污染废水中Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+的微生物吸附研究

臧淑艳， 贾 晨， 李盼盼， 李笑妍， 侯雪敏， 尹利利， 马 原， 张 洋

(1.沈阳化工大学应用化学学院，辽宁沈阳 110142;2.解放军65735部队68分队，辽宁丹东 118010;3.中国石油大学化学工程学院，北京 102249)

重金属一般以天然浓度广泛存在于自然界中，但是现代工业特别是矿业的发展使人类对重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动日益增多，造成不少重金属进入水和土壤中.例如，Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+等重金属及其化合物主要来源于仪表厂、食盐电解、贵金属冶炼、化妆品、照明用灯、燃煤、水生生物等.大量留存于环境中的重金属物质以各种化学状态存在，即使浓度小，也会在各级食物链中逐步浓缩，从而造成公害［1-2］.

传统处理重金属一般采用物理化学方法，包括沉淀过滤、离子交换、反渗透、氧化还原、电解和膜分离等，这些技术存在的最大缺点在于处理低浓度的重金属废水时，处理的成本高，而且常伴有二次污染［3-5］.从一些研究报导来看，各种微生物结构复杂、代谢产物多样，这使其吸附重金属的行为与物理化学吸附行为有较大差异，而微生物法处理重金属污染废水具有独特的优势［6-8］.连宾等［9-11］报道了胶质芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus)对多种重金属废水的絮凝作用，证明其在水处理中有广泛的应用潜力.重金属的微生物吸附技术则在很大程度上弥补了传统方法的不足，尤其是在低质量浓度下(1～100 mg/L)，微生物方法具有处理效率高、费用低、对重金属吸附容量大、吸附速度快、吸附设备简单、易操作等优点［12-14］.因此，进一步研究微生物对重金属的吸附十分必要.

本研究利用传统的微生物吸附重金属的技术，首次将黑曲霉真菌和假单胞菌联合，以其发酵液为吸附剂，探讨它们对模拟污染废水中Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+的吸附性能，阐述它们联合对重金属吸附所起协同还是拮抗作用，以便为环境部门处理废水提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

假单胞菌购自中国科学院微生物研究所微生物菌种保藏中心，黑曲霉真菌由中国科学院生态研究所友情提供.

1.2 主要仪器

SG-921型双光数显测汞仪，江苏江分电分析仪器有限公司;自动手提式灭菌器(YXQ-LS-18SI型)，上海博讯实业有限公司医疗设备厂;原子荧光光谱仪(SK2003AZ型)，北京金索坤技术开发有限公司;数显电热恒温培养箱(JS061型)、数显双层气浴振荡器(ZD-85型)，金坛市杰瑞电器有限公司;电子天平(JA203N型)，上海海康电子仪器厂.

1.3 培养基

1.3.1 黑曲霉和假单胞菌扩大生长培养液

基本组成(1/L):200 g土豆浸出液，20 g葡萄糖，pH自然;假单胞菌的营养琼脂配方:NaCl 5 g/L，牛肉浸粉 3 g/L，蛋白胨10 g/L，纯净水1 000 mL，pH值为7.2～7.4.

1.3.2 制备吸附剂

取出4℃斜面保存的菌种，放置使其达到室温.无菌条件下接种在液体生长培养基中，放入摇床，29℃、150 r/min条件下培养24 h，4℃冷藏备用.

1.4 实验方法

1.4.1 菌体对重金属的吸附实验

菌体的称量:对于真菌采用直接称重的方法;对于细菌，将培养12 h的菌悬液在590 nm下测定OD值，每次使用相同体积、相同OD值的菌悬液，OD值高的用无菌水逐级稀释.

重金属的吸附实验:取一定浓度一定体积的金属离子(Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+)液体，将上述真菌和细菌菌体分别按质量和体积加入实验溶液中，29℃、150 r/min摇瓶培养.取样后8 000 r/min离心10 min，取上清液，用原子吸收分光光度计(Pb2+、Cu2+和 Zn2+)和测汞仪(Hg2+)分别测定残余离子浓度.以相同操作但不加菌体的重金属离子溶液作为对照，每个样品重复4次.吸附率按照下列公式计算:

qex是吸附率(mg/g)，c0、c分别为对照溶液金属离子浓度和实验样品金属离子浓度，V为溶液体积，n为稀释倍数，m为菌体质量(g).

