黑曲霉对含铅废水的生物吸附研究

尹利利， 臧淑艳， 侯雪敏， 马 原， 赵宇雄， 刘金秀

(沈阳化工大学应用化学学院，辽宁沈阳 110142)

随着工业化和城市化进程的加快，以及大量农药和化肥的使用使重金属污染已成为全球性的环境问题，对整个生态系统构成巨大的潜在威胁，同时还会危及人类健康.现在重金属污染已给人类的生活带来严重影响［1-3］.铅是自然界分布非常广的元素之一，在工农业生产中都有非常广泛的用途.但铅和可溶性铅盐都有毒性，含铅废水会严重地危害人体健康和农作物的生长.目前，铅的主要污染源是蓄电池、冶炼、五金、机械、涂料和电镀工业等部门的排放废水，因此消除铅污染，保护环境非常重要［4-6］.作为已知毒性很大的重金属污染物之一的铅，对机体的损伤呈多系统性、多器官性，包括对骨髓造血系统、神经系统、消化系统及其他系统的毒害作用.它具有极强的积累性和不可逆性，因此如何去除铅污染就显得非常重要［7-9］.

处理重金属污染的传统方法多为物理化学法，如化学沉淀法、离子交换法、反渗透法、萃取法、活性炭吸附法等.其各有优点，但存在投资大、能耗高、操作困难、易产生二次污染等缺点［10］.随着生物技术的发展与应用，生物吸附法处理重金属污水以其来源丰富、操作简单、成本低、吸附速率快、处理低浓度废水效果好、不造成二次污染等优点而备受关注［11］.由于微生物种类繁多、分布广、适应性强、微生物来源的吸附剂具有操作简单易于工业化生产等特点，在去除环境重金属方面具有广阔的应用前景.

黑曲霉是常见的微生物资源，来源丰富，易于培养，如果能利用该类微生物来处理废水将会大大节约成本［12-13］.因此，本实验选用黑曲霉作为真菌吸附剂，对废水中铅的吸附进行探讨.

1 实验部分

1.1 实验材料

黑曲霉，中国科学院生态研究所;醋酸铅，分析纯，沈阳力诚试剂厂;盐酸，分析纯，北京化工厂;氯化汞，分析纯，姜堰市环球试剂厂;氢氧化钠，分析纯，北京化工厂;七水硫酸锌，分析纯，沈阳莱博贸易有限公司;硫酸铜，分析纯，沈阳莱博贸易有限公司.

1.2 实验仪器

原子荧光光谱仪(SK2003AZ型)，北京金索坤技术开发有限公司;精密数显酸度计(pHS-3型)，上海天达仪器有限公司;净化工作台(SWCJ-1D型)，苏州净化设备有限公司;自动手提式灭菌器(YXQ-LS-18SI型)，上海博讯实业有限公司医疗设备厂;数显电热恒温培养箱(JS061型)，金坛市杰瑞电器有限公司;数显双层气浴振荡器(ZD-85型)，金坛市杰瑞电器有限公司;电子天平(JA203N型)，上海海康电子仪器厂.

为消除玻璃仪器壁对吸附实验的干扰，所用玻璃仪器经洗涤后，均用稀盐酸浸泡一夜，洗净，烘干备用.

1.3 黑曲霉真菌的制备

黑曲霉真菌采用土豆培养基，pH值为自然pH值.接菌后的斜面在培养箱中28～30℃培养5～7 d，备用;接菌后的培养基液体在摇床中28～30℃、150 r/min培养24 h，过滤，备用.

1.4 实验方法

1.4.1 Pb2+初始质量浓度对吸附的影响

分别配置质量浓度为0 mg/L，20 mg/L，40 mg/L，80 mg/L，120 mg/L，160 mg/L 的 Pb2+溶液，调至一定的pH值，每瓶分别加入体积分数为10%的黑曲霉湿菌，置于气浴震荡器中，投入吸附剂即开始计时，30 min后离心(以5 000 r/min的速度离心20 min)取样.

每组实验平行3次，取其平均值.

1.4.2 pH值对吸附的影响

准确配置质量浓度为120 mg/L的Pb2+溶液，调至不同的 pH 值(pH=3.0、4.0、5.0、6.0、7.0)，每瓶分别加入体积分数为10%的黑曲霉湿菌，置于气浴震荡器中，投入吸附剂即开始震荡计时，30 min后离心(以5 000 r/min的速度离心20 min)取样.

1.4.3 实验温度对吸附的影响

准确配置4组质量浓度为120 mg/L的Pb2+溶液，调至一定的pH值，每组分别加入体积分数为10%的黑曲霉湿菌，将温度分别设为25℃、30℃、35℃、40℃，投入吸附剂即开始计时，30 min后离心(以5 000 r/min的速度离心20 min)取样.

1.4.4 吸附剂与含铅废水是否灭菌对铅离子去除率的影响

准确配置2组质量浓度为120 mg/L的Pb2+溶液，调至一定的pH值，每瓶分别加入体积分数为10%的黑曲霉湿菌，其中一组灭菌一组不灭菌，吸附时间为20 min和20 h时分别取样后离心(以5 000 r/min的速度离心20 min)取样.

