啤酒酵母對重金屬離子的生物吸附特性

啤酒酵母對重金屬離子的生物吸附特性

環(huán)境中的重金屬（如鉛、鎘、銅、鋅等）可以通過鏈中的重金屬積累，導(dǎo)致慢性人體中毒。如何從廢水中去除重金屬，是人類健康和生態(tài)環(huán)境的重要研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的處理含重金屬廢水的物理化學(xué)方法包括:化學(xué)沉淀法、離子交換法、電解法、凝聚法和氧化還原法等,這些方法耗資大而且可能造成二次污染。自從Ruchhoft提出用生物吸附法(活性污泥)去除廢水中的Pu239以后,生物吸附法作為一種新興的水處理技術(shù)而受到重視。它具有吸附容量大、吸附速度快、價格低廉、適于處理低濃度重金屬廢水等優(yōu)點,而且不易造成二次污染。用于生物吸附的吸附材料可以是細(xì)菌、酵母、真菌、藻類和活性污泥等,且研究表明死細(xì)胞同活細(xì)胞一樣具有吸附作用。因而發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)生的大量廢菌體是一種極具潛力的生物吸附劑。根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)字,2002年我國啤酒產(chǎn)量達(dá)到2386.83萬噸,約有干菌體近20萬噸,如果能用它們作為吸附劑原料,處理含鉛、鎘和汞等重金屬離子的工業(yè)廢水,將具有很大的實用價值。水中鎘的污染主要來源于濕法有色金屬冶煉廠、電鍍廠和礦山的廢水排放,不同來源廢水中鎘含量從幾mg/L至幾千mg/L不等,譬如鍍鎘工藝中所排放廢水的鎘含量為40~250mg/L。本文以啤酒酵母為生物材料,研究其在游離與固定化條件下對溶液中Cd2+的吸附特性,為開發(fā)利用啤酒酵母廢菌體處理含重金屬工業(yè)廢水提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1細(xì)菌和培養(yǎng)基1.1.1蘑菇啤酒酵母(S.cerevisiae),本系保存。1.1.2ypd培養(yǎng)基1.2試劑和設(shè)備1.2.1主試劑CdCl2·2.5H2O為國產(chǎn)分析純,用去離子水配制成一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)液。海藻酸鈉為國產(chǎn)化學(xué)純,CaCl2為國產(chǎn)分析純。1.2.2主要設(shè)備原子吸收分光光譜儀(AA800),恒溫?fù)u床(THZ-881K),pH計(PHS-3C)等。1.3生物吸附劑的制備1.3.1菌體粉的制備啤酒酵母經(jīng)活化后,于液體培養(yǎng)基中28℃振蕩培養(yǎng)24h,之后離心收集菌體,冷凍干燥,研磨成粉,置于干燥器中保存?zhèn)溆谩Ｊ褂们皩⒕w置80℃烘箱中烘至恒重。1.3.2啤酒發(fā)酵母的預(yù)處理取適量啤酒酵母干菌粉,加入0.5mol/LNaOH于80℃水浴處理一定時間,離心收集菌體,80℃下烘干,研磨成粉。1.3.3葡萄糖母的固定化準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的啤酒酵母干菌粉,用去離子水配成一定濃度的菌懸液,采用海藻酸鈣凝膠包埋法進(jìn)行固定化。1.4cd2+溶液準(zhǔn)確稱取適量的干酵母或固定化酵母于三角瓶中,加入一定濃度的Cd2+溶液,置于恒溫?fù)u床(28℃,240r/min)中振搖吸附。對于未固定化的酵母,吸附后需用微孔(0.45μm)濾膜過濾除去酵母菌體,才能進(jìn)行檢測。1.5解吸實驗吸附液過濾后,將濾渣(酵母)置于解吸液中,恒溫?fù)u床(28℃,240r/min)中振搖解吸5h,再用微孔濾膜過濾。1.6初始濃度100%吸附能力及干重解吸率溶液中的鎘離子濃度用原子吸收分光光譜儀測定。吸附率=(初始濃度-終濃度)/初始濃度×100%吸附能力(mg金屬/g細(xì)胞)=溶液體積×(初始濃度-終濃度)/細(xì)胞干重解吸率=解吸液濃度×解吸液體積(初始濃度-終濃度)×溶液體積×100%=解吸液濃度×解吸液體積(初始濃度?