抗性真菌对Pb2+、Zn2+和Cu2+的吸附特性研究

姚颋 江丹丹

摘要：从铜陵市某矿区土壤中筛选出1株对重金属Pb2+、Zn2+和Cu2+具有抗性的真菌，命名为TL-3。以TL-3为实验菌株，在不同pH值、不同金属离子初始浓度、不同菌体量以及不同吸附时间条件下对Pb2+、Zn2+和Cu2+进行吸附实验，研究其吸附特性与对不同金属离子的吸附能力。结果表明，TL-3对Pb2+、Zn2+和Cu2+的最佳pH值为5.0。在最佳条件下，吸附量在Pb2+，Zn2+和Cu2+的初始浓度分别为200mg/L、300mg/L和200mg/L达到最大，分别为20.61mg/g，23.17mg/g 和 17.46mg/g。TL-3对三种重金属的吸附均在20h达到吸附平衡。

关键词：真菌 铅 锌 铜 吸附

Biosorption characteristics of a fungus strain with resistance to lead, zinc and copper

Yao Ting Jang Dandan

Anhui Wanlian Environment Protection Co. Ltd. Hefei Anhui 230051 China

Abstract: The fungi strains named TL-3 were isolated from soil of some Tailing in Tongling City. The biosorption characteristics and capacities of Pb2+, Zn2+ and Cu2+ by stain TL-3 were investigated. The results showed that the optimum adsorption pH values for Pb2+, Zn2+ and Cu2+ were 5.0. Under the optimal condition, the maximum uptake capacities of Pb2+, Zn2+ and Cu2+ were 20.61mg/g, 23.17mg/g and 17.46mg/g at initial concentrations of 200 mg/L, 300mg/L and 200 mg/L, respectively. Biosorption equilibrium was established within 20h for lead, zinc and copper ions.

Keywords: fungusleadzinccopperbiosorption

重金属污染已经成为一个日益突出的环境问题，尤其是工业废水和城市污水等造成的重金属污染具有长期性和不可逆的特点。国内外主要用物理法、化学法等方法修复重金属污染，成本高，易造成二次污染[1-2]。与传统处理方法相比，生物修复具有成本低，不易造成二次污染。微生物活细胞尤其抗性微生物活细胞是作为廉价、高效的吸附剂用于修复环境中的重金属已受到广泛关注[3-5]。

本文采用在自然界中分布较为广泛，且很容易从重金属污染土壤中分离得到的真菌在液体培养基中进行培养，在不同pH值、不同金属离子初始浓度、不同菌体量以及不同吸附时间条件下，对重金属Pb2+、Zn2+和Cu2+分别进行吸附实验，探讨抗性真菌对重金属的吸附能力及特征，以拓展真菌在生物修复重金属污染方面的潜力。

1. 实验材料和方法

1.1供试菌种

本实验选用菌种从安徽铜陵矿区土壤中分离纯化得到真菌，初步鉴定为曲霉属（Aspergillus）。将分离得到的菌株接种到固体斜面培养基上，生长旺盛后移至冰箱中 4℃保存。 实验开始前，将供试菌株接种到固体平板上，使之生长旺盛，以备试验接种时使用。

1.2培养基

马铃薯葡萄糖培养基（PDB）：去皮马铃薯500g（土豆洗净去皮，在水中煮至沸腾15min），葡萄糖20g，琼脂20g，蒸馏水1L，自然 pH值。

液体培养基：葡萄糖20g、蛋白胨10g，NaCl 0.2g，CaCl2 0.1g，KCl 0.1g，K2HPO4 0.5g，NaHCO3 0.05g，MgSO4 0.25g、FeSO4·7H2O 5mg，蒸馏水1L，自然pH值。

1.3吸附剂制备

将TL-3菌接种于液体培养基中，于28℃，120r/min的振荡培养箱中培养3d。过滤收集得到的菌丝体，用超纯水冲洗数次，用纱布包好，放于烧杯中置于4℃冰箱内备用。

1.5菌株的吸附实验

1.5.1 pH值对吸附的影响

将0.2g新鲜菌丝体接入装有100mL金属溶液中（Pb2+、Zn2+和Cu2+浓度均为50mg/L），设初始的pH值范围为2~6，于28℃、转速为120r/min时震荡培养36h。

1.5.2不同浓度重金属对吸附的影响

将0.2 g新鲜菌丝体接入装有金属溶液中的锥形瓶中，Pb2+、Zn2+和Cu2+浓度范围为50-500mg/L，于28℃、转速为120r/min时震荡培养36h。

