海藻酸钙包埋恶臭假单胞菌吸附Cd2+的效果及机理研究

许 银，熊 哲，倪 红

(湖北大学 生命科学学院,湖北 武汉 430062)

1 引言

重金属废水的常用处理方法有：化学法、膜分离法、离子交换树脂法和生物吸附法等[1]。生物吸附法因其适用于处理大体积低浓度的重金属废水，并且高效廉价，固定化微生物技术是在一定得空间范围内,保留微生物固有的催化活性[2]，因其具有细胞密度高、机械强度高、可重复利用等特点而受到了广泛关注。微生物固定方法有吸附法、包埋法和交联法[3]等，其中海藻酸钠包埋法具有凝固成型方便、对微生物的毒性小、固定的密度高等优点[4]。

芽孢杆菌、酵母菌、假单胞杆菌等细菌对金属离子均有很大的吸附能力[5,6]。P.K.Wong等[7]用固定化假单胞菌回收工业废水铜离子，M.P.Pons等[8]用固定化假单胞菌菌株EPS 5028提取铀，J.S.Chang等[9]用灭活的铜绿假单胞菌PU21(Rip64)吸附汞离子等，均取得了很好的效果。但用表面展示金属硫蛋白的恶臭假单胞处理废水中的Cd2+，鲜有报导。

将富含巯基的金属硫蛋白(metallothionein,MT)展示在恶臭假单胞菌的表面，能显著增强其结合Zn2+、Cd2+、Cu2+等离子的吸附能力[10]。为了克服游离菌在应用上的不足，本实验将海藻酸钙来包埋该重组菌和多孔生物滤料，探索了包埋菌滤料小球吸附Cd2+的最佳条件，并对其吸附动力学方程和吸附等温线进行了分析，为该重组菌在实际废水深度处理中的应用提供实验依据。

2 材料和方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验菌株

恶臭假单胞重组菌(Pseudomonasputida)，系由华中农业大学国家农业微生物学国家重点实验室提供。

2.1.2 试剂药品

五水硫酸铜、盐酸、蛋白胨、酵母膏、海藻酸钠、氢氧化钠、氯化钠、硝酸镉、羧苄青霉素等均为分析纯，购于江苏美正生物科技有限公司。多孔滤料(粒径：4～6 mm)，购于河南金信诺商贸邮箱公司。

2.1.3 Cd2+标准溶液的配置

准确称取0.693 g Cd(NO3)2，溶于150 mL蒸馏水中，用容量瓶定容至250 mL，得到1.0 g/L的Cd2+标准溶液，用等离子体发射光谱仪测定Cd2+浓度[11]。

2.2 主要实验仪器

722S型可见分光光度计(无锡科达仪器厂)、恒温摇床(上海科学仪器厂)、奥豪斯EX系列万分之一电子天平(西杰天平北京仪器有限公司)、恒温培养箱(济南佰源医疗设备有限公司)、H2500R2高速冷冻离心机(湖南湘仪仪器有限公司)、等离子体发射光谱仪(ICP-900)(北京中和测通仪器有限公司)。

2.3 包埋小球的制备

2.3.1 恶臭假单胞菌重组菌的制备

将活化的重组菌，涂平板挑单菌落，于5 mL的牛肉膏、蛋白胨培养基(LB)中，28 ℃、220 r/min培养过夜，取1 mL 的过夜菌液加到100 mL LB培养基中(含有终浓度500 g/mL的羧苄青霉素)，28 ℃，220 r/min培养24 h后，用离心机去上清(10000 r/min)，得到菌体，待用。

2.3.2 海藻酸钙小球的制备

100 mL的蒸馏水和2 g的海藻酸钠，加热溶解后冷却至室温，用恒流泵将海藻酸钠滴到2%的氯化钙中，放置3 h，将制成的小球放在4 mM的氯化钙溶液中，冰箱保存待用。

2.3.3 海藻酸钙包埋多孔滤料和重组菌的小球制备

称取菌体4 g，用60 mL无菌水混合均匀，加入15 g灭菌多孔滤料，吸附3 h。再和4%的海藻酸钠溶液混合，参照2.3.2的方法制备出包埋菌滤料小球，待用[12,13]。

2.4 包埋菌滤料小球吸附Cd2+条件优化实验

2.4.1 pH值对吸附Cd2+效果的影响

称取6份包埋菌滤料小球1.5 g分别加入含120 mg/mL的Cd2+溶液的250 mL的三角瓶中，用酸、碱分别调pH值为2、3、4、5、6、7。于35 ℃下，静置吸附3 h。取上清，测量Cd2+含量。方法同2.1.3，实验做3次平行。