終濃度)×溶液體積×100%2結(jié)果與討論2.1游離母活性2.1.1圖1:美國監(jiān)獄警察-區(qū)對大多數(shù)生物吸附過程而言,pH值是一個非常重要的參數(shù)。在吸附時間5h,Cd2+初始濃度50mg/L,酵母濃度1g/L,pH值分別為3、4、5、6、7時,進(jìn)行吸附實驗,結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出,隨著溶液pH值增大,吸附率也逐漸增大。在pH6時,吸附率最大。當(dāng)pH值繼續(xù)增大到pH7時,溶液中出現(xiàn)少量沉淀,吸附率有所下降。干酵母細(xì)胞對Cd2+的吸附是一種被動吸收過程,主要是利用細(xì)胞壁上的活性基團(tuán)(胺、酰胺等)和金屬離子相結(jié)合,這個機(jī)制可以是離子交換或配位結(jié)合。pH值較低時,細(xì)胞壁上的官能團(tuán)是質(zhì)子化的,pH值增大,H+會從官能團(tuán)上解離下來,暴露出更多的帶負(fù)電荷的基團(tuán),有利于金屬離子的結(jié)合,故吸附率隨pH值上升而增大。但是pH值過高會使金屬離子生成氫氧化物沉淀,不利于吸附的進(jìn)行。2.1.2離子濃度和菌體濃度對cd2+吸附的影響在不同酵母濃度(0.1g/L,0.5g/L,1.0g/L,2.0g/L)及不同Cd2+濃度(10mg/L,50mg/L,100mg/L,200mg/L)下做Cd2+的吸附實驗(pH6,吸附時間0.5h),結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,離子濃度和菌體濃度對Cd2+的吸附影響也很顯著。低濃度酵母(0.1g/L)對Cd2+的吸附率很低,對于同樣的酵母濃度,只在一合適的離子濃度下才有最大吸附率。酵母細(xì)胞的吸附能力隨著菌體濃度的增加而降低,隨著離子濃度的升高而升高。實驗范圍內(nèi),在Cd2+為100mg/L,酵母濃度為2g/L或Cd2+為50mg/L,酵母濃度為1g/L時的吸附率最高,達(dá)到93%,此時干酵母的吸附能力為46.5mgCd2+/g干酵母,Cd2+初始濃度與酵母濃度之比為50mg/LCd2+∶1g/L酵母。2.1.3酵母溶液ph值對酵母吸附實驗的影響一般認(rèn)為,堿處理能使細(xì)胞羥基化并且去除一些和活性區(qū)域相結(jié)合的成分而有利于金屬吸附。取經(jīng)堿處理不同時間的酵母進(jìn)行吸附實驗,在Cd2+初始濃度50mg/L,酵母濃度1g/L時,吸附5h,與未經(jīng)預(yù)處理的酵母吸附實驗(溶液pH值為6)相對比,結(jié)果如圖3。從圖中看出,適當(dāng)?shù)膲A處理有助于酵母對Cd2+的吸附,處理時間3~4h較好。未經(jīng)堿處理的酵母對Cd2+的吸附不是很牢固,隨著吸附時間的延長,會有部分Cd2+解吸下來,表現(xiàn)在振搖吸附5h后的吸附率比0.5h的低。而經(jīng)過堿處理的酵母對Cd2+的吸附比較牢固,堿處理4h的酵母在吸附5h后仍保持著92.9%的高吸附率。此外,經(jīng)過堿處理后的酵母進(jìn)行吸附時可不必調(diào)節(jié)溶液的pH值。2.1.4多次生物吸附劑回收工業(yè)上利用生物吸附劑凈化工業(yè)污水需根據(jù)金屬的價值、回收的難易及吸附機(jī)理等來選擇適當(dāng)?shù)幕厥辗椒āＩ镂絼┑脑偕赏ㄟ^簡單的物理或化學(xué)方法實現(xiàn),如用特定的解吸劑解吸,這種回收方式是非破壞性的,可進(jìn)行多次吸附-解吸循環(huán)處理。如果金屬價值高而生物吸附劑比較廉價,也可采用破壞性的金屬回收方式,如焚燒、溶于酸或堿等。圖4是分別用去離子水,1mol/L的HCl和1mol/L的NaOH對吸附Cd2+后的酵母菌進(jìn)行解吸的結(jié)果。從圖4可以看出,用HCl解吸的效果大大優(yōu)于去離子水和NaOH解吸,解析率達(dá)84%。這是因為HCl中的H+能與金屬離子競爭細(xì)胞表面的結(jié)合位置而使得金屬離子解吸,而NaOH會中和H+,使得金屬離子與細(xì)胞表面的結(jié)合增強(qiáng),不易解吸。