pH 和铁磁纳米颗粒对菌丝球吸附EE2 的影响研究

孔祥震，郭海娟，马 放，耿明月，肖 霄

（1. 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；2. 辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036）

铁磁性纳米材料目前已广泛应用于医学、食品等领域。在水处理领域，磁性纳米颗粒仍处于探索和研究阶段。目前，也有研究人员尝试将磁性纳米颗粒材料引入生化系统，对传统活性污泥系统进行改进[4-5]。由于磁性纳米颗粒具有比表面积大、吸附活性强和在磁场作用下易分离的特点，仅在污染物的去除方面是具有一定优点的。但是，磁性纳米颗粒对于微生物的影响作用还不明确。

近年来，环境领域对于污水中出现的新型微污染物越来越重视。雌激素类物质是新兴污染物的代表之一，其在水环境中的含量低，但仍会对人类和动物造成影响和危害[6-7]。常规的水处理技术和手段往往难以将雌激素有效的去除。因此，在该研究中，尝试采用菌丝球作为优质生物质吸附材料，对代表性雌激素（17α-乙炔雌二醇，EE2）进行吸附去除效果的研究，并在吸附过程中加入铁磁纳米颗粒，研究其对菌丝球吸附效果的影响作用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

培养菌丝球所用的药品均购自国药集团化学试剂有限公司（优级纯），试验时所用EE2 及预处理和分析样品时所用的甲醇、乙腈、乙酸乙酯均购自Sigma 公司（色谱纯）。EE2 使用甲醇配制标准储备液，试验时根据不同浓度需要稀释加入反应容器中。

1.2 真菌菌种选择和菌丝球的培养

培养菌丝球所用的真菌采用城市水资源国家重点实验室保存的黑曲霉Aspergillus nigerY3，培养基成分为葡萄糖10 g/L，NH4Cl 1 g/L，KH2PO4·3H2O 1 g/L，MgSO4·7H2O 0.5 g/L，110 ℃，20 min 条件下灭菌。

接种方式采用孢子悬液接种法，接种量为：0.025×0.10%×液体培养基体系/孢子悬液吸光度。接种后放入摇床中，在30 ℃，150 r/min 条件下进行培养[8]。

1.3 铁磁纳米颗粒的制备

将100 mL、2 mol/L 的FeCl2和400 mL、1 mol/L的FeCl3置于烧杯中，加入转子置于磁力搅拌器上，用碱式滴定管滴加500 mL、5 mol/L 的氨水，控制滴加速度，缓慢滴加，待反应完毕后将转子取出反复冲洗，洗液收集在原烧杯中，烧杯下部放置磁铁，倒出上清液，移开磁铁反复清洗3～4 次，最后取500 mL 去离子水于冲洗完毕后的铁磁纳米颗粒中，超声5 min 后倒出密封保存[9]。

1.4 试验方法

在pH 对菌丝球吸附EE2 影响作用试验中，称取2 g 菌丝球（湿重）放入若干100 mL 三角瓶中，共分为4 组，分别加入用0.1 mol/L 的磷酸缓冲液调至预定pH 的去离子水溶液，pH 分别为2.5、3.8、4.7、5.6、6.5 和7.8 共6 组，根据采样时间顺序进行标记，并加入50 μL 的1 g/L EE2 标准储备液，使稀释后的EE2 浓度为1 mg/L。另在各pH 条件下均设置一组在90 ℃，30 min 下的灭活菌丝球平行试验，定时取样检测。

在不同底物浓度下菌丝球对EE2 的吸附作用试验中，在之前确定的最优pH 条件下，于EE2 浓度分别10、7.5、5、2.5 和1 mg/L 条件下进行吸附试验。定时取样检测。

随着国际贸易环境日趋复杂、国内经济迈入新阶段，以及自贸区改革经验的积累，推动形成全面改革开放新格局是我国目前经济转型发展的必然要求。2017年3月，国务院颁发了《全面深化中国(上海)自由贸易试验区改革开放方案》，正式提出“设立自由贸易港区”。同年10月，十九大报告重申“赋予自由贸易试验区更大改革自主权，探索建设自由贸易港区”的战略部署。2018年3月，十三届全国人大一次会议政府工作报告再次提出“探索建设自由贸易港”。截止目前，已有包括上海、浙江、四川等沿海内陆十余省份竞逐建设自由贸易港。

