白腐真菌表面铁氧化物的形成及其对染料亚甲基蓝的吸附

2021-03-24李宁杰唐新媛

桂林理工大学学报 2021年4期

刘洁, 李宁杰, 杨锐, 杨昆, 唐新媛

(桂林理工大学 a.环境科学与工程学院; b.广西环境污染控制理论与技术重点实验室, 广西桂林 541006)

0 引言

水中重金属铁的污染主要来自冶炼、工业电镀和选矿等。水中Fe3+浓度过高容易引起水质变黄, 严重时(Fe3+浓度超过1.0 mg/L)导致水发红、发黑, 散发出铁腥味[1]。通常这类高含铁酸性废水的pH在2.6～3.7[2], 普通微生物难以生存。目前报道的嗜酸性微生物主要有铁氧化钩端螺旋菌、氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌等[3-4], 可将Fe2+加速氧化为Fe3+[5]。

白腐真菌是一类对重金属具有强耐受性的微生物, 其对重金属Pb2+的吸附量可达到10～120 mg/g, 甚至更高[6]。白腐真菌对生长环境pH的适应能力也较强, 既可在pH低至3.6的酸性环境中生长[7], 亦能在弱碱性环境中驯化生长[8]。这说明白腐真菌很可能在高含铁环境下存活。微生物的代谢产物会对铁氧化物的自然形成过程产生影响[9], 姚婷等[10]的研究表明，在微生物多糖蛋白质调控作用下铁氧化物的生成过程会受到影响, 然而，目前缺少白腐真菌生长代谢干预下铁氧化物形成特征的相关研究。

白腐真菌会在培养过程中形成菌球[11], 这一特征有利于白腐真菌在废水处理中的实际应用。而铁氧化物具有较大的比表面积, 同样也可作为吸附剂应用于废水处理, 刘诗婷等[12]用铁氧化物与腐殖酸联合吸附污染物并取得了很好的效果。白腐真菌菌球上负载的铁氧化物对环境污染物的吸附过程影响值得进一步研究。因此, 本文探讨白腐真菌在较高含铁环境下能够在菌体表面形成铁氧化物, 并对该铁氧化物进行表征, 同时探究不同条件对亚甲基蓝吸附作用的影响, 并结合动力学方程对该吸附作用进行分析。

1 材料与方法

1.1 实验菌种及培养

所用菌种为黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)BKMF-1767(CCTCC AF96007)，使用微量元素液体培养基培养, 具体配制如下(L-1): 2 g KH2PO4、 0.1 g CaCl2、 0.5 g MgSO4、 0.115 g FeSO4·7H2O、 0.112 g MnSO4·H2O、 0.089 g ZnSO4·7H2O、 0.05 g CuSO4·5H2O、 0.001 g维生素B1、 0.206 g酒石酸铵、 10 g葡萄糖, 调节pH 4.5。培养液经121 ℃高温蒸汽灭菌30 min后, 每200 mL接种2 mL孢子悬液, 孢子悬液在650 nm波长下吸光度为1[13-14], 向接种完毕的液体培养基中分别加入不同浓度的Fe3+(0、 69、 138、 207、 276 mg/L)溶液, 置于恒温振荡培养箱中培养7 d(30 ℃、 180 r/min)，通过离心分离获得菌球后用100 mL超纯水清洗两遍, 再用滤纸过滤得到洗净的菌球, 最后用离心机8 000～10 000 r/min离心脱水得到湿菌球。

1.2 实验试剂及仪器

KH2PO4、 CaCl2、 MgSO4、 FeSO4·7H2O、 MnSO4·H2O、 ZnSO4·7H2O、 CuSO4·5H2O、氢氧化钠、硫酸铵、 FeCl3·6H2O均为西陇科学股份有限公司生产, 葡萄糖为上海阿拉丁生物科技有限公司生产, 维生素B1为国药集团化学药剂有限公司生产, 所用药品均为分析纯。

实验仪器: 紫外分光光度计、电子天平、酸度计、离心机、扫描电子显微镜、 470 FT-IR傅里叶变换红外光谱仪等。

1.3 培养液中Fe3+浓度的测定

取1～7 d的培养液上清液, 酸化处理后经0.45 μm滤膜过滤后利用电感耦合等离子体发射光谱仪(美国)测定样品中的Fe3+浓度A, 其计算公式为

Fe3+吸附量(mg)=(初始Fe3+浓度-A)×溶液体积。

1.4 菌球表面铁氧化物的表征

采用JSM-6380LV扫描电镜(SEM, 日本电子株式会社)和 IE350能谱扫描仪(EDS, 英国牛津仪器公司)对负载铁氧化物前、后的菌球表面形貌及元素组成进行分析, 并采用470 FT-IR红外光谱仪(FTIR, 美国热电尼高力公司)测定菌球表面官能团。

