纳米Co_3O_4负载鞘氨醇单胞菌去除养殖海水中重金属离子的效果.pdf

第24期 收稿日期 2011 04 07 基金项目 教育部重点实验室开放基金资助项目 CPEUKF06 04 淮海工学院江苏海洋资源开发研究院基金资助项目 淮海工学院2011大学 生实验室创新项目 作者简介 陈文宾 1970 男 山东黄县人 副教授 硕士 从事分析化学 环境监测教学与研究工作 电话电子信箱 chenwenbin111 sohu com 第50卷第24期 2011年12月 湖 北 农 业 科 学 Hubei Agricultural Sciences Vol 50 No 24 Dec 2011 海洋水域由于船舶海洋排污 倾废 事故泄油 大量陆地生活污水 工农业废污水直排 甚至一些 未经任何处理的工业废料 生活垃圾倾海或填海 等 使得大量的污染物质排向海洋 导致近海海域 污染加剧 海水环境质量逐年下降 徐颖 1 在全国第二次海洋污染基线调查工作基 础上 研究了连云港附近海域水环境质量 结果表 明 连云港附近海域已受到重金属离子和有机物污 染 其中Pb2 和Hg2 污染较重 海水COD值一般达 到20 0 mg L以上 远超过中度污染海水水平 COD 值 5 mg L 不能作为养殖海水使用 进入水体的 重金属离子不易被微生物分解 它会通过生物富集 和放大作用与水生生物体内酶的催化活性部位中 的巯基结合形成难溶解的硫酸盐 抑制酶的活性 妨碍了机体的代谢作用 对水生生物易造成 三致 效应 致死 致畸 致突变 2 养殖水体中有机物质 在微生物和温度作用下逐渐分解 并造成底层水温 升高 水中溶解氧含量下降 在有机质的发酵 分解 过程中产生CO2 沼气 有机酸 氨氮 亚硝酸盐等有 害物质 还会滋生大量致病菌 导致水生动物致病 纳米 Co3O4负载鞘氨醇单胞菌去除养殖海水中 重金属离子的效果 陈文宾 a b 殷 磊 b 许兴友b 马卫兴b 淮海工学院 a 江苏省海洋资源开发研究院 b 化学工程学院 江苏 连云港222005 摘要 以纳米Co3O4负载鞘氨醇单胞菌 Sphingomonas sp XJ2 制备复合生物吸附剂 对此吸附剂进行表 征并考察了其吸附养殖海水中重金属离子的性能 利用合成的新型Co3O4纳米材料吸附性能 再生性能 好的优点去除养殖海水中重金属离子 吸附性能研究表明 纳米Co3O4负载鞘氨醇单胞菌制备复合吸附 剂进行海水中重金属离子动态吸附试验 当F值为1 2 L h 处理时间为90 130 min 重金属离子去除率 达到90 以上 处理后水质达海水质量 类标准 连续出水COD值为2 5 3 2 mg L COD值去除率达 85 左右 关键词 纳米Co3O4 复合生物吸附剂 重金属离子 动态吸附试验 中图分类号 X712 文献标识码 A 文章编号 0439 8114 2011 24 5211 05 Study on Bioremediation of Heavy Metal in Cultured Seawater by Loading Sphingomonas sp on Nano Co3O4 CHEN Wen bina b YIN Leib XU Xing youb MA Wei xingb a Jiangsu Institute of Marine Resources b Department of Chemical Engineering Huaihai Institute of Technology Lianyungang 222005 Jiangsu China Abstract Composite biosorbent of nano Co3O4carrying Sphingomonas sp was prepared then the characteristic of composite biosorbent anditsheavymetal ionsadsorbingabilityinaquacultureseawaterwasinvestigated Thecontinuous flow experimentsshowed that removal ratio could arrive to 90 after 90 130 min when the flow rate was 1 2 L h The effluent water met the level I of seawater quality standard The COD value after treatment was 2 5 3 2 mg L equivalent to a removal ratio of about 85 Key words nano Co3O4 composite biosorbent heavy