（采矿工程专业论文）啤酒酵母菌及其固定化凝胶颗粒吸附铀的研究.pdf

摘要吸附剂的固定化技术是生物吸附技术实用化和工业化过程中的一个至关重要的技术问题，它的发展与完善将促使生物吸附技术从实验室走向应用，为重金属废水处理技术的迅速工业化应用开辟道路。本文以研究固定化啤酒酵母菌对铀的吸附能力为目标，探索各种预处理方法以增强啤酒酵母菌对铀的吸附能力，研究了固定化啤酒酵母菌凝胶颗粒作为新型吸附剂对铀的吸附，为该菌种在该领域的工业化应用研究打下电好基础。本课题的研究以实验室模拟吸附实验为主，分四步实验：1 研究了灭活啤酒酵母菌在不同p h 值、吸附时间t 和不同铀初始浓度等条件下对铀的吸附实验。2 研究了活性啤酒酵母菌在不同p h 值、不同铀初始浓度等条件下对铀的吸附能力的影响实验。3 研究了多种预处理的灭活啤酒酵母菌对铀的吸附能力实验。4 研究了甲醛交联海藻酸钙固定化啤酒酵母菌对铀的吸附能力实验。将实验结果绘制出吸附等温线，并由吸附等温线l a n g m u i r 曲线和f r e u n d l i c h 曲线求出相应参数，得出理论最大吸附量；初步对啤酒酵母菌吸附铀的能力及固定化方法进行评价。以这些实验为依据，得出了如下一些研究成果：实验1 从灭活啤酒酵母菌对铀的吸附能力研究中得出较佳的吸附p h 值为6 0 ，t = 2 h 时吸附基本达平衡，由l a n g m u i r 吸附模型得出最大吸附量q 。= 1 9 6 1 m g g ( 干细胞) ( 吸附模型符合l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 吸附等温方程，以物理吸附为主) ，说明经高压蒸汽灭菌的啤酒酵母菌对铀有良好的吸附性能；并研究了铀的解吸，用n a 2 c 0 3 或n a h c 0 3 溶液解吸效果较好，解吸率分别为8 7 8 和8 7 2 。实验2 研究了活性啤酒酵母菌对铀的吸附作用，得出较佳吸附p n 值为6 0 ，t = 2 h时吸附基本达平衡，由l a n g m u i r 吸附模型得出最大吸附量为1 7 2 4 m g g ( 干细胞) ( 吸附模型符合l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 吸附等温方程，以物理吸附为主) ，说明活性啤酒酵母菌比经高压蒸汽灭菌处理的啤酒酵母菌吸附铀的能力稍小。实验3 首次在国内研究了用各种酸、碱和有机物等预处理灭活啤酒酵母菌对铀的吸附能力影响，结果显示用低浓度的无机酸、碱和h 2 0 2 处理后，对铀的吸附能力明显降低，用乙醇处理后对铀吸附能力的变化不大，但发现用0 1m o l ln a h c 0 3 溶液预处理啤酒酵母菌后能显著提高其对铀的吸附量，最大吸附量可达2 3 8 m g g ( 干细胞)( 未处理的灭活啤酒酵母菌最大吸附铀量约为1 9 6 1m g g ( 干细胞) ) ，吸附量提高约2 1 4 。实验4 经甲醛交联海藻酸钙包埋固定的啤酒酵母菌凝胶颗粒对铀的吸附能力有较大提高，经甲醛交联的啤酒酵母菌的最大吸附量q m 。= 1 8 5 2 m g g ( 干细胞) ，经交联固定化后的凝胶颗粒的最大吸附量q m x = 7 6 9 2 m g g ( 干细胞) ( 两者吸附模型都符合f r e u n d l i c h 和l a n g m u i r 吸附等温方程) 。在研究中发现，直径为3 4 m m 的固定化颗粒具有一定的机械强度，在吸附过程中颗粒形态比较稳定，不会随时间而改变，且固定化实验操作简单，是可行的一种固定化细胞方法。关键词：啤酒酵母菌预处理固定化生物吸附铀i is t u d yo nb i o s o r p t i o no fu r a n i u mb ys c e r e v i s i a ea n di m m o b i l i z e ds c e r e v i s i a eg e la b s t r a c tt op r o m o t et h ep r a c t i c a la n di n d u s t r i a lp r o c e s so fb i o s o r p t i o nr e s e a r c h ，t h et e c h n o l o g yo f i m m o b i l i z e da d s o r b e n ti sv i t a l t h ed e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to f i tw i l lp u s ht h et e c h n o l o g yf r o mt h el a b o r a t o r yt oa p p l i c a t i o na n dw i l lo p e nu pt h ei n d u s t r i a l i z i n gr o a df o rt r e a t m e n to fh e a v ym e t a ls l u d g e t h i st h e s i si st oi n v e s t i g a t et h ea b i l i t yo fb i o s o r p t i o no