1.5 负载铁氧化物的菌球对亚甲基蓝的吸附

使用在初始Fe3+浓度分别为0、 69、 138、 207、 276 mg/L的实验组中获得的菌球研究其负载的铁氧化物量、初始亚甲基蓝浓度(12.5、 16.67、 25、 35、 50、 75 mg/L)、温度(4、 20、 30、 40、 60 ℃)、 pH(2、 4、 6、 8、 10)等因素的影响。经预试验确定最佳实验条件, 除负载的铁氧化物量的研究外, 其余3个影响因素均使用初始Fe3+浓度为207 mg/L培养获得的湿菌球2 g, 吸附时间均设置为180 min, 温度为20 ℃, 设置2组平行样。

2 结果与讨论

2.1 菌体培养过程中Fe3+吸附量变化

实验过程中发现, 在高初始浓度Fe3+环境中, 白腐真菌均能正常生长, 并长成菌球。白腐真菌生长过程中菌体对Fe3+的吸附量的变化情况如图1所示。不同初始Fe3+浓度实验组中, 前3天菌体对Fe3+的吸附量呈增长趋势, 第4天后基本达到平衡; 初始Fe3+浓度增高, 菌球吸附的Fe3+量越多。菌球生长过程中, 溶液中的pH一直维持在4.5左右, Fe3+浓度越高, 第7天溶液中的pH值降低至4.2。这说明在稳定的酸性条件下, 菌球表面铁氧化物仍能稳定且较快形成。

图1 白腐真菌菌球对Fe3+吸附量的变化

2.2 菌球表面铁氧化物的表征

图2 不同初始Fe3+浓度下白腐真菌菌球的FT-IR图谱

2.3 SEM/EDS分析

未添加Fe3+组获得的菌球与添加不同初始浓度Fe3+组得到的菌球的菌丝形态如图3所示。可以看出，未添加Fe3+的原始菌球表面光滑, 无明显附着物, 而添加Fe3+菌球表面附着了较多球状颗粒, 且高浓度的初始Fe3+浓度组中菌球表面球状物负载更加密集, 覆盖面更广。这与EDS分析(表1)结果一致, 初始Fe3+浓度为276 mg/L组获得的菌球表面铁元素含量占比17.7%, 而添加168 mg/L Fe3+实验组的菌球表面铁元素含量占比4.92%。

表1 不同初始Fe3+浓度组中白腐真菌菌球的EDS分析

图3 不同初始Fe3+浓度组中白腐真菌菌球的SEM图像

2.4 负载铁氧化物的菌球吸附亚甲基蓝的影响因素

吸附量与吸附率的计算公式如下:

(1)

(2)

式中:q为吸附量(mg/g);C0为初始亚甲基蓝的浓度(mg/L);Ce为反应平衡时亚甲基蓝的浓度(mg/L);V为反应体系的体积(mL);m为白腐真菌菌球的干重(g);R为吸附率(%)。

4种因素影响负载铁氧化物的菌球吸附亚甲基蓝的结果如图4所示。初始铁氧化物浓度的影响结果如图4a所示: 空白菌球对亚甲基蓝的吸附率为24%, 而表面负载铁氧化物的菌球对亚甲基蓝的吸附率明显增加, 并且随着菌球表面负载铁氧化物的量增多, 亚甲基蓝的吸附率明显增大, 最高可达50%。由于铁氧化物具有较大的比表面积和较高的表面电荷, 有助于吸附的进行[18], 这说明菌球表面铁氧化物有助于提高对亚甲基蓝的吸附作用。

随着初始亚甲基蓝浓度的升高, 菌球表面铁氧化物吸附亚甲基蓝的效率明显下降(图4b), 这可能是由于菌体表面铁氧化物的量有限, 吸附位点逐渐达到饱和，但吸附量随亚甲基蓝的浓度升高而不断增加。

反应体系的酸碱度影响(图4c)表明, 当溶液pH为2时, 亚甲基蓝去除效果最差, 一方面可能是因为溶液中存在大量的H+, 与亚甲基蓝发生竞争吸附[19]；另一方面, 此时会有Fe3+析出, 菌球表面的铁氧化物含量减少。当pH升高到4～8时, 亚甲基蓝吸附率升高, 且维持较稳定的水平。当pH为10时, 吸附率最大，为50.29%。可见, 在碱性条件下更有利于负载铁氧化物的菌球对亚甲基蓝的吸附, 刘文莉等[20]的研究表明, pH与铁氧化物吸附能力成正相关。但随初始pH值的增加, 材料对亚甲基蓝的脱色效果影响不是非常的显著, 即克服了一般的吸附剂使用pH值范围窄的缺点, 在pH值4～10的范围内均对亚甲基蓝具有很好的脱色效果[21]。而邹玉春等[22]的研究表明, 在pH较低的情况下, 白腐真菌和染料形成的体系较为稳定, 与本实验研究的结果不一致。而印染废水多具有强碱性等特点[23], 说明实验组中使用的负载铁氧化物的菌球可能更适用于印染废水的处理。

温度影响的试验结果(图4d)表明, 随着温度的升高，吸附率先升高后下降, 在温度为20 ℃时, 吸附率达到最高值39.92%。可见高温不利于对亚甲基蓝的吸附, 由此可以推测负载铁氧化物的菌球吸附亚甲基蓝可能是一个放热过程, 而在4～40 ℃时, 吸附效果仍能有保障, 说明负载了铁氧化物的菌球对亚甲基蓝的吸附能在自然水温下进行。