毛木耳对铜的生物吸附影响因子研究.doc

张 丹等：毛木耳对铜的生物吸附影响因子研究 297毛木耳对铜的生物吸附影响因子研究张 丹1，高健伟1，殷义高1，王 波21. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；2. 四川省农科院土肥所，四川 成都 610066摘要：报道了高等真菌毛木耳Auricularia polytricha生物吸附Cu2+的试验研究, 以摸清毛木耳菌丝体吸附Cu2+的理想条件。试验评价了影响吸附的溶液pH值，温度，振荡吸附时间，初始金属质量浓度和菌丝体生物质量分数。结果表明: pH值影响毛木耳的吸附能力随溶液中初始Cu2+质量浓度的不同而不同，在低Cu2+质量浓度（10 mgL-1），pH=6时，每克干质量的菌丝体对Cu2+的吸附值达到最大 （1.4608 mg）；温度的影响没有规律，在20 时吸附能力最强；吸收15 min时，毛木耳每克干质量的菌丝体对Cu2+的吸附值为最高（1.379 mg）；随着溶液初始Cu2+质量浓度的增加，吸附率增加，但随菌丝体生物质量分数的增加吸附能力下降，当溶液Cu2+的质量浓度为60 mgL-1，下降最明显。毛木耳作为重金属的生物吸附剂有待进一步的深入研究。关键词：毛木耳Auricularia polytricha；生物吸附；铜（Cu）；菌丝体中图分类号：X172 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）02-0295-04利用微生物的化学活动对溶液中金属的吸附和/或络合被称为生物吸附1。作为对有害金属去除和贵重金属回收的一种新兴的生物技术，它具有吸附材料来源广，品种多；成本低，吸附量大，处理效率高；能在金属低浓度下处理；反应的pH和温度范围广；生物体解吸后可再次使用等优点2。特别适用于处理广泛存在的由工业金属生产带来的点源污染废水。生物吸附的最大优越性是它对细胞生长和生物量增殖的需求与金属的吸附功能彼此分离。Cu2+的生物吸附已为不同的学者用不同的材料进行过探讨，主要利用的吸附剂为细菌、丝状真菌、酵母和藻类3-5。真菌的生物吸附在很大程度上依赖溶液pH, 温度，金属和生物体量以及生物吸附剂物理化学的前处理等因素6。国外有学者研究评价了8个不同担子菌属的33种不同菌丝体对5种重金属的吸附能力7。我国未见用大型真菌菌丝体作为吸附剂吸附重金属的有关研究报道。本研究用大型真菌毛木耳Auricularia polytricha作为Cu2+的吸附剂，探讨生物吸附Cu2+的影响因子，涉及因子有溶液pH、振荡时间、振荡温度、Cu2+初始浓度及菌丝体浓度。旨在摸清影响毛木耳菌丝体对Cu2+吸附能力的因素，寻求理想的吸附条件，研究在废水处理过程中使用大型真菌的可能性。试验用毛木耳菌丝死细胞作吸附剂。毛木耳菌丝体易培养，生长快，代谢上无活性的死细胞其利用价值极大，因为它可以减少与生物生长有关的一些附加成本。1 材料和方法1.1 菌丝体的制备菌株为中国农科院土肥所提供的毛木耳菌株50835。液体培养基为马玲薯200 g，葡萄糖20 g，水1000 mL，pH=7。调好pH值，定容1000 mL的液体培养基以80 mL/瓶的量分装于三角瓶中，高温高压灭菌30 min后，取出冷却，按每支试管45瓶的接种量转接于三角瓶装的液体培养基中，于2025 ，通风良好的培养室内，静置培养14 d即可使用。培养好的菌丝体刮去粘附于表面的半固化培养基，用蒸馏水浸泡洗净，吸水纸适当吸去水份，用真空冷冻干燥机抽干水分，再用研钵磨成粉末装入广口瓶中密封备用。1.2 Cu2+ 溶液的配制称取0.1000 g纯铜，溶于11硝酸10 mL中，煮沸赶尽氮氧化物，冷却，移入100 mL容量瓶中，稀释至刻度，成为质量浓度为1000 mgL-1 的Cu2+标准溶液。不同Cu2+质量浓度试验用该溶液进行定量稀释。