（环境工程专业论文）活性啤酒酵母吸附Cr（VI）的研究及机理探讨.pdf

摘要 随着l ：业的发展雨1 人们生活水平的不断提高，水污染问题越米越严重，对处理后 水质的要求也越来越高。生物吸附法是近年米新兴的种水处理方法，以其原料来源 丰富，品种多，成本低，吸附没各简单、易操作，速度快、吸附昔人、选择- 胜好，尤 其在处理低浓度重金属水溶液时特别有效，并且可以同收贵重金属等优点，引起了国 内外夫量研究人员的重视，具有广阔的发展前途和赢心前景。 在后处理方面，州一般的化学方法就可以解吸生物体上吸附的金属离子，且解吸 后的生物体可再次j l j 丁吸附。 本课题研究了预处理、吸附时间、p h 值、温度、苗龄、干扰离子、营养物质、吸 附剂浓度等冈素对活性啤酒酵母吸附c r ( v i ) 的影响以及这些冈素r 吸附的最佳条什， 并将活性啤酒酵母与非活性啤酒酵母的吸附行为进行了对比实验。迸一步的实验将活 性崞酒酵母进行驯化，然厉进行吸附，实验证明吸附性能人大提高。 经过一系列的实验，得出以下最佳吸附条件( 摇床转速1 4 5 r m i n ) ：j ；| i h c i 预 处理、吸附时间l 小时、p h = 2 、温度越高吸附越好，常温可进行、2 4 小时菌龄、水 中常见离子干扰不火、营养物质的添加影响不人、吸附剂浓度越火吸附量越火，但是 达到一定稗度后不再增加、解吸率高，可用于二次吸附。 对t - n 化屙的啤酒酵母，其吸附量较未经驯化的平均提高了2 03 9 ，l a n g m u i r 等温吸附模型拟合的相关系数r 2 = 0 7 7 0 2 ，说明活性啤酒酵母吸附c r ( ) 的行为中 存在主动吸附阶段。p h 对驯化后啤酒酵母的吸附其曲线走势类似1 ：术经驯化的，在 p h = 2 时对5 0 m g l 的c r ( ) 的去除率达到了9 6 8 7 ，p h 在“5 之间去除率变化 较人，p h 5 历去除率降至5 0 左拈。 酯化与水解实验迸一步证实了在吸附过程中细胞鼙上再基团的作用。p h = 2 时， 酯化后吸附效果下降，去除率降低1 2 5 ，水解后会释放少馘羧基，吸附率增火81 3 。p h = 5 时，酯化后吸附去除率上升4 3 0 8 ，水解后f 降1 5 2 9 。由此可推知啤 酒酵母对c r ( ) 的吸附在p h = 5 时是羧基之外的其它基团起主要作_ ! f 。 关键词：生物吸附，啤酒酵母，c r ( ) 。酯化，水解 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya n dt h ei m p r o v e m e n to f t h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ， w a t e rp o l l u t i o nc o m e st ob ea ni n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e mi no u rd a i l yl i f e ，w h i l et h e d e m a n d i n go fw a t e rq u a l i t ya l s oe n h a n c e s b i o s o r p t i o ni san e w l ya r i s e nw a t e rt r e a t m e n t m e t h o d i th a sa d v a n t a g e so fr e s o u r c e f u lr a wm a t e r i a l ，d i v er s es p e c i e s ，l o w c o s t ，s i m p l e b i o s o r p t i o ne q u i p m e n t ，e a s y - t o - d oo p e r a t i o n ，g r e a td i s p o s a ls p e e d ，l a r g ea b s o r p t i o nq u a n t i t y s e l e c t i v e n e s si na b s o r p t i o n a n di se s p e c i a l l yg o o df o r t h ed i s p o s a lo fw a t e rw i t h l o w - c o n c e n t r a t e dh e a v ym e n t a l w h a t sm o r e ，i ti sa l s ov a l u e df o rr e s t o r i n gn o b l em e t a l t h u si tr e c e i v e sg r e a ta t t e n t i o nf r o mr e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a da n dw i l ld e f i n i t e l y e n j o yap r o m i s