丝胶蛋白的固定化及其对Cd2+的吸附效果研究*

毛 玲 何星存 郑 波 苏小建# 韦鸿飞 何星基 蔡国华

(1.广西师范大学环境与资源学院,珍稀濒危动植物生态与环境保护省部共建教育部重点实验室，广西 桂林 541004；2.贺州学院化学与生物工程学院，广西 贺州 542899；3.桂林奥尼斯特节能环保技术有限公司,广西 桂林 541004)

尽管环境中的镉浓度极低(大气中一般不超过0.003 μg/m3，水中不超过10 μg/L，土壤中不超过0.5 mg/kg[1-2])，但镉是一种毒性很大的重金属，可以通过食物链富集进入人体，镉在人体内形成的镉硫蛋白通过血液累积在肝、肾和骨骼中，导致这些脏器、骨骼等发生病变甚至癌变，因此镉被《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)认定为第一类污染物[3-4]。目前，国内外对处理含镉废水的研究很多，主要处理方法有化学沉淀法、离子交换法、吸附法、膜分离法、生物法等[5-9]，其中吸附法是一种操作简单且应用广泛的方法，但是吸附剂价格高、吸附效率低是限制其被广泛应用的原因，因此寻找廉价、高效、选择性强且易于再生的吸附剂是吸附法的研究热点。

丝胶蛋白是一种天然水溶性球蛋白，由18种氨基酸组成，其分子结构中的氨基和羧基对重金属具有螯合作用[10-11]。长期以来，制丝及纺织工业产生的丝胶蛋白没有得到利用，而是将其随废水一起排放，既浪费资源，又增加水体污染。因此，将丝胶蛋白用于吸附废水中的重金属，既能减少制丝及纺织工业对环境的污染，又能实现废物资源的再生利用，达到“以废治废”的目的。由于丝胶蛋白水溶性极好，与重金属结合后形成的螯合物又难以固液分离，也不易回收再生使用，因此不适合直接用作重金属吸附剂来使用。本研究通过对固定化载体、制备方法和条件的优化，将自制煮茧废水中的丝胶蛋白固定，成功制备了一种机械强度适中且能固液分离的新型重金属吸附剂，与传统吸附剂(活性炭[12]、膨润土[13]、沸石[14])相比，具有价格低廉、选择吸附性好、处理效率高的特点。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

煮茧废水(实验室自制，丝胶蛋白质量浓度为8 mg/mL)；戊二醛，体积分数为25%，若无特殊说明，都稀释为2%使用；乙酸溶液，体积分数为2%；50 mmol/L柠檬酸缓冲液(pH=5.0)；生理盐水，NaCl质量分数为0.9%；硝酸溶液，1 mol/L；海藻酸钠溶液，20 g/L；氯化钙溶液，20 g/L；壳聚糖，分析纯。

美国PerkinElmer公司的Analyst 800型原子吸收光谱仪；SHZ-82A型水浴恒温振荡器；202型电热恒温干燥箱；FB224自定内校型电子分析天平；PHS-4C+型酸度计。

1.2 固定化丝胶蛋白的制备

1.2.1 壳聚糖固定化丝胶蛋白

吸附—交联法：(1)称取1 g壳聚糖，溶于50 mL乙酸溶液中配成壳聚糖溶液，用5 mL注射器将壳聚糖溶液逐滴滴入过量1 mol/L氢氧化钠溶液中，过滤，用蒸馏水洗涤生成的白色颗粒至中性，用柠檬酸缓冲液浸泡，于4 ℃冰箱中保存过夜；(2)称取1 g步骤(1)中处理过的白色颗粒，加入10 mL煮茧废水，于4 ℃冰箱中吸附5 h后用柠檬酸缓冲液冲洗；(3)将10 mL戊二醛加入到吸附丝胶蛋白后的白色颗粒中，振荡30 min，室温下静置1.5 h，用柠檬酸缓冲液冲洗交联载体，制得的壳聚糖固定化丝胶蛋白(丝胶蛋白Ⅰ)贮存于4 ℃冰箱中备用。

交联—吸附法：(1)预处理方法同吸附—交联法的步骤(1)；(2)称取1 g步骤(1)中处理过的白色颗粒，加入10 mL戊二醛，振荡30 min，室温下静置1.5 h，用柠檬酸缓冲液冲洗形成的交联载体；(3)加入10 mL煮茧废水，于4 ℃冰箱中吸附5 h，再用柠檬酸缓冲液冲洗，制得的壳聚糖固定化丝胶蛋白(丝胶蛋白Ⅱ)贮存于4 ℃冰箱中备用。

