尾矿藻表面磷调控及其强化固定重金属研究

2020-11-14王芷芯朕1

金属矿山 2020年10期

夏令王芷芯黄容王朕1

（1.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北武汉430070；2.国土资源部稀土稀有稀散矿产重点实验室，湖北武汉430070；3.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070）

铅（Pb2+）等重金属离子由于其毒性和难降解性对人体健康和生态环境具有巨大危害［1-2］。其主要来源于采矿、电池、染料、制造、充电等工业的生产制造，低浓度的铅可导致许多严重的疾病，如贫血、高血压、肾病综合征和肝炎等［3-4］。吸附是去除重金属的一个非常好的方法，其中生物吸附因其价廉易得，无二次污染等优势获得越来越多的重视。

生物吸附剂中，微藻细胞壁上含有丰富的官能团，主要包括羟基、羧基和氨基等，具有很高的富集重金属的能力［5］，微藻具有繁殖快、易培养、可选择种类多等特点，具有广阔的应用前景。目前应用的微藻吸附剂多是干燥或预处理的藻类生物质干物质［6-7］。相比之下，活藻吸附更具有优势，首先，活藻在生长过程中，可以同时去除重金属和过剩营养物（硝酸盐和磷酸盐）［8-9］；此外，活藻的胞内吸收和累积作用，可降低部分污染物如磷元素的残留［10］；更重要的是活藻吸附相较于死藻等生物吸附质，省略了干燥、活化等加工步骤，可以更好地应用于实际工程中［11］。

活藻本身对重金属的吸附能力弱，磷调控可以增加微藻的耐受性，强化重金属的固定能力，因此本实验通过改变培养基中的磷浓度对微藻进行改性［12］。实验利用Zeta电位仪测定藻表面的负电性，探究pH对藻类吸附重金属的影响［13］，利用傅里叶红外光谱法（FT-IR）对吸附前后的微藻进行表征，判断微藻表面官能团种类，另外通过自动电位滴定仪测定的数据，模拟出微藻表面官能团的浓度，以期获得对吸附机理的深刻认知。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本研究采用的微藻Didymogenes palatinaXR，分离自广东省韶关市凡口尾矿废弃地。经土壤分离纯化后的藻种培养在BG-11培养基中。1 L的BG-11培养基中含有300 mg NaNO3，36 mg CaCl2·2H2O，6 mg柠檬酸铵，6 mg柠檬酸铁铵，1 mg EDTA，2.86 mg H3BO3，1.81 mg MnCl2·4H2O，0.222 mg ZnSO4·7H2O，0.39 mg NaMoO4·5H2O，0.079 mg CuSO4·5H2O，0.050 mg CoCl2·6H2O，40 mg K2HPO4。

分离纯化出来的藻种在上述BG-11培养基中活化3 d后接种到不同浓度磷培养基种。BG-11培养基中磷浓度分别为40 mg/L，80 mg/L，160 mg/L，200 mg/L。每种磷浓度下的藻培养3组平行样。所有的藻样置于恒温恒湿箱中进行培养，以光照14 h、黑暗10 h周期昼夜循环，温度设置为25℃。培养在40 mg/L，80 mg/L，160 mg/L，200 mg/L的活体微藻分别被命名为B-40，B-80，B-160，B-200。

1.2 试验方法

吸附试验所用到的Pb2+溶液是通过稀释1 000 mg/L的Pb（NO3）2溶液得到的。将藻样置于有2 mL Pb2+溶液的带盖离心管中，混匀后置于恒温摇床上振荡，温度设置在25℃，转速为150 r/m。通过调节Pb2+溶液的初始pH为3、4、5、6来探究pH对藻类吸附重金属的影响。吸附等温线在Pb2+初始浓度为2～20 mg/L下进行。

1.3 分析方法

1.3.1 微藻生物量及磷浓度的测试

微藻的生物量浓度（BC，g/L）在波长范围450～680 nm内与光密度呈线性关系。实验选择680 nm的光密度（OD680）来测量Didymogenes palatinaXR的生物量浓度，OD680与Didymogenes palatinaXR在紫外分光光度计下的生物量浓度的线性关系式［14］如下：