i n gp r o s p e c ta n daw i d ea p p l i e df o r e g r o u n d i nt h ec a s eo fp o s t t r e a t m e n t ，g e n e r a lc h e m i c a lm e t h o di se f f e c t i v ee n o u g ht oa n a l y z e m e t a li o n sa b s o r b e db yt h eo r g a n i s mw h i c hc a nb ea p p l i e do n c em o r ei nt h ea b s o r p t i o n t h es u b j e c t c a r e f u l l ys t u d i e st h ei n f l u e n c eo fp r e t r e a t ，d u r a t i o no fa b s o r p t i o n ， t e m p e r a t u r e ，c e l la g e ，i n t e r f e r i n gi o n s ，n u t r i e n ts u b s t a n c ea n dc o n c e n t r a t i o no fa b s o r b e n t t o w a r d st h ea b s o r p t i o no fc rf v l lb ya c t i v ec e r e v i s i a ef e r m e n t u mo p t i m u mc o n d i t i o nf o r a b s o r p t i o ni sa l s oe x a m i n e di nt h es t u d yb e s i d e s ，t h es u b j e c tm a d eac o n t r a s tt e s to nt h e a b s o r p t i o nb e h a v i o rb yt h ea c t i v ec e r e v i s i a ef e r m e n t u ma n dt h ei n a c t i v eo n e f u r t h e r e x p e r i m e n tw a sm a d et oa c c l i m a t i z ea c t i v ec e r e v i s i a ef e r m e n t u mw h i c hw a sl a t e ru s e di n a b s o r p t i o n t h es t u d yp r o v e sh i g hp e r f o r m a n c e s e r i e so fe x p e r i m e n t sw o r k e do u t t h ef o l l o w i n go p t i m u mf o ra b s o r p t i o n ：r o t a t i o n a l s p e e do ft h es h a k e r 1 4 5 r m i n ；p r e t r e a t 一1 h c l ；l e n g t ho ft i m e - o n eh o u r ；p h 2 2 ； t e m p e r a t u r e - t h eh i g h e rt h eb e t t e r ( n o n n a la t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r ea l s ow o r k s ) ；c e l l a g e _ 2 4h o u r s e x p e r i m e n t ss h o w sl i t t l e i n t e r f e r ef r o mc o m m o ni o n si nw a t e r ；m e r e i n f l u e n c ef r o mt h ea d d i t i o no fn u t r i e n ts u b s t a n c e ；t h eh i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o n ，t h eb i g g e r t h ea m o u n to f a b s o r p t i o n ，h o w e v e r , a b s o r p t i o ns t o p sw h e ni tc o m e st oc e r t a i na m o u n t ；h i g h a n a l y t i cr a t i o ，t h a ti st os a y ，c a nb eu s e df o rs e c o n d a r ya b s o r p t i o n a st ot h ea c c l i m a t e ds c e r e v i