酿酒酵母吸附水溶液中Cu2+的研究

徐鹏飞

（常州市武进区牛塘水利（务）站，江苏 常州 213000）

工业经济是国家经济的命脉，随着快速的城市化，现代重工业不断发展，工业废水的排放量日益增加。金属冶炼、电镀、印刷、机械制造等行业均会产生含铜、镍、铅、铬等重金属废水[1-3]，具有持久性和难生物降解性的金属废水如果不经处理直接排放，会对大气、水体、土壤等造成环境污染，严重威胁着人类的生存环境。我国政府高度重视重金属废水对环境的污染，为此制定了与世界接轨的严格的排放标准。2010年我国发布《第一次全国污染源普查公报》显示2007年全国重金属污染物产生量为2.54万t，排放量为0.09万t；2011年我国颁布了《国家环境保护的“十二五”规划》，明确指出要通过加强重点行业和区域的重金属污染防治来遏制重金属污染事件的高发事态[4]。

铜是城市综合污水中常见的四大有害重金属之一，主要来自电镀加工、矿山开采、金属冶炼、印刷电路板制造等行业[5]。相关研究表明，当水中含铜量为0.01 mg/L时，抑制水体的生化耗氧过程，影响水体自净；当水中含铜量为0.1～0.2 mg/L时，使鱼类死亡；当含铜量超过3.0 mg/L时，水体会产生异味。进入水体中的铜不仅污染环境，还会被生物体富集并把它转化为毒性更大的重金属有机化合物，通过食物链进入人体，威胁人类健康[6]。目前国内外对废水中重金属离子的去除多采用物理法、化学法、生物法等，这些工艺技术成本较高，特别是处理低浓度金属离子废水时，化学沉淀、絮凝等工艺效果较差。生物法反应周期长，且在反应过程中要严格控制外界因素对微生物的影响，不适宜大规模的生产应用。离子交换树脂和活性炭是公认的处理工业废水中金属离子的有效吸附剂，但是其高成本和低去除率限制了广泛应用。

生物吸附法（Biosorption）是一种较为新颖的处理含重金属废水的方法，是利用某些生物体本身的化学结构及成分特性来吸附溶于水中的金属离子，再通过固液两相分离来去除水溶液中金属离子。这种方法适宜处理大体积低浓度甚至是ppb级水平的重金属废水，其因具有高效、廉价的潜在优势受到研究人员的广泛关注[7]。目前常用的生物吸附剂有藻类、细菌等，通过细胞外吸附、细胞表面吸附和细胞内吸附铜离子，具有一定的经济和社会效益。酿酒酵母菌广泛用于食品及饮料工业，具有培养简单、易大量生产、成本低廉的优势，是理想的重金属生物吸附剂，已有研究表明酿酒酵母菌可有效吸附铜离子[8]，张爱茜等[9]发现啤酒厂废酵母对于低浓度的Cu2+具有一定的去除能力，且为快速吸附过程，符合Langmuir模型。陈灿等[10]发现用工业废弃酿酒酵母吸附废水中Cu2+，Cu2+去除率最高可达56%。柳思勉等[11]制备啤酒酵母菌小球，最高可吸附33.49 mg/g铜，使用后的吸附剂可用0.1 mol/L的盐酸解吸再生，可循环使用3次以上。

本研究聚焦于酿酒酵母吸附Cu2+，系统研究了酵母用量、吸附时间、摇床转速、溶液pH值、吸附温度等因素对Cu2+吸附的影响，为工业化生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 菌株

