固定化酵母菌吸附混合重金属离子的研究

赵瑞雪，薛丹，高达，郑笑秋，刘淑梅，张淑华

（1.长春理工大学 化学与环境工程学院，长春 130022；2.长春理工大学 生命科学技术学院，长春 130022）

重金属是造成水体污染的一类有毒物质，目前，电镀、制革、化工、染料、冶金、耐火材料等行业含重金属废水的排放量不断增加，即使少量的重金属经过生物浓缩、生物积累和生物放大作用，也可产生毒性效应，严重威胁人类健康［1］。生物吸附法是去除工业废水中重金属离子的一种较新技术。目前，利用酵母菌可吸附 Pb、Hg、Cu、Zn、Cd、Co、Cr、Ni等多种重金属离子［2-8］，以达到对废水的高效处理，但基本都是处理的单一离子，本研究是在此基础上，着重探讨利用固定化酵母菌同时吸附溶液中的Pb2+、Cu2+、Zn2+混合离子。

1 实验部分

1.1 实验材料

1.1.1 实验菌种

酵母菌菌种取自长春理工大学生命科学技术学院，将酵母菌用马铃薯培养基在振荡培养箱中，于28℃条件下振荡培养18h，离心(4000 r/min)，收集菌体，60℃下烘干，研磨成粉末状，干燥保存。

1.1.2 主要仪器

BS-1E振荡培养箱，LD4-2高速离心机，PHS-3B精密pH计，OPTIMA 2100DV电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）。

1.1.3 主要试剂

硝酸铅、硝酸铜、硝酸锌、4%的氯化钙饱和硼酸溶液、海藻酸钠、聚乙烯醇（PVA）。

1.2 试验方法

1.2.1 酵母菌的固定化方法

海藻酸钠—PVA包埋法：以2%的PVA和1%的海藻酸钠为包埋剂，制得菌体浓度为16 g/L的固定化酵母菌。

1.2.2 Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附

将固定化小球加入需要进行吸附的 Pb2+、Cu2+和Zn2+的混合溶液中，调节溶液的pH，于180 r/min的振荡培养箱中吸附一定时间，取上清液于100 mL容量瓶中定容，用ICP测定其中的Pb2+、Cu2+和Zn2+的浓度，计算吸附率：

2 结果与讨论

2.1 pH值对吸附的影响

取 Pb2+、Cu2+、Zn2+离子混合溶液100 ml浓度均为100 mg/L，用0.1 mol/LHCl和0.1 mol/L NaOH调节pH分别为2.1、3.1、3.5、4.4、5.7，再分别加入菌体浓度为16.0 g/L固定化酵母菌小球，在温度为25℃，转速180 r/min，振荡吸附100 min，计算吸附率，结果如图1所示。

图1 pH值对吸附的影响Fig.1 Influence of pH on adsorption

由图1可知，pH在2.5～5.5之间，固定化酵母菌对Pb2++、Cu2+、Zn2+的吸附率都超过了80%。由于在低pH值条件下，H3O+与重金属离子争夺吸附位点，同时阻碍活性基团的解离，致使吸附率低；在高pH值条件下，重金属离子会以不溶解的氧化物、氢氧化物微粒的形式存在，从而使吸附过程无法进行［9］。

固定化酵母菌对Pb2+的吸附：当pH在从2.0升至5.7时，固定化酵母菌对Pb2+的吸附率变化不大，都超过了97.50%；固定化酵母菌对Cu2+的吸附：当pH<3.0时，固定化酵母菌对Cu2+的吸附率随pH升高而升高，当 pH为 3.0时，达到最大吸附率87.01%，当pH>3.0时，固定化菌体的吸附率随pH的升高而降低；固定化酵母菌对Zn2+的吸附：当pH值从2.0升至5.7时，固定化酵母菌对Zn2+的吸附率随着pH增大而先增大后减小，在pH值为4.4时，吸附率达到最大86.28%。由此可见，酵母菌对重金属离子的吸附存在一个最佳pH值。考虑水体中Cu2+对人体的危害程度大于Zn2+对人体的危害，综合各个因素，确定固定化酵母菌对Pb2+、Cu2+、Zn2+吸附的最佳pH值为3.0。