1.4.2 金属离子浓度对吸附的影响

将一定浓度的金属离子(Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+)溶液加蒸馏水稀释成不同浓度梯度，将它们的pH值调为5.0～6.0，然后取50 mL，加入10%(体积分数)菌体，28℃、150 r/min摇瓶培养24 h后取样，测定上清液中重金属离子的残留量.

1.4.3 吸附剂用量对模拟废水中Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+去除的影响

模拟废水是由 Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+4种金属离子组成.设计5组实验，每组加菌总量(黑曲霉真菌和假单胞菌)是样品溶液的0%、2%、6%、10%、14%(体积分数)，黑曲霉真菌和假单胞菌的体积比例是1∶1.其他条件选用上述实验的最佳值，实验方法同上.

1.4.4 金属离子吸附率随时间变化的关系

将含4种元素的重金属溶液50 mL装入250 mL三角瓶中，加入5 mL的吸附剂，在25℃、150 r/min条件下，于振荡器中振荡，吸附不同时间:0、20、40、60、480、960、1 440 min.离心，取上清液，测量吸附前后溶液中离子浓度，每个样品4个平行.

1.4.5 有机物对模拟废水中金属离子吸附率的影响

选择3种多环芳烃(菲、芘、苯并芘)，在模拟废水中分别加入60 mg/L，吸附一定时间，然后去除菌体，分别测定上清液中重金属离子.其他条件和计算方法同1.4.1.

1.4.6 温度对金属吸附率的影响

实验分成4组，每组金属离子吸附实验的温度分别为25、30、35、40℃，其他选用上述实验的最佳条件，实验方法同上.

2 结果与讨论

2.1 金属离子质量浓度选择

金属离子质量浓度对吸附率有很大影响.由图1可以看出:在一定实验质量浓度范围内(0～80 mg/L)，随着重金属离子质量浓度的增加，黑曲霉真菌和假单胞菌对 Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+的吸附率都随之增加，基本符合Langmuir单分子层吸附行为［12］.但是当质量浓度大于80 mg/L时，2株菌对4种金属离子的吸附率逐渐降低.60～80 mg/L对此4种金属离子是最佳实验质量浓度范围.在同一质量浓度情况下，4种金属离子的去除率大小为:Zn2+＞Pb2+＞Cu2+＞Hg2+.

图1 浓度对几种金属离子吸附的影响Fig.1 Influence of concentration of several metal ion on biosorption

2.2 加菌量对 Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+吸附率的影响

吸附剂越多可以提供越多的吸附位点，从而提高金属离子去除率，但同时也一定程度上造成浪费.相反，如果吸附剂量偏低则提供的吸附位点较少，金属离子去除率必然降低.因此，合适的微生物剂量至关重要.由图2可以看出:随着加菌量的增加(0% ～10%)，几种金属吸附总量显著上升;当吸附剂总量从10% ～14%时，金属离子的吸附率提升缓慢.从能源节约的角度考虑，以下实验加菌总量定为10%(体积分数)，即黑曲霉真菌和假单胞菌分别为5%(体积分数).

图2 加菌量对金属吸附率的影响Fig.2 Influence of biosorption dose on metal ion biosorption

2.3 最佳吸附时间的选择

一般情况下，一定时间范围内，金属离子去除率随金属离子吸附时间的增加而增加.但是，当吸附时间超过一定范围，金属离子可能随吸附时间的延长而去除率增长缓慢，或者负增长(解吸速率可能大于吸附速率);并且吸附时间增长，会造成能源上的浪费.由图3可以看出:20 min到1 440 min时间范围内，金属去除率整体上呈现缓慢上升的趋势，但是变化不是很大(除了Cu2+).去除率上升的原因可能是随着吸附时间的增加，被吸附的金属离子逐渐增加，微生物吸附剂的表面吸附位点逐渐充分利用;另一方面某些金属离子通过微生物自身代谢从溶液中去除，从而加大了金属离子的去除率.综合考虑，以下实验吸附时间均采用20 min.

