7%.沉水植物样品对重金属吸附量的计算方法为:

式中: q为轮叶黑藻对重金属的吸附量, mg/g;c0为重金属溶液初始质量浓度,mg/L; ct为吸附t(min)后溶液中的重金属质量浓度, mg/L;V为溶液体积, L; W为植物样品的干质量, g, W=植物鲜重(g)×12.23%(轮叶黑藻干物质比重,数值大小由实验得出).

2 结果与讨论

2.1 轮叶黑藻吸附Pb的动力学研究

吸附平衡时间是生物吸附实际应用中最重要的参数之一[16].轮叶黑藻对 Pb的吸附量随时间变化规律如图1所示.可以发现,轮叶黑藻对Pb有较强的吸附能力,且吸附量随时间的增加而增大.在反应初期阶段,吸附反应非常迅速,10min内约有 74.54%的 Pb2+被吸附,此时 Pb的吸附量(q=40.15mg/g)达到了 82.31%的平衡吸附量. 20min后,吸附量趋于稳定.初期的快速吸附反应可归因于沉水植物表面大量的活性反应位点.随着反应的进行,吸附位点逐渐被金属离子所占据,反应速率减缓,且 Pb的解吸行为增加,最终达到吸附-解吸的平衡,故水体中Pb浓度逐渐趋于稳定值.为确保吸附反应达到平衡,选取 120min作为吸附的平衡时间.

图1 吸附时间对轮叶黑藻吸附Pb的影响Fig.1 Effect of agitating time on the biosorption of Pb(II) onto H. verticallata

轮叶黑藻对Pb的吸附可以用伪二级动力学方程来描述,该方程表明重金属的吸附能力与生物吸附剂表面的活性反应位点成正比.伪二级动力学方程为[17]:

式中: k为伪二级动力学常数, g/(mg⋅min); qe为平衡吸附量, mg/g; qt为 t时刻重金属的吸附量, mg/g.式(2)可以变形为[18]:

图2 轮叶黑藻吸附Pb的伪二级动力学Fig.2 Pseudo-second order kinetic of the biosorption of Pb(II) onto H. verticallata

式中: qe2k为开始时的吸附反应速率.以 t/qt对 t作图可得直线方程,其截距为1/(kqe2),斜率为1/qe,从而可以确定常数qe和k.如图2所示,实验数据与模型方程有很好的一致性.对轮叶黑藻吸附Pb而言,t/qt随 t的增大而增大,二者成线性关系,且相关系数可达 0.9910,这表明伪二级动力学方程可用于描述轮叶黑藻对 Pb的吸附动力学特征.从直线的斜率和截距可以分别计算出qe(48.78mg/g)和k(0.014g/mg min), qe的计算值与实测值(48.49mg/g)有很好的一致性.

2.2 轮叶黑藻对Pb吸附的平衡方程

生物吸附能力可以用吸附等温线来描述[19].吸附过程的模拟不仅可以获得生物吸附能力、吸附材料的表面特征[20],而且可以提供有效的吸附改良方法,进一步提高吸附效率.常用的吸附等温方程有Langmuir模型、Freundlich模型和Sips模型.

Langmuir假设吸附剂表面均匀,各处的吸附能相同;吸附是单分子层的,当吸附剂表面的吸附质饱和时,其吸附量达到最大值;在吸附剂表面上的各个吸附点间没有吸附质的转移移动;达到动态平衡时,吸附和脱附的速度一样.Langmuir吸附模型为:

式中: qe为平衡吸附量, mg/g; ce为金属离子在液相中的平衡浓度, mg/L; b为Langmuir常数; qmax为理论最大吸附容量, mg/g.

Freundlich吸附模型适用于对高浓度吸附质吸附现象的描述,对于低浓度吸附质则不符合实际吸附现象.Freundlich模型方程为:

式中: qe为平衡吸附量, mg/g; ce为金属离子在液相中的平衡浓度, mg/L; K、n在一定温度下对指定体系而言是常数.n决定了等温线的形状,一般认为:1/n值介于0.1～0.5,则易于吸附;1/n＞2时则难以吸附.利用K和1/n可以比较不同吸附剂的特性.

Sips模型结合了L型和F型吸附等温式特征,用3个参数来表征吸附体系,其表达式为[21]:

式中: KLF、aLF和nLF是3个常数; ce为金属离子在液相中的平衡浓度, mg/L; nLF在0～1之间变化.当nLF=1时,式(6)可转变成L型吸附等温式;当吸附质浓度很低时,式(6)可转变为F型吸附等温式.