metal ions continuous flow experiments 湖北农业科学2011年 或死亡 3 从理论上讲 许多常规的物理 化学 生物的废 水处理方法可以应用于养殖体系 例如通过沉积 砂滤 机械过滤等方法可以去除悬浮固体 通过嵌 入式或流动式生物过滤器 旋转式的生物反应器和 流体化反应床等 可使有机物发生氧化 硝化及去 氮化作用等 从而降低水体中COD值及氮 磷浓度 但是这些处理方法有其自身的缺陷 产生大量的淤 泥 能量消耗大 保留时间短等 因此并不一定适用 于水产养殖废水的处理 最近几年 国内外研究人 员研究开发了许多养殖废水处理方法 海洋底泥中的微生物长期处于高度贫营养和 恶劣的环境 具有特殊的代谢调控机制以适应多变 的环境 尤其是营养物缺乏的环境 能够高效调整 自身的生长来抵抗不利的环境变化 并且对众多的 底物 从多环芳烃类化合物 聚乙烯醇 稠环芳烃等 高聚物到简单无机物氮 都具有独特的降解能力 4 5 筛选出的菌种从生物活性 酶的结构特点等角度 看 对多种重金属离子有较强的富集作用 也更适 合对海洋重金属离子的净化应用 6 这为海洋中微 生物的综合利用提供了可能性 7 8 纳米材料是粒径在100 nm以下的超微粉末 当 物质颗粒被粉碎到大小为纳米量级 1 100 nm 时 随粒径变小而纳米材料的表面原子数 表面积 表 面能和表面结合能迅速增大 由于表面原子周围缺 少相邻的原子 具有不饱和性 易与其他原子相结 合而稳定下来 9 具有很强的吸附能力 可在较短时 间内达到吸附平衡 是进行痕量元素分析的较为理 想的分离富集材料 10 试验从连云港海域底泥中分离 筛选出对重金 属离子有较强耐性的微生物 利用纳米材料对微生 物进行固定化 应用于室内养殖海水中有机物 重 金属离子污染的净化处理 类似的研究在国内外未 见报道 因而 该研究对于保障海水养殖业健康发 展 提高水产品质量 增加经济效益具有重要的现 实意义 1材料与方法 1 1主要仪器 WFJ 7200型可见分光光度计 尤尼柯 上海 仪器有限公司 TDL 4飞鸽系列离心机 上海安亭 科学仪器厂 SW CJ 1D型无菌操作台 苏州净化 设备有限公司 pHSJ 5型实验室pH计 上海树立 仪器仪表有限公司 SHP 180生化培养箱 上海雷 磁仪器厂 HZQ QX型全温振荡器 上海实验仪器 总厂 立式压力蒸汽灭菌器 哈尔滨东联电子技术 开发有限公司 1 2复合生物吸附剂的制备 直接使用游离细胞 虽然具有传质性能好 反 应迅速 接触面积大等优点 但是由于其密度小 颗 粒直径小 强度低 易被水流冲走 利用率低下 固 液分离困难 培养基的带入而引起二次污染等 难 以直接用于实际生产 因此可以采用微生物细胞固 定化技术 利用其生物离子交换树脂的作用 而且 固定化细胞比离子交换更为经济 受Ca2 Mg2 Na 和K 等离子的影响较小 也可以使用纳米材料负载 微生物对其游离细胞进行固定化 可增加其化学稳 定性和机械强度 减少吸附 解吸循环中的损耗 试验以合成的纳米Co3O4负载鞘氨醇单胞菌 Sphingomonas sp XJ2 斜面活化 2次活化 转接 一次做种子 再按照10 的接种量来制备活体细 胞 用250 mL锥形瓶装约60 mL的菌液 在37 摇 床中培养24 h 然后往不同菌悬液中加入不同量的 Co3O4纳米材料 调节pH为5 5左右 磁力搅拌吸附 35 min 使用磁力进行固液分离 然后倾倒掉上清 液 得到纳米Co3O4负载菌的复合生物吸附剂 通过 测定上清液的COD值来确定菌与纳米Co3O4的最 佳比例 试验结果表明复合生物吸附剂在磁场中能 快速沉降 固液分离效果好 由表1可知 当菌体与 纳米材料的质量比为5 4时 上清液COD值很低 溶液清澈 在显微镜下可观察到游离菌明显少于未 负载前 1 3试验方法 以连云港赣榆县某养殖场海水为样品 分别测 定此海水样重金属离子Ni2 Hg2 Pb2 Zn2 和COD 表1纳米Co3O4对菌悬液的吸附效果 菌体 mg L 200 200 200 200 200 300 300 300 300 300 400 400 400 400 400 Co3O4 mg L 50 100 250 450 550 100 300 450 500 600 150 300 550 600 750 COD值 mg L 35 60 19 80 11 60 8 50 5 60 31 30 9 65 4 55 3 66 2 78 24 60 16 30 14 70 10 90 7 89 菌体 mg L 500 500 500 500 500 600 600 600 600 600 800 800 800 800 800 Co3O4 mg L 200 300 400 650 750 250 550 650 750 850 