在铁磁纳米颗粒对菌丝球吸附EE2 影响作用试验中，于pH 为4.7、5.6、6.5 和7.8 条件下加入10 mL 铁磁纳米颗粒储备液。EE2 浓度为1 mg/L，定时取样检测。

1.5 水样的预处理

吸取10 mL 在预定时间下取出的水样到玻璃离心管中，加入2 mL 乙酸乙酯，盖紧管塞振荡萃取5 min，静置5 min 待液面分层后洗出上层有机相到KD 浓缩瓶中，再次向水样加入0.5 mL 乙酸乙酯进行二次萃取，振荡5 min，静置5 min 待液面分层后再次吸出上层有机相与第1 次萃取的液体合并，旋转蒸发至乙酸乙酯全部挥发后，用甲醇定容至1 mL，使用0.45 μm 滤膜过滤后装入液相小瓶，放入4 ℃冰箱保存等待检测。

1.6 分析方法

预处理后样品采用HPLC 法检测。流动相为乙腈:水=50:50，C18 柱，柱温30 ℃，进样量25 μL，保留时间5 min。

2 结果与讨论

2.1 菌丝球的培养及表面特征

经孢子悬液接种培养72 h 后形成的菌丝球SEM 图像，见图1。

图1 菌丝球表面特征SEM 图像

图1 可知，经过72 h 培养后形成的菌丝球，其整体呈完整的球体，结构紧实，菌丝相互缠绕团聚。表面疏松，提供了大量的附着空间和结合位点。

2.2 pH 对菌丝球吸附EE2 的影响

菌丝球与灭活后的菌丝球在不同pH 条件下对EE2 的静态吸附结果，见图2。

图2 菌丝球与灭活后的菌丝球对EE2 的去除效果

菌丝球是由真菌孢子具有充足的氧和营养时，在特定水流剪切力条件下，所萌发的菌丝体不断生长和缠绕所形成的球形颗粒。图2 可知，菌丝球在具有活性和灭活条件下，分别在12 h 和24 h 时对EE2 的去除作用几乎没有差别，因此菌丝球本身对EE2 的降解作用可忽略不计，对EE2 的去除主要为吸附作用。

图2 还可知，pH 的变化对菌丝球吸附EE2 有较为明显的影响。当pH 在2.5～6.5 范围区间内，可以发现菌丝球对EE2 均具有比较明显的吸附作用，当pH 为5.6 和6.5 时，在24 h 内菌丝球对EE2 的吸附去除作用可达到99%，在pH＜5.6 时，菌丝球对EE2 的吸附去除也可达到90%以上，而pH=5.6 时，菌丝球对EE2 吸附速率明显高于其他pH 条件。而当pH＞6.5，即pH=7.8 时，EE2 的吸附去除速率明显下降，在24 h 时，菌丝球对EE2 的去除仅能达到53.23%。由此可见，菌丝球对EE2 的最佳吸附pH 为5.6 左右。此前，王昌稳等[10]在pH 为6～7 条件下采用颗粒活性炭对EE2 进行吸附去除，在EE2 初始浓度为500 ng/L，颗粒活性炭5 g/L 的条件下，10 min 可达到吸附平衡，45 min 吸附结果后，EE2 的去除率为82.88%。段姝悦[11]考察了初始pH 对复合絮凝剂改性后的菌丝球吸附雌酮、17β-雌二醇和雌三醇效能影响，发现当初始pH 接近7 的时候，菌丝球对以上3 种物质的吸附能力较强，而当pH 降低或升高时，菌丝球的吸附能力逐渐减弱，且酸性条件下的吸附能力要优于碱性条件下。林胜红等[12]在研究pH 对复合菌丝球对孔雀绿的吸附脱色时发现，在碱性条件下，多糖溶解度升高，复合菌丝球的胞外聚合物稳定性下降，菌丝球会出现一定的自溶现象，因此对染料的吸附性也会下降。