运用Sigmaplot 10.0软件非线性回归各类模型,各模型的回归结果见表1所示.从模型相关系数(R2)可以看出,对轮叶黑藻吸附 Pb而言, Sips和 Langmuir模型的相关系数均大于 Freundlich模型,且Langmuir模型的qmax与实验数据较相吻合,这表明前2种模型相比Freundlich而言,有着较好的拟合效果,同时也表明:轮叶黑藻对重金属Pb的吸附属于单层吸附,相邻铅离子间的相互干扰可以忽略不计.

吸附方程 参数 取值K 30.29 Freundlich模型n 7.14 R2 0.954 b (mg-1) 3.39 Langmuir模型qmax (mg/g) 54.80 R2 0.986 aLF 0.88 Sips模型KLF 66.50 nLF 0.34 R2 0.999

2.3 铅在轮叶黑藻组织中的分布

植物顶枝属于水生植物生命力最强的一部分,植物活性最强,茎略细,而植物叶片则较茂盛.植物茎和叶片不同的成分差异可能带来吸附量的不同,故在机理实验中,需茎和叶分开来检测,进行对比分析.

从图3可以看出,不同处理浓度下的轮叶黑藻茎和叶组织中,叶片中 Pb的含量明显大于茎,方差分析结果表明,双尾检验值[Sig.(2-tailed)= 0.004]＜0.05,表明二者含量差异显著,轮叶黑藻对铅的吸附大部分聚集于叶片中.王焕校[22]认为,重金属离子进入植物细胞的过程主要有两种方式:一种是细胞壁等质外空间的吸附,一种是污染物透过细胞质膜进入细胞的生物过程.对Pb而言,由于它的离子半径较大,配位能力弱,不易透过细胞壁和质膜进入细胞液中,因此沉水植物对Pb的吸附主要靠细胞内自由空间的非代谢性扩散运动,即细胞壁的吸附、非共质体沉积等方式获得,只有当这种结合达到饱和后才开始透过细胞壁和质膜进入细胞质中.沉水植物的叶一般较小,或很薄,往往只有二到三层细胞,甚至一层,表面也没有角质层,这样细胞和外界的接触面积就很大,可以直接进行物质交换或吸附.

图3 轮叶黑藻吸附Pb后茎和叶中Pb的含量Fig.3 Value of lead in stem and leaf for H. verticallata after biosorption

2.4 吸附 Pb前后叶片表皮细胞形态及扫描能谱分析

吸附反应在20min内达到平衡,重金属大部分均吸附于植物细胞表面,吸附量大小与植物材料表面细胞形态息息相关.植物叶片的表面形态特征及元素含量对重金属吸附性能有着重要的决定作用.

吸附Pb前后轮叶黑藻叶片中段表皮细胞形态如图4所示.正常的轮叶黑藻植株健壮,叶片均为深绿色,植物叶片表皮细胞均呈规则的长方形,且颗粒饱满、分布均匀.吸附Pb后,在重金属离子的作用下,细胞内外离子的快速交换过程使得细胞明显干瘪、细胞发生明显的变形,细胞内膜系统的完整性遭到破坏.

图4 吸附Pb2+前后轮叶黑藻叶片表皮细胞形态变化Fig.4 SEM images of epidemis cells in H.verticallata before and after bisorption of Pb2+

吸附Pb前后轮叶黑藻叶片扫描能谱分别如图5所示.从图5可以看出,轮叶黑藻富含C、O等元素,这为基团络合吸附重金属提供可能.对比吸附Pb前后能谱图可以看出,在吸附Pb后,轮叶黑藻叶片内 K、Na、Ca、Mg等含量明显下降,表明矿质元素被Pb离子置换出来,Pb离子因产生离子交换而被吸附.二价的Ca和Mg含量下降更显著,表明相较正一价离子, Pb离子更易与二价的Ca和Mg产生离子交换而被吸附.

2.5 吸附Pb前后轮叶黑藻叶片红外分析

对吸附Pb前轮叶黑藻叶片进行红外光谱扫描,结果如图6中a线所示.可见,轮叶黑藻叶片富含—OH、—NH2、C–O和C═O等多种活性基团.吸附Pb前轮叶黑藻叶片的傅里叶红外谱图显示:吸收峰 3412cm-1代表—OH 和—NH2基团;2926cm-1代表C–H基团;吸收峰1638cm-1主要代表 C═O键的伸缩振动,即代表羰基基团;吸收峰 1425cm-1代表羧基基团;吸收峰 1000～1100cm-1代表则C–OH键的伸缩振动,它属于多糖物质的一个特征峰.吸附Pb后轮叶黑藻叶片红外光谱如图6中b线所示,对比吸附Pb前后的红外谱图可以发现,吸附 Pb后,部分吸收峰发生偏移.羧基(吸收峰1425cm-1)和羰基(1654cm-1)偏移到较低的吸收峰值上,这是基团和重金属之间发生络合作用的结果.Suleman等[23]的研究结果表明,菩提榕树叶富含—OH、—NH、C═N、C═O、C–OH、C═S、N–H等多种基团,在Pb的吸附过程中,起作用的主要基团为—OH和C═O.Sibel[24]等的研究结果表明,—CH2、—OH、C–O、P═O和P–OH等基团在尖叶雪果吸附Pb的过程中起主要作用.可见,Pb的吸附与吸附材料表面基团特性息息相关.