包埋—交联法：(1)称取1 g壳聚糖，溶于50 mL乙酸溶液中，按1∶1(体积比)的配比加入煮茧废水，混合均匀，用5 mL注射器将混合液逐滴滴入过量1 mol/L氢氧化钠溶液中，过滤，用蒸馏水洗涤生成的白色颗粒至中性，用柠檬酸缓冲液浸泡，于4 ℃冰箱中保存过夜；(2)称取1 g步骤(1)中处理过的白色颗粒，加入10 mL戊二醛，振荡30 min，室温下静置1.5 h，用柠檬酸缓冲液冲洗交联载体，制得的壳聚糖固定化丝胶蛋白(丝胶蛋白Ⅲ)贮存于4 ℃冰箱中备用。

1.2.2 海藻酸钠固定化丝胶蛋白

交联—包埋法：(1)海藻酸钠溶液与煮茧废水按体积比1∶1混合均匀，加入与煮茧废水等体积的戊二醛溶液，振荡30 min后静置交联2 h，用5 mL注射器将混合液逐滴滴入过量氯化钙溶液中，滤出凝胶小球；(2)将凝胶小球全部浸泡于氯化钙溶液中，于4 ℃冰箱中静置硬化2 h，最后用生理盐水洗涤，制得的海藻酸钠固定化丝胶蛋白(丝胶蛋白Ⅳ)贮存于4 ℃冰箱中备用。

包埋—交联法：(1)海藻酸钠溶液与煮茧废水按体积比1∶1混合均匀，37 ℃水浴30 min，用5 mL注射器将混合液逐滴滴入过量氯化钙溶液中，滤出凝胶小球；(2)称取1 g凝胶小球与10 mL戊二醛交联2 h，用生理盐水洗涤，制得的海藻酸钠固定化丝胶蛋白(丝胶蛋白Ⅴ)贮存于4 ℃冰箱中备用。

直接包埋法：(1)凝胶小球的制备同包埋—交联法的步骤(1)；(2)后续步骤同交联—包埋法的步骤(2)，制得的海藻酸钠固定化丝胶蛋白(丝胶蛋白Ⅵ)贮存于4 ℃冰箱中备用。

1.3 吸附实验

称取1 g固定化丝胶蛋白，分别加入两种模拟含Cd2+废水中，一种为无干扰离子的含Cd2+废水，体积为100 mL，Cd2+质量浓度为100 mg/L，一种为有干扰离子Ga2+(400 mg/L)和Na+(200 mg/L)的含Cd2+废水，体积为100 mL，Cd2+质量浓度为100 mg/L。在温度为30 ℃、转速为150 r/min的条件下振荡吸附4 h，用原子吸收光谱仪测定吸附前后Cd2+浓度，并按式(1)计算吸附量。

(1)

式中：Q为吸附量，mg/g；c0为吸附前Cd2+质量浓度，mg/L；c为吸附后Cd2+质量浓度，mg/L；V为模拟废水体积，L；m为固定化丝胶蛋白质量，g。

2 结果与讨论

2.1 固定化载体及制备方法的选择

2.1.1 耐酸碱性实验

配制pH分别为3、7、10的磷酸缓冲液，将不同固定化丝胶蛋白置于磷酸缓冲液中浸泡24 h，观察其形态变化。结果发现，以海藻酸钠为载体制备的固定化丝胶蛋白都只能存在于pH=3的磷酸缓冲液中，而以壳聚糖为载体制备的固定化丝胶蛋白在3种pH条件下均能保持形状不变，这是因为在壳聚糖分子中，有相当数量的游离氨基，这些氨基可以和双功能试剂(如戊二醛等)发生交联，形成机械性能良好、化学稳定性高的固定化载体[15]。因此，从酸碱稳定性考虑，应选择壳聚糖作为固定化丝胶蛋白的载体。

图1 不同固定化丝胶蛋白对Cd2+的吸附量Fig.1 Adsorption quantity on Cd2+ of different immobilized sericin proteins

2.1.2 吸附量比较

由图1可知，壳聚糖为载体的固定化丝胶蛋白对Cd2+的吸附量几乎不受Ga2+、Na+干扰离子的影响，而海藻酸钠为载体的固定化丝胶蛋白对Cd2+的吸附量受Ga2+、Na+干扰离子的影响很明显。以壳聚糖为载体时，用包埋—交联法制备的固定化丝胶蛋白对Cd2+的吸附效果最好。以海藻酸钠为载体的固定化丝胶蛋白虽然对有干扰离子的含Cd2+废水处理效果不佳，但其对无干扰离子的含Cd2+废水处理效果普遍优于以壳聚糖为载体的固定化丝胶蛋白，其中包埋—交联法制备的固定化丝胶蛋白对Cd2+的吸附效果最好。因此，包埋—交联法是一种理想的丝胶蛋白固定化方法。

