蛋白核小球藻的絮凝与对重金属Cd2+的吸附性能研究

李江洪 李勇昊 刘文书 彭 念 李 倩 陈雨点

(1.重庆科技学院 化学化工学院，重庆 401331；2.工业发酵微生物重庆市重点实验室(重庆科技学院)，重庆 401331)

0 前 言

近年来，随着工业化进程的不断加快，大量工业废水被排放到江河中，这会造成严重的水体重金属污染，部分重金属随着食物链进入人体，将对人体健康造成严重危害[1]。其中重金属Cd2+对人体神经、肝脏和心肌等都有一定伤害，长期摄入会导致肝脏以及心肌衰竭等疾病[2]。因此，通过水处理去除水体中重金属Cd2+成为亟需解决的问题。

重金属水处理常用方法有化学沉淀法、吸附法、离子交换法、氧化还原法和电解法等。利用廉价易得的生物材料对Cd2+进行吸附相对于其他方法更加经济和环保[3]。微藻是常见的生物吸附剂之一，藻类具有多孔结构、合理排列的金属离子结合位点以及大比表面积等特点，赋予了其良好的吸附重金属的能力[4]。微藻作为新兴的生物吸附剂具有廉价易得且吸附量大等优点而被广泛研究，但是不同微藻对Cd2+吸附率存在差异，目前研究主要集中在不同微藻对重金属Cd2+的吸附量及吸附率[5-9]。椭圆球藻对重金属Cd2+的吸附量和吸附率均比其他微藻高，但是椭圆球藻由于胞内油脂含量高而被广泛用于生物柴油的生产[10]。蛋白核小球藻已被卫生部批准为新资源食品，不产生二次污染，可作为生物吸附剂，高密度培养蛋白核小球藻技术成熟并可实现快速的遗传转化[11]，所以其具备用于水处理的潜力。姜晶等人用冷冻干燥后的蛋白核小球藻对Cd2+进行吸附，最大吸附量为0.249 mmol/g[12]；Tangahu等人发现当小球藻与钝顶螺旋藻比例为3∶1时可去除水中30.10%的Cd2+[13]。但是微藻细胞体积小、密度极低，吸附重金属后需要采收处理的藻液量非常大，现有的离心和过滤等微藻采收技术将产生较高的采收成本。因此，实现低成本采收是利用微藻处理废水必须解决的关键问题[14]。

常见的大分子聚合物絮凝剂有聚丙烯酰胺(C3H5NO)n、阳离子淀粉和壳聚糖等。(C3H5NO)n通过分子链中特有的—CONH2官能团与悬浮物中胶粒发生去水化和吸附架桥作用而絮凝，但其具有一定毒性且分子结构稳定，不易降解，容易造成水体的二次污染[15]。阳离子淀粉是一种环保絮凝剂，在预实验中发现阳离子淀粉可絮凝蛋白核小球藻，但其絮凝结构不稳定，絮凝物在动态条件下容易发生分散。壳聚糖是一种线性多聚糖，分子结构中含有大量羟基(—OH)与氨基(—NH2)，所以壳聚糖能通过螯合、电中和以及吸附架桥等作用而产生良好的絮凝效果[16]。已有研究表明，当壳聚糖质量浓度为10 mg/L时，可使蛋白核小球藻絮凝率达98.10%[17]，但壳聚糖絮凝的蛋白核小球藻对重金属Cd2+吸附性能的研究较少。本次研究分析了壳聚糖絮凝蛋白核小球藻的条件，并探究了絮凝后蛋白核小球藻对重金属Cd2+的吸附性能。研究成果为利用蛋白核小球藻去除水体中重金属提供了研究基础。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

蛋白核小球藻购于中国科学院武汉水生生物所；壳聚糖(脱乙酰度90%)购于上海源叶生物科技有限公司；BG11培养基(HB8793)购于青岛高科技工业园海博生物技术有限公司，用于蛋白核小球藻的培养；异养培养基为在BG11培养基基础上加入一定量的葡萄糖(20 g/L)和酵母粉(2 g/L)；CdCl2、HCl、NaOH等试剂均为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 制备蛋白核小球藻藻粉

利用划线法将蛋白核小球藻接种至异养BG11培养基，在温度为28 ℃条件下培养2 d，选取单克隆藻株用于后续研究。将活化后的单克隆藻株按接种量的5%接种至50 mL异养BG11液体培养基，在温度为28 ℃、摇床转速为180 r/min的条件下培养4 d；在转速为4 000 r/min的条件下离心5 min收集蛋白核小球藻；在温度为60 ℃的干燥箱中烘干12 h，将干燥后的蛋白核小球藻藻粉装入100 mL离心管中，并在常温条件下保存。

