真菌生物吸附剂对酸性大红的吸附研究

张丽芳，王银玲

(沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳110159)

合成染料具有性质稳定、成本低、品种多等优点，被广泛用于纺织、造纸、橡胶、塑料、化妆品、制药和食品工业中。合成染料主要是芳香族化合物，结构复杂、难降解、具有潜在毒性［1］。水体中的染料即使浓度很低，也能降低水体透明度，不利于水生植物的光合作用，减少水生动物的食饵［2－3］。染料废水在降解过程中会消耗水中的溶解氧，对水生动物的生长不利，特别是许多染料含有致癌因子，如联苯胺和其他芳香族化合物［4–6］，因此染料废水的处理备受关注。目前常用的染料废水处理方法有活性炭吸附法、混凝法、化学氧化法、离子交换法、超滤和生物降解等，这些方法主要问题是处理费用高、污泥量大［7］;而生物降解法的处理效率较低，且中间产物可能有毒性［8］。生物吸附法与生物降解法相比，主要优点是吸附过程中不需供应营养源，因而不会受到水中毒物和冲击负荷的影响。

目前，生物吸附多集中在对重金属吸附研究，而对生物吸附染料的报道较少。本文利用酸处理后真菌菌体作为吸附剂，研究pH值、温度等对吸附效果的影响，探讨酸预处理菌体对酸性大红的吸附热力学机理。

1 实验

1.1 染料废水

试验所用染料废水为酸性大红(C.I.6255，偶氮类阴离子染料，分子量为 604.48，λmax=505nm)模拟染料废水。

1.2 生物吸附剂制备

试验用生物吸附剂为青霉菌(Penicillium sp.)。无菌状态下，用接种环轻轻刮取固体培养基表面上青霉菌孢子，将其移入一定量的无菌水中，充分振荡，制成一定浓度的孢子悬液;用无菌移液管吸取一定体积的孢子悬液，移入液体培养基中，30℃，150r/min，恒温空气浴振荡器中振荡培养;培养一定时间后取出菌体，灭活、过滤，用蒸馏水洗涤多次。取定量湿菌体，置于0.1mol/L HNO3溶液中，室温振荡2h，过滤、洗涤多次，备用。称量若干份定量的预处理菌体在60℃下烘干，测定干湿比。

1.3 吸附试验

取0.2g湿菌体投加到50mL含一定浓度的模拟染料废水中，调节pH值，在150 r/min，25℃下(特别说明除外)振荡吸附。吸附平衡后，取上清液，在最大吸收波长处测定其吸光度，计算菌体对染料的吸附量。

2 结果与讨论

2.1 真菌生物吸附剂的形态特征

将青霉菌孢子按接种量为1%(v/v，孢子悬液浓度为3.58×107个/mL)，移入液体营养培养基中振荡培养。培养条件为:150r/min、30℃、3d。恒温振荡培养3d后的菌体形貌数码照片如图1所示。

图1 菌丝球的形态

从图1可以看出，生长3d的菌丝球呈白色，菌丝相互缠绕呈球状结构，菌丝球大小均匀，具有良好的沉淀性能。

取菌丝球于室温下自然晾干，用扫描电子显微镜观察，结果见图2所示。

图2 菌丝球扫描电镜照片

从图2可以看出，菌丝球内的菌丝交织在一起，菌丝之间存在大量的空隙，表面积较大，有利于对染料的吸附。

2.2 培养时间的影响

在孢子接种量为1%(v/v，孢子悬液浓度为3.58 ×107个/mL)、振荡转速为 150r/min、培养温度为30℃，改变培养时间，考察其对菌体的生长量和菌体吸附染料能力的影响。测得的菌体生长曲线如图3所示，菌体培养时间对吸附量的影响情况见图4所示。

图3 青霉菌的生长曲线

由图3可知，青霉菌在培养初期(0～1d)生长缓慢，生长量很小，肉眼可见细小的菌丝球，结构松散。镜检观察发现，球内菌丝缠绕，有的孢子刚刚萌发长出菌丝。1d以后，菌体生长进入对数期，生长量增加迅速;进入第2d时，肉眼便可看到大小均匀的菌丝球;培养3d时，生长量继续增加，菌丝球明显增大，菌丝球直径可达2.4mm左右;超过3d后菌体生长速度下降，菌体生长进入稳定期。这主要是由于菌体在对数期内生长迅速，消耗了大量的营养物质，致使培养基中营养物质的浓度下降，影响了菌体的正常生长，造成菌体生长速度的下降;另一方面，培养过程中代谢产物的积累也对菌体的生长产生不利影响。在培养5d时，菌体的生长量达到最大，为4.56g/L(干重);当培养时间为6d时，菌体的生长量开始下降，表明菌体生长进入衰亡期。

图4 培养时间对菌体吸附染料能力的影响

由图4可以看出，菌体的培养时间对菌体吸附染料的能力有一定影响。在培养时间为2d时，菌体对酸性大红的吸附量较小;随着培养时间的延长，菌体对染料的吸附量也随着增大，当培养时间为3d时，吸附量达到最大，为48.03mg/g;此后，随着培养时间的继续增加，吸附量逐渐下降;当菌体生长时间为7d时，菌丝球吸附量明显下降，这表明处于衰亡期的菌体吸附染料的能力较差。这是由于处于衰亡期的菌体由于培养基内营养物质匮乏，细胞进行内源呼吸，自身发生溶解，致使菌体上的染料吸附位点减少所致。

