响应面法优化磁性酵母微球对废水中Cr的吸附*

张瑞刚，吴 娟

(吕梁学院生命科学系，山西 吕梁 033099)

随着工业发展，重金属污染是目前主要的环境问题。其中，重金属铬(Cr)具有高度毒性，Cr与皮肤接触后，可引起湿疹、皮炎和皮肤瘙痒等；同时Cr可损害呼吸系统、损伤肝脏和肾脏、增加肿瘤发病率的风险。除此之外，摄入过量Cr(Ⅵ)可致人休克失去知觉，甚至死亡。传统的物理法和化学法在处理低浓度Cr废水方面存在效率低，成本高等缺点。研究发现，生物吸附法在处理低浓度重金属污染方面具有一定优势，近年来逐渐成为研究热点[1-2]。其中，酿酒酵母不仅是具有实用潜力的生物吸附剂，也是研究重金属生物吸附机理的良好材料[3-4]。酵母具有无毒性、易生长的特点，被用于污染治理易于为公众所接受；并且，成熟的大规模工业生产使得酿酒酵母成为最廉价的工业微生物；此外，利用啤酒发酵工业产生的废酵母作为吸附材料，不但可以降低重金属污染处理的成本，同时也能提高企业的经济效益。

然而，目前采用啤酒废酵母吸附重金属存在收集困难、难以重复利用等缺点；而以壳聚糖和海藻酸钠等天然高分子为包裹材料，与磁性材料相结合制备固定化酵母磁性微球有望解决上述问题。壳聚糖和海藻酸钠均是无毒、生物相容性好、可生物降解的生物质材料，两者通过静电相互作用形成微囊[5]。磁性材料的应用使得制备的聚电解质微球能够在外加磁场的作用下迅速分离，达到回收利用的目的，且操作简便、价格低廉。

本文以磁性酵母微球作为吸附剂，在单因素实验基础上采用三因素三水平响应面分析法，以铬的去除率为响应值，对磁性酵母微球去除Cr的工艺进行优化，为磁性酵母微球用于Cr废水处理提供理论依据。

1 实 验

1.1 材 料

实验菌株：酵母菌，购于北纳生物公司。

1.2 主要试剂与仪器设备

1.2.1 实验试剂

蛋白胨，天津市大茂化学试剂厂；葡萄糖，天津市致远化学试剂有限公司；酵母粉，北京化工厂；琼脂，都莱生物；海藻酸钠，上海化工厂；CaCl2，天津市风船化学试剂科技有限公司；Fe3O4纳米颗粒，上海化工厂；重铬酸钾、氢氧化钠、磷酸、无水磷酸二氢钠，生工生物工程(上海)股份有限公司；磷酸氢二钾，天津市大茂化学试剂厂；二苯碳酰二肼，生工生物工程(上海)股份有限公司；NaCl，天津市北辰方正试剂厂；以上试剂均为分析纯。

1.2.2 仪器

HH0-C1112B超净工作台，上海智城分析仪器制造有限公司；SPX-250B生化培养箱，上海坤天实验仪器有限公司；BXM-30R高压蒸汽灭菌锅，上海博迅实业有限公司设备厂；SHZ-82气浴恒温震荡器，常州市金坛区指前镇旭日实验仪器厂；HC-2518R高速冷冻离心机，安徽中科中佳科学仪器有限公司；HZY-A120电子天平，华志(福建)电子科技有限公司；HH-4Y恒温水浴锅，上海启钱电子科技有限公司；PHS-3CpH测试仪，上海启钱电子科技有限公司。

1.3 方 法

1.3.1 磁性酵母微球的制备

取10 mL酵母菌悬液与200 mL 5 g/L海藻酸钠溶液混合，再加入0.5% Fe3O4纳米颗粒搅拌均匀后，吸入20 mL 注射器中，滴加至恒温40 ℃的含有4% CaCl2的10 mg/L的壳聚糖溶液中，放置40 min，得到直径3～5 mm的固定化啤酒酵母小球。4 ℃冰箱过夜后，用无菌生理盐水洗涤2～3次，接入YPD液体培养基中继续进行活化培养。25 ℃活化24 h后，换到新鲜YPD液体培养基，继续活化24 h，放置4 ℃冰箱备用。

1.3.2 铬去除实验

取一定量的磁性酵母微球为吸附剂，分别加入一定浓度的铬废液10 mL，在摇床上振荡一定时间后，在2 000 rpm条件下离心2 min，取上清液，运用原子吸收分光光度法测定上清中Cr浓度，吸附率按照公式(1)计算：