1.2.2 壳聚糖浓度对蛋白核小球藻絮凝的影响

将壳聚糖溶于0.1%的稀盐酸中，配制成质量浓度为20 mg/L的壳聚糖溶液。在10支试管中分别加入5 mL质量浓度为1 500.00 mg/L的蛋白核小球藻溶液与5 μL质量浓度为5 000.00 mg/L的CdCl2溶液(CdCl2溶液最终质量浓度为5.0 mg/L)，在10支试管中分别加入0、30、40、50、60、70、80、90、100、120 μL配制的壳聚糖溶液，观察溶液絮凝效果。

1.2.3 pH值对蛋白核小球藻絮凝的影响

在7根试管中分别加入5 mL质量浓度为1 500.00 mg/L的蛋白核小球藻溶液与5 μL质量浓度为5 000.00 mg/L的CdCl2溶液(CdCl2溶液最终质量浓度为5.0 mg/L)，用HCl或者NaOH调节溶液的pH，使得溶液pH分别为4、5、6、7、8、9、10，最后在试管中分别加入80 μL质量溶度为20 mg/L的壳聚糖溶液，观察蛋白核小球藻絮凝效果。

1.2.4 絮凝蛋白核小球藻对重金属Cd2+吸附曲线

以蛋白核小球藻作为吸附剂，其质量浓度为1 500.32 mg/L；以壳聚糖为吸附剂，其质量浓度为1 500.32 mg/L；以絮凝蛋白核小球藻为吸附剂，蛋白核小球藻质量浓度为1 500.00 g/L、絮凝剂壳聚糖质量浓度为0.32 mg/L。分别取配置的吸附剂30 mL 置于50 mL的离心管中，在CdCl2溶液初始质量浓度为4.6 mg/L、pH为6、温度为28 ℃、转速为150 r/min条件下进行吸附实验，吸附完成后，用火焰原子吸收光谱仪(TAS-986)对溶液中Cd2+质量浓度进行测定，吸附剂对Cd2+吸附量如式(1)所示：

(1)

式中：Q为吸附剂对Cd2+的吸附量，mg/g；c0、ce分别为吸附前后溶液中的Cd2+质量浓度，mg/L；V为CdCl2溶液的体积，mL；m为吸附剂的用量，mg。

1.2.5 pH对重金属Cd2+吸附效率的影响

在4支50 mL离心管中分别加入30 mL质量浓度为1 500.00 mg/L的蛋白核小球藻溶液，并用HCl或者NaOH调节使溶液pH分别为4、5、6、7，再分别加入质量浓度为20 mg/L的壳聚糖溶液480 μL。在温度为28 ℃、转速为150 r/min的条件下对CdCl2溶液进行吸附实验(CaCl2初始质量浓度为4.6 mg/L)，用火焰原子吸收光谱仪测定Cd2+浓度，吸附量按式(1)计算。絮凝蛋白核小球藻对Cd2+有较强的吸附作用，为了进一步探究溶液pH对Cd2+吸附效果的影响，将Cd2+初始质量浓度调整为6.2 mg/L，观察不同pH条件下溶液絮凝效果。

2 实验结果与讨论

2.1 壳聚糖浓度对蛋白核小球藻絮凝的影响

梯度添加壳聚糖溶液，观察蛋白核小球藻的絮凝状态，确定壳聚糖絮凝蛋白核小球藻的最佳浓度，结果如图1所示。当壳聚糖添加量小于80 μL时，蛋白核小球藻的絮凝效果随着壳聚糖浓度增加而增强，但当壳聚糖添加量超过80 μL时，絮凝效果随着壳聚糖浓度的增大而减弱。这是因为壳聚糖的絮凝能力与其吸附架桥作用的强弱密切相关，当壳聚糖浓度逐渐增大时，壳聚糖与蛋白核小球藻的结合位点增多，吸附架桥作用增强，蛋白核小球藻絮凝效果不断增强。但当壳聚糖达到一定浓度后，壳聚糖表面吸附了大量的蛋白核小球藻，阻止了壳聚糖架桥结构的形成，吸附架桥作用的减弱导致絮凝效果下降[16]。实验结果表明，在蛋白核小球藻溶液中添加80 μL壳聚糖溶液，即在蛋白核小球藻溶液中添加0.021%(质量分数)壳聚糖时絮凝效果最佳，后续研究中选用该比例进行实验。