2.4.2 温度对吸附Cd2+效果的影响

称取6份包埋菌滤料小球1.5 g分别加入含120 mg/mL的Cd2+溶液的250 mL的锥形瓶中，将pH值调为6，分别在20、25、30、35、40、45 ℃下，静置吸附3 h。取上清，测量Cd2+含量。方法同2.1.3，实验做3次平行。

2.4.3 转数对吸附Cd2+效果的影响

称取8份包埋菌滤料小球1.5 g分别加入含120 mg/mL的Cd2+溶液的250 mL的锥形瓶中，将pH值调为6，37 ℃下分别置于0、30、60、90、120、150、180、210 rpm摇床中,吸附3 h。取上清，测量Cd2+含量。方法同2.1.3，实验做3次平行。

2.4.4 Cd2+初始浓度对吸附效果的影响

分别取1 g的包埋菌滤料小球，加到6个含有200 mL不同Cd2+初始浓度的500 mL锥形瓶中，浓度分别为10、50、100、200、300、400 mg/mL，pH值为6，静置37 ℃下条件，吸附3 h。取上清液，测定Cd2+含量。方法同2.1.3，实验做3次平行。

2.5 包埋菌滤料小球吸附Cd2+的动力学分析

称取1.5g包埋菌滤料小球，吸附15 mL，初始浓度为100 mg/L的Cd2+溶液，每隔一段时间(5、10、20、30、40、50、60、180 min)，取上清液，测Cd2+浓度，并进行准一级、准二级反应动力学模型分析[14,15]。

准一级动力学方程：以吸附时间t为横坐标，以在该t时间段所对应的t/qe值为纵坐标，根据得到的线性方程的斜率和截距值，来计算K1和qe值。通过算出qeq和qt，制作1/qt与1/t和log(qeq-qt)与t的曲线。其方程如下：

(1)

对方程(1)取对数得方程：

log(qe-qt)=logqe—k1t/2.303

(2)

其中：k1为一级吸附速率常数，qt～qe，分别为平衡吸附量和t时刻的吸附量。

准二级动力学方程以吸附时间t为横坐标，以在该t时间段所对应的log(qe-qt)值为纵坐标，根据得到的线性方程的斜率和截距，计算K2和qe值。其方程如下：

(3)

对方程(3)取积分得方程：

(4)

其中：k2为二级吸附速率常数，qt～qe，分别为平衡吸附量和t时刻的吸附量。

2.6 包埋菌滤料小球对Cd2+吸附等温线分析

分别取包埋菌滤料小球1.5 g，来吸附50～600 mg/L的Cd2+溶液，条件：pH值为6，温度30 ℃，转数180 rpm，吸附3 h，分别取上清液，测Cd2+浓度。计算包埋小球的吸附量，以达到吸附平衡的浓度对吸附量作图，制作吸附等温线[16,17]。

(5)；

式(5)中：Q为吸附容量(mg/g)；e为吸附后金属离子浓度(mg/L)；K，1/n是由吸附体系决定的常数。

根据实验得到logQ和logCe值后，将logQ对logCe作图，截距为K，斜率为1/n。

式(6)中：Q0为最大吸附容量(mg/g)；K为常数。根据实验得到l/Q和l/Ce值后，将l/Q对1/Ce作图，截距为Qo，斜率为K。

3 结果与分析

3.1 多孔滤料、海藻酸钙小球和包埋菌滤料小球吸附Cd2+条件优化

3.1.1 pH值对3种材料吸附Cd2+效果的影响

多孔滤料、海藻酸钙小球和包埋菌滤料小球对Cd2+的吸附条件是：在静置、30 ℃不同pH值下，吸附100 mg/L的Cd2+溶液，吸附3 h后，取上清测Cd2+浓度，并计算出pH值对吸附容量的影响，如图1所示。

图1 pH对3种材料吸附Cd2+效果的影响

由图1可知，pH值在2.0～6.0，吸附能力逐渐增加，超过6.0后，吸附量开始下降。当pH值为6.0时，3种材料对Cd2+的最大吸附量分别为：9.021、10.845、24.186(mg/g)。

可见，pH值对生物吸附剂的吸附量比较大，这与吸附剂表面电荷和电离程度有关[18]。

3.1.2 温度对3种材料吸附Cd2+效果的影响

将上述3种材料，在不同温度，pH值为6.0，静置条件下，分别吸附100 mg/L的Cd2+溶液，吸附3 h后，取上清液测得Cd2+浓度，温度对吸附量影响，如图2所示。