250 350 550 650 850 COD值 mg L 5 57 3 36 1 86 5 17 4 86 31 40 12 80 11 70 9 78 8 56 38 90 33 60 24 80 18 70 14 60 5212 第24期 值的初始浓度 动态吸附试验装置如图1 取2 0 L 已知重金属离子浓度的海水于反应器中 加入一定 量的复合生物吸附剂 调节溶液pH 搅拌60 min 打 开进样阀连续运行 每隔一定时间在出水口处取 样 测定吸附后溶液中重金属离子浓度 计算重金 属离子的去除率 2结果与分析 2 1条件试验 2 1 1时间对重金属离子吸附效果的影响取一 定量的海水 室温 控制海水流量为1 0 L h 菌含量 500 mg L 纳米Co3O4400 mg L 结果见图2 从图2 可以看出 前60 min吸附速度较快 60 100 min吸 附速度相对减慢 这主要是由于起初纳米材料和菌 体内部积累的重金属离子的浓度较低 体系对Zn2 的吸附在很短时间内完成 可能主要是由于细菌的 代谢产物的作用和菌体 纳米材料的表面吸附作 用 而通过参与代谢过程的重金属离子是非常少 的 随着时间的推移 吸附体系胞内重金属离子的 浓度增大以及生物吸附剂的聚集而导致一部分吸 附位点被掩盖 使吸附速率减小 当吸附时间达到 100 min时 吸附基本达到饱和 图中曲线将会出现 平台的趋势 并且对重金属离子的去除率都可以达 到95 以上 达到海水质量 类标准 2 1 2流量对重金属离子吸附效果的影响室温 菌含量500 mg L 纳米Co3O4400 mg L 取一定量 海水控制不同流量 F 考察其对重金属离子吸附效 果的影响 结果如表2所示 由表2可知 在不同F 值情况下 对重金属离子的去除率在150 min左右 基本都可以达到80 在 110 min可以达到90 F 值为1 2 L h 处理时间为90 130 min时去除率达 到90 以上 处理海水质量达到了海水质量 类标 准 此后去除率缓慢下降 如果F值过大 运行时间 太短 吸附过程还没有达到平衡就开始出水 导致 去除率迅速下降 原因可能是在反应器运行初期阶 段复合生物吸附剂表面有大量吸附位点 重金属离 子极易吸附到材料表面上 去除效果最好 反应器 运行一段时间后 材料上吸附位点减少 但是由于 材料的吸附量较大 可以连续处理大量的海水 去 除率下降缓慢 F值过小 运行时间太长 可能会有 一部分复合生物吸附剂随出水流失 导致重金属离 子去除率略有下降 F值为1 8 L h 第8次取样 运行时间为110 min时重金属离子去除率降至80 以下 F为0 8 L h 第 10次取样 运行100 min时重金属离子去除 率降至85 以下 F为1 2 L h 处理时间为110 min 时 连续取样处理前12次重金属离子去除率均可 以达到90 以上 并且去除率下降缓慢 吸附剂可 重复使用7次以上 因此在处理海水重金属离子过 程中F值控制为1 2 L h 处理时间为110 min 2 1 3复合生物吸附剂的可再生性用500 mL 0 20 mol L 1 000 mL 0 10 mol L 2 000 mL 0 05 mol L EDTA对失效的复合生物吸附剂进行再生1 h 再生液重复使用 然后用再生后的复合吸附剂进 行吸附试验 室温条件 F值为1 2 L h 时间100 min 通过吸附剂再生后的单位吸附量q计算再生 率u 考察再生液浓度对吸附剂再生效果的影 响 由表3可知 再生液EDTA浓度对再生效果影 响不大 从操作方便的角度考虑 选用500 mL 0 20 mol L EDTA对复合生物吸附剂进行再生 复合生物吸附剂经3次再生后 对重金属离子 Ni2 Hg2 Pb2 Zn2 去除率可以达到92 第4次再 生后可以达到85 第 5次再生后吸附剂对重金属 离子去除效果较差 如果更换再生液进行再生 吸 附剂仍具有较好的吸附性能 故每再生4次后重新 更换再生液 连续测定吸附后出水的COD值都为 2 5 3 2 mg L 对海水COD值的去除率可以达到 85 左右 2 2不同吸附剂对养殖海水中重金属离子处理效 果比较 分别利用海藻酸钠固定化鞘氨醇单胞菌 纳米 图1生物反应器流程 100 90 80 70 60 50 40 去除率 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120 时间 min 图2时间对重金属离子吸附效果的影响 Hg2 Zn2 Ni2 Pb2 陈文宾等 纳米Co3O4负载鞘氨醇单胞菌去除养殖海水中重金属离子的研究5213 湖北农业科学2011年 材料Co3O4 纳米Co3O4负载鞘氨醇单胞菌作为处理 后1 2 3处理含重金属离子的养殖海水 结果比较 见表4 5 可以看到 连云港海水水质都属于 