2.1.3 再生利用性能

将1.3节吸附实验后的固定化丝胶蛋白用蒸馏水洗涤2～3次，用硝酸溶液振荡解析4 h，再用蒸馏水洗涤至中性，重复1.3节无干扰离子的含Cd2+废水吸附实验。如此再生利用5次，考察不同固定化丝胶蛋白的再生利用性能，结果如图2所示。随着再生利用次数的增加，固定化丝胶蛋白对Cd2+的吸附量逐渐降低。对于同一种载体，用不同固定化方法制备的固定化丝胶蛋白再生利用性能差别不大。再生利用5次后，海藻酸钠为载体的固定化丝胶蛋白对Cd2+的吸附量平均值从102.26 mg/g降至11.09 mg/g，而壳聚糖为载体的固定化丝胶蛋白对Cd2+的吸附量降低极小，原因在于壳聚糖分子中的氨基和羟基具有与重金属离子形成配位键的能力，能形成稳定的螯合物[16-18]。

图2 不同固定化丝胶蛋白的再生利用性能Fig.2 The property for reuse of different immobilized sericin proteins

综上所述，制备固定化丝胶蛋白的最佳载体为壳聚糖，最佳制备方法为包埋—交联法。

2.2 壳聚糖固定化丝胶蛋白的吸附条件优化

2.2.1 壳聚糖溶液浓度对Cd2+的吸附效果影响

称取一定质量的壳聚糖，溶于100 mL乙酸溶液中，配制成壳聚糖质量浓度分别为5、10、15、20、25、30 g/L的壳聚糖溶液，其他条件按照壳聚糖为载体的包埋—交联法进行固定化，得到壳聚糖固定化丝胶蛋白。壳聚糖浓度不同对制成的固定化丝胶蛋白成球效果差异很大(见表1)，其中壳聚糖质量浓度为15 g/L或20 g/L时固定化丝胶蛋白的成球效果较好。

表1 壳聚糖质量浓度对固定化丝胶蛋白成球效果的影响

用不同壳聚糖质量浓度下按包埋—交联法制备的固定化丝胶蛋白对无干扰离子的含Cd2+废水进行吸附实验，结果如图3所示。由图3可以看出，随着壳聚糖浓度的提高，固定化丝胶蛋白对Cd2+的吸附量逐渐升高。壳聚糖质量浓度为20 g/L时，Cd2+的吸附量达到最大，之后逐渐降低。这是因为过量的壳聚糖会使固定化丝胶蛋白机械强度过高，表面致密，影响Cd2+的空间扩散。因此，选用20 g/L的壳聚糖比较合适。

图3 壳聚糖质量浓度对Cd2+的吸附效果影响Fig.3 Effect of chitosan concentration on Cd2+ adsorption

2.2.2 煮茧废水与壳聚糖溶液体积比对Cd2+的吸附效果影响

固定壳聚糖质量浓度为20 g/L，煮茧废水与壳聚糖溶液体积比分别设为2∶1、1∶1、1∶2、1∶4、0∶1，其他条件按照壳聚糖为载体的包埋—交联法进行固定化，得到壳聚糖固定化丝胶蛋白，对无干扰离子的含Cd2+废水进行吸附实验，结果如图4所示。当煮茧废水与壳聚糖溶液体积比为2∶1时，无法制备出成形的固体颗粒，故不再考虑。从图4来看，当煮茧废水与壳聚糖溶液体积比变大，即丝胶蛋白含量增大时，Cd2+的吸附量逐渐增加。当煮茧废水与壳聚糖溶液体积比为1∶1时，吸附量达到最大值，为101.23 mg/g，因此选择煮茧废水与壳聚糖溶液体积比为1∶1作为最佳配比。

图4 煮茧废水与壳聚糖溶液体积比对Cd2+的吸附效果影响Fig.4 Effect of cocoon boiling wastewater to chitosan solution volume ratio on Cd2+ adsorption

2.2.3 戊二醛体积分数对Cd2+的吸附效果影响

固定壳聚糖质量浓度为20 g/L，煮茧废水与壳聚糖溶液体积比为1∶1，按照壳聚糖为载体的包埋—交联法进行固定化，得到固定化丝胶蛋白，考察戊二醛体积分数为1%、2%、4%、6%、8%对无干扰离子的含Cd2+废水的吸附效果影响，结果如图5所示。由图5可见，戊二醛体积分数为2%时Cd2+吸附量最大，达到102.72 mg/g；戊二醛体积分数过高或过低时Cd2+吸附量均较低。这是因为戊二醛既是固定化反应的交联剂，又是蛋白质的变性剂[19]。因此，戊二醛体积分数以2%为宜。

图5 戊二醛体积分数对Cd2+的吸附效果影响Fig.5 Effect of glutaraldehyde volume fraction on Cd2+ adsorption

3 结 论

以壳聚糖为载体，采用包埋—交联法，在壳聚糖质量浓度为20 g/L、煮茧废水与壳聚糖溶液的体积比为1∶1、戊二醛体积分数为2%的条件下，制备的壳聚糖固定化丝胶蛋白成球效果好、易操作、机械强度适中，对Cd2+的吸附量最大达到102.72 mg/g。

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