fu r a n i u mb ys a c e h a r o m y c e sc e r e v i s i a e ( s c e r e v i s i a e ) a n dt os e a r c hf o rv a r i o u so fp r e t r e a t m e n t st oe n h a n c et h ea b i l i t yo fb i o s o r p t i o no fu r a n i u m ；t h es u c c e s s f u lr e s e a r c ho fi m m o b i l i z i n gs c e r e v i s i a em a d ei n t og e lp e l l e t sa san e wa d s o r b e n tw i l lm a k eat h e o r e t i c a lb a s i so nt h ei n d u s t r i a l i z e da p p l yi nt h eb i o s o r p t i o nf i e l d t h er e s e a r c hm a i n l yc o n c e r n st h el a b o r a t o r i a ls i m u l a t ee x p e r i m e n t s ，w h i c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n gf o u rp r o c e d u r e s ：p a r t1 ：t h ee f f e c to fd i f f e r e n to fp hv a l u e ，t h eb i o s o r p t i o nt i m e ，t h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fu r a n i u mo nt h eb i o s o r p t i o no fu r a n i u mb yi n a c t i v es c e r e v i s i a e p a r t 2 ：t h ee f f e c to f d i f f e r e n to f p hv a l u e , t h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f u r a n i u mo nt h eb i o s o r p t i o no fu r a n i u mb ya c t i v es c e r e v i s i a e p a r t 3 ：t h ea b i l i t yo fb i o s o r p t i o no fu r a n i u mb yv a r i o u so fp r e t r e a t m e n t so fs c e r e v i s i a eb ya c i da n da l k a l ia n do r g a n i cm a t t e re t c “p a r t4 ：t h ea b i l i t yo fb i o s o r p t i o no fu r a n i u mb yc r o s s l i n k e da n da l g i n a t ei m m o b i l i z e ds 。c e r e v i s i a e t h eb i o s o r p t i o ni s o t h e r mi sg i v e ni nt h ef o u rs i m u l a t ee x p e r i m e n t s ，a n dt h em a x i m u mu p t a k eo fu r a n i u mi sc o n c l u d e df r o mt h el a n g m u i ra d s o r p t i o ni s o t h e r ma n df r e u n d l i c ha d s o r p t i o ni s o t h e r m f i n a l l y , t h ea b i l i t yo fb i o s o r p t i o no fu r a n i u mb ys c e r e v i s i a ea n dt h em e t h o do fi m m o b i l i z e db i o m a s sh a sb e e ne v a l u a t e d a c c o r d i n gt ot h ed a t ao f e x p e r i m e n t s ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d p a r t1 = r e m o v a lo fu r a n i u mf r o ms l u d g eb yb i o s o r p t i o no fi n a c t i v es c e r e v i s i a eh a si i ib