图1 添加不同浓度壳聚糖的蛋白核小球藻絮凝效果

2.2 pH对蛋白核小球藻絮凝效果的影响

调节蛋白核小球藻与壳聚糖絮凝液的pH，观察其絮凝情况，结果如图2所示。当pH≤7时，絮凝效果随着pH的增加而增强；当pH≥8时，絮凝效果随着pH的增加而减弱。在絮凝时间为2 min、pH为7的条件下，溶液最先出现明显沉淀(见图2 a)。当絮凝时间达到20 min时，絮凝沉降效果普遍提升，pH为4～7时絮凝效果无明显差异(见图2 b)。实验结果表明，壳聚糖在酸性条件下均可以有效絮凝蛋白核小球藻，但是当溶液pH≥8时絮凝沉降效果较差。分析其原因可能是溶液pH改变了壳聚糖的表面电荷，从而影响了其絮凝蛋白核小球藻的效果。当溶液pH呈酸性时，壳聚糖表面基团质子化带正电荷；当溶液pH提高至接近中性时，壳聚糖基团质子化减弱，壳聚糖与蛋白核小球藻电中和作用增强，絮凝效果增强；当溶液pH呈碱性时，壳聚糖表面基团去质子化带有负电荷，与蛋白核小球藻表面的负电荷相斥，所以其絮凝效果减弱甚至不能产生絮凝[18]。实验结果表明，当pH=7时，絮凝所需时间最短且絮凝效果最佳。但是在实际应用中，若含有Cd2+的溶液pH<7时，在利用絮凝蛋白核小球藻吸附Cd2+的过程中不必特意调整pH为7，只需增加絮凝时间即可；但当含有Cd2+的溶液pH>7时，则需要调整pH为7时才能有效吸附溶液中的重金属Cd2+。

图2 不同pH条件下蛋白核小球藻絮凝效果

2.3 絮凝蛋白核小球藻对重金属Cd2+的吸附曲线

为探究絮凝后的蛋白核小球藻对Cd2+吸附效果影响，分别以蛋白核小球藻、壳聚糖以及絮凝蛋白核小球藻为吸附剂对Cd2+进行吸附对比实验,实验结果如图3所示。当吸附时间为3 h时，壳聚糖对Cd2+吸附量为2.46 mg/g，吸附率为80.39%，随后吸附量下降至2.39 mg/g。这是由于壳聚糖作为天然高分子化合物，链段中含有的—NH2和—OH活性基团，可与重金属离子形成配位化合物，因此对Cd2+有吸附作用，但是壳聚糖对Cd2+的吸附不稳定，受环境影响较大[19]。当吸附时间达到7 h时，蛋白核小球藻与絮凝蛋白核小球藻对Cd2+吸附量达到最大，吸附量分别为2.30 mg/g与2.44 mg/g，吸附率分别为76.70%与79.74%，絮凝蛋白核小球藻最大吸附量略高于蛋白核小球藻。实验结果发现，絮凝蛋白核小球藻对Cd2+吸附性能无显著性影响，但是可以大幅度降低后续采收成本，具备良好的商业化前景。

图3 蛋白核小球藻、壳聚糖、絮凝蛋白核小球藻的Cd2+吸附曲线

2.4 pH值对Cd2+吸附效果的影响

进一步探讨pH值对絮凝蛋白核小球藻吸附Cd2+效果的影响，根据2.2的实验结果，为了保证壳聚糖絮凝蛋白核小球藻的效率，本章节只探讨较好絮凝效果前提下的pH对Cd2+的吸附效果(pH取4、5、6、7)的影响，结果如图4所示。pH对Cd2+吸附效果的影响与对絮凝影响趋势一致。当溶液pH=7时壳聚糖絮凝蛋白核小球藻的效率最高、絮凝蛋白核小球藻对Cd2+的吸附效最大。这是由于随着溶液pH值的逐渐升高，絮凝蛋白核小球藻表面更多基团形成去质子化状态，有更多基团可与Cd2+结合，絮凝蛋白核小球藻对Cd2+最大吸附量为4.06 mg/g，吸附率达到98.00%。

图4 不同pH条件下絮凝蛋白核小球藻的Cd2+吸附曲线

3 结 语

本次研究对壳聚糖絮凝蛋白核小球藻的条件进行了优化，并对絮凝蛋白核小球藻吸附重金属Cd2+的影响进行了探讨。当蛋白核小球藻溶液中添加质量浓度百分比为0.021%的壳聚糖且pH为7时，微藻絮凝效果达到最佳。絮凝蛋白核小球藻吸附Cd2+的效率略高于蛋白核小球藻，但是无显著性差异，絮凝蛋白核小球藻对重金属Cd2+最大吸附量为2.44 mg/g。当pH为7时，絮凝蛋白核小球对Cd2+吸附率最高，达到98.00%，吸附量为4.06 mg/g。蛋白核小球藻在絮凝的同时保证了较高的重金属吸附率，其结果为利用蛋白核小球藻进行廉价高效水处理重金属提供了一定的理论依据。