2.2固定化母吸附性2.2.1固定化酵母對cd2+的吸附游離的酵母吸附金屬離子后,必須經(jīng)過膜過濾才能與溶液分開,給連續(xù)操作帶來一定困難。如果將酵母固定在某種合適的材料上,具有一定的顆粒尺寸、足夠的強(qiáng)度、多孔性、親水性和化學(xué)惰性,就可以用于重金屬離子的連續(xù)吸附過程。本實驗以海藻酸鈣凝膠包埋法固定酵母細(xì)胞,為確定固定化酵母合適的吸附條件,設(shè)計了L9(34)的正交實驗表,實驗安排和結(jié)果如表1所示,吸附時間均為2h,CaCl2的濃度為10%。從表中可以看出,在固定化酵母對Cd2+的吸附過程中,海藻酸鈣凝膠對金屬離子的吸附作用不可忽略,在總吸附率中占有很大比重。海藻酸鹽是一類從褐藻的細(xì)胞壁中提取出來的多糖,它是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸聚合而成的線性高聚物,Cd2+可能通過和藻酸上的共價離子交換而被吸附。海藻酸鈣凝膠對Cd2+的吸附受膠濃度(海藻酸鈉濃度)的影響最大,提高膠濃度,凝膠對Cd2+的空白吸附率也增加。此外,膠濃度也極大地影響了固定化酵母對Cd2+的吸附作用,實驗條件下,用3.2%的海藻酸鈉做成的凝膠包埋酵母,對Cd2+的吸附效果最好。pH值、離子濃度和菌體濃度對固定化酵母吸附Cd2+也有一定影響,不過都沒有對游離酵母的影響那樣顯著,而且,酵母固定化之后,其吸附Cd2+的較適pH值與游離酵母也不同。固定化酵母對Cd2+的吸附率隨pH值升高而降低,與游離狀態(tài)相反。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生,可能是因為酵母細(xì)胞固定化之后所處的微環(huán)境與游離狀態(tài)不同,金屬離子必須擴(kuò)散進(jìn)入凝膠內(nèi)部才能與細(xì)胞接觸。2.2.2cd2+的吸附用3.2%的海藻酸鈉分別與不同濃度的CaCl2溶液進(jìn)行凝膠化包埋酵母,研究制得的固定化酵母對Cd2+的吸附率,結(jié)果如圖5,吸附條件為:pH4,Cd2+初始濃度200mg/L,菌體濃度0.5g/L,吸附時間為0.5h、1h和2h。從圖中可以看出,一方面Cd2+的吸附率隨吸附時間增加而增大,另一方面,又隨CaCl2濃度的降低而增大。CaCl2濃度為2%,吸附2h時,Cd2+的吸附率達(dá)到87%,大大高于10%CaCl2時的吸附率?？梢奀aCl2濃度是影響固定化酵母吸附Cd2+的一個重要因素,降低CaCl2的濃度即降低Ca2+的濃度,能提高凝膠的滲透性,有利于金屬離子的擴(kuò)散,從而有助于吸附。3固定化酵母cd2+的吸附能力啤酒酵母具有吸附Cd2+的能力,其吸附過程受到pH值、離子濃度及菌體濃度的影響,在不使Cd2+沉淀的條件下,提高pH值有利于吸附。其吸附能力隨著菌體濃度的增加而降低,隨著離子濃度的升高而升高。實驗范圍內(nèi),最高吸附率達(dá)到93%,此時干酵母的吸附能力為46.5mgCd2+/g干酵母,Cd2+初始濃度與酵母濃度之比為50mg/LCd2+:1g/L酵母。適當(dāng)?shù)膲A處理有利于酵母對Cd2+的吸附。吸附Cd2+后的酵母可以用1mol/L的HCl解吸,解吸率為84%。用海藻酸鈣凝膠包埋啤酒酵母細(xì)胞,固定化的酵母仍具有吸附Cd2+的能力,但凝膠本身對Cd2+的吸附能力也不能忽略。固定化酵母吸附Cd2+所需的吸附時間要滿足金屬離子的擴(kuò)散要求,它對Cd2+的吸附主要受到海藻酸鈉濃度和CaCl2濃度的影響,降低CaCl2的濃度有利于Cd2+的吸附,不過需要考慮到CaCl2濃度的降低會影響凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。固定化酵母的優(yōu)勢在于可重復(fù)使用及連續(xù)操作,合適的條件下,固定化之后對Cd2+的總吸附率仍能達(dá)到游離酵母的吸附水平。當(dāng)然,如果要求只能有啤酒酵母的吸附,那么應(yīng)該換一種對Cd2+不具吸附能力的固定化材料。此外,本文僅考察了溶液中只含一種金屬離子Cd2+時啤酒酵