e e nr e s e a r c h e d t h eo p t i m a lp hv a l u ei s6 0a n dt h ep r o c e s so fb i o s o r p t i o nb a s i c a l l yr e a c h e sb a l a n c ea f t e r2h o u r s a c c o r d i n gt ot h el a n g m u i ra d s o r p t i o ni s o t h e r mt h em a x i m u mu p t a k ei s1 9 6 1 m g g ( d r yb i o m a s s ) ( t h eu p t a k eo f u r a n i u mc a l lb ed e s c r i b e db yt h ef r e u n d l i c ha n db yt h el a n g m i u ra d s o r p t i o ni s o t h e r m s ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tt h ea d s o r p t i o na t t r i b u t e st op h y s i c a la d s o r p t i o n ) ，w h i c hi n d i c a t e st h a ts c e r e v i s i a eh a sg o o da b i l i t yo fb i o s o r p t i o no fu r a n i u m m o r e o v e r , t h ee x p e r i m e n to nr e m o v a lo fu r a n i u mf r o ma d s o r b e n th a sb e e nd o n e t h es o u n de f f e c t sa r eo b t m n e db yn a 2 c 0 3a n dn a h c 0 3s o l u t i o n t h er a t eo f r e m o v a li sr e s p e c t i v e l y8 7 8 a n d8 7 2 p a r t2 ：t h r o u g hp r e l i m i n a r ye x a m i n a t i o no nt h ee f f e c to i lb i o s o r p t i o no fu r a n i u mb ya c t i v es c e r e v i s i a e ，w ec a r lc o n c l u d et h a tt h eo p t i m a lp hv a l u ei s6 0a n dt h ep r o c e s so fb i o s o r p t i o nb a s i c a l l yr e a c h e sb a l a n c ea f t e r2h o u r s a c c o r d i n gt ot h e + l a n g m u i ra d s o r p t i o ni s o t h e r m ，t h em a x i m u mu p t a k ei s1 7 2 4 m g g ( d r yb i o m a s s ) ( t h eu p t a k eo f u r a n i u mc a l lb ed e s c d b e db yt h ef r e u n d l i c ha n db yt h el a n g m u i ra d s o r p t i o ni s o t h e r m s ) ，w h i c hi n d i c a t e st h a ti n a c t i v es c e r e v i s i a eh a sb e t t e ra b i l i t yo fb i o s o r p t i o no fu r a n i u mt h a na c t i v es c e r e v i s i a e p a r t3 ：t h ee f f e c to fp r e t r e a t m e n t so fi n a c t i v es c e r e v i s i a eb ya c i da n da l k a l ia n do r g a n i cm a t t e re r e h a sb e e nf i r s t l ye x a m i n e di nc h i n a r e s u l t si n d i c a t et h a tt h eu p t a k ei sa p p a r e n t l yr e d u c e db yt h ep r e t r e a t m e n t so fs e e r e v i s i a eb yl o wc o n c e n w a t i o no fa c i d ，a l k a l ia n dh 2 0 2 b u tt h em