图6 轮叶黑藻叶片吸附Pb前后红外谱图对比分析Fig. 6 FTIR spectra of H. verticallata before and after biosorption of lead a:原叶片; b:Pb处理后

为进一步验证谱峰 900～1400cm-1内起作用的关键基团,运用Merroun等[25]的分析方法,计算在900～1400cm-1范围内,吸附Pb前后叶片的光谱透光率差异,结果如图7所示.可以发现,在波长为 1012cm-1(代表 C–O 键的伸缩振动)和1082cm-1(代表 C–N键的伸缩振动)处,透光率差异获得最小值,这表明吸附前后谱峰差异对比最大,二者均参与Pb的生物吸附.

图7 轮叶黑藻叶片吸附Pb前后光谱差异Fig.7 IR spectra difference of leaves of H. verticallata before and after biosorption

3 结论

3.1 轮叶黑藻鲜样对铅的吸附反应在20min内达到平衡,且吸附过程符合伪二级动力学模型,相关系数 R2可达 0.9910.等温吸附曲线符合Langmuir、Freundlich和 Sips 3种模型,其中以Sips模型拟合效果最好,模型参数与实验数据较相符合,且相关系数可达0.999.

3.2 吸附Pb后,在重金属离子的作用下,细胞内外离子的快速交换过程使得细胞明显干瘪、细胞发生明显的变形,细胞内膜系统的完整性遭到破坏.Pb2+大部分被轮叶黑藻叶片所吸附.在吸附Pb2+后,轮叶黑藻叶片内K、Na、Ca、Mg等含量明显下降,表明Pb2+因产生离子交换而被吸附,且Pb2+更易与二价的Ca和Mg产生离子交换.

3.3 轮叶黑藻叶片红外光谱分析结果表明:叶片富含—OH、—NH2、C–O、C–N和C═O等多种活性基团,羟基(吸收峰 3412cm-1)、羧基(吸收峰1425cm-1)和羰基(吸收峰1654cm-1)在吸附Pb前后有较大谱峰偏移, Pb与这些基团发生络合反应,实现生物吸附.

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Characterization and mechanism studies on biosorption of lead onto Hydrilla verticallata.

LI Guo-xin1,2, ZHANG Dan-dan1, YAN Chang-zhou1,*, XUE Pei-ying1(1.Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China；2.Hunan Provincial Architectural Design Institute, Changsha 410011, China). China Environmental Science, 2011,31(8)：1327～1333

The characterization and mechanism of biosorption of lead onto H. verticallata were studied in this paper. The kinetic study showed that biosorption rate of lead(II) onto H. verticallata was fast as about 74.54% of total lead was removed within 10min and equilibrium was established within 20min. The overall sorption rate can be well fitted to the pseudo-second order model, with correlation of determination (R2) of 0.9910. Sips and Langmuir model were the better-fitting models for the biosorption of lead(II) onto H. verticallata than Freundlich model, which indicated that the biosorption of lead(II) onto H.verticallata follows monolayer coverage of lead(II) on the biomass surface and the interaction between lead molecules can be negligible. The FTIR spectra of biomass showed that there are lots of active groups on leaves of H. verticallata, and the possible functional groups responsible for lead(II) binding were carboxyl, hydroxyl, carbonyl groups, C–O and C–N. The concentration of mineral elements in leaves such as K, Na, Ca, Mg decreased after biosorption of lead, which indicated that lead(II) could be absorbed caused by ion exchanging with mineral elements.Furthermore,divalent elements such as Ca and Mg had better ion exchange capacity with lead ions.

Hydrilla verticallata；lead；biosorption；mechanism；FTIR spectra

X173

A

1000-6923(2011)08-1327-07

2010-11-04

国家自然科学基金资助项目(20777059)

* 责任作者, 研究员, czyan@iue.ac.cn

李国新(1981-),男,湖北公安人,博士,主要从事城市水环境生态与修复研究.发表论文10余篇.