(1)

式中：C0为初始Cr浓度，mg/L；Ce为t时刻Cr浓度，mg/L。

1.3.3 单因素实验

以模拟含铬废水为研究对象，考察pH(5～9)、温度(20～40)、投加量(100～180颗)、初始浓度(10～90 mg/L)对磁性酵母吸附铬效果的影响。每个单因素实验重复3次，结果均值表示。

1.3.4 响应面法优化实验设计

在单因素实验的基础上选取存在最优值的影响因素为考察对象，吸附率为响应值，采用Design Expert 8.0.6软件中响应面法(Box-Be-hnken模型)设定实验，得到磁性酵母微球吸附重金属铬最优的工艺条件[6-7]。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 初始铬浓度对磁性微球酵母去除Cr的影响

分别在10 mL，pH=7，Cr初始浓度分别为10 mg/L，30 mg/L，50 mg/L，70 mg/L，90 mg/L的含Cr废水中，加入140颗磁性微球酵母，置于30 ℃摇床振荡2 h，结果如图1所示。随着Cr初始浓度增加，磁性微球酵母对Cr的吸附率随着Cr初始浓度浓度的增加而减少；推测原因是因为模拟含铬废水中Cr的浓度影响啤酒酵母的活性，减缓啤酒酵母的生长代谢速度；还有可能是由于所投加的磁性酵母微球数量的活性附位点一定，当溶液中铬浓度较低时，达到吸附平衡所提供的。吸附位点充足，吸附率较高；当溶液浓度较高时，吸附位点逐渐饱和，导致吸附率逐渐减少[8]。在初始浓度为10 mg/L时，磁性酵母微球对重金属铬的吸附效率达到90.60%，因此，后续选择初始浓度为10 mg/L进行后续的实验。

图1 初始铬浓度对磁性酵母微球去除Cr的影响Fig.1 Effect of the initial concentration on Cr removal by magnetic yeast microspheres

2.1.2 投加量对磁性酵母微球去除Cr的影响

在10 mL，pH=7，初始浓度为10 mg/L的模拟含铬废水溶液中投加不同数量的磁性酵母微球，置于30 ℃恒温摇床振荡2 h，结果如图2所示，当投加量小于140颗时，吸附率随着投加量的增加而增加，因为随着磁性酵母微球投加量的增加，吸附点位的数量和表面积同时增加，表面积越大，对吸附越有利[8]；投加量为140以及以上，磁性酵母吸附重金属铬的吸附率稳定于91%以上，导致吸附率稳定的主要原因可能是吸附位点在140颗时已经到吸附平衡，后续添加磁性酵母微球对吸附率影响不大，因此后续选择投加量为140颗进行实验。

图2 投加量对磁性酵母微球去除Cr的影响Fig.2 Effect of the cast dosage on the removal of Cr by the magnetic yeast microsphere

2.1.3 pH对磁性微球酵母去除Cr的影响

在10 mL，初始铬浓度为10 mg/L的不同pH值的模拟含铬废水中，其他条件均不变进行试验，置于30 ℃恒温摇床振荡2 h，结果如图3所示，在pH为6时，磁性酵母微球对重金属铬的吸附率最大，因此，后续选择pH=6溶液进行实验。当pH<6时，去除率随着pH的减小急剧减小，主要是由pH值为5的时菌丝不生长。当pH值为6的情况下，菌丝长势良好。当pH值为7、8、9的情况下，菌丝长势减弱。由此可见，当pH值为5、7、8、9时啤酒酵母微丝的生长减缓，导致磁性酵母微球活性吸附位点减少，减弱了对重金属铬的吸附作用，导致吸附率的降低。

图3 pH对磁性酵母微球去除Cr的影响Fig.3 Effect of pH on Cr removal by magnetic yeast microspheres

2.1.4 温度对磁性微球酵母去除Cr的影响

将10 mL，pH=7，初始铬浓度为10 mg/L的模拟含铬废水中投加140颗磁性微球，置于不同温度的恒温摇床中反应2 h，结果如图4所示。在温度为35 ℃时，磁性酵母微球对重金属铬的吸附率最大，因此，后续选择温度为35 ℃进行后续的实验。当温度小于35 ℃时，吸附率随着温度的减小减少；当温度大于35 ℃时，吸附率随着温度的增加也减少，主要都是是因为温度影响啤酒酵母酶的活性，减缓啤酒酵母的生长代谢速度，从而导致磁性酵母微球吸附率减低[9]。