实验采用钼锑比色法测定了培养基中的总磷，紫外分光光度计波长设置为700 nm。

1.3.2 Pb2+生物吸附量的计算

用原子吸收光谱法（ZEEnit700，Analyjena，Germany）测定初始Pb2+浓度及实验后上清液中的Pb2+浓度，通过式（2）计算活藻对重金属离子的吸附量。

式中，Qe为活藻对重金属离子的吸附量，mg/g；C0为重金属溶液的初始浓度，mg/L；Ce为吸附完成后离心得到的上清液中的重金属离子浓度，mg/L；M为用于吸附的活藻质量，g；V为重金属溶液的体积，L。

1.3.3 吸附等温线模型

实验使用Langmuir模型（式（3））、Freundlich模型（式（4））和Temkin模型（式（5））对测得的活藻吸附量数据进行了模拟，计算式如下：

式中，Qm为活藻吸附重金属离子的最大吸附量，mg/g；KL、Kf、A、B分别为Langmuir、Freundlich和Temkin常数；n是吸附强度的平衡常数。

1.3.4 pH对微藻吸附实验的影响

通过Zeta电位仪（Malvern Zetasizer Nano ZS90）测定在pH变化的条件下微藻细胞表面的负电性。利用Medusa软件模拟出不同pH条件下金属Pb2+在环境中的存在形式。

1.3.5 藻表面特性的表征

利用傅里叶红外光谱法（FT-IR）在波长为400～4 000 cm-1的条件下测定出微藻表面官能团的特征峰，并通过光谱分析探究微藻表面结合金属离子的特异性官能团种类。使用自动电位滴定仪测定微藻细胞表面的结合位点，并利用ProtoFit软件计算表面官能团浓度。

2 试验结果与讨论

2.1 藻细胞载磷改性

微藻Didymogenes palatinaXR在不同磷浓度下培养的生长曲线如图1所示。藻类生长的4个时期包括延滞期、对数增长期、稳定期及衰亡期［15］。由图1可知，0～2 d时该藻生长缓慢；在第2 d后藻类生物量迅速增加，说明细胞进入对数增长期；至第6 d时藻类生物量增长趋缓，生长进入稳定期；在第8 d达到最大生物量后进入衰亡期。微藻在第8 d的平均生物量最大，故采用第8 d的微藻细胞进行吸附实验。

微藻在不同磷浓度培养条件下生长至第8 d时的生物量及其对培养液中磷的去除率如表1所示。随着培养基磷浓度的增加，微藻生物量有所提高，而B-200的生物量明显低于其他条件下生长的微藻，说明过高磷浓度会抑制微藻生长。本实验中最适宜微藻生长的磷浓度为160 mg/L。此外，研究分析了藻细胞对培养基中磷元素的去除率，去除率超过90%，说明活藻细胞可以应用于治理环境磷污染。

2.2 不同表面载磷微藻对Pb2+的吸附

2.2.1 pH影响

图2（a）为不同pH下微藻对Pb2+的去除率。由图2（a）可以得知，随着pH的增大，各种改性藻体对金属离子的去除率均有提高，特别是在pH由3上升至4时，去除率有显著提升，而在不同pH下，B-160的去除效果始终最为优异。

图2（b）显示不同载磷微藻的Zeta电位。不难发现，在pH为2～10的范围内，细胞表面负电性随pH的升高而增强。Pb2+在测试范围内始终以二价阳离子形式存在，藻细胞表面负电性越大，对金属离子的静电吸引力也越大，因此随pH的增大，细胞的吸附能力也会增强。图中细胞表面的负电荷数在pH=4时有一个明显的拐点，在这之后细胞表面的负电性变化趋缓，这解释了活藻细胞在pH＞4后吸附量增加缓慢的原因。此外，在较低pH的情况下，细胞壁表面的官能团容易质子化，造成金属阳离子与氢离子（H+）的竞争吸附，导致细胞表面可供金属离子吸附的结合位点减少，从而降低了微藻细胞的吸附能力［16］。不同pH下Pb2+在环境中的分布情况如图3所示，在pH＞6时会形成Pb（OH）2沉淀。由于金属盐的沉淀形式难以被活藻细胞吸附［17］，并且在pH＞6后，藻细胞表面的负电性几乎不变。故本实验通过研究pH对微藻吸附Pb2+的影响，藻体吸附Pb2+的最适宜pH为6。