1.4.5 废水中干扰离子对铅离子的微生物吸附的影响

准确配置3组质量浓度为120 mg/L的Pb2+溶液，调至一定的pH值，每瓶分别加入体积分数为10%的黑曲霉湿菌，分别加入质量浓度为60 mg/L的 Hg2+、Cu2+、Pb2+溶液置于气浴震荡器中，投入吸附剂即开始震荡计时，30 min后离心(以5 000 r/min的速度离心20 min)取样.

2 结果与讨论

2.1 铅标准曲线的绘制

分别准备质量浓度为0 mg·L-1，1 mg·L-1，2 mg·L-1，3 mg·L-1，4 mg·L-1，5 mg·L-1的铅溶液，用原子荧光光谱仪测定其质量浓度与荧光强度的关系，根据其关系做出铅的标准曲线，如图1所示.

图1 铅的标准曲线Fig.1 The standard curve of lead

从图1可以看出在0～5 mg·L-1的范围内，铅的吸光度呈良好直线状(R2=0.999)，线性良好.

2.2 Pb2+初始质量分数对吸附的影响

金属离子浓度对吸附率有很大影响.由图2可以看出，在一定实验质量浓度范围内(0～120 mg/L)，随着重金属离子质量浓度的增加，黑曲霉真菌对Pb2+的吸附率都随之增加.但是当质量浓度大于120 mg/L时，黑曲霉对Pb2+的吸附率逐渐降低.120 mg/L对此金属离子是最佳实验质量分数.因此，以下实验的Pb2+质量浓度均采用此实验结果.

图2 铅离子质量浓度对微生物吸附的影响Fig.2 The effect of lead ion concentration on adsorption

2.3 酸度对铅离子的微生物吸附的影响

酸度对重金属的微生物吸附十分关键.酸度过高，氢阳离子会和铅阳离子竞争吸附位点，从而降低目标离子的吸附率.当酸度过低时，氢氧根阴离子会与铅离子生成非晶形沉淀，属于化学方法去除铅离子.其次酸碱性过高和过低也在一定程度上影响微生物的生长.酸度对铅离子的微生物吸附的影响见图3.

图3 酸度的选择Fig.3 Acidity choice

从图3可以看出，随着酸度的降低铅离子的去除率逐渐升高.与pH在3.1时铅离子的去除率相比，pH在3.9时铅离子的去除率明显升高一些;当pH为7.5时铅离子的去除率比pH为6.1时又明显提高，这是因为在此时部分铅离子已经生成氢氧化铅沉淀，导致铅离子去除率迅速提高.其次，处理废水时，酸度过高和过低都会对其造成二次污染，所以根据图3，实验选择pH为6.0.

2.4 实验温度对铅离子吸附的影响

根据实际情况选择4个温度:25℃，30℃，35℃，40℃(温度太高和太低需要制冷或加热，浪费能源).由图4可知，温度对微生物吸附铅离子的影响不大.在一定范围内(25～35℃)，随着温度的提高，铅离子的去除率随之提高.当吸附温度为40℃时，铅离子的去除率略有降低.这是因为，略高的温度使已经吸附了的铅离子又被解吸下来，从而降低了吸附率.虽然，35℃时铅离子的吸附率高于其他温度状态下的铅离子吸附率，但是差异不大，所以从节约能源的角度，以下吸附实验仍然采用室温25℃.

图4 温度的选择Fig.4 The choice of temperature

2.5 吸附剂与含铅废水是否灭菌对铅离子去除率的影响

吸附剂是否灭菌对铅离子吸附的影响见图5.由图5可以看出:在吸附时间为20 min取样，2种状况下是否灭菌对铅离子的吸附率没有明显影响;但20 h后取样，则非灭菌状态下铅离子的去除率明显提高.整个实验体系(含铅废水与吸附剂)在非灭菌的状态可能会染有其他杂菌，在一定时间内迅速繁殖，做吸附实验时可能会与本实验所用的微生物吸附剂产生协同吸附;在含铅离子废水灭菌状态下再进行微生物吸附，则避免了竞争与协同吸附.

图5 吸附剂是否灭菌对铅离子吸附的影响Fig.5 The effect of whether sterilization on adsorption

2.6 废水中干扰离子对铅离子微生物吸附的影响

当pb2+与Zn2+、Cu2+、Hg2+共存时由于相互竞争吸附点位使吸附受到相互牵制，令各种金属的去除率会有所变化，但不同金属受到的影响却不尽相同.由图6可以看出:Zn2+的去除率略高于pb2+，而 Cu2+、Hg2+的去除率低于 pb2+.在同一浓度情况下，这3种干扰离子的去除率大小为Zn2+﹥Cu2+﹥Hg2+.但是这几种干扰离子对铅离子的影响很小.

图6 干扰离子对铅吸附的影响Fig.6 The effect of interfering ions on adsorption

3 结论

实验结果表明当铅的质量浓度在0～120 mg/L范围时，随着重金属离子质量浓度的增加，黑曲霉真菌对Pb2+的吸附率随之增加，当质量浓度大于120 mg/L时，黑曲霉对Pb2+的吸附率逐渐降低.所以120 mg/L对此金属离子是最佳实验质量浓度;通过设定不同pH值实验得出最佳实验pH值为6.0;综合考虑实验效果和节约能源的角度考虑得出最佳实验温度为25℃;对于铅的吸附，灭菌与不灭菌是有区别的;Zn2+、Cu2+、Hg2+的存在对铅的吸附影响不大.

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