两种酵母对重金属Cu2+吸附性能的比较研究

王 辉， 陈心怡， 鲁 峰， 陈 媛， 蒋佳琪， 陈玲巧， 刘京华

(安徽科技学院 生命与健康科学学院，安徽 凤阳 233100)

近年来，随着社会经济的高速发展，环境污染问题引起了人们的普遍关注，其中重金属污染是导致这一问题的重要因素[1]。采矿、冶金、化工等工业生产过程中都会产生大量的重金属的污水[2]，特别是铅(Pb)、铬(Cr)、汞(Hg)、铜(Cu)等重金属极易在体内富集，对人类健康产生了严重威胁[3]。常见的用于去除废水中重金属离子的技术主要是物理化学方法，如沉淀法、反渗透法、离子交换法、吸附法等[4-5]。适合大面积水域广泛使用的，只有沉淀法和吸附法。其中沉淀法由于化学试剂价格低廉、操作过程简单受到广泛使用，但在处理过程中经常会产生各种新的杂质，并且对金属离子的去除效率不高；而吸附法(物理吸附、化学吸附和生物吸附)具有对污染物的吸附容量大、吸附能力强、无二次污染产生等优势，由于大多数吸附剂的制备较为昂贵，只能在规模化污水处理上略见成效。其中生物吸附法因具有吸附剂来源广泛、成本低廉、吸附范围广等优势而在重金属类污水处理中广泛使用。目前，一些新兴生物吸附剂的出现，使得生物吸附法逐步成为环境污水治理一种有效手段[6-8]。

相关研究发现酵母、细菌、藻类等因其独特的细胞表面结构和各类活性基团而适合作为生物吸附剂[9]。其中酵母菌是食品和酿造领域中常用的一种工业微生物，作为生物吸附材料其具有来源广泛、价格低廉、容易得到，细胞表面富含带有负电荷的基团，对重金属离子吸附效率高等优势[10]。本文分别以产阮假丝酵母(Candidautilis)和酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)作为吸附材料，摸索其对Cu2+的吸附条件，如溶液pH、吸附时间以及重金属Cu2+的起始浓度等。此外，还利用红外光谱对Cu2+吸附前后的两种酵母菌进行了检测和分析，为利用酵母菌处理Cu2+等重金属污染提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

产朊假丝酵母和酿酒酵母为安徽科技学院生物技术实验教学中心保藏菌种。将酵母接种于YPD培养基(培养基组成：葡萄糖20.0 g/L，蛋白胨10.0 g/L， 酵母膏10.0 g/L，pH 6.0)，28 ℃摇床振荡培养24 h。离心后用去离子水洗涤，56 ℃烘箱干燥，将样品研磨成粉并过筛(120 目)，制得酵母菌干粉样品。

1.2 Cu2+的吸附

不同pH值对Cu2+吸附的影响：分别取0.04 g酵母粉溶于40 mL浓度为80 mg/L的CuSO4溶液，调节pH值分别为3、4、5、6，封口，振荡摇瓶12 h后离心测上清液中Cu2+浓度。

酵母吸附Cu2+的响应时间：取0.04 g酵母粉溶于40 mL的pH为6的CuSO4溶液中，于不同时间点取样，离心测上清液中Cu2+的浓度。

不同初始Cu2+浓度对酵母吸附Cu2+的影响：取0.04 g酵母粉溶于40 mL初始浓度分别为5、10、20、40、60、80、100 g/mL的CuSO4溶液中。封口，振荡摇瓶12 h后离心测上清液中Cu2+浓度。

1.3 Cu2+浓度的测定

Cu2+的测定采用BOC法：0.7 mL 20%(w/v)柠檬酸铵，0.5 mL 4%(v/v)氨水-氯化铵4%(w/v)缓冲溶液，0.1 mL 40%(v/v)乙醛，1.1 mL的0.2%(w/v) BCO，2.1 mL去离子水加入到0.5 mL的悬浮液中用漩涡混合器混合[11]。作用10 min后，于545 nm处记录吸光度，绘制标准曲线,计算Cu2+浓度。本方法检出限是0.1 mg/L。

1.4 红外光谱的测定

利用KBr压片方法制备吸附Cu2+后的待测红外样品，测量时扫描次数64次，测量范围400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，利用Bruker OPUS 6.5软件进行数据处理分析。

