玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌对废水中Cr6+的吸附性能研究

曾 淼， 钟雨灵,2， 杨伟胜

玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌对废水中Cr6+的吸附性能研究

曾 淼1， 钟雨灵1,2， 杨伟胜1

（1. 阿坝师范学院，四川 阿坝 623002；2. 山东师范大学，山东 济南 250013）

用玉米芯和枯草芽孢杆菌两种材料，制备了一种微生物吸附剂。以废水中Cr6+的吸附率为指标，探究了在不同温度、时间、投加量和pH的条件下，玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌对废水中Cr6+的吸附产生的影响。通过响应面法确定了玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌对废水中Cr6+吸附的最佳条件。实验结果表明：玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌在温度35℃、pH＝4.7、振荡时间63 min时，对废水中Cr6+的吸附效果更好，其去除率达到89.64%。

玉米芯粉；枯草芽孢杆菌；废水；Cr6+；吸附性能

六价铬离子（Cr6+）是废水中的常见的一种毒性重金属离子。Cr6+的自然积累，可导致生物体正常细胞的病变，并引发癌症[1]，所以水体中的Cr6+污染，是环境废水治理中必须关注的重点问题之一[2-3]。玉米是一种常见的农作物，通过相关研究表明玉米芯的表面结构具有大量孔隙，是一种天然的吸附材料，其来源广泛，价格便宜，得到众多研究者的关注，应用于对重金污染水体的治理[4-5]。

枯草芽孢杆菌（）是芽孢杆菌属的一种，稳定性好，可对Cr6+进行有效的吸附作用。相关的研究工作，如在张琪[6]的研究中，认为35℃的枯草芽孢杆菌的活性最好，有利于吸附废水中的重金属离子；万俊杰[7]等的研究中，利用谷氨酸废水处理枯草芽孢杆菌可以产出有效吸附Cr6+的絮凝剂，结果显示最佳吸附pH为4，固定化吸附Cr6+的温度为32℃，投加4 g/L的原料，铬（VI）去除效果最佳；卓艳婷[8]等的研究中，不同的生物吸附重金属系统的平衡时间不尽相同，通常从15 min到12 h不等，有时甚至更长；魏长浩[9]等的研究中，枯草芽孢杆菌在适宜的条件下对废水中Cr6+具有一定的去除效果，对处理废水产生积极作用；江澜[10]、张彬[11]等人的研究也表明，细菌作为生物吸附剂对重金属离子有较好的吸附作用。

总体而言，上述工作各有所长，但利用玉米芯粉对枯草芽孢杆菌进行固定，并应用于废水中Cr6+的吸附治理的工作，还很少见到。

在本文中，采用响应面法，以玉米芯粉为载体，利用固定化微生物技术[12]将游离的枯草芽孢杆菌固定于玉米芯粉中，使枯草芽孢杆菌能够保持其生物活性。研究枯草芽孢杆菌在玉米芯粉粒子表面的附着位点[13]，并形成高效吸附剂的特征，以及负载枯草芽孢杆菌的玉米芯粉材料对废水中的Cr6+的吸附作用。

1 实验

1.1 材料

1.1.1 样品与试剂

玉米芯（山东省诸城市）、枯草芽孢杆菌XII型（河南鹏锦生物科技有限公司）、酵母粉（安琪酵母股份有限公司）、大豆蛋白胨（青岛高科技工业园海博生物科技有限公司）、氢氧化钠、盐酸、丙酮、硫酸、磷酸、重铬酸钾、二苯碳酰二肼、氯化钠等都为分析纯试剂。

1.1.2 仪器

紫外可见分光光度计（UV-1800PC，上海美谱达仪器有限公司）、生物显微镜（E5）、数显水浴恒温振荡器（SHA-C，上海双捷实验设备有限公司）、分析天平（JJ324BC）、电热鼓风干燥箱（101-4，北京中兴伟业仪器有限公司）、循环水式真空泵（KH-Ⅲ，北京市光明医疗仪器有限公司）气浴恒温振荡器（ZD-85A，金坛市荣华仪器制造有限公司）高速多功能粉碎机（1000Y，武义海纳电器有限公司）、立式自动电热压力蒸汽灭菌锅（LX-B150L，合肥华泰医疗设备有限公司）pH计（PHS-3G，上海仪电科学仪器股份有限公司）超净工作台（SW-CJ2F，苏州安泰空气技术有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 吸附剂的制备

玉米芯预处理：将玉米芯切成小块，用自来水冲洗3～4次，蒸馏水冲洗1～2次，去除玉米芯表面的杂质，放入50℃的电热鼓风干燥箱中烘干后，用粉碎机磨成粉末，过70目筛后，置于广口瓶中于干燥器内备用[14]。

1.2.2 模拟废水的配置

实验所用的模拟废水采用GB/T 7467-1987水质六价铬的测定二苯碳酰二肼分光光度法[15]中K2Cr2O7（分析纯）为原料配置组成的模拟废水。

1.2.3 菌液含菌量的测定

用无菌水稀释培养好的枯草芽孢杆菌，然后滴入血球计数板上，在显微镜下观察并记录枯草芽孢杆菌的数量。

1.2.4 单因素实验设计

本实验探究玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌在不同时间、不同温度、不同pH值和不同投加量的条件下，对废水中Cr6+的吸附效能的影响。

