胶质芽孢杆菌对重金属Cr(VI)的吸附

高玉振，赵 林，刘德飞，刘新利

(齐鲁工业大学 生物工程学院，山东 济南 250353)



胶质芽孢杆菌对重金属Cr(VI)的吸附

高玉振，赵 林，刘德飞，刘新利

(齐鲁工业大学 生物工程学院，山东 济南 250353)

以胶质芽孢杆菌微生物吸附剂为研究对象，探究了其对模拟废水中铬的吸附。分析了pH、铬初始质量浓度、吸附时间以及吸附温度对吸附的影响，得出了最优吸附条件：细菌培养物添加量10%，铬初始质量浓度为20 mg/L,pH5.0，吸附温度为20 ℃，吸附时间20 min，此时吸附率高达82.9%，最大吸附量为257 mg/L。Langmuir吸附模型能够很好地解释吸附过程。傅里叶红外光谱仪(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)分析表明：吸附重金属后，吸附剂表面官能团与表面结构发生了变化。

胶质芽孢杆菌；生物吸附；金属铬

0 引言

铬是一种在工业上广泛应用的重金属，主要以电镀、制革和印染等排放物进入水生生态系统[1]。环境污染物中的铬主要以六价和三价形式存在，由于具有高致癌性和高流动性，六价铬比三价铬的毒性更高[2-3]，铬污染的防治已经引起国内外的广泛关注。目前，常用的铬污染处理方法多为物理化学方法，包括吸附法、离子交换法和电解法等[4]，这些方法都会不同程度地产生二次污染，而且处理过程成本高，操作困难[5]。

生物吸附是一种新型的污染处理技术，是指利用农业废弃物和微生物等物质吸附环境系统中的重金属污染物的处理方法[6]。生物吸附剂具有来源广泛、操作简单、成本低等优点，不产生二次污染，在低浓度重金属污水处理方面具有广阔的应用前景[7]。文献[8]对酿酒酵母吸附重金属铬进行了动力学研究。文献[9]研究了胶质芽孢杆菌对重金属铀和汞的吸附性能。文献[10]以胶质芽孢杆菌为试验菌株，探究了其对金属锌和镉的吸附动力学模型。目前，多种微生物包括细菌、真菌和藻类都已经应用于污水处理中[11]。

为了探究胶质芽孢杆菌在铬污染处理上的应用前景，本试验以胶质芽孢杆菌为生物吸附剂进行了对铬污染物的吸附特性研究，讨论了pH值、吸附温度、吸附时间和温度等因素对吸附过程的影响，并应用不同吸附模型分析吸附过程，用傅里叶红外光谱仪(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)分析吸附前后吸附剂的变化情况。本文为更深层次研究生物吸附的机理提供了基础。

1 材料和方法

1.1 微生物吸附剂的制备

试验所用菌株为胶质芽孢杆菌(由山东省工业微生物菌种保藏中心保藏)，将试验菌株接种至产吸附剂培养基(蔗糖1%，酵母浸粉0.1%，MgSO40.02%，NaCl 0.1%，K2HPO40.15%，各成分添加量均为质量分数)中，在30 ℃摇床上150 r/min培养7 d。

1.2 重金属质量浓度的测定和吸附量的计算

用二苯碳酰二肼分光光度法[12]测定Cr(VI)的含量。

1.3 吸附试验

1) 适生区域：适宜于年均温17～20 ℃、年降水量1 000～2 000 mm、海拔600 m以下的地区生长，在酸性土或石灰质土壤上均可生长。长江流域以南广大地区可栽培。

取一定微生物吸附剂和一定体积的Cr(VI)添加到300 mL锥形瓶，用去离子水补至反应体系总体积100 mL。将锥形瓶放入恒温振荡器中，在恒定温度下进行吸附反应，达到吸附平衡后，取上清液测定Cr(VI)浓度，计算吸附结果。

2 结果与分析

2.1 重金属离子质量浓度对吸附过程的影响

为了研究重金属离子质量浓度对吸附过程的影响，添加10 mL微生物吸附剂、一定体积的重金属铬储备液和去离子水至100 mL反应体系，使得反应体系中Cr(VI)的质量浓度分别为0.5 mg/L、1.0 mg/L、2.0 mg/L、5.0 mg/L、10.0 mg/L、20.0 mg/L、50.0 mg/L，调节pH至5，在30 ℃恒温振荡器上振荡20 min。结果如图1所示。

图1 初始质量浓度对吸附的影响

由图1可以看出：在重金属铬离子质量浓度较低的时候，吸附比例较高(>95%),在这种情况下，微生物吸附剂吸附位点的数量远大于重金属铬化合物的数量。因此，绝大多数的重金属离子被吸附，微生物吸附剂吸附位点远没有饱和。与此相反，随着铬离子质量浓度的增加，吸附比例越来越小，吸附量越来越大(最大值为257 mg/L)，绝大部分的吸附位点与铬离子结合，大量的铬离子不被吸附。研究结果表明：在重金属离子质量浓度较低的情况下，随着金属离子质量浓度的增加，吸附量快速增加，在金属离子质量浓度较高的情况下达到饱和。以灭菌的空白培养基做空白对照试验，空白对照在任何金属离子质量浓度下均不能吸附。