图4 温度对磁性酵母微球去除Cr的影响Fig.4 Effect of temperature on Cr removal by magnetic yeast microspheres

2.2 响应面分析

2.2.1 模型建立及回归分析

根据响应面法设计原理。在单因素实验结果基础上，以投加量、pH和温度为自变量，以磁性啤酒酵母微球吸附Cr吸附率为响应值，采用BBD设计方案，通过Design Expert软件寻求最佳吸附率条件及各个因素交互作用，每个影响因子的低、中、高值分别以-1、0、1进行编码，设计三因素三水平的实验方案，因子水平表见表1。

表1 影响因子水平及编码Table 1 Impact factor levels and encoding

以磁性啤酒酵母微球吸附Cr吸附率为响应值，实验方案及结果如表2所示。

表2 响应面分析实验方案及结果Table 2 Experimental protocol and results

对表2实验结果采用Design Expert软件进行响应面回归分析，建立二次响应面回归模型，得到吸附率Y对溶液pH(A)、投加量(B)以及温度(C)的二次多项回归方程如下：

吸附率Y=+97.22+0.96A+2.60B+0.11C-1.11AB-0.085AC+0.032 BC-5.45 A2-2.21B2-0.97C2

该二次多项模型及各项方差分析结果见表3。

表3 Box-Behnken Design结果分析Table 3 Analysis of the Box-Behnken Design results

续表3

从表3可知，F值为43，34，P值小于0.000 1说明模型拟合极显著，失拟项P值为0.1198，失拟不显著。多项式模型拟合程度的好坏由决定系数(R2)反应，该模型的决定系数R2=0.982 4，说明模型能够解释98.24%响应值的变化，仅有不到3%的吸附率的变异不能由该模型解释，因而回归方程的拟合程度很好，CV=0.88%<10%，有效信号与噪声的比值(AP)为19.808，大于4是为合理，表明实验的可信度和精确都高。综上所述，该二次回归方程为磁性啤酒酵母微球吸附重金属铬Cr工艺提供了一个准确可靠的模型。

2.2.2 响应面分析

(1)溶液pH和投加量对Cr吸附率的影响

图5为温度编码值为0，溶液pH和投加量在编码值范围内(-1，1)对磁性啤酒酵母微球对重金属Cr吸附率的影响。由等高线图可以看出，pH和菌体投加量交互作用显著。根据响应面模型得到多次二项回归方程可知，pH和菌体投加量都与Cr吸附率成正效应，菌体投加量对Cr去除量的影响随着pH增加到中间值时更加显著。因此，应保持溶液在pH=6时，合理的选择菌体投加量，以取得较好的Cr去除量。

图5 pH与投加量的等高线图和响应面图Fig.5 Contour plots and response surface plots of pH and input amount

(2)溶液pH和温度对Cr去除量的影响

图6是菌体投加量编码值为0时，溶液pH和温度对Cr去除量的影响。由等高线图可知，在编码值范围内，温度和pH的交互作用显著。Cr吸附率随温度升高而增加，随着pH升高达到峰值之后降低。

图6 pH与温度的等高线图和响应面图Fig.6 Contour and response surface of pH and temperature

(3)菌体投加量和温度对Cr去除量的影响

溶液pH编码值为0，投加量和温度对Cr去除量的影响见图7。由等高线图可知，在编码值范围内，菌体投加量和温度交互作用不显著。当菌体投加量和温度共同影响菌体去除Cr时，由投加量产生的正效应要大于温度产生的负效应。因此，在Cr去除时，可以适宜提高投加量。

图7 温度与投加量的等高线图和响应面图Fig.7 Contour diagram and response surface diagram of temperature and dosage

2.3 优化模型验证

通过模拟拟合得到的磁性酵母微球吸附重金属铬Cr的最佳条件：投加量154颗，pH=6.13，温度为33.43 ℃，为了验证预测模型的准确可靠，在最优条件下进行3次平行验证，得到吸附率平均值为96.87%。实验值与预测值97.37%基本一致，说明该模型能够比较准确的反映各个因素对重金属铬Cr吸附率的影响。因此采用响应面优化磁性啤酒酵母微球吸附重金属铬Cr的工艺是可行的。

3 结 论

本文以磁性酵母微球作为吸附剂，以吸附率为指标，针对体积10 mL，初始浓度为10 mg/L Cr废水，在投加量为154颗，pH=6.13，温度为33.43 ℃条件下振荡2 h，磁性啤酒酵母微球对重金属铬Cr吸附率到达96.87%，铬废水中的铬浓度低于国家污水排放标准0.05 mg/L。