s i a e i t sa b s o r p t i v ec a p a c i t yi n c r e a s e sb y2 0 3 9 c o m p a r e dw i t ht h a to f t h en o n a c c l i m a t e ds ，e e r e v i s i a ef i e i n gc o n s t a n to fl a n g m u i rr 2 o 7 7 0 2s h o w st h e r ei sas t a g eo fa c t i v ei nt h ea b s o r p t i o no fc r ( v i ) b ya c t i v ec e r e v i s i a e f e r m e n t u m t h ei n f l u e n c eb yp ho nt h ea b s o r p t i o nb yt h ea c c l i m a t i z e dc e r e v i s i a e f e r m e n t u mt e n d st o w a r das i m i l a rc u r v ew i t ht h o s eb yt h en o n a c c l i m a t i z e dc e r e v i s i a e f e r m e n t u mw h e np h = 2 t h ea b s o r p t i o nr a t i oo f c r ( ) b y5 0 m g l g o t t o9 6 8 7 ：i f p h r a n g e sf r o m4t o5 ，t h ea m o u n to fa b s o r p t i o nm a yv a r i e sal o t ；h o w e v e r , i fp h 5t h e nt h e r a t i od e c r e a s e dt o5 0 o rs o e x p e r i m e n t so fa c e t i f i c a t i o na n dh y d r o l y z a t i o nf a r t h e rp r o v et h ee f f e c to fd i f f e r e n t f u n c t i o n a lg r o u p so nt h ec e l lw a l li nt h ep r o c e s s w h e np h = 2 ，t h ea b s o r p t i v ec a p a c i t ya f t e r a c e t i f i c a t i o nw o u l dd e c l i n ea n dt h er a t i oo fa b s o r p t i o na l s od e c r e a s e d b y 12 5 h y d r o l y z a t i o nw o u l dr e l e a s eas m a l lq u a n t i t yo fc a r b o x y l ，c o n s e q u e n t l yt h er a t i or o s eb y 8 13 w h e np h 5 5 ，t h er a t i oc l i m b e db y4 3 0 8 a f t e rh y d r o l y z a t i o n ，i td r o p p e db y 15 2 9 f r o mt h ee x p e r i m e n t ，w ed e d u c et h a tw h e np h = 5 ，i ti sf u n c t i o n a lg r o u p se x c e p t c a r b o x y lt h a tp e r f o r m sp r i n c i p a l l yd u r i n gt h ea b s o r p t i o no fcr ( v i ) b yc e r e v i s i a ef e r m e n t u m k e y w o r d s ：b i o s o r p t i o n ，s ，c e r e v i s i a e ，c r ( v i ，e s t e r i f i c a t i o n ，h y d r o l y s i s 武汉理l 。人学硕十论文 第1 章绪论 随着全球经济和社会的发展，近5 0 年来，人类对淡水的消耗量增加了 三倍，且这种发展趋势无法阻挡，由此产生的大量废水未加处理，不能循 环使用，造成受纳水体污染，严重影响水生生态系统的结构、功能和水资 源的利用，还直接危害人类的身体健康。1 9 7 7 年联合国水会议秘书处就发 表公告，指出全世界4 0 亿人口中有7 0 得不到安全的饮用水，全世界工业 用水量为每年2 0 0 0 亿吨，其中2 0 被蒸发，8 0 变成污水排入水体。 目前中国大部分城市和地区的淡水资源供给已受到水质恶化和水生生 态系统破坏的威胁，水环境质量继续恶化，导致了可利用水源的进一步减 少和水资源供需矛盾的加剧。