a x i m u mu p t a k ec a l lr e a c h2 3 8m e g g ( d r yb i o m a s s ) b yt h ep r e t r e a t m e n to fi n a c t i v es c e r e v i s i a eb yo 1 mn a h c 0 3 ，w h i c he x c e e d st h eu p t a k eo fn o n p r e t r e a t m e n to f i n a c t i v es c e r e v i s i a e p a r t4 ：t h eu p t a k eo fu r a n i u mi sg r e a t l yi n c r e a s e db yt h ef o r m a l d e h y d ec r o s s - l i n k e da n da l g i n a t ei m m o b i l i z e ds c e r e v i s i a e t h em a x i m u mu p t a k eb yt h ef o r m a l d e h y d ec r o s s l i n k e ds c e r e v i s i a ei s18 5 2 m g g ( d r yb i o m a s s ) t h em a x i m u mu p t a k eb yt h ea l g i n a t ei m m o b i l i z e ds c e r e v i s i a ei s7 6 9 2 m g g ( d r yb i o m a s s ) b o t hc a nb ed e s c r i b e db yt h ef r e u n d l i c ha n db yt h el a n g m i u ra d s o r p t i o ni s o t h e r m s a sc a nb es e e nf r o mt h es t u d y , t h eg e li n3 - - 4 m mo fd i a m e t e rh a sg o o dm e c h a n i c a ls t r e n g t h i nt h ep r o c e s so fb i o s o r p d o n ，t h es h a p eo fg e lc a nm a i n t a i ns t a b i l i t y i td o e s n tc h a n g ew i t ht h et i m e 。a l s o ，t h ep r o c e s so fi m m o b i l i z e do p e r a t i o ni ss i m p l e ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h em e t h o do f c r o s s - l i n k e da n da l g i n a t ei m m o b i l i z e ds c e r e v i s i a ei sf e a s i b l ef o ri m m o b i l i z e db i o m a s s w a n g - b a o e ( m i n i n ge n g i n e e r i n g )d i r e c t e db yp r o f x u - w e i c h a n gk e yw o r d s ：s c e r e v i s i a e ，p r e t r e a t m e n t ，i m m o b i l i z e ，b i o s o r p t i o n ，u r a n i u mv原创性声明y6 0 5 2 2 4本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南华大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：立留磷日期：泐牛年占月7 日关于学位论文使用授权说明本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：丑童叶导师签名：彳氡节黟日期：如噼年多月7 日王宝娥南华大学硕十学位论文引言随着电镀、制革和染料等工业的发展，含铀、铅，镉等低含量重金属的废水大量排放，对人体和环境的危害越来越严重，这些有毒的物质参与食物链循环并最终在生物体内累积，破坏生物体正常的生理代谢活动，从而导致人体慢性中毒；另一方面，含重金属废水的大量排放造成重金属资源的相对缺乏，若能回收重金属，将给社会带来巨大的经济效益和社会效益。传统的处理含重金属废水的物理化学方法很多【l 五”，如化学沉淀法、离子交换法、活性炭吸附法、电解法、膜分离技术、氧化还原法。铁氧体法等，这些方法各有优缺点。例如，化学沉淀法借助某些沉淀剂形成难溶的金属化合物沉淀，通过过滤和分离使沉淀物从水溶液中去除，易于快速去除大量的金属离子，但由于受沉淀剂和环境条件的影响，废水中重金属离子浓度往往达不到排放要求，该方法的另一个缺点是流程长、操作麻烦、处理费用高，而且对于去除废水中的痕量重金属不很有效。