2.2 pH值对吸附的影响

添加10 mL微生物吸附剂建立铬质量浓度为20 mg/L、总体积为100 mL的反应体系，将反应体系的pH值分别调节至3、4、5、6、7、8、9,振荡吸附20 min后，测定反应体系中铬的质量浓度。试验结果如图2所示。

由图2可以看出：在试验设定的范围内，pH值为3的极端酸性条件不利于Cr(VI)的吸附；随着pH值的升高，吸附能力逐渐增强；在pH值为5的情况下，达到最好的吸附效果；继续升高pH值会降低吸附效果。试验结果表明：反应溶液的pH值是吸附过程中最为重要的影响因素，因为它能影响微生物吸附剂的吸附位点和可溶性铬离子的状态。

取10 mL吸附剂和一定体积的重金属溶液配成初始质量浓度为20 mg/L的100 mL反应体系，将配置好的反应体系分别振荡吸附(0 min、30 min、1.5 h、7.5 h)。结果如图3所示。

图2 pH值对吸附的影响

图3 吸附时间对吸附的影响

由图3显示：在吸附过程的初始阶段，随着处理时间的增加吸附百分比迅速增加，大约90%的吸附发生在前20 min内，随着时间的推移，吸附比例基本上不再增加，达到吸附平衡。该现象可能是由于细菌的比表面积大，在吸附过程的初始阶段重金属迅速占据了吸附位点，随后未参与吸附的吸附位点越来越少。由快速吸附动力学分析，该反应是不涉及能量介导的物理吸附过程。

2.4 温度对吸附的影响

为了研究温度对吸附的影响，配制添加量为10 mL、初始Cr(VI)质量浓度为20 mg/L的反应体系，分别在10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃下振荡吸附30 min，吸附比例分别为81.5%，82.6%，83.1%和83.8%。

由试验结果可知：温度的变化并没有明显地影响吸附过程。表明该吸附过程没有明显的温度依赖性。在很多的吸附过程中，尤其涉及离子交换等耗能反应的金属吸附过程，反应过程很大程度上受温度的影响。

2.5 吸附等温线

为了研究吸附过程中金属离子与吸附剂之间的相互作用，本文应用了传统模型中的Langmuir和Freundlich来分析试验过程。等温吸附方程能够描述吸附可能的机理。将试验数据用如下两个方程进行拟合：

Langmuir 模型，

C/q=C/qmax+(1/k)qmax；

(1)

Freundlich模型，

Logq=logKf+1/ (nlogC)，

(2)

其中：C为溶液中的平衡质量浓度，mg/L；Kf为吸附量常数；q为吸附质量浓度，mg/L；qmax为最大吸附量；k为平衡常数；n为常数。拟合方程结果如表1所示。

表1 吸附等温线参数

表1中，R2为相关系数。拟合结果显示:Langmuir方程拟合的R2值为0.969，Freundlich方程拟合的R2值为0.806。因此，胶质芽孢杆菌对重金属铬的吸附更符合Langmuir方程。

2.6 吸附前后FTIR和SEM分析

图4 FTIR分析

为了研究吸附过程中细菌表面不同官能团的作用和吸附前后菌体表面的结构变化，对吸附前后的吸附剂进行红外光谱分析和扫描电镜分析。红外结果如图4所示，扫描电镜结果如图5和图6所示。

由图5和图6的SEM分析显示：吸附Cr(VI)后菌体的表面变得致密，相比吸附前，金属离子与菌体表面基团结合在细菌表面。这从侧面佐证了菌体表面多糖、蛋白质等参与了Cr(VI)的吸附[15]。

图5 吸附前SEM结果图6 吸附后SEM结果

3 结论

研究结果表明：胶质芽孢杆菌对重金属铬是一种有效的微生物吸附剂，其吸附效果主要受pH值、吸附时间和铬离子初始质量浓度的影响。温度的变化基本上不影响吸附反应。FTIR和SEM结果表明：吸附前后菌体表面结构发生了变化，吸附过程主要由细菌表面的多糖、蛋白质等物质参与。Langmuir吸附模型能很好地解释吸附过程。作为一种环境友好型重金属污染处理剂，胶质芽孢杆菌具有很好的应用前景。

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国家自然科学基金项目(31370110);“泰山学者”建设工程专项基金项目

高玉振(1989-),男,山东济宁人,硕士生;刘新利(1971-),男,通信作者,山东宁津人,教授,博士,硕士生导师,主要研究方向为微生物代谢活性物质.

2014-12-29

1672-6871(2015)04-0078-04

Q89

A