1.5.3不同菌体量对吸附的影响

将不同量的新鲜菌丝体（0.1-0.5g）接入装有金属溶液中的锥形瓶中，Pb2+、Zn2+和Cu2+浓度均为50mg/L，于28℃、转速为120r/min时震荡培养36h。

1.5.4吸附时间对吸附的影响

将0.2g新鲜菌丝体接入装有100mL金属溶液中（Pb2+、Zn2+和Cu2+浓度均为50mg/L），于28℃、转速为120r/min时震荡培养，于20min、40min、1h、2h、4h、16h、20h、24h、36h取样，取样体积为1mL，测定样品中金属离子浓度。

1.6测定项目和方法

1.6.1菌丝体湿比测定

首先称干燥并标号的烧杯重量，加入用于吸附的定量菌丝体，称重，然后将菌丝体与滤烧杯放在 80℃干燥箱中烘干12h至恒重后，减去烧杯重量，得出菌丝体干重，计算菌丝体干湿比。用于吸附量计算中菌体干重的换算。

1.6.2菌丝体吸附量

实验完成后，对每个样品取1mL上清溶液测定重金属的浓度，根据重金属的初始浓度计算菌株对重金属的吸附量。

其中：Q为重金属吸附量，mg/g；c0为重金属离子的初始质量浓度，mg/L；ce为反应后剩余重属质量浓度，mg/L；m为菌株质量，g；V为反应液体积，L。

1.6.3 重金属浓度测定

用原子吸收分光光度计（Hitachi Z-8000，Japan）测定反应后剩余溶液的重金属浓度。

2. 结果与分析

2.1 pH值对吸附的影响

pH值对TL-3吸附Pb2+、Zn2+和Cu2+的影响见图1。由图1可知，pH<3.0时，TL-3对Pb2+、Zn2+和Cu2+的吸附能力增加缓慢；在pH值为3-5之间时，吸附量逐渐增加，增速较快；当pH为5.0时对3种金属吸附量均达到最大。pH值较低时，因溶液中大量的氢离子与金属离子竞争吸附位点使吸附减弱，随着pH值增大，氢氧根离子浓度升高改变了细胞壁表面的电性，使吸附带正电的金属离子变得容易[6-8]。但重金属Pb2+和Cu2+在pH值在5.0-6.0之间，吸附量上升，是由于溶液会产生少量沉淀，使得溶液中金属离子浓度较平衡时低，因此吸附量在上升。根据上述实验结果，对Pb2+、Zn2+和Cu2+吸附的后续实验溶液pH值均调至5.0。

2.2重金属浓度对吸附的影响

不同重金属浓度对TL-3吸附Pb2+、Zn2+和Cu2+的影响见图2。由图2可知，随着Pb2+、Zn2+和Cu2+浓度的增加，TL-3的吸附量增大，原因可能是静电交互作用使得低亲和力的位点增加[9-10]。当Pb2+、Zn2+和Cu2+的初始浓度分别在200、300和200mg/L达到吸附饱和状态，吸附量基本保持不变。TL-3对Pb2+、Zn2+和Cu2+最大吸附量分别为20.61、23.17和17.46mg/g。TL-3对Zn2+的吸附能力强于Cu2+和Pb2+，可能是由于不同金属离子由于自身性质存在差异，跟吸附剂结合的快慢程度以及吸附作用强度不一样所致[10]。Myxococcus xanthus、Saccharomyces cerevisiae和Mocus rouxii对Zn2+最大吸附能力分别为21.6mg/g、13.1mg/g和7.75mg/g [11]，与其他研究相比，活性TL-3对Zn(II)的吸附能力较强。

2.3菌体量对吸附的影响

不同菌体量对TL-3吸附Pb2+、Zn2+和Cu2+的影响见图3。由图3可知，TL-3对Pb2+、Zn2+和Cu2+的吸附随着菌体量增加呈现先增加后降低的趋势，均在菌体量为0.2g时吸附量达到最大，分别为Pb 15.01mg/g、Zn 19.98mg/g、Cu 13.42mg/g。吸附量下降的原因可能是达到吸附平衡时，菌体的单位吸附量已经饱和，被吸附的金属离子堵塞细胞表面的空隙或者离子之间发生凝聚，降低活性位点的可用性[12]。也进一步说明，在一定范围内，重金属离子与吸附剂量的比值越大，则单位吸附剂的吸附量越大，直至吸附饱和。因此，重金属离子与吸附剂用量比值的选取要兼顾重金属的有效吸附和吸附剂的充分利用，适当提高比值有利于吸附剂的有效利用，故应选取一个适当的菌体量[13]。