离子交换法是另一种较为成熟的工艺，其优点是操作简单，在一定的条件下处理效果较好，缺点是离子交换法树脂价格高，选择交换性能不好( 尤其当存在大量竞争性离子如n a +和c a 2 + 时) 。活性炭吸附法可用于重金属的吸附，但由于其价格昂贵，不适应于大规模处理重金属废水。而且，这些传统方法的一个共同缺点就是当用于处理含重金属浓度低于l o o m g l 的废水时，往往操作费用和原材料成本相对过高，经济上不合算【4 】。如何有效地去除废水中的低含量重金属已经成为当前十分迫切的任务，经过4 0多年的探索，人们发现可借助生物体吸附重金属，且发现其具有价廉、节能和易于分离回收重金属的特点。“生物吸附”( b i o s o r p t i o n ) 是利用微生物( 活的、死的或它们的衍生物) 分离水体系中金属离子的过程。自从1 9 4 9 年r u c h h o f f 掣5 1 人提出生物吸附这一概念，并用活性污泥法从废水中回收了2 3 9 p u 以来，用微生物细胞作为生物吸附剂，吸附重金属废水的研究工作在国内外大量开展，并已成为世界各国环境治理中心、冶金领域及微生物学基础研究方面迅速发展起来的一个重要研究方向，近年来取得了很大进展。生物吸附有潜在的广阔应用前景m l ：从工业废液中去除有放射性和有毒的重金乇宝娥南华大学硕十学位论文属；净化局部污染的地下水、地表水及湖水；从工业过程水及海水、湖水和河流中回收低浓度的贵重金属。由一些学者的研究表明，一些微生物如细菌、真菌和藻类对重金属有很强的吸附作用 8 , 9 , 1 0 】。如铜绿假单胞菌( p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a ) 吸附溶液中的铜，少根霉( r h i z o p u sa r r h i z u s ) 、酵母菌( s a c c h a r o m yc e r e v i s i a e ) 对钍和铀的吸附，其它微生物的废菌丝体如真菌、细菌、霉菌，植物细胞壁和藻类以及用其它方法研制的各种具有吸附性能的吸附剂，都能有效地从水溶液中富集低含量的重金属离子f 1 1 , 1 2 , 1 3 】。但目前为止，生物吸附技术还未能大规模的工业化应用，其中吸附剂的固定化技术是限制其应用的一个方面，因为，吸附所用的吸附剂都是自然的生物体，是经过沉淀、过滤或离心将生物体与溶液分开，这样不但增加了处理的费用而且降低了去除效率，而且，一些条件影响和制约着生物吸附。于是要求推广一种新型的生物处理方法，即生物固定化技术。本论文以实验室模拟生物吸附实验为基础，以纯的啤酒酵母菌作为菌种，以各种预处理条件下的啤酒酵母菌和甲醛交联海藻酸钙固定化啤酒酵母菌凝胶颗粒作为吸附剂，用其对含铀废水进行吸附研究。在不同的物理一化学条件下吸附铀离子的过程结束后，经过固液分离，利用滴定测定法【1 4 】，差减法计算原理【1 5 , 1 6 ，通过吸附益线比较处理和未处理的啤酒酵母菌对铀的吸附能力。确定了啤酒酵母菌作为生物吸附剂吸附铀的能力和海藻酸钙固定化方法的可行性，从而为解决吸附剂在实际工业处理系统中处理含铀废水提供了初步的理论和实验依据。王宝娥南华大学硕士学位论文第一章概述1 1 生物吸附技术的发展及现状1 1 1 生物吸附技术的发展生物吸附技术是生物技术在处理重金属废水及其它工业废水领域的应用，是解决当今环保领域中如何有效处理重金属废水、回收贵重金属的突出问题的一个主要研究方向。由于传统处理方法的种种缺点，2 0 世纪8 0 年代初，人们逐渐将研究重点转向重金属的生物吸附技术。自从1 9 6 6 年，p o l i k a r p o v l l 7 】指出直接用海藻类微生物可以将废水中的放射性元素吸附出来后，国内外学者相继开展了生物吸附试验和工业应用。1 9 6 8 年，t e z u k a 1 8 1发现，在生物吸附过程中，重金属阳离子和带负电的细胞壁形成离子键后被吸附。后来，这种生物吸附重金属的假设理论得到了实际应用：c h i n 和j i l e k 【饽】从污水中分离出真菌菌丝体对铀进行吸附，吸附量达l o o m g g ( 千细胞) 。进一步研究表明，一些微生物如细菌、真菌和藻类对重金属有很强的吸附作用，如1 9 7 8 年，b e v e f i d g e 和s h u m a t e 2 0 , 2 1 1 用杆状菌、酵母菌，假单链霉菌进行实验，发现这些生物的细胞壁对铀等重金属有很强的吸附力。在利用酵母菌吸附铀的研究领域，国内外一些学者取得了较大成果。如谭红等人曾报道过利用酵母细胞快速富集溶液中的铀，韩润平等口3 埽0 用酵母菌对锌的吸附研究，最大吸附量为0 1 2 m m o l g ，m b u s t a r d 等 2 4 】人利用啤酒厂的废菌丝体吸附铀，结果表明酵母细胞有较大的吸附铀的能力，1 9 9 7 年，m b u s t a r d 2 5 1 等在啤酒厂的废菌丝体吸附铀的反应中加电脉冲，吸附量由1 7 0 m g g ( 干细胞) 增至2 7 5 m g g ( 干细胞) 。但为了适应工业上的应用，需对吸附剂作进一步的处理，以解决吸附过程结束后，生物吸附剂在废水中的固液分离问题，为此，固定化细胞技术逐步发展完善起来。