酵母。

1.2 试剂

1 g/L含铜溶液：称取3.9062 g硫酸铜（CuSO4:5H2O）溶于水后，加入几滴硫酸（1∶1），用去离子水定容至1000 ml。

200 g/L柠檬酸铵溶液（掩蔽剂）：称取20.0 g柠檬酸铵，用去离子水定容至100 ml。

50 g/L氯化铵-氨水缓冲溶液：称取5.0 g氯化铵并加入20 ml浓氨水，用去离子水定容至100 ml，调节pH值至10.0。

0.2%双环己酮草酰双腙（BCO）溶液：取0.20 g BCO和20 ml无水乙醇混合，加热溶解，冷却至室温后用去离子水定容至100 ml。

实验所用试剂均为分析纯。

1.3 铜溶液的检测方法

在配制好的50 mg/L的铜标准储备液中加入酵母粉，吸附30 min后，取适量样品离心5 min，然后取2 ml上清液分别加入贴好标签的容量瓶中，再分别加5 ml柠檬酸铵溶液、5 ml氨水-氯化铵缓冲溶液和5 ml 0.2% BCO溶液，最后用去离子水定容，摇匀。显色5 min后用1 cm比色皿在波长600 nm处用紫外可见分光光度计（TU-1810，北京普析通用仪器有限责任公司）测溶液的光密度值。

1.4 标准曲线绘制

分别移取 0、2.0、4.0、8.0 ml浓度为 5.0 mg/L、1.6、2.4、3.2、4.0 ml浓度为 50.0 mg/L 的铜标准液于8个50 ml容量瓶中，编号分别为1～8，依次加入5 ml柠檬酸铵溶液，5 ml氨水-氯化铵缓冲溶液和5 ml BCO乙醇溶液，最后用去离子水定容，摇匀（每加入1种试剂后都需摇匀）。溶液显色5 min后用1 cm比色皿在波长600 nm处测定8个试样的吸光度（表1）。以扣除试剂空白后的吸光度为纵坐标、Cu2+浓度为横坐标，绘制标准曲线（图1）。由图1可知，Cu2+浓度在0.02～4.00 mg/L线性关系良好，线性回归方程是y=0.24658x-0.00115，相关系数R2= 0.98442。

表1 铜标准溶液吸光度测量有关数据记录

图1 标准曲线

2 结果与分析

2.1 酵母用量对Cu2+吸附的影响

向1 g/L含铜溶液中分别添加3 g、4 g、5 g、6 g和8 g酵母，吸附30 min后，取2 ml上清液按照1.3中方法测定溶液的吸光度（表2），并计算Cu2+的去除率（图2）。

表2 酵母用量对Cu2+吸附的影响

图2 酵母用量对Cu2+吸附的影响

图2结果显示了随着酵母用量由3 g/L增加至5 g/L时，Cu2+吸附率逐渐升高，当酵母用量为5 g/L时，Cu2+吸附率有一个峰值，当酵母用量由5 g/L增加至6 g/L时，Cu2+吸附率开始下降，虽然当酵母用量为7 g/L时，Cu2+吸附率又提高了，但吸附增加量不大，考虑经济因素，为了达到最佳吸附效果，所以选择酵母量为5 g/L。

2.2 吸附时间对Cu2+吸附的影响

向1 g/L含铜溶液中投加5 g/L酵母，吸附时间分别设置为15 min、30 min、45 min、60 min和180 min，研究吸附时间对Cu2+吸附率的影响。表3和图3的结果显示当吸附时间从15 min延长至45 min时，酵母对Cu2+的吸附率呈上升的趋势，当吸附时间为45 min时，酵母对Cu2+的吸附率最高，达到92.3%。随着吸附时间的进一步延长，酵母对Cu2+的吸附率慢慢下降，因此吸附时间为45 min时，因此吸附0.75 h时，酵母吸附Cu2+的效果最佳。

表3 吸附时间对Cu2+吸附的影响

图3 吸附时间对Cu2+吸附的影响

多数研究者[12-15]认为啤酒酵母对重金属离子的吸附过程分成2个阶段：第一阶段吸附很快，在很短时间内，生物吸附量约为吸附完全时吸附量的90%左右，此为吸附率较高阶段，这一过程的特点是吸附速度快、可逆、不依赖于细菌表面官能团的种类、不依赖细菌的能量代谢，是菌体被动吸附的过程。对相同的重金属离子，聚集量与菌体的带电量（Q）有关，Q数值越大，聚集量越大，是菌体表面所带的负电荷与溶液中金属阳离子之间静电作用结果。第二阶段为内部渗透阶段，吸附速度很慢，停留在菌体表面的金属离子与菌体表面的有机官能团进行络合和离子交换的过程。