2.4吸附时间对吸附的影响

不同时间对TL-3吸附Pb2+、Zn2+和Cu2+的影响见图4。由图4可知，TL-3吸附Pb2+、Zn2+和Cu2+过程大致分为两个阶段：第一阶段为快速吸附，4h内对Pb2+、Zn2+和Cu2+吸附量分别为12.74、16.98和10.74mg/g，占总吸附量的82.5%、92.1%和80.9%；第二阶段为缓慢吸附，在4h-20h内吸附较慢。24h后三种金属的吸附量几乎没有变化，达到吸附平衡。吸附量随时间的曲线变化说明的第一阶段主要是Pb2+、Zn2+和Cu2+和细胞壁表面的官能团发生了作用，第二阶段可能Pb2+、Zn2+和Cu2+进入细胞内，发生了胞内吸附和富集。

3. 结论

以铜陵市某矿区土壤中筛选出1株对重金属Pb2+、Zn2+和Cu2+具有抗性的真菌为实验菌株，通过设定不同条件的吸附实验，研究TL-3对重金属的吸附能力和特征。结果表明，TL-3对Pb2+、Zn2+和Cu2+的最佳pH值为5.0。在最佳条件下，TL-3对Pb2+，Zn2+和Cu2+最大吸附量分别为20.61mg/g，23.17mg/g 和 17.46mg/g；TL-3对三种重金属的吸附均在20h达到吸附平衡。

研究结果表明具有重金属抗性的TL-3能有效去除废水中的Pb2+、Zn2+和Cu2+，且对Zn2+吸附能力最强，在今后的工作中，要进一步探寻并建立TL-3对重金属吸附的数学模型来预测吸附过程。

参考文献:

[1] 李 佳，肖 磊，王一丁.等.抗重金属真菌的分离及特性研究[J].化学研究与应用，2009，21(9)：1290-1295.

[2] Pagnanelli F，Trifoni M，Beolchini F，et al.Equilibrium biosorption studies in single and multi-metal systeｍ[J].Process Biochemistry，2001，37(2)：115-124.

[3] Umrania V V.Bioremediation of toxic heavy metals using acidothermophilic autotrophies[J].Bioresource Technology，2006， 97：1237-1242.

[4] Shankar C，Sridevi D，Joonhong P，et al.Biosorption of chromium and nickel by heavy metal resistant fungal and bacterial isolates[J].Journal of Hazardous Materials，2007，146(1-2)：270-277.

[5] 潘蓉，曹理想，张仁铎.青霉菌和镰刀菌对重金属Cd2+、Cu2+、Zn2+和Pb2+的吸附特性[J].环境科学学报，2010，30(3)：477-484.

[6] 荚蓉，裴命军，史银.等.真菌吸附Cu的研究[J].中国环境科学，2003，23(3)：263-266.

[7] 欧红香，潘建明，薛永来等.Neosartorya hiratsukae对Cu2+的吸附特征[J].安徽农业科学，2010，38(35)：20312-20314.

[8] 谢朝阳，黄巧云，李素霞.耐重金属细菌与土壤胶体体系吸附Cu2＋、Cd2＋的红外光谱研究[J].安徽农业科学，2010(1)：35-37，53.

[9] 沈薇，杨树林，李校.等.木霉(Trichodermasp)HR-1活细胞吸附Pb的机理[J].中国环境科学，2006，5(1)：101-105.

[10] 王保军，杨惠芳.真菌对重金属的抗性和解毒作用[J].微生物学通报，1991，7(6)：3-4.

[11] Holan Z R，Volesky B.Accumulation of Cd(II)，Pb(II) and Ni(II) by fungal and wood biosorbent.Applied biochemistry and biotechnology，1995，53(2)：133-146.

[12] Kumar R，Bishnoi NR，Garima，et al.Biosorption of chromium（VI）from aqueous solution and electroplating wastewater Using fungal biomass.Chemical Engineering Journal，2008，135(3)：202-208.

[13] Mukhopadhyay M，Noronha S B，Suraishkumar G K.Kinetic modeling for biosorption of copper by pretreated Aspergillus niger biomass.Bioresource Technology，2007，98(9)：1781-1787.