如1 9 9 7 年，m b u s t a r d 等【2 6 】研究了交联固定啤酒厂废菌丝体吸附铀，结果固定化后的凝胶颗粒的最大吸附铀量达2 2 0 m g g ( 干细胞) 。经过研究与实践证明，利用生物体作为吸附剂进行废水处理或回收重金属优于其王宝娥南华人学硕上学位论文它方法，它能够高效、有选择地处理低浓度重金属废水，还能变废为宝，利用发酵工业中大量的废弃菌体，兼顾了环境和经济效益，在实际的含重金属废水处理中有较好的发展前景。1 1 2 生物吸附技术的现状生物吸附法以其独特的优点，在含重金属废水处理领域中引起了人们广泛的关注。美国、法国、日本、意大利，西班牙等一些发达的国家，投入大量的人力、财力研究含铀等重金属的废水治理方案，一些发展中国家如印度、巴西等也投入资金进行含有重金属废水的治理，用生物吸附回收重金属的技术已进入到处理工业废水工程的实际应用阶段。我国对含铀等重金属废水的研究与治理已经经历了2 0 多个年头，但从研究的广度与深度与国外有很大的差距，还处于探索阶段，其吸附技术仍处在实验室模拟阶段。经国内外4 0 多年来的研究，在实用化和工业化过程中还存在着诸多有待于进一步深入研究的问题，如微生物细胞吸附重金属的机理、吸附剂的固定化技术等。1 2 生物吸附技术的特点脚1与常规方法相比，生物吸附技术作为治理重金属污染的一项新技术，具有以下优点：1 微生物体积小、繁殖快、适应性强，分布范围广；其比表面积大、对重金属的吸附量较大，处理效率高。2 利用发酵工业生物残渣( 如酿酒厂的废菌丝体等) 作为生物吸附剂生产原料，不仅可以降低生物吸附剂的生产成本，而且减少了发酵工业生物残渣的处理费用，具有较好的经济效益。3 利用蔬菜叶或树叶吸附重金属，来源广、成本低，并且减少了这些落叶对环境美化的影响。4 生物吸附重金属的设备简单，易操作。5 生物吸附重金属选择性好，在处理低浓度的重金属水溶液优于传统的方法。6 易于分离回收贵重金属。7 吸附剂易再生利用。下宝娥南华大学硕士学位论文所以，用生物吸附剂处理含重金属的废水是一项投资小、运行费用低，可回收贵重金属的方法，且向无毒、无害，无二次污染的方向迈进了一步，适应了当前环保形势下的“可持续发展”战略。王宝娥南华大学硕士学位论文第二章生物吸附的原理及影响因素2 1 生物吸附原理“2 9 “”1生物吸附金属的原理十分复杂，根据它们对重金属的作用可分为生物吸附和生物积累两个不同的生物化学过程。首先是重金属在细胞表面的吸附，即细胞外多聚物，细胞壁上的官能团与金属离子的结合，其特点是快速、可逆，不依赖于能量代谢，又称为被动吸附：第二个阶段是生物积累过程，细胞表面吸附的重金属离子与细胞表面的某些酶( 如透膜酶、水解酶) 相结合而转移至细胞内，其特点是速度慢、不可逆、与细胞的代谢有关，所以又称为主动吸收。由于生物积累过程和细胞代谢直接相关，因此，许多影晌生物活性的因素都能影响金属的吸附。吸附原理因菌种、金属离子的不同而不同。非活性的生物主要依靠表面吸附，而活性生物既有表面吸附又有主动吸附。生物对重金属的吸附作用取决于生物吸附剂本身的特性( 如活性位点的类型) 、金属种类及其在水溶液中的离子状态，同时也受到外界环境因素的影响。有学者曾将生物吸附定义为“金属与生物细胞成分的间接的物理化学作用”，可见，这一过程是细胞成分对金属的被动吸附，典型的生物吸附过程在几分钟内就可完成。在生物吸附过程中发生的物理化学过程包括离子交换、表面络合，氧化还原和无机微沉淀等，现简单介绍如下：1 离子交换机理离子交换发生在细胞壁部位，重金属离子与细胞壁含有的c a 2 + 、m f + 、k + 、h + ，n a + 交换。这一机理通常借助于在细胞吸附重金属离子的同时，伴随有其它阳离子的释放而被进一步证实。k u y u c a k 和v o l e s k y 3 2 】的研究发现，非活性海藻中含有3 8 的钙离子，当与不含c o ( i i ) 离子的溶液接触时，仅有o 1 的钙离子从细胞进入溶液，而当溶液中含有c o ( i i ) 离子时，吸附c o ( i i ) 离子后的细胞中，钙离子含量只有o 4 ，同时还发现溶液中钾、钙和镁离子增多，经扫描电镜、x 射线能量散射及红外光谱分析进一步证明，这是c o ( i i ) 离子与细胞中阳离子发生离子交换的结果。b r a d y 等 3 3 1 研究了非活性少根霉菌对m n 2 + 、z n 2 + 、c d 2 + 和p b 2 + 的吸附，发现c a 2 + 、m 聋+ ，h + 从生物干宝娥南华大学硕士学位论文上交换下来进入溶液，金属离子的吸附量越大，释出的c a 2 + 、m 9 2 + ，h 十的总量也越多。然而，这些交换下来的离子总量与金属离子的总吸附量相比只是很小的一部分。到目前为止对这种离子交换的起因尚无合理的解释，还有待于进一步探索。2 表面络合机理当生物体暴露在金属溶液中时，首先与金属离子接触的是细胞壁，细胞壁的化学组成和结构决定着金属离子与它的相互作用特性。通常，微生物的细胞表面主要由多聚糖、蛋白质和脂类组成，这些组成中可与金属离子相结合的主要官能基团有羧基、磷酰基、羟基、硫酸脂基，氨基和酰胺基等，其中氮、氧、磷，硫原子作为配位原子和金属离子配位络合。真菌( 如啤酒酵母菌) 细胞壁主要由各种多糖构成，约占整个细胞物质9 0 ，这些多糖中的氮、氧、硫等原子都可以提供孤对电子与金属离子配位。