据统计，我国现有污水的年排放量己达3 6 5 亿吨( 不含乡镇) ，城市污水处理率只有7 ，大量( 8 0 以上) 未经处理 的污水排入各种水体，引起水环境的不同污染，从而造成全国l 3 以上的河 段受到污染，9 0 以上的城市水域污染严重，5 0 的重点城镇水源地达不 到国家饮用水卫生标准【l 】。 传统的处理方法如化学沉淀法、离子交换法、吸附法、电化学法、凝 聚法、膜分离法、氧化还原法等，它们各有优缺点。例如化学沉淀法易于 快速去除大量的重金属离子，但需要加入过量的沉淀剂，排放时仍需对有 毒的沉淀剂进行处理，处理费用较高。而离子交换法的离子交换树脂价格 高、选择性能不好，当存在大量竞争性离子如n a 上和c a n 时，处理效果会大 大降低。而且这些传统的方法有一个共同的缺点即在处理低浓度重金属离 子废水时，其操作费用和原材料成本均相对过高。于是研究新的可以处理 低浓度重金属离子废水且费用相对低廉的方法迫在眉睫一】。 生物吸附法是指利用生物材料吸附水中的金属或非金属物质。很多微 生物本身及其代谢产物都能吸附和转化盒属，多种微生物可以从溶液中吸 附金属。生物吸附法在处理低浓度重金属废水时效率高，吸附量大，速度 快，选择性好，而且恢方法原料来源广泛，如发酵工业中的废弃菌丝体和 蕴藏丰富的海藻，可以满足大量处理废水的需要。微生物对重令属还有淋 武汉理i 。人学硕十论文 滤、转化作h j ，可以将有毒的重会属转化为其它价态的无毒形式。微生物 具有种类繁多、分布广泛、繁殖迅速、个体微小、比表面积大、对环境适 应能力强等特点，它们可以降解或转化环境中存在的大部分天然物质，是 人类巨大的资源之一。 综上所述，利用微生物与重会属之间相互作用的生物法在去除重金属 离子时有明显的生态效益、社会效益和经济效益，具有非常广阔的发展前 景。 1 1 生物吸附的研究进展 r u c h h o f t 最早提出用生物吸附法( 活性污泥) 麦除废水中的p u 2 3 9 ， 去除率高达9 6 。自此以后，国内外关于用生物法去除重金属离子的研究 越来越多。很早以前人们就发现藻类和一些水生动物在净化水体中起着独 特的作用，它们对一些重金属有相当强的富集能力。进一步的研究中人们 逐渐认识到一些生物材料可以作为积累水中重金属离子的生物吸附剂，如 少量根霉对钍和铀的吸附量分别达到了1 7 0 m g g 和1 8 0 m g g 【2 j 。其它微生物 如细菌、放线菌、酵母菌和霉菌，都能有效地从水溶液中富集痕量重金属 离子。 微生物本身及其代谢产物都能吸附和转化重金属，多种微生物可从溶 液中吸附金属。例如蓝霉属生物体预热处理后能有效吸附金，聚氨基葡萄 糖生物聚合体也可以有效吸附各种金的络合物等pj 。 与非生物处理法相比，尘物吸附法的原料来源丰富，品种多，成本低， 不仅吸附设备简单、易操作，而且具有速度快、吸附量大、选择性好等优 点，尤其在处理1 l o o p p m 的重会属水溶液时特别有效。在后处理方面， 用一般的化学方法就可以解吸生物体上吸附的金属离子，且解吸后的生物 体可再次用于吸附pj 。 生物吸附重金属是一个新兴的研究领域。国外从8 0 年代开始这方面的 研究，9 0 年代发展较快；而国内在这方面的研究尚不多见。生物吸附法的 提出弥补了现有处理工艺不能将污水中重金属离子浓度降低至p p m 级的不 2 武汉理一人学硕士论文 足，它将咀新颖、独特的优势受到越来越多的重视。 1 1 1 生物吸附剂的种类 ( 1 ) 酵母菌 可利用的酵母菌有啤酒酵母、假丝酵母、产朊酵母等，取自啤酒厂或 是发酵工业的废菌丝。韩润平【6 7 1 等研究了酵母菌对p b 2 + 、z n 2 + 的吸附，是 采用未经驯化的啤酒酵母，清华大学刘恒【8 j 等也利用未驯化的啤酒酵母处理 p b 2 + ，研究表明该吸附过程遵循l a n g m u i r 方程。李明春【9 等用y e p d 培养 基培养红酵母属、酵母属、裂殖酵母属、假丝酵母属、汉逊酵母属和球拟 酵母属六属共3 3 株酵母菌，在优化条件下研究其对c u ”、c a ”、n i ”的吸 附，实验结果表明，不同的酵母菌对金属的吸附能力差异很大，可遵循的 规律：温度升高有利于吸附，在3 0 3 79 c 范围内吸附能力变化较大；p h 值4 5 5 之间是适宜的：吸附时削一般控制在1 h 内；无论是活菌体还是 死菌体，菌龄在对数生长术期( 2 4 h ) 吸附量明显高于4 8 h 的。 ( 2 ) 霉菌： 黄曲霉、米曲霉、产黄曲霉、黄绿青霉、黑曲霉、芽枝霉、微黑根霉、 毛霉属。董新娇等利用驯化后( 查氏培养基1l ，n a n 0 32 0 9 ，k 2 h p 0 4 1 o g ，k c l0 5 9 ，m g s 0 40 5 ，f e s 0 4o , o i g ，蔗糖3 0 9 ，自然p h 值，不同浓度的 p b 2 + 溶液) 的无花果曲霉( a s p e r g i l l u s f i c u u m ) 吸附p b ”，最佳p h 值4 0 - - 5 0 ，吸附3 小时达平衡。