2 结果与分析

2.1 pH值对Cu2+吸附的影响

图1 pH对产朊假丝酵母和酿酒酵母吸附Cu2+的影响Fig.1 The effect of pH on Cu2+ uptake by Candida utilis and Saccharomyces cerevisiae

由图1可知,不同的pH对两种酵母吸附重金属Cu2+具有显著影响。结果表明，产朊假丝酵母和酿酒酵母吸附Cu2+最佳pH均为6。同一pH下，产朊假丝酵母吸附Cu2+能力明显高于酿酒酵母。并且随着溶液pH的升高，产朊假丝酵母吸附Cu2+能力的优势更加明显。

2.2 Cu2+吸附量随时间的变化

图2 不同吸附时间对产朊假丝酵母和酿酒酵母吸附Cu2+的影响Fig.2 The effect of respond time on Cu2+ uptake by Candida utilis and Saccharomyces cerevisiae

酿酒酵母和产朊假丝酵母对Cu2+吸附量随时间的变化(图2)，不同吸附时间对两种酵母吸附Cu2+的影响明显。可以看出，产朊假丝酵母和酿酒酵母吸附Cu2+效果达到最高点时吸附时间为60 min。在前10 min，产朊假丝酵母和酿酒酵母吸附Cu2+能力相当。然而10 min之后，产朊假丝酵母较酿酒酵母吸附能力更强、吸附速度更快。随着吸附时间的进一步增加直到60 min，两种酵母对Cu2+的吸附量达到最高水平。

2.3 初始Cu2+浓度对Cu2+吸附的影响

图3 初始Cu2+浓度对产朊假丝酵母和酿酒酵母吸附Cu2+的影响Fig.3 The effect of initial Cu2+ concentration on Cu2+ biosorption by Candida utilis and Saccharomyces cerevisiae

不同初始Cu2+浓度对两种酵母吸附效果的影响如图3所示。可以看出，随着初始Cu2+浓度的增加，两种酵母吸附Cu2+吸附水平都有所提高，但是相同Cu2+初始浓度条件下，产朊假丝酵母对Cu2+的吸附明显高于酿酒酵母。当Cu2+浓度达到100 mg/L时，两种酵母对Cu2+的吸附容量达到最高值。

2.4 两种酵母吸附Cu2+的红外光谱

表1 酵母细胞的红外光谱中的主要吸收带及光谱归属Table 1 Main absorption bands and assignments in the infrared spectrum of yeast

图4产朊假丝酵母和酿酒酵母吸附Cu2+的红外光谱

Fig.4 FTIR spectra ofCandidautilisandSaccharomycescerevisiaefor Cu2+biosorption

为了更好的分析导致两种酵母对Cu2+吸附容量的差异，利用红外光谱对酵母细胞成分进行了分析。由图4和表1[12-14]可以看出，两种酵母细胞的红外光谱主要由3 000～4 000 cm-1多糖的O-H振动和蛋白质的N-H振动、2 800～3 000 cm-1脂类的C-H振动、1 500～1 700 cm-1蛋白质的酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ振动以及900～1 200 cm-1的C-C振动组成。在吸附Cu2+前后，两种酵母的红外峰相差很大。产阮假丝酵母1 650和1 550 cm-1蛋白质酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ显著高于酿酒酵母，尤其是在900～1 200 cm-1的多糖位置，产阮假丝酵母C-C振动峰位显著增强。

3 结论与讨论

与其它材料相比，生物吸附剂作为新型的重金属和活性染料的吸附材料具有吸附效率高的显著优势，然而其吸附效率则会受到pH、温度、吸附时间等多种因素的影响[15]。本文研究了酿酒酵母和产朊假丝酵母吸附Cu2+的性能，并进行了比较分析，结果显示：在pH=6、吸附时间60 min和初始Cu2+浓度为100 mg/L的条件下，两株酵母菌的吸附值达到最大[16]。这一结果与Bhainsa等人利用米根霉(Rhizopusoryzae)作为生物吸附材料吸附Cu2+得到的结论一致[16]。同时利用红外光谱对吸附Cu2+前后的酵母细胞进行了分析，在900～1 200 cm-1位置的多糖谱峰变化明显，说明两种酵母细胞壁多糖的含量和种类具有明显差异。而细胞壁多糖又是吸附Cu2+的主要位点，研究结果表明这可能是导致两类酵母菌吸附重金属Cu2+差异的主要原因。