另外，真菌细胞壁上含有几丁质和脱乙酰壳聚糖，这两种物质具有可与金属离子相配位的胺基等官能团，从而具有吸附重金属离子的能力。表面络合这一机理已得到了实验的证实。t e s z o s 和v o l e s k y 3 4 , 3 5 用少根根霉菌吸附铀和钍，他们通过电镜和x 射线能诺仪的分析，发现吸附铀后的细胞壁上确实有某种物质存在，而在细胞内部和吸附前的细胞壁上尚未发现这些物质。他们还通过红外光谱分析比较了吸附前后的细胞壁，发现了表征钍氮键振动的新的吸收带，这就证明了少根根霉菌吸附钍时确实是细胞壁与钍之间的作用。3 氧化还原及无机微沉淀机理变价金属离子在具有还原能力的生物体上吸附，有可能发生氧化还原反应，如：小球藻( c h l o r e l l a v u l g a r i s ) 对a u 3 + 离子具有很高的吸附能力，光谱实验证实，在吸附金的细胞上有元素金的存在，在用适当的洗脱液解吸后，只有a u 3 + 离子从细胞上脱附，这表明在吸附过程中，a u 3 + 首先被还原为a u + ，然后又被还原为单质金。通常，易水解而形成聚合水解产物的金属离子在细胞表面易形成无机沉淀物。通过对钨在细胞( s a c c h a r o m gc c s c e r e v i s i a ) j ：的吸附研究表明，钨是沉积在细胞表面，并且形成o 2 t t m 的针状纤维层，这种沉积层可采用化学方法洗脱，从而使细胞吸附剂重复使用。王宝娥南毕大学硕士学位论文目前，重金属的生物吸附机理还有待深入研究，而其中对生物体细胞壁上各种成分在吸附过程中作用的研究十分重要。2 2 生物吸附的影响因素m 1用生物吸附剂吸附金属是一复杂过程，受p h 值、温度、溶液中的竞争离子、有机物质( 如络合物) ，细胞代谢产物( 会引起金属沉降) 等环境因素的影响，也受到吸附剂本身性质的影响。1 p h 值的影响由于h + 与被吸附阳离子之间的竞争吸附作用，水溶液中p h 值成为影响饱和吸附量的主要因素。一般认为，对大多数金属离子而言，生物吸附的最佳p h 值范围为5 9 。一些学者就溶液p h 值对吸附量的影响做出了解释：溶液p n 值同时影响吸附剂细胞表面吸附位点和金属离子的化学状态。p h 值低时，细胞壁的连接基团会被水合氢离子( h 3 0 + ) 占据，由于斥力作用而阻碍金属离子对细胞的靠近，p h 值越低，阻力越大。当溶液中h + 浓度减小时，会暴露出更多的吸附基团，有利于金属离子的接近并吸附在细胞表面上。也有人认为，当p h 值降低时，会降低金属离子的溶解度，增强其流动性，从而减少金属离子和吸附剂接触的机会，金属吸附量自然会减少。p h值过高对金属吸附亦存在不利影响，当溶液p h 值超过金属离子微沉淀的上限时，在溶液中的大量金属离子会以不溶解的氧化物、氢氧化物微粒的形式存在，从而使吸附过程无法进行。谭红等人( 1 9 9 2 ) 3 7 l 研究了酵母细胞吸附铀时p h 对吸附铀的影响。据他们的研究，在p h 小于2 的溶液环境中，细胞对铀富集率在8 9 2 以下，效率不高。随着p h值升高，铀富集率也逐渐上升。p h 值在4 5 5 5 之间时，富集率在9 6 左右，达到最高富集率。p h 值为6 时，富集率有所下降。p h 值大于7 时，溶液中铀酰离子以u 0 2 ( o h ) 2 形式沉淀，干扰细胞富集作用的研究。实验证明，p h 值在4 5 5 5 之间是富集铀的较佳p h 值范围。这是因为，硝酸铀酰在酸性条件下，以u 0 2 2 + 形式存在于溶液中，易于被细胞吸附，但强酸环境抑制了细胞的富集功能，因此p h 值在4 5 5 5之间的弱酸环境便成为富集铀的较佳口h 环境。王宝娥南华人学硕上学位论文2 温度的影响对不同的生物吸附剂，温度对金属吸附量的影响有所不同。温度过高或过低都会使饱和吸附量略有降低。但是，总的来说，温度对生物吸附的影响不如p h 值那样明显。b r a d y 等3 8 1 人的实验中，当温度在5 4 0 0 c 之间变化时，酿酒酵母对c u 2 + 的吸附量无明显影响，最适温度为2 5 3 0 0 c 。对于生物积累过程，其过程与细胞代谢机制有关，这时低温对吸附量有较大影响，而高温亦可影响细胞膜的结合阻力，阻止金属离子的传输，降低吸附量。3 金属离子初始浓度的影响b r a d y l 3 8 】认为，酵母对c u 2 + 的富集过程与金属离子浓度与生物量之比有关。s h u m a t e l 3 9 l 也报道了酿酒酵母对铀的吸附与溶液中铀离子浓度有关。o z e r 等h 0 1 的研究表明，增大金属离子初始浓度可以使离子初始吸附速率增大。v e g l i 0 1 4 1 1 详细研究了微生物浓度对金属吸附量的影响，实验结果表明，金属吸附量与微生物浓度呈反比关系，g a d d 和w h i t e t 4 2 1 对此现象做出了假设，认为生物量增加会导致吸附位点问的相互作用，但f o u r e s t 4 3 t 等认为它决定于溶液重金属离子的浓度，当溶液中生物量较低时，细胞内外金属离子的浓度梯度会使金属离子渗透入细胞内部，而不仅仅吸附于细胞表面，故有较大的吸附量。4 竞争离子的影响由于各竞争性阳离子对吸附位点的占据，而导致目标离子吸附量的下降。