n a b i lh a f e z 利用柱黄曲霉吸附水中铀等多种重 金属：a n o o pk a p o o r 。2 平0 用黑曲霉吸附水中c u 2 十、c a 2 + 、n i 计、p b 2 十，均取 得了较好的结果。 ( 3 ) 藻类 褐藻、鱼腥藻、墨角藻、小球藻、岩衣藻、马尾藻、节囊叶藻、海带。 1 9 8 9 年，k u y u c a k i b l 和v o l e s k y c h l 对红藻门、绿藻门和褐藻门的吸附性能进 行了探索，从等温线上可以看出，褐藻门尤其是之中的泡叶藻( a s c o p h y i m n o d o s u m ) 吸附性能最好，最大吸附量达到1 5 6 m g g ( 干重) 。1 9 9 3 年， f a h r m a n n 再次研究了不同门类的1 5 种微生物对铜离子的吸附，结果表明， 武汉理i ：大学硕+ 论文 性能最好的依然是褐藻门生物，与k u y u c a k 和v o l e s 咖的研究相吻合。1 9 9 7 年，我国莫健伟【l 划等人提出藻类对重会属离子的去除能力为：绿藻 马尾 藻 茶叶 鼠尾藻。f o u r e s t 和v o l e s k y l l 2 还将藻酸对二价离子的结合顺序作 了总结：p b c u b a s r c a c o n i _ z n m n m g 。尹平河、赵玲1 6 1 用9 种大 型海藻吸附c u 2 + 、p b 2 十、c d h ，结果显示，海藻的最大吸附容量在o 8 1 6 m t o o ! 幢( 干重) 之l - 自j ，比其它种类的尘物高得多，适合于发展成为高效的生 物吸附材料用于去除和凹收废水q ：r 的重金属。 ( 4 ) 细菌 枯草杆菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 、地衣型芽孢杆菌( b a c i l l u sl 衍h e n i f o r m ) 、 氰基菌( p h o m i d i u m ) 、生枝动胶菌( z o o l o e a t a m i g e r a ) 、脱硫肠杆菌属， 黄孢展齿革菌。赵晓红等研究了s r v 菌( 脱硫肠杆菌属) 对c u 2 + 的吸附， 在菌废1 ：l 的情况下，对c u 2 + 浓度为2 4 6 8 m g l 的废水去除率达9 9 1 2 。 李清彪等用黄孢展齿革菌形成的菌丝球处理含p b 2 + 废水，去除率达到了 9 5 以上。 ( 5 ) 非活性生物 利用死菌体或藻类等生物来进行吸附，研究表明，有些非活性的生物 体吸附率比活性生物要高，机理目酊尚不清楚。 表1 1 为吸附剂与相应可吸附金属表。 1 1 2 生物吸附法的机理 微生物的吸附类型及其作用机制可分为两种类型： 其一，利用微生物细胞直接固定金属离子。在这方面，微生物表面结 构对重金属的吸附起着重要的作用( 其中细胞壁和粘液层能直接吸收或吸 附重金属) 。微生物的表面既带币电荷，又带负电荷，大多数微生物所带的是 阴离子型基团，特别是羰基，因此在水溶液中呈负电性。不同的微生物因 带电性不同、与重金属间的作用力及作用势能变化不同而对重金属的吸附 作用有异。其中革兰氏阳性细菌往往能固定较多的金属离子。 4 武汉理i ：人学硕十论文 表1 1 吸附剂与相应可吸附金属表 t a b l e1 1b i o s o r b e n t sa n d c o r r e s p o n d i n gm e t a li o n s 其二，利用微生物的代谢产物固定金属离子。微生物在其生长过程与 环境因素相互作用时会释放出许多代谢产物( 如h 2 s 及有机物等) ，它们能与 金属反应从而固定重金属。有迹象表明硫酸盐还原菌的代谢产物可作为氧 化铅、氧化锑的硫化剂。典型的还有利用细菌产生的硫化氢固定会属，如 硫弧菌( d e s u i f o v i b r i o ) 并d 脱硫肠状菌r d e s u l f o t o m a c u l c u m ) 。另外，许多微生 5 武汉理i 人：学硕十论文 物提取物也具有键合能力，例如z o o g l o e a r a m l i g e r a 可产生很多胞外多糖， 这种多糖由葡萄糖、半乳糖和丙酮酸等构成，具有很高的金属键合活性。还 有一些微生物( 例如柠檬酸菌) 利用某些细胞表面的h p 0 2 - 4 来固定金属 1 9 】。 生物细胞吸附金属的方式主要有两种，一种是活体细胞的主动吸收， 包括传输和沉积两个过程，这种方式吸收金属需要代谢活动提供能量，并 且在这些过程中有一大部分只刘特定元素起作用，但是化学性质或离子结 构相似的其它元素可以替代。另一种是细胞通过细胞壁上或是细胞内的化 学基团与金属螯合而进行的被动吸附，这种金属与细胞表面或细胞产物之 间的非特异性结合可以在死亡的细胞或是其分解部分上发生。在主动吸收 中也包含有很大程度的被动吸附，并且这种被动吸附由于细胞的排出代谢 而受到抑制。 不考虑细胞外的可见层( 一般为多糖) ，与环境中金属离子首先接触的 是细胞壁，它的化学组成和结构决定了金属在进入细胞内部前可以是沉积 在细胞壁表面或是嵌入细胞壁中，这一过程主要存在三种机理，对于活性 细胞的吸附还存在酶促机理。 ( i ) 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、蛋白质和脂类细成，这砦组成中可与金属离子相结 合的主要官能团有羧基、磷酰基、羟基、硫酸脂基、氨基和酰胺基等，其中 氮、氧、磷、硫作为配位原子与金属离子配位络合。 ( 2 ) 离子交换机理： 在吸附的过程中重金属离子k + 、c a 2 _ 、m 9 2 + 发生离子交换。有研究表 明，交换下来的离子总量与金属离子吸附的总量相比只是很小的一部分， 说明离子交换并非主要吸附机理。 ( 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，用适当的沈脱液解吸后， 6 武汉埋1 大学硕十论文 只有a u + 离子从细胞上脱附，这表明在吸附过程中，a u ”首先被还原为a u + ， 然后又被还原为单质会 2 0 , 2 1 】。通常，易水解而形成聚合水解产物的金属离 子在细胞表而易形成无机沉淀物。通过对钨在细胞s a c c h a r o m g c e sc e r e v i s i a 上的吸附研究表明，钨是沉积在细胞表面，并且形成0 2 9 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【2 “。 ( 4 ) 酶促机理： 非活性和活性的生物都能吸附重金属，活性细胞对其的吸附可能与细 胞上的某种酶的活性有关。 1 1 3 生物吸附法的影响因素 由于含重金属离子废水的多样性，影响生物吸附法处理效果的因素很 多，尤其是对活性生物体而言。 ( 1 ) p h 值 溶液的p h 值是吸附过程中一个非常重要的影响因素。一一般而言，吸附 量随p h 的升高而增大，但两者之间绝非简单的线性关系。溶液的p h 值会 影响生物体表面金属吸附位点，同时决定金属离子的化学状态。p h 值较低 时，金属吸附位点被h 3 0 + 占据，在静电斥力的作用下金属阳离子无法接近 细胞表面的吸附位点，吸附作用不能顺利进行。同理，当p h 值较大时，溶 液中h + 浓度减小，大量的吸附位点暴露出来，有利于金属离子的接近并吸 附在生物表面。但p h 过高时，大量金属离子以氢氧化物微粒的形式存在， 也不利于吸附进行。 不同生物、不同金属离子有不同适宜的p h 值范围，最佳p h 值下吸附 量最大。如啤酒酵母吸附p b 2 + 、z n 2 + 的最佳p h 值是6 t 8 的水溶液中，在p h6 2z f a j 的水溶液中存在h c r 0 4 和c r 2 0 7 2 。之间的平 衡，并随p h 值的降低，平衡向c r 2 0 7 2 移动阮3 3 1 3 4 1 。 武汉理l ：人学硕七论文 3 1 实验材料 3 1 1 培养基 第3 章实验材料及设备 所有培养基所用麦芽汁皆取自湖北省啤酒学校生产车间，且为小麦麦芽 汁( 除大麦麦芽汁与小麦麦芽汁对比实验外) 。 麦芽汁是啤酒酵母的天然基质，其中有酵母生长所需的各种糖类和氨基 酸，故培养基中不需添加营养物质。 1 # 固体麦芽汁培养基：在麦芽汁中加2 琼脂，1 2 1 灭菌2 0 m i n ， 制成平板和斜面。平板用于啤酒酵母的分离筛选，斜面用于菌种保减。 2 # 液体麦芽汁培养基：麦芽汁分装在2 5 0 m l 锥形瓶中，装液量为 6 0 m l ，用牛皮纸包扎好，1 2 1 灭菌2 0 m i n 。用于啤酒酵母的富集培养和扩 大培养。 3 # 驯化麦芽汁培养基：麦芽汁分装在2 5 0 r a l 锥形瓶中，装液量为 6 0 m l ，分别添加一定浓度c r ( v i ) 溶液，用牛皮纸包扎好，1 2 1 灭菌2 0 m i n 。 用于啤酒酵母的驯化培养。 4 # 含铬固体麦芽汁培养基：麦芽汁分装在大试管中，装液量4 5 m l ， 分别加入c r ( ) 溶液，用牛皮纸包扎好，1 2 l 灭菌2 0 m i n ，制成斜面。 用于驯化后啤酒酵母的菌种保藏。 新鲜麦芽汁呈红棕色，底部无沉淀。灭菌后颜色加深，有浓郁香昧， 底部有沉淀物。新鲜麦芽汁应灭菌后保藏。 3 1 2 啤酒酵母菌种来源 取自湖北省啤酒学校生产车间啤酒发酵液中。由于菌种浓度较低，先 用液体培养基进行扩培，扩培4 次后平板划线分离菌种，进行2 次平板划 线，得到较纯的啤酒酵母，接种于斜面培养基，保存在4 。c 冰箱中。 1 4 武汉理1 人学硕十论文 3 1 3 试剂列表 表3 一i 中为本论文的实验过程所用化学试剂。 表3 i 实验试剂列表 t a b l e3 - 1l i s to fr e a g e n t su s e di nt h ee x p e r i m e n t 3 2 实验设备 本论文在实验过程中用到的实验设备及仪器见表3 2 。 