图3 吸附时间对金属吸附的影响Fig.3 Effect of sampling time on adsorption

2.4 有机物对模拟废水中金属离子吸附率的影响

现在的多数重金属污染废水中往往污染的种类表现为复合污染，即既有重金属也有有机污染物.所以在通过微生物吸附去除重金属的试验中，有机物的影响因素也是至关重要的.持久有机污染物则是重点考虑的对象.菲、芘、苯并(a)芘属于多环芳烃类，是典型的持久有机污染物，自然环境下难于降解.

由图4可以看出:菲、芘、苯并(a)芘对上述试验中的4种重金属的去除均有一定的影响，影响大小顺序如下:菲＞芘＞苯并(a)芘.这可能和这几种有机物的分子大小有关.

图4 有机物对4种金属离子吸附的影响Fig.4 Influence of organic compounds on adsorption

2.5 温度对模拟废水中 Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+去除的影响

温度对金属吸附试验很重要，温度稍高，离子活动较快，几种金属离子能够快速占据微生物吸附剂的吸附位点，同时温度过高也会加快解吸的速度.因此，适宜的吸附实验温度范围很关键.

由图5可以看出:当实验温度从25～35℃，Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+吸附率缓慢上升，但是变化幅度较小;当温度高于35℃时，Pb2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+的吸附率略有降低.考虑能源与吸附率的综合结果，以后实验的温度采用室温25℃.

图5 温度对金属吸附的影响Fig.5 Effect of temperature on adsorption

3 结论

探讨了黑曲霉真菌和假单胞菌对模拟废水中Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+的吸附.结果表明:实验条件下，最佳吸附浓度范围是60～80 mg/L;在同一浓度情况下，4种金属离子的去除率大小为Zn2+＞Pb2+＞Cu2+＞Hg2+;最适合的加菌总量为10%;吸附时间为20 min;菲、芘、苯并(a)芘对Pb2+、Hg2+、Cu2+和 Zn2+的去除均有一定的影响，影响大小顺序为菲＞芘＞苯并(a)芘;最适合的实验温度是25℃.

［1］ 张汉波，王力，沙涛，等.从铅锌矿渣中分离的微生物对重金属吸附特性的研究［J］.微生物学杂志，2004，24(5):34-37.

［2］ 张建民，王转斌.重金属离子对酵母影响的研究［J］.微生物学通报，1999，26(1):73-83.

［3］ 王翠苹，常颖，孙红文，等.电气石和微生物对水溶液中铅吸附研究［J］.环境科学与技术，2011，34(7):12-16.

［4］ 石杰，刘晓岚.用固定生物材料去除水体中的重金属离子［J］.环境科学与技术，2001，98(6):30-31.

［5］ Morel F M M，Kraepiel A M L，Amyot M.The Chemical Cycle and Bioaccumulation of Mercury［J］.Annu.Rev.Ecol.Syst.，1998，29:543-566.

［6］ 蔡佳亮，黄艺，郑维爽.生物吸附剂对废水重金属污染物的吸附过程和影响因子研究进展［J］.农业环境科学学报，2008，27(4):1297-1305.

［7］ 赵美萍，劭敏.环境化学［M］.北京:北京大学出版社，2005:240-244.

［8］ 连宾，莫彬彬.胶质芽孢杆菌吸附汞离子的机理及吸附平衡参数的定量关系研究:中国，CN201210017215［P］.2012-11-24.

［9］ Lian Bin，Chen Ye，Yuan Sheng，et al.Study on the Flocculability of Metal Ions by Bacillus mucilaginosus GY03 Strain［J］.Chinese Journal of Geochemistry，2004，23(4):380-386.

［10］ Chen Ye，Lian Bin.Ability of Bacillus Mucilaginosus GY03 Strain to Adsorb Chromium Ions［J］.Pedosphere，2005，15(2):225-231.

［11］ Lian B，Chen Y，Zhao J，et al.Microbial Flocculation by Silicate Bacterium Bacillus Mucilaginosus:Applications and Mechanisms［J］.Bioresource Technol，2008，99(11):4825-4831.

［12］刘刚，李清彪.重金属生物吸附的基础和过程研究［J］.水处理技术，2002，28(1):17-21.

［13］王亚雄，郭瑾珑，刘瑞霞.微生物吸附剂对重金属的吸附特性［J］.环境科学，2001，22(6):72-75.

［14］曹姝文，袁启顺，梅作汉，等.重金属废水治理试验［J］.水处理技术，2002，28(1):52-54.