1.2.4.1 探究不同时间对废水中Cr6+的影响

取2.000 0 g处理好的玉米芯粉及50.00 mL枯草芽孢杆菌液，温度设置为25℃，以吸附时间为单一变量，设置5个不同的时间梯度（30 min、60 min、90 min、120 min、150 min），每个梯度设计三个平行试验。根据得到的吸光度值，确定最佳吸附时间。

1.2.4.2 探究不同温度对废水中Cr6+的影响

取2.000 0 g处理好的玉米芯粉及50.00 mL枯草芽孢杆菌液，以温度为单一变量，设置5个不同的温度梯度（25℃、35℃、45℃、55℃、65℃），每个梯度设计三个平行试验。根据得到的吸光度值，确定最佳吸附温度。

1.2.4.3 探究不同pH值对废水中Cr6+的影响

取2.000 0 g处理好的玉米芯粉及50.00 mL枯草芽孢杆菌液，以pH值为单一变量，设置5个不同的pH梯度（2.0、4.0、6.0、8.0、10.0），每个梯度设计三个平行试验。根据得到的吸光度值，确定最佳pH值。

1.2.4.4 探究玉米芯粉不同投加量对废水中Cr6+的影响

取一定量处理好的玉米芯粉及50.00 mL枯草芽孢杆菌液，以不同投加量为单一变量，设置5个不同的梯度（0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g、2.5 g），每个梯度设计三个平行试验。根据得到的吸光度值，确定最佳投加量。

1.2.5 单因素的显著性分析

利用 IBM SPSS Statistics（社会科学统计软件包）软件对四个单因素进行显著性分析，当显著性＜0.001时，则表明着该单因素的影响是显著的，具有统计学意义。

1.2.6 响应面实验设计

为进一步优化实验，在时间、温度、pH值以及投加量的单因素实验基础上，利用Design-Expert（实验设计）软件对Box-Behnken（响应曲面法）进行了实验设计[16]，分析这3个因素对废水中Cr6+的去除效果，根据得到的吸光度计算出Cr6+的去除率，并确定用玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌处理含Cr6+废水的最佳条件。如表1所示。

表1 响应面法因素和水平的设置及其代码

1.3 数据处理

废水中Cr6+的去除率，由下式计算：

式中：为Cr6+的去除率；0表示Cr6+溶液的初始浓度，μg/mL；e表示Cr6+溶液的平衡浓度，μg/mL。

2 结果与讨论

2.1 Cr6+的标准曲线分析

Cr6+标准曲线线性关系为＝1.778 9＋0.008 1且2＝0.999 7，结果可知该曲线有良好线性相关性。

2.2 1.0 mL菌液含菌量

通过显微镜观察得出1.0 mL枯草芽孢杆菌的个数大约为2.5×106个。

2.3 单因素实验结果分析

2.3.1 时间对处理废水中Cr6+的影响

图1为探究不同时间对废水中Cr6+去除率的作用效果。

图1 不同时间对Cr6+去除率的影响

玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌处理废水中的Cr6+在60 min吸附效果最佳，其吸附率高达86.63%，在60 min之后，其吸附率依次降低，所以选取最佳吸附时间为60 min。

2.3.2 温度对处理废水中Cr6+的影响

图2为探究通过使用不同温度对废水中Cr6+去除率的作用效果。

图2 不同温度对Cr6+去除率的影响

在35℃时玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌处理废水中的Cr6+的效果达到最佳，其吸附率高达88.33%，之后随着温度的升高其吸附率逐渐下降，所以选取最佳的吸附温度为35℃。

2.3.3 pH对处理废水中Cr6+的影响

图3为探究不同pH对废水中Cr6+去除率的作用效果。

图3 不同pH对Cr6+去除率的影响

随着pH值的增大玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌处理废水中的Cr6+的效果越好，在pH值为4.0时，其吸附率高达88.47%，之后随着pH值的增大，其吸附率逐渐下降，所以选取的最佳吸附pH值为4.0。

2.3.4 玉米芯粉投加量对处理废水中Cr6+的影响

图4为探究使用玉米芯粉不同投加量对废水中Cr6+去除率的作用效果。

图4 不同投加量对Cr6+去除率的影响

随着投加量的增加，玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌对Cr6+的吸附效果越好，当玉米芯粉的投加量为2.0 g其吸附率逐渐趋于平缓，所以选取最佳的粉末投加量为2.0 g。

2.3.5 单因素显著性分析

将四组单因素数据分别输入IBM SPSS Statistics软件中进行显著性分析，最终得出：只有时间、温度和pH这三个因素的显著性是小于0.001的，因此选择这三因素来进行后续实验。

2.2 响应面法实验结果分析

通过上述单因素实验结果，以时间、温度和pH作为响应面法实验的3个自变量；选取各单因素的3个最佳水平，采用Design-express软件进行Box-Behnken实验设计来优化并得出最佳吸附条件，结果如表2所示。通过对实验数据进行分析，得到二元回归方程式为：