由于各竞争离子与吸附位点之间亲合力的不同，对目标离子影响的能力也不一样。在实际应用中，很少有只含一种金属离子的废水，因此研究多种离子共存状态下的生物吸附性能非常必要。由于生物吸附主要依靠生物吸附剂细胞壁表面上的化学基团来完成，因此对一个含两种或两种以上的金属离子的溶液，若不同种金属能被同一基团吸附，则其间的竞争就会不可避免地发生，这会导致某一种金属的吸附量较其单独存在时减少。若不同重金属被不同的化学基团吸附，则某一种金属的吸附量较其单独存在时没有显著的变化。y u 删等报道了海藻在c u 2 + 和c d 2 + 共存体系下对两种离子的吸附情况。实验结果表明，与单个离子系统的吸附情况相比，共存体系中海藻对每种离子的吸附能力都有土宝娥南华大学硕士学位论文所下降，但两种离子的吸附量总和与前者相比变化不大。工业废水中经常含有大量轻金属离子，如n a + 、k + 等。这些离子通常会减少离子交换树脂的吸附量，而对生物吸附系统的影响却很小，这表明轻金属与生物吸附剂的亲和力远远小于重金属，这与前面所述不同类型金属对官能团的选择性不同有关。阴离子对金属吸附的影响源于阴离子和生物细胞壁对金属离子的竞争，结果引起金属吸附量的下降，下降程度由阴离子和金属离子之间的结合力来决定，阴离子和金属离子结合力越强，其阻止吸附剂吸附金属的能力越大。由于对多种离子间的竞争吸附研究还处于初期阶段，还没有一个较好的数学模型来描述它，因此目前的研究多用作图的方法来表达。如何用多参数的数学模型来描述多种金属离子问的竞争吸附是目前生物吸附研究中的一个重要方向。5 吸附剂粒径的影响粒径对金属吸附量有明显影响，有学者观测得知，在平衡浓度较高的情况下，大粒径吸附剂( 0 8 扣1 o o m m ) 对各种金属的单位吸附量均超过了小粒径吸附剂( 0 1 0 5 - - 0 2 9 5 m m ) 。如用戊二醛交联的细胞( a n o s o a u m ) ，其大粒径吸附剂对铅的吸附量比小粒径吸附剂高5 倍，但对铬的吸附，大粒径吸附剂比小粒径吸附剂的吸附量只提高了1 0 。王翠苹1 4 5 研究了不同粒径的酿酒厂废菌体对铀的吸附，结果表明当菌体粒径d 2 1 0 0 1 2 0 目时，吸附量最大。1 0 0 目的筛上吸附剂和1 2 0 目的筛下吸附剂吸附量较小。原因可能是细胞比表面积决定了菌体对铀的吸附能力。当粒径 1 2 0 目时，起吸附作用的细胞比表面积减少，吸附量下降；糊 1 0 0 目，研磨过程中酵母菌细胞壁呈多层状态，微纤维结构遭到破坏，与金属结合不牢固，吸附量减小。王宝娥南华大学顾士学位论文第三章啤酒酵母菌吸附铀的实验研究3 1 实验概况及方法3 1 1 实验研究过程中使用的仪器本次实验使用的基本实验仪器：1 电子天平( 上海精空科学有限公司)2 l g l 0 2 4 a 离一i i , 分离机( 北京医用离心机厂)3 滴定管( 精密度为o 0 5 m l )4 d f 2 0 5 电热鼓风干燥箱( 北京医疗设备二厂)5 p h s 一3 c 型精密p h 计( 上海精空科学有限公司)3 1 2 实验研究过程中使用的试剂3 1 2 1 配制铀标准溶液按照e j 2 6 7 2 - 8 4 所需的化学试剂13 1 2 1 1u 3 0 s 标准溶液：c = 0 5 0 0 0 9 l ：3 1 2 1 _ 2 比重为1 1 9 盐酸( 分析纯) ；3 1 2 1 33 0 的过氧化氢( 分析纯) ；3 1 2 1 4 比重为1 4 2 的硝酸( 分析纯) ；3 1 2 2 标定及滴定所用到的化学试剂m 1 ：3 1 2 2 1 钒酸铵( e j 2 6 7 2 8 4 5 1 4 1 ) 溶液：c = 0 1 9 l ：3 1 2 2 2 硫酸( e j 2 6 7 2 8 4 5 2 ) ( 分析纯) ；3 1 2 2 3 比重为1 7 2 磷酸( e j 2 6 7 3 8 4 ) ( 分析纯) ：3 1 2 2 4 盐酸( 分析纯) ：c = 2 ；3 1 2 2 5 硫酸亚铁铵( e j 2 6 7 2 8 4 5 1 3 ) 溶液：c = 3 0 ；3 1 2 2 6 三氯化钛( e j 2 6 7 2 8 4 5 1 0 ) 溶液：c = 1 5 ：3 1 2 2 7 亚硝酸钠( e j 2 6 7 2 8 4 5 1 1 ) 溶液：c = 1 5 ；3 1 2 2 8 尿素( e j 2 6 7 2 8 4 5 1 2 ) 溶液：c = 2 0 ；3 1 2 2 9 二苯胺磺酸钠( e j 2 6 7 2 8 4 5 1 4 ) 溶液：c = 0 2 ；3 1 2 2 1 01 n 硫酸( e j 2 6 7 2 8 4 5 8 ) ( 分析纯) ；3 1 3 测定溶液中铀浓度的方法( 容量法)3 1 3 1 容量法原理溶液中主要成分u 3 0 8 ，经盐酸、过氧化氢，氢氟酸和磷酸分解，在3 0 的磷酸介质中，此时铀主要以【u ( h p 0 4 ) 2 】2 + 形式存在。用三氯化钛还原铀( v d 为铀( ) ，用钒酸铵标准溶液滴定铀( i v ) ，以二苯胺磺酸钠作指示剂。其中发生的主要化学方程式如下：【u ( h p 0 4 ) 2 2 + + 2 v 0 3 一+ 4 h + 一u 0 2 2 + + 2 v 0 3 + + 2 h 2 0 + 3 ( h p 0 4 )