到 类的标准 不能作为水产养殖区和海洋渔业水域 通过试验研究 使用海藻酸钠固定化鞘氨醇单胞菌 对重金属离子吸附净化后 海水水质标准可以达到 II类标准 纳米材料Co3O4达到I II类标准 纳米 Co3O4负载鞘氨醇单胞菌处理效果最好 水质全部达 到I类标准 3结论 利用Co3O4负载鞘氨醇单胞菌进行海水中重金 表2流量对重金属离子吸附效果的影响 处理时间 min 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 180 200 220 240 260 280 300 Ni2 38 43 50 54 65 72 78 81 85 91 89 86 86 85 84 83 81 78 71 62 56 48 41 Hg2 33 36 40 45 52 60 75 79 82 86 90 88 88 87 86 85 84 80 75 68 62 54 47 Pb2 40 45 48 55 61 66 71 76 81 87 91 84 83 82 82 80 78 69 61 55 48 45 43 Zn2 41 44 50 55 60 64 68 79 86 88 93 90 90 89 87 85 82 77 66 58 50 47 41 处理时间 min 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 180 200 220 240 260 280 300 Ni2 41 46 52 57 68 75 83 88 90 95 96 97 96 94 92 92 91 88 81 75 68 61 52 Hg2 38 44 49 56 58 62 73 84 92 96 98 96 94 92 90 88 85 79 73 64 58 56 53 去除率 Pb2 42 48 52 60 65 72 80 87 91 99 95 94 90 90 88 82 80 74 68 59 55 53 50 Zn2 43 50 56 63 68 72 81 86 92 97 95 93 92 88 85 81 76 69 64 60 56 51 48 处理时间 min 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 180 200 220 240 260 280 300 Ni2 44 47 54 60 71 78 86 89 92 95 94 92 90 85 82 80 78 69 60 58 55 51 48 Hg2 36 39 44 49 56 66 77 83 89 93 92 90 86 84 83 80 77 67 61 56 48 41 38 Pb2 44 49 56 62 68 75 86 90 96 95 91 89 87 86 81 77 76 68 63 51 43 41 37 Zn2 47 52 60 68 74 82 88 92 95 91 90 87 82 77 76 74 70 62 60 57 52 48 42 去除率 去除率 F 1 8L hF 1 2L hF 0 8L h 表3不同浓度EDTA对吸附剂的再生情况 EDTA mol L 0 05 0 10 0 20 Hg2 Pb2 Zn2 Ni2 Hg2 Pb2 Zn2 Ni2 Hg2 Pb2 Zn2 Ni2 未再生 q mmol g 0 010 0 0 073 0 1 160 0 1 290 0 0 011 0 0 080 0 1 250 0 1 380 0 0 010 0 0 070 0 1 200 0 1 320 0 q mmol g 0 009 6 0 071 0 1 130 0 1 240 0 0 010 6 0 078 0 1 220 0 1 330 0 0 009 6 0 068 0 1 170 0 1 270 0 再生率u 96 3 97 6 98 1 96 5 96 6 97 8 98 3 96 7 96 5 97 3 98 2 96 3 q mmol g 0 009 5 0 070 0 1 120 0 1 230 0 0 010 5 0 077 0 1 210 0 1 320 0 0 009 5 0 067 0 1 160 0 1 250 0 再生率u 95 8 97 1 97 4 96 0 95 9 96 4 97 2 96 1 95 8 96 6 97 0 95 3 1次再生2次再生 q mmol g 0 009 5 0 069 0 1 110 0 1 220 0 0 010 4 0 076 0 1 200 0 1 310 0 0 009 5 0 066 0 1 140 0 1 240 0 再生率u 95 1 95 3 96 2 