＝＋88.61＋0.42×A－0.066×B＋5.43×C＋0.84×A×B＋0.71×A×C－0.62×B×C－2.80×A2－2.54×B2－7.44×C2

表2 玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌对废水中Cr6+响应面法实验结果

关于玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌吸附废水中Cr6+的二元回归方程方差分析，结果如表3所示。Box-Behnken实验结果的方差分析以玉米芯固定枯草芽孢杆菌对废水中Cr6+的吸附率作为响应值。由表可知P值为＜0.000 1，该模型的回归性显著，表明实验拟合的回归模型具有良好的预测性。回归方程的相关系数2＝0.996 1，表明该方程的拟合程度较好，另外该回归方程的失拟项为0.195 6＞0.05，表明该模型的误差较小，可用于下一步预测[17]。从表3中可以看出，时间（A）、温度（B）、pH（C）这3个因素中，玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌对废水中的Cr6+的吸附影响程度最大的是pH值。因此pH值是影响Cr6+吸附率的关键因素。同时自变量一次项C、二次项A2、B2、C2对吸附率的影响极显著（p＜0.001），二次项AB、AC对吸附率的影响显著（p＜0.05）。另外回归方程的误差分析见表4。

表3 二元回归方程的方差分析

表4 回归方程误差分析

从表4可以看出，预测2和调整2的差值 ＜0.2，表明该回归模型可行；CV/%＜10%，表明可信度和准确度较高，所以由表7可知，该模型具有良好的预测意义。

利用残差分析可以进一步检验模型的准确 性[17]，如图5所示。残差分布图中的数据点整体上呈线性分布，均匀的分布于直线的两侧，则表明其遵从正态分布规则；图5b所示，预测值要尽可能分布无规律。

由图6a所示，去除率随着时间和温度的增加而呈现出先增大后减小的趋势。图6b中在吸附温度25～45℃之间时，去除率在84%～86%之间，当吸附时间不变时，温度变化对去除率的影响较小；在吸附时间30～90 min之间时，去除率同样处于84%～86%之间，由此可见当吸附温度不变时，时间变化对去除率的影响也很小。由图7b所示，当吸附时间不变时，随着pH值逐渐增大，去除率逐渐增大，当废水的pH值趋于弱酸性至中性时，去除率开始下降，当吸附时间不变时，pH值变化对去除率的影响较大，作用明显。由图8b可知，当吸附温度不变时，随着pH值逐渐增大去除率逐渐增大，与时间对pH值的影响基本相同，所以当吸附温度不变时，pH值变化对去除率的影响较大。综上所述，对吸附废水中的Cr6+的影响因素的顺序为pH＞ 时间＞温度。

2.3 验证性实验

为了检验响应面法分析得出的最优组合条件是否与实际相符，可依据先前的方法进行验证[18]。如表8所示，3次测量平均值为89.68%，这与实验给出的预测值89.64%基本吻合。但可能由于操作过程中的误差及菌种的数目未能保证完全一致，所以导致实验值稍大于预测值，但相对误差仅为0.045%＜0.2%，说明实验值和分析值的拟合性良好，可用于进行下一步预测。

3 结论

本文在单因素实验基础上，选择最优处理条件进行响应面优化，得出玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌吸附废水中Cr6+在温度35℃、pH＝4.7、振荡时间63 min时，其去除率达89.64%。其响应面数据分析可知，玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌附废水中的Cr6+的影响因素为pH＞时间＞温度。实验证明玉米芯粉固定枯草芽孢杆菌，其对Cr6+的吸附效果更优。与其他方法相比，该方法成本低，不会产生二次污染，是一种环境友好型的吸附方法，可应用于处理其他含重金属废水中，是一种极具发展前景的水处理技术，同时也为负载菌类处理废水提供了广阔的发展前景。

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Adsorption Capacity of Corncob Powder Immobilized Bacillus Subtilis for Cr6+in Wastewater

ZENG Miao1, ZHONG Yuling1,2, YANG Weisheng1

（1. Aba Teachers College, Aba 623002, China; 2. Shandong Normal University, Jinan 250013, China）

A microbial adsorbent was prepared using two materials, corn cob and Bacillus subtilis. Using the adsorption rate of Cr6+in wastewater as an indicator, the effect of corn cob powder immobilized Bacillus subtilis on the adsorption of Cr6+in wastewater was investigated under different temperature, time, dosage, and pH conditions. The optimal conditions for the adsorption of Cr6+in wastewater by immobilized Bacillus subtilis on corn cob powder were determined through response surface methodology. The experimental results show that the immobilized Bacillus subtilis on corn cob powder has better adsorption effect on Cr6+in wastewater at a temperature of 35℃, pH＝4.7, and oscillation time of 63 minutes, with a removal rate of 89.64%.

corncob powder; bacillus subtilis; wastewater; Cr6+; adsorbability

2023-11-13

四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目（JG2021-1453）。

曾淼（1982～），女，硕士，副教授；研究方向：吸附剂制备及应用。664928619@qq.com

X703.1

A

1004-8405(2023)04-0020-07

10.16561/j.cnki.xws.2023.04.07