2.3 pH对吸附的影响

染料浓度为50mg/L，改变溶液初始pH值，考查pH值对菌体吸附染料能力的影响，实验结果如图5所示。

图5 pH值对吸附酸性大红的影响

由图5可以看出，pH值对菌体吸附酸性大红能力的影响比较大，在pH值为2～3时，酸处理菌体的吸附能力较强，此时染料的去除率可达到90%以上;当pH值为3时，吸附量达到最大，为46.45 mg/g，对染料的去除率高达96%;当pH值为4时，菌体的吸附能力急剧下降，仅为9.84 mg/g，吸附能力下降了近80%;此后，随着pH值进一步升高，其吸附量略有下降。这与菌体表面的物理和化学性质有关。真菌的细胞壁上主要含有葡聚糖、几丁质、蛋白质和脂类物质等，菌体细胞壁的表面由各种活性官能团组成，如羟基、氨基、磷酸基和羧基等。当溶液pH值较低时，溶液中存在大量的H+，菌体中的氨基等可以吸收H+而带正电，从而易与带负电的染料阴离子发生静电吸附，所以溶液中的H+对菌体吸附酸性大红有促进作用;随着溶液pH值升高，OH－浓度增大，OH－与菌体表面的磷酸基、羧基等官能团中的H+结合，使菌体表面带负电，进而阻止其与染料阴离子的结合，吸附量降低［9－10］。

2.4 吸附前后染料溶液的光谱变化

在染料浓度为50mg/L条件下，对菌体吸附前、吸附后的酸性大红溶液，分别用UV-1800紫外可见分光光度计，在200～800nm波长处进行扫描，测定结果如图6所示。

图6 吸附前、吸附后染料溶液的紫外可见光光谱图

由图6可知，吸附后，染料溶液的吸光度明显下降，表明预处理菌体对染料有良好的吸附效果，这与前面的试验结果相一致，且吸附后溶液的波峰位置和波形均没有发生明显变化，也没有新的波峰出现。据此可以推断，在预处理菌体吸附染料的过程中没有降解发生。

2.5 吸附平衡

改变染料初始浓度，调节溶液初始pH值均为3，分别在25℃、30℃、35℃和40℃下进行等温吸附试验，结果如图7所示。

图7 不同温度下菌体对染料的吸附等温线

由图7可知，随着溶液中染料平衡浓度的增加，真菌生物吸附剂对染料的吸附量也随之增加。在试验温度范围内，相同平衡浓度下，菌体对染料的吸附量随温度升高而增大，表明升高温度有利于吸附反应的进行。这是由于温度升高，活化了菌体上的吸附位点，增加了吸附位点数目。

等温吸附平衡过程用数学描述可得到吸附等温方程式，最常用的等温吸附模型有Langmuir模型和Freundlich模型。

Langmuir方程的线性化形式为

Freundlich方程的线性化形式为

式中:KF、n、b、q0均为常数，q0为吸附剂对染料单层的饱和吸附量;Ce为吸附平衡时的染料浓度;qe为菌体平衡吸附量。对实验数据进行线性拟合，拟合参数见表1。

表1 Langmuir和Freundlich方程拟合吸附等温线参数

由表1可知，吸附试验数据用Langmuir方程拟合时，线性相关性较好，不同温度下的相关系数R2均大于0.98，表明菌体对酸性大红的吸附可以用Langmuir等温吸附模型表达。在温度为25℃、30℃、35℃、40℃时，模型计算出的预处理菌体对酸性大红的饱和吸附量分别为 250 mg/g、312.5 mg/g、333.3 mg/g、357.1 mg/g，并随着温度升高而升高，与试验结果一致。Freundlich常数1/n均小于1，表明以上吸附过程均为优惠吸附。

2.6 吸附过程的热力学分析

针对不同温度下的吸附平衡试验，由Van’t Hoff方程求出吸附反应的熵变、焓变以及不同温度下的吉布斯自由能变化。

式中:R为摩尔气体常数，8.314 J/(mol·K);T为绝对温度，K;K为热力学平衡常数;ΔG为吸附自由能变化量，J/mol;ΔH为吸附焓变，J/mol;ΔS为吸附熵变，J/(mol·K)。根据式(3)和式(4)对实验数据进行线性拟合计算，结果见表2。

表2 不同温度菌体吸附染料的热力学数据

吸附自由能的变化量ΔG是吸附驱动力的体现，ΔG的绝对值越大，表明吸附推动力越大。由表2 可知，当吸附温度为 25、30、35、40℃ 时，菌体对染料吸附反应的ΔG都小于0，且温度越高，ΔG越小，表明菌体对染料的吸附是自发过程，且温度越高，自发反应进行的程度越大;菌体对酸性大红吸附过程的ΔS为109.45，ΔS大于0，表明固-液界面上分子运动比吸附前更加混乱，主要原因是更多水分子自固体表面向溶液中更杂乱运动;菌体对染料吸附过程的ΔH大于0，表明该吸附反应是吸热反应，温度升高，有利于吸附反应进行。

3 结论

1)真菌生物吸附剂青霉菌为丝状真菌，在液体培养基中振荡培养呈菌丝球状，培养3d时菌丝球对酸性大红有较好吸附效果。

2)溶液pH值和吸附温度对菌体的吸附能力有较大影响，当溶液pH为2～3时，菌体对酸性大红有较强的吸附能力;在25～40℃时，升高温度，菌体的吸附能力也随之增大。

3)菌体对酸性大红的等温吸附曲线可用Langmuir模型来表达。根据热力学函数关系，对吸附过程的ΔH、ΔS和ΔG的计算结果表明，菌体对酸性大红的吸附是一个自发和吸热的过程，温度升高有利于吸附过程的进行。

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