武汉理i 人学硕七论文 表3 2 实验设备清单 t a b l e3 2 f a c i l i t i e so fe x p e r i m e n t 仪器设备名称删号 生产厂家州途 电热二f 燥箱 k w y - 5 0 0 1 武汉市武吕实验仪器厂 烘干、干热灭菌 冰箱 b c d - - 2 3 0伊莱克斯公司培养基、凶种保藏 生化培养箱h p s - - 2 8 0 箅篓莩嚣套等屯子技术菌种培育及保存 生化培养箱 开发有限公司 凶种培再及保存 人联装搅拌器 s c 9 5 6湖北省潸江市梅宁仪器溶液搅拌 电热恒温水浴锚w k - - 1 2 0武汉琴台医疗仪器厂恒温、加热 玻璃仪器气流烘干器尼火版b 删鄙州长城科i ：贸有限公司玻璃仪器烘干 积层空气恒温振荡器h z q - - c 哈尔滨市东明医疗仪器厂细菌培养 净化j 二作台 s w - c j 一2 f苏净集团安泰公司接种 可见光分光光度计7 2 1 喜篙篡篙筹嘉蓑芸厂 测量溶液光密度 酸度计 8 1 8 美国奥立龙公司测鼙溶液p h 值 压力蒸汽消毒器手提式武汉市鸿雁医疗器械厂 湿热灭菌 电子天平 b p 2 1 0 s 德国塞多利斯公司 称样 生物显微镜 y s 2日本尼康公司观察细菌 磁力加热搅拌机7 8 - 1 型杭州仪表电机厂配制溶液 傅立叶红外光谱仪 6 0 s x b 美国n i c o l e t 公司红外光谱测试 1 6 第4 章啤酒酵母对c r ( v i ) 吸附行为的研究 4 1 实验方法 4 1 1 菌种 把湖北省啤酒学校提供的啤酒发酵液用2 # 培养基进行富集培养。富集 4 次后，采用平板划线法分离提纯菌种。连续划线2 次，得到较纯的啤酒酵 母，接种子斜面培养基，保存在4 。c 冰箱中。 ( 1 ) 平板制作 将1 5 2 0 m l 融化的营养琼脂培养基冷却至5 0 。c 左右，按无菌操作倒入 培养皿内。如有冷凝水，倒置于3 0 3 7 。c 温箱内，使之干燥，以便于单菌 落的出现。 ( 2 ) 单菌落平板划线 挑一点菌苔，在上述无冷凝水的平板一侧边缘处，反复涂抹在直径为 l c m 大小的面积上；灼烧接种环，冷却后，从上述涂菌处划出7 8 条直线， 前3 4 条线从涂菌处划出，后3 4 条线可不通过涂菌处，划线时接种环 与平板表面成3 0 0 4 0 。角，轻轻接触不要使接种环划破表面；如上述灼烧、 划线操作重复数次，以划满整个平板为宜；倒置平板，于2 8 。c 培养1 2 天，出现单菌落。 ( 3 ) 菌落形态的观察 啤酒酵母在麦芽汁固体培养基上菌落呈乳白色，圆形不透明，有光泽， 菌落表面光滑、湿润，边缘整齐。随着培养时间的延长，菌落光泽逐渐变 暗。菌落一般较厚，易被接种针挑起。 啤酒酵母在液体麦芽汁培养基中，会在液体表面产生泡沫，常因菌种 悬浮在培养基中而呈浑浊状。 ( 4 ) 斜面培养基的制作 将已灭菌试管装琼脂培养基取出，趁热斜置在木棒或橡皮管上，使试 管内的培养基斜面长度为试管长度的1 3 1 2 之间，待培养基凝固后& 口成 1 7 武汉理i 人学硕l 一论文 斜面。 ( j ) 斜晒划线 试管口应在火焰旁微烧一周，然后将烧过的接种环伸入菌种管 板) 内，先触及没长菌的培养壤使坏冷却，然后轻轻挑起少量菌种 仲入要接种的试竹底部，召! 斜面上由底翻 向 划曲线。 ( 6 ) 4 i 旧i i , j 划的啤洲酵别| j ；态 ( 或平 迅速 ( 7 ) 细胞壁的特征 细胞壁约占细胞质量的3 0 ，壁厚1 0 0 2 0 0 n m 。幼年细胞的细胞壁不 明显，基本上看不出来；酵母衰老时，细胞避较厚。细胞壁的组成包括： 约4 0 d 一简聚糖、4 0 甘露聚糖、8 蛋白质、7 类脂、3 无机物、2 已糖胶( h e x o s t t m i n e ) 和壳多糖( c h i t i n ) 。 b 一葡聚糖与蛋白质紧密结合，是细胞壁的主要组成物质，位j 二细胞壁 1r 武汉理i i 人学硕卜论文 内部；甘露聚糖电与蛋白质结合，位于细j 胞壁外部，与细胞的凝聚性有关。 细胞壁的表面，由于羰基和磷酸盐的存在，在啤酒的p h 下带负电。 4 1 2 实验所用菌体( 吸附剂) 的培养 将保存在冰箱中的菌种接种于2 # 培养基中进行扩培，培养条件为：温 度2 8 。c ，摇床转速1 4 5 r m i n ，培养时间4 8 h 。 经4 0 0 0 r r a i n 离心收集扩培后的菌体，用1 h c l 沈2 遍，再用蒸馏水 沈3 遍，立即使用。若无特殊说明，本文中所有吸附剂皆按上述步骤制备， 前两次离心分离时间为5 m i n ，最后一次离，c , t t 寸l 、白j1 0 r a i n ，收集菌体。 4 1 3 吸附剂含水率的确定 称取离心分离的啤酒酵母若干组，6 0 。c 烘干，称重。吸附剂含水率= 【( 湿 重一干重) 湿重 x 1 0 0 ，见表4 1 。 表4 一l 吸附剂含水率测定表 t a b l e4 - 1 h y d r o u s r a t eo f b i o s o r b e n t 4 1 4c r ( v i ) 的测定方法见附录 4 1 5 测试方法 参照 t g 和废水监测分析方法 3 5 1 一书绘制c r ( ) 标准曲线。 