95 3 95 4 95 7 96 3 95 5 95 1 95 4 95 8 94 6 q mmol g 0 009 2 0 067 0 1 070 0 1 200 0 0 010 2 0 075 0 1 160 0 1 280 0 0 009 3 0 065 0 1 110 0 1 230 0 再生率u 92 6 92 2 92 5 93 1 93 0 92 1 93 1 93 0 93 3 93 1 93 2 93 4 3次再生4次再生 q mmol g 0 008 5 0 061 0 0 098 0 1 100 0 0 009 4 0 068 0 1 070 0 1 180 0 0 008 6 0 059 0 1 030 0 1 130 0 再生率u 88 3 87 6 89 8 90 1 88 8 88 9 90 3 90 8 88 6 88 5 90 6 91 7 5次再生 5214 第24期 属离子的动态吸附试验 当流速F值为1 2 L h 处 理时间为90 130 min时 对Hg2 Ni2 Pb2 Zn2 的去 除率均达到90 以上 达到海水质量 类标准 连 续测定吸附后出水的COD值都为2 5 3 2 mg L 对 海水中COD值去除率达到85 左右 用EDTA对 吸附Pb2 后的固定化菌体进行解吸试验 连续使用 4次后再生率仍可以达到85 可以重复利用 所以 可以根据海水受重金属离子污染的程度 选择不同 的处理方法净化养殖海水水质 对已被污染的水域 或受损海洋生态系统进行环境净化 从而保证水产 养殖业的可持续发展 参考文献 1 徐颖 连云港附近海域水环境质量评价 J 海洋环境科学 2001 20 4 54 60 2 BAUDOUIN C CHARVERON M TARROUX R et al Environ mentalpollutantsandskincancer J CellBiolToxicol 2002 18 5 341 348 3 刘鹰 杨红生 刘石林 等 封闭循环系统对虾合理养殖密度 的试验研究 J 农业工程学报 2005 21 6 122 125 4 郑天凌 鄢庆枇 林良牧 等 海洋微生物对甲胺磷农药的降解作 用 J 台湾海峡 1999 18 1 95 99 5 KYOUNG C ZYLSTRA K Y GERBEN J et al Catabolic role of a three component salicylate oxygenase from Sphingomonas yanoikuyaeB1inpolycyclicaromatichydrocarbondegrada tion J Biochemical Biophysical Research Communications 2005 327 3 656 662 6 VEGLIO F BEOLCHINI F Removal of metals by biosorption a review J Hydrometallurgy 1997 44 3 301 316 7 贺艳辉 张红燕 袁永明 等 净水微生物对水产养殖环境的修 复作用 J 金陵科技学院学报 2005 21 3 96 100 8 李秋芬 袁有宪 海水环境生物修复技术研究展望 J 中国水 产科学 2000 7 2 90 92 9 常钢 江祖成 彭天右 等 溶胶 凝胶法制备高比表面积的纳 米氧化铝及其对过渡金属离子吸附行为的研究 J 化学学报 2003 61 1 100 103 10 PEDIO M HEVESI K ZEMA N et al C60 metal surfaces adsorptionanddecomposition J SurfaceScience 1999 437 1 2 249 260 Hg2 含量Ni2 含量Pb2 含量Zn2 含量 表4不同吸附剂去除连云港养殖海水中重金属离子效果比较 单位 mg L 采样 地点 连岛 柘湾 凰窝 赣榆 养殖场 年份 2009 2010 2009 2010 2009 2010 2009 2010 处理前 0 000 63 0 000 62 0 000 58 0 000 54 0 000 54 0 000 53 0 000 58 0 000 56 处理后1 0 000 180 0 000 190 0 000 160 0 000 150 0 000 140 0 000 100 0 000 160 0 000 130 处理前 0 045 0 047 0 034 0 038 0 029 0 028 0 032 0 030 处理后1 0 001 0 0 010 0 0 007 4 0 007 6 0 006 4 0 006 2 0 007 0 0 006 8 处理前 0 014 7 0 015 8