2.2.2 吸附等温线

目前常见的吸附等温线主要包括Langmuir、Freundlich和Temkin模型［18］。实验研究了在初始Pb2+浓度不同的条件下微藻的吸附能力，其关系如图4（a）所示。本实验将所得数据使用Langmuir、Freundlich和Temkin模型进行拟合，其中Fitted Langmuir是将非线性形式的Langmuir吸附等温线转化为线性形式，目的是为了更好地估算参数。拟合后的Pb2+吸附等温线分别如图4（b）～（d）所示。

藻吸附Pb2+的等温线拟合参数总结于表2之中。通过表2可以看出，Langmuir的参数R2较Freundlich、Temkin的总体要更高一些，说明重金属离子铅在细胞表面的吸附主要为单层吸附。同时，通过Freundlich模拟参数中的n＞1可以看出，藻与Pb2+的结合效果良好。并且，Temkin模型中的参数B＜8说明在吸附过程中存在着重金属离子通过微弱的范德华力相互作用于微藻上［18-19］。

Langmuir模拟显示，B-160对Pb2+的饱和吸附量最大，为7.93 mg/g。不同磷浓度下培养的藻对Pb2+的吸附能力为B-160＞B-200＞B-80＞B-40，显然，通过磷改性后的藻细胞其吸附能力明显高于正常磷浓度下生长的B-40，研究表明磷基基团与重金属离子有着较强的结合能力，而磷改性后微藻表面的磷基官能团增加。

2.3 吸附机理

2.3.1 FT-IR

为了研究微藻表面所含有的官能团种类及其行为变化［20］，本实验利用红外光谱法对吸附Pb2+前后的B-160进行表征。B-160吸附Pb2+前后的FT-IR谱图如图5（a）所示，图5（b）为局部区域的放大图。吸附前后振动峰的变化被列于表3之中。

峰值为 3 300.87 cm-1代表的是羟基［21］。2 800～3 000 cm-1波段的峰值是脂肪族官能团 CH 和 CH2［22］，峰值为1 659.34 cm-1的官能团与共轭醛/酰胺弯曲蛋白中的＞C=O有关，出现在1 547.16 cm-1处的峰值为缩氨酸基团CN。吸附前后峰值在1 456.52 cm-1处的波动是由于羧酸类的C=O在参与吸附反应时发生共轭效应所导致的，在3 300.87 cm-1处的波动说明羟基参与了吸附过程［23］。此外，峰值为1 253.12 cm-1所表征的P=O基团只有在含磷培养基中生长的微生物细胞壁上出现，吸附前后峰值的变化说明P=O基团在吸附过程中拉伸振动，对藻吸附具有特殊意义［24］。峰值为1 153.89 cm-1的是C-O-C基团，峰值为1 080.14 cm-1的基团主要是 P-O-C基团［23］。特别值得注意的是峰值为879.25 cm-1的特征峰在吸附前十分明显，而吸附后变得平滑，处在该值的特征峰主要为磷酸盐或磷基基团［25］，这一变化说明金属离子与官能团有很强的结合能力，导致吸附后官能团的掩蔽。该变化说明磷基基团参与吸附反应。通过分析峰值的变化，确定微藻在吸附Pb2+过程中主要起作用的官能团包括：OH、C=O、CH、CH2、P=O、PO3-4、PO4，其中磷基基团 PO4、P=O和磷酸盐（PO3-4）均只出现在含磷培养基中培养的微藻表面，对提高吸附能力具有重要意义［24］。

2.3.2 电位滴定

经自动电位滴定仪测定的酸碱滴定数据通过ProtoFit软件模拟汇总于表4中。文献表明，羧基、羟基、氨基、磷基基团的pKa值分别为3～6，8～12，氨基的pKa值为8.6～9.0，磷基基团的pKa值为5.6～7.2［26］，本实验中得到的 pK1、pK2、pK3、pK4分别对应羧基、磷基、氨基和羟基官能团。由表4可以得知，不同培养条件下微藻的磷基官能团浓度存在显著差异，特别是B-160的磷酸化官能团，其浓度最高，达到3.25 mol/kg，并且官能团总数的提高也是吸附能力增强的关键，由表4可以看出，B-160所具有的官能团总数最多。此外，根据上述FT-IR的结果可知，磷基官能团在吸附前后特征峰变化最大，这充分说明了磷基官能团在微藻吸附重金属离子的过程中起着主要作用。