方程为：y - = 0 0 4 1 2 x 一0 0 0 3 7 其中：x ：c r ( v 1 ) 含量( g ) 1 9 武汉理i 人学硕十论文 v ：吸光度 r 2 = 0 9 9 9 8 按“c r ( ) 含量( m g ) 溶液体积( m l ) 吸附剂质量( g ，干重) ”【2 j 添加c r ( ) 溶液和吸附剂，然后置于5 0 m l 锥形瓶中于不同条件下在摇 床振荡吸附一定时叭4 0 0 0 r m i n 离心收集菌体，取1 m l l 清液，用二二苯碳 酰二肼分光光度法测定c r ( ) 浓度，并按照公式( 1 ) 和( 2 ) 计算去除 率和吸附量。在添加过程中吸附剂的质量根据其含水率折合成千重。 去除率= ( 始含量一终含量) 始含量】1 0 0 ( 1 ) 吸附量q = ( 始含量一终含量) 吸附剂质量 ( 2 ) 其中：始含量、终含量分别为吸附日循自辱含量( 蠼) ：哪脐嘞于重( g ) 4 2 未驯l 化啤酒酵母对c r ( v i ) 吸附的研究 4 2 1 预处理对吸附的影响 天然吸附剂由于其表面吸附大量杂质，经过预处理可以提高其吸附性 能。对许多吸附剂来说，用碱处理可以使吸附位点去离子化从而提高吸附 率。 吸附剂的预处理主要有三种方法：化学交联、固定化和酸碱处理。此 外，热处理和对吸附剂进行粉碎处理，也可在一定程度上提高其吸附能力。 天然原料如海藻类物质，质料柔软，容易破碎，难以直接用于实际生 产，使用前必须对其进行化学交联以增强其化学稳定性和机械强度。化学 交联后，生物吸附剂的寿命及硬度均有很大改善，但交联后的吸附剂对金 属的吸附效果要低于同等条件下未处理原料的吸附效果，其下降程度随吸 附剂和交联方法的不同而不同。原因可能是交联反应的强酸强碱环境破坏 了起吸附作用的多糖。固定化适用于柱操作过程，这是菌类生物吸附剂面 向应用的需要。碱处理最主要的作用在于吸附位点的去质子化，可增加金 属离子的适宜吸附位点，并使系统碱性化，在后续步骤中可不再加入缓冲 媒介，从而使工艺得到简化及易于工业化。 2 0 武汉理i 人学硕十论文 另有其它一些方法，如s a m e e re 3 6 1 发现加热会使吸附金属的能力明显下 降，加热时洲越长，吸附量越低。m 辔u e l 3 7 1 用t r i t o nx 一10 0 预处理氰基菌 r l a m i o s u m 后，其吸附能力明显改进。 本实验分别采用酸和碱对啤酒酵母吸附剂进行预处理。 取若干5 0 m l 锥形瓶，添加c r ( v i ) 标准贮备液，使c r ( ) 浓度为 15 、2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 0 m g l ；每种浓度分别添加未经预处理、1 h c l 预 处理、l n a o h 预处理的三种吸附剂，自然p h 值，3 3 ，1 4 5 r m i n 摇床 反应l h ，离心分离取上清液测吸光度。结果见图4 1 。 本实验结果显示，经过1 h c i 预处理的啤酒酵母吸附剂吸附性能最 好，平均去除率提高量是未经预处理的1 7 2 1 7 。而经1 n a o h 预处理的 吸附性能最差，平均去除率提高量是未经预处理的4 0 7 1 。 由于培养基中含有大量营养物质，扩培过程中啤酒酵母表面的活性基 团吸附了较多营养离子，用1 h c l 清洗后可以使更多的活性位点暴露出秽， 有利于吸附进行。h 十从啤酒酵母表面基团进入溶液与c r ( ) 发生反应； 2 c r 0 2 - + 2 h 一；三= 2 h c r 0 4 拿c r 2 0 7 2 - + h 2 0 反应消耗了h + ，也会使活性位点释放出来。 一 篡 v 鬻 篮 粕 4 。一 2 0 c r ( v i ) 浓度( m g ，) i 、1 h c i 预处理：2 、未经预处理：3 、1 n a o h 图4 - 1 预处理对吸附的影响曲线 f i g 4 - 1t h ee f f e c to f p r e t r e a t m e n to i lc h r o m i u m 由上述实验可推知，在研究生物对c r ( v i ) 的吸附时，应充分考虑c r 2 武汉理i 入学硕r 论文 ( v i ) 在不同p h 条件f 的存在形式及h + 浓度对其形态的影响。 4 2 2 吸附时间对吸附的影响 c r ( v i ) 浓度为2 0 m g l ，自然p h 值，3 3 ，分别反应5 、1 0 、2 0 、 3 0 、6 0 、1 2 0 、1 8 0 、2 4 0 、3 0 0 m i n ，离心分离取上清液测吸光度。 由图4 2 看出，接触吸附3 0 m i n 时去除率已经达到8 5 9 0 ，4 h 达最大 9 4 3 3 。随时间的延长则会发生脱附现象。吸附l h 时去除率达到最大去除 率的9 4 6 7 ，故本实验吸附时削均墩l h 。 1n 0 耋8 0 年4 7 0 6 0 1 0 0l j 02 ( j o 州f 1 = i j ( r a i n ) 图4 “2 吸附时侧与去除率的关系曲线 f i g ，4 - 2 t h er e l a t i o nb e t w e e nt h er e m o v a lr a t ea n dt i m e 用原子吸收法测不同吸附时删中总铬、c r ( v i ) 和c r ( i i i ) 的f 4 k 度，结果见 图4 3 ，在吸附过程中存在c r ( i i i )