图2 温度对3种材料吸附Cd2+效果的影响

由图2可知，在不同温度条件下，3种材料对Cd2+的吸附能力都是先增加后降低。3种材料在35 ℃的最大吸附量分别为9.588、10.998、15.492(mg/g)，说明包埋菌滤料小球对Cd2+的吸附效果最好。对同一种材料来说，温度对Cd2+的吸附量影响不是以物理吸附为主。

3.1.3 初始浓度对3种材料吸附Cd2+效果的影响

3种材料在pH值为6.0、温度30 ℃，静置条件下，分别去吸附50～400 mg/L不同浓度的Cd2+，吸附3h后，测定上清液中Cd2+浓度，得出Cd2+初始浓度对吸附量的影响，见图3。

图3 初始浓度对3种材料吸附Cd2+效果的影响

由图3可知，3种材料对Cd2+的吸附量是随着溶液中离子浓度的增加而增加，并逐渐达到饱和。在400 mg/L，3种材料的最大吸附量分别为11.019 、13.929、31.086(mg/g)。浓度对包埋菌滤料小球吸附量的影响比较大，说明包埋小球除去Cd2+效果明显，有实际应用的前景。

3.1.4 转数对3种材料吸附Cd2+效果的影响

3种材料分别去吸附100 mg/LCd2+溶液，在pH值为6.0、温度30 ℃、不同转数条件下，吸附3 h后，分别测定上清液中Cd2+浓度，转数对吸附量的影响，见图4。由图可知，3种材料对隔离子的吸附量随着转数的增加而增加，超过180 rpm时，吸附量略有降低。3种材料对Cd2+的最大吸附量分别为11.175、13.194、20.937(mg/g)。转数对包埋菌滤料小球吸附量的影响比较大。

图4 转数对3种材料吸附Cd2+效果的影响

3.2 包埋菌滤料小球对Cd2+的吸附动力学分析

包埋菌滤料小球在pH值为6.0、温度35 ℃、转数180 rpm条件下，吸附100 mg/L Cd2+溶液，每镉10 mins测定上清液中Cd2+的浓度，并进行准一级、准二级动力学拟合曲线分析，结果见图5、图6和表1。

图5 吸附Cd2+的准一级动力学方程拟合曲线

表1 吸附 Cd2+的准一级、准二级动力学方程相关参数

由图4～6和表1可知，实验结果与准一级、准二级动力学方程所拟合得到的理论值都比较吻合，拟合的相关系数R2分别为0.9639、0.9961，但准二级动力学方程的拟合值与实际值更加接近。

3.3 包埋菌滤料小球对Cd2+的吸附等温线分析

包埋菌滤料小球在pH值为6.0、温度35 ℃、转数180 r/min条件下，吸附不同浓度的Cd2+溶液，吸附3 h后，测定上清液Cd2+浓度，计算并作出Langmuir 和 Freundlich吸附等温线的相关参数和拟合曲线，结果见图7、图8和表2。

图7 包埋菌滤料小球吸附Cd2+Langmuir等温线

图8 包埋菌滤料小球吸附Cd2+Freundlich等温线

从上述图7、8和表2的R2值大小可知，Langmuir吸附等温线比Freundlich等温线更好地描述包埋菌滤料小球的吸附过程。参数中的Kb值越大，表示吸附剂和金属离子结合的稳定性越大，参数中的n值越大，表示吸附剂的吸附能力受表面金属离子浓度的影响越大。因此，为了达到理想的吸附隔离子效果，离子的初始浓度的控制至关重要。

表2 吸附Cd2+的Langmuir和Freundlich吸附等温线方程相关参数

实验表明：包埋菌滤料小球对Cd2+的吸附符合Langmuir单分子层的吸附规律，但也存在一定的Freundlich指数型的吸附规律。

4 讨论

通过多孔滤料、海藻酸钙小球和包埋菌滤料小球吸附Cd2+条件的优化，3种材料吸附Cd2+的最佳条件为pH值为6、35 ℃、吸附平衡时间3 h，Cd2+的初始浓度为100 mg/L，包埋菌滤料小球的吸附效果做好，其最大吸附量为20.937(mg/g)，说明海藻酸钠包埋菌和多孔滤料小球，机械强度、结构稳定性和生物耐受性能增加了，因此，包埋菌滤料小球有望在实际应用中，进行反复吸附和解吸附再利用。

包埋菌滤料小球对Cd2+的吸附动力学与吸附等温线实验表明：它的吸附规律跟准一级、准二级动力学方程都比较吻合，但准二级动力学方程的拟合值与实际值更加接近。Cd2+的吸附曲线跟Langmuir和Freundlich等温吸附模型均能很好的拟合，说明包埋菌滤料小球吸附Cd2+过程中既存在单层吸附，也存在指数型多层吸附[19]。