2.3 不同初始底物浓度下菌丝球对EE2 的吸附作用

不同EE2 初始浓度下菌丝球对其吸附效果，见图3。

图3 不同EE2 初始浓度下菌丝球对其吸附效果

图3 可知，在1～7.5 mg/L 范围内，随着浓度升高，菌丝球对EE2 的吸附效率呈现上升趋势。这一结果是由于EE2 初始浓度上升导致的传质驱动力增加，这一驱动力的增加可以使得EE2 从溶液中向菌丝球转移的速率升高。当EE2 初始浓度高于7.5 mg/L，达到10 mg/L 时，菌丝球对其去除效率有明显的下降，这是由于EE2 的初始浓度过高，使得菌丝球对其的吸附容量很快就趋向于饱和，同时传质驱动力降低的较为迅速，若要进一步提升去除效率，则需要进一步提高传质驱动力。此外，EE2 从溶液中转移到固相中被吸附在菌丝球表面，是否会被进一步从表面吸附至内部的多孔网状结构内，需要进一步的探究。

2.4 铁磁纳米颗粒对菌丝球吸附EE2 的影响

铁磁纳米颗粒在不同pH 条件下对菌丝球吸附EE2 的影响效果，见图4。

图4 铁磁纳米颗粒对菌丝球吸附EE2 的影响

相比于2.2 的结果，图4a）可知，铁磁纳米颗粒的加入对菌丝球吸附EE2 产生了较为明显的抑制作。当pH=5.6 时，在24 h 时的EE2 吸附效率相比不加入铁磁纳米颗粒由99%降低至40.91%；当pH=6.5 时，在前8 h 的EE2 去除率最高可达到53.44%，此后随着吸附时间的延长又有明显下降。而当pH=7.8 时，在前4 h 菌丝球混合铁磁纳米颗粒对EE2 去除率还可达到48.52%，而在8 h 后，去除率急剧下降直至降低到几乎为0%。

菌丝球在形成的过程中，可分泌胞外聚合物，主要由多糖和蛋白组成，含有大量的羟基、羧基等基团，提供了丰富的吸附位点。同时，成熟菌丝球的表面带正电荷[13]。EE2 的化学结构具有1 个苯环，2 个六元环和1 个五元环，在3 号位和17 号位上各有1 个羟基，并在17 号位上有1 个3 键。通过对EE2 结构的分析，菌丝球对EE2 的吸附作用应当是通过对其羟基的吸附来达成。而铁磁纳米颗粒在水中极易与水发生配位作用而使表面羟基化，形成—FeOH[14]，使其在结构上与EE2 在菌丝球进行吸附的过程中形成竞争，降低了菌丝球吸附EE2 的效率。同时，铁磁纳米颗粒的零电点在6.5左右[15]，当pH＞6.5 时，磁性纳米颗粒表面带负电荷，与表面带正电荷的菌丝球可形成静电吸引。当pH=7.8 时，铁磁纳米颗粒与菌丝球产生了静电吸引作用，在前4 h，菌丝球对EE2 还有一定的吸附效果，而随着吸附时间的延长，由于菌丝球与铁磁纳米颗粒的静电吸引和竞争作用，已被吸附的EE2 被水溶液中的铁磁纳米颗粒从吸附位点上置换出来，使得菌丝球对EE2 的吸附效率明显下降直至降至为0%，见图4b）。

3 结论

菌丝球对EE2 的去除作用主要通过吸附作用实现，菌丝球本身对EE2 的降解作用几乎为零。pH 的变化对菌丝球吸附EE2 有明显影响，当水溶液pH 为中性偏酸性时，吸附效果最好，pH=5.6 是其最佳吸附pH。当pH 高于中性时，菌丝球吸附EE2 的效率有明显下降。

菌丝球吸附EE2 的效率随着EE2 初始浓度的升高而提高，当EE2 初始浓度超过一定浓度时，由于传质驱动力的降低，使得菌丝球吸附EE2 的效率有明显下降。

菌丝球对EE2 的吸附作用应当是通过对EE2 的羟基吸附来达成，磁纳米颗粒在水溶液中与水的配位作用形成—FeOH 与EE2 产生吸附位点的竞争，当pH＞6.5 时，铁磁纳米颗粒的表面带负电荷，与表面带正电荷的菌丝球相互之间产生静电吸引，并随着吸附时间的延长，由于菌丝球与铁磁纳米颗粒的静电吸引和竞争作用，已被菌丝球吸附的EE2 被铁磁纳米颗粒从吸附位点上置换出来，使得菌丝球对EE2 的吸附效率明显下降。