2.3 摇床转速对Cu2+吸附的影响

向1 g/L含铜溶液中投加5 g/L酵母，吸附时间为45 min时，将摇床转速从50 r/min提高到200 r/min，以50 r/min为增长梯度，从表4和图4可以看出摇床转速由50 r/min上升至100 r/min时，酵母对Cu2+的吸附率呈上升趋势，随着转速提高到200 r/min时，吸附率不断下降。所以转速在100 r/min时，酵母对Cu2+的吸附率最高，为94.33%，此时吸附效果最佳。

表4 摇床转速对Cu2+吸附的影响

图4 摇床转速对Cu2+吸附的影响

2.4 pH值对Cu2+吸附的影响

向1 g/L投加5 g/L酵母，吸附时间为45 min摇床转速为100 r/min时，分别调整溶液的pH值为1、3、5、7、9，研究pH值对酵母吸附Cu2+的影响，结果如表5和图5所示。

表5 pH值对Cu2+吸附的影响

图5 pH值对Cu2+吸附的影响

2.5 吸附温度对Cu2+吸附的影响

向1 g/L向1 g/L投加5 g/L酵母，调整溶液的pH值为7，吸附时间为45 min，摇床转速为100 r/min时，将吸附温度从25℃提高到45℃，以5℃为增长梯度，研究不同温度下酵母对Cu2+的吸附效果，结果如表6和图6所示。

表6 吸附温度对Cu2+吸附的影响

图6 吸附温度对Cu2+吸附的影响

图表结果显示了温度从25℃到30℃时，酵母对Cu2+的吸附率呈上升的趋势，温度从30℃增加到45℃时，酵母对Cu2+的吸附率呈下降趋势并趋于稳定。所以温度在30℃时，酵母对Cu2+的吸附率最大，达到94.19%，此时的吸附效果最佳。吸附温度对吸附效果有一定的影响。一般认为，温度的升高可以使溶液中的离子运动速度加快，使溶液中活化离子增多，从而促进离子的交换反应。通过用啤酒酵母吸附重金属阳离子的方法，发现在一定温度范围内，温度的升高有利于提高对重金属离子的吸附效率。但由于升温会增加运行成本，而且温度过高生物材料会失活，因此在微生物吸附过程中不宜采用高温操作。但是蔡佳亮等[16]认为生物吸附是一个放热反应的过程，因此，啤酒酵母对重金属的吸附能力随温度的下降而增大。

3 结论

本研究用酿酒酵母作为生物吸附剂吸附Cu2+，探讨了酿酒酵母在不同条件下对重金属铜离子的吸附能力。研究结果表明：

（1）Cu2+的初始浓度为1 g/L，吸附时间30 min时，酵母投加量为5 g/L时，吸附率最高，达到92.80%；

（2）当Cu2+的初始浓度为1 g/L，酵母投加量为5 g/L，吸附时间为45 min时，Cu2+的吸附率最高，达到92.30%；

（3）当Cu2+的初始浓度为1 g/L，酵母投加量为5 g/L，吸附时间为45min时，转速在100 r/min时的Cu2+的吸附率最高，为94.33%；

（4）当Cu2+的初始浓度为1 g/L，酵母投加量为5 g/L，吸附时间为45 min，转速在100 r/min时，溶液pH为7时的Cu2+的吸附率最高，为95.48%；

（5）当Cu2+的初始浓度为1 g/L，酵母投加量为5 g/L，吸附时间为45 min，转速为100 r/min，溶液pH为7时，吸附温度为30℃时, Cu2+的吸附率最高，为94.19%。

因此酿酒酵母吸附铜离子时，铜离子初始浓度为1 g/L，最佳的酵母投加量为5 g/L，最佳的吸附条件为：吸附时间 45 min，转速100 r/min，pH为 7，温度30℃。

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