总体上，在酸性范围内，pH值的变化并没有引起吸附率的强烈变化，而实际废水的pH经常变动，这对实际应用较为方便。

2.2 金属离子初始浓度对吸附的影响

将固定化酵母菌置于不同浓度的 Pb2+、Cu2+、Zn2+离子混合溶液中。其中，Pb2+、Cu2+、Zn2+离子浓度各自分别为 10 mg/L，50 mg/L，100 mg/L，150 mg/L，200 mg/L。调节pH为3.0，各加入菌体浓度为16.0 g/L固定化酵母，振荡培养箱转速180 r/min，25℃下吸附100 min。计算吸附率，结果如图2所示。

图2 重金属离子浓度对吸附的影响Fig.2 Influence of heavy metal ions concentration on adsorption

由图2看出，在加入吸附剂为一定量时，金属离子的吸附率总体上是随着初始浓度的升高而降低，说明当金属离子达到一定浓度时，尽管吸附系统中还残留着大量的金属离子，但由于菌体上能结合金属离子的位点已被饱和，菌体对金属离子的吸附率就不再增加。

Pb2+的初始浓度在10 mg/L～100 mg/L范围时吸附率随着初始浓度的升高而升高，当初始浓度大于100 mg/L时，吸附率基本不变，当Cu2+的初始浓度从10 mg/L到50 mg/L时，吸附率缓慢上升，在初始浓度为50 mg/L之后，吸附率随着浓度的增加而缓慢降低，但在Cu2+的初始浓度不超过100 mg/L时，吸附率均大于93%；当Zn2+的初始浓度增加时其吸附率是降低的，但当Zn2+的初始浓度由10 mg/L增加到100 mg/L时，吸附率由80%降低到75%，考虑到实际排放废水的情况，确定混合金属离子浓度均为100 mg/L。

2.3 菌体浓度对吸附的影响

取菌体浓度分别为1.2 g/L、2.5 g/L、4.8 g/L、10.0 g/L、16.0 g/L、18.0 g/L、20.0 g/L，其他条件是：混合液中Pb2+、Cu2+、Zn2+离子的初始浓度均为100 mg/L，pH为3.0，温度为25℃，转速180 r/min下振荡吸附100 min，计算吸附率，结果如图5所示。

图3 菌体浓度对吸附的影响Fig.3 Influence of yeast concentration on adsorption

从图3中看出，在金属离子初始浓度一定的条件下，随着酵母菌用量增加，酵母菌对金属离子Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附率提高，但是提高到一定程度后，吸附率变化幅度很小。其原因可能是增加生物量导致了吸附位点间的相互作用，因为酵母菌细胞的组成物质大多属两性基团，高浓度的情况下加大了它们之间相互结合的几率，而占据了一部分有效的吸附位点，所以选择最佳菌体浓度为18.0 g/L。

2.4 温度对吸附的影响

取Pb2+、Cu2+、Zn2+离子混合溶液，各离子浓度均为100 mg/L，pH为3.0，加入菌体浓度为18.0 g/L固定化酵母菌小球，分别在10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃时，以 180 r/min振荡吸附 100 min，计算吸附率，结果如图4所示。

由图4可知，温度在10℃～35℃范围时，随着温度的升高，吸附率也逐渐上升，在20℃～25℃范围时上升的幅度较大，一般来说，吸附过程是一个放热过程，略微升高温度有利于生物吸附，而较大幅度升高温度则不利于生物吸附。同时，温度过高或过低都会使饱和吸附量有所降低［10］。故选择25℃为最佳温度。

图4 温度对吸附的影响Fig.4 Influence of temperature on adsorption

3 结论

以海藻酸钠—PVA为包埋剂固定化酵母菌，对Pb2+、Cu2+和Zn2+金属离子具有较强的吸附能力。通过实验可知吸附的最佳条件：pH 值为3.0，Pb2+、Cu2+、Zn2+离子的初始浓度均为 100 mg/L，酵母菌浓度为18.0 g/L，吸附温度为25℃，在此条件下，对模拟水样进行测定，其中Pb2+吸附率为97.95%，Cu2+吸附率为81.07%，Zn2+吸附率为84.34%。

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