溶液pH用浓度1 molL-1 HNO3或1 molL-1 NaOH调节。1.3 试验程序称100 mg冻干菌丝体，于装有25 mL Cu2+质量浓度为10 mgL-1溶液的三角瓶中进行不同pH、温度、振荡吸附时间试验。于旋转式振荡机100 rmin-1振荡吸附后，菌丝体在溶液通过中速定性滤纸过滤后除去，滤液用GBC932型原子吸收分光光度计测定Cu2+的质量浓度（Cu检查极限0.001 mgL-1）。每项试验处理重复3次。初始pH试验：溶液pH为2，3，4，5，6，7。振荡时间30 min，温度25 。温度试验（）：温度为15，20，25，30，35。溶液pH 45。振荡30 min。振荡吸附时间试验（min）：1，2，3，5，10，15，20，30，60。溶液pH 45，温度25 。1.4 初始金属离子质量浓度和菌丝体质量分数不同质量的冻干菌丝体（100，200，300和400 mg）被加入装有25 mL含Cu2+溶液（1，5，10，30和60 mgL-1）的三角瓶中，在初始pH 45，25 ，100 r/min速度下振荡吸附30 min。菌丝体在溶液用中速定性滤纸过滤后弃去，滤液用GBC932型原子吸收分光光度计测定Cu2+质量浓度（测定极限：0.001 mgL-1）。2 结果和分析Cu2+的吸附被看作是温度、溶液初始pH、振荡吸附时间、初始金属质量浓度和真菌生物质量分数的函数。金属吸附率由公式q=V(Ci-Cf)m计算获得。式中，q单位生物（干质量）吸附剂吸收的金属质量分数（mgg-1）；V金属溶液的体积（L），本试验为0.025 L；Ci溶液中金属的初始质量浓度（mgL-1）； Cf溶液中金属的最终质量浓度（mgL-1）； m真菌生物质量分数（g）。2.1 溶液pH对Cu2+吸附的影响图1 初始溶液pH对铜吸附的影响Fig. 1 Effect of initial pH on Cu adsorption15 20 25 30 35 t / 图3 温度对吸附的影响Fig. 3 Effect of temperature on Cu adsorption溶液pH值影响吸附剂细胞表面吸附位点和金属离子的化学状态，从而决定金属在可溶形态下生物吸附的有效性。pH值还支配着生物体的全部表面电荷，在酸性条件下，大量的H和H3O+与金属离子竞争与生物吸附剂相结合。从图1可看出，当Cu以2价阳离子形式存在，溶液中Cu2+的质量浓度为10 mgL-1，pH在26的范围时，随着溶液pH的提高，菌丝体对Cu2+的吸附也有所上升，在pH 36时，上升迅速，到 pH 6时，吸附达到最大值，每克干质量菌丝体对Cu2+的吸附率为1.4608 mg，统计分析结果差异显著。随着pH值继续提高，离子形成沉淀而使吸收无法进行。该试验结果与国外学者曾经作过的研究（pH值为3时，吸附值最大）不符7。有学者报道，死的藻类、丝状真菌和酵母菌体在pH 45时，吸附铀、镉、锌、铜和钴，因为在此pH下，这些金属都电离成阳离子，与生物体形成负电荷的表面产生静电作用8。2.2 温度和振荡时间对Cu2+吸附的影响图2描绘出振荡时间对Cu2+吸附的影响，统计分析结果显示振荡时间的不同其间吸附差异不显著。但从图2的曲线可看出，振荡从1 min到3 min时，吸附量急剧上升，而后上升缓慢几近平稳，每克干质量菌丝体对Cu2+的吸附率为1.1351.392 mg，到20 min时每克干质量菌丝体对Cu2+的吸附率为1.377 mg，比15 min（1.379 mg）时稍低。图2 震荡时间对铜吸附的影响Fig. 2 Effect of shaking time on Cu adsorption对不同温度处理的结果进行统计分析，表明不同温度影响Cu2+吸附的差异不显著，从图3可看出温度对Cu2+吸附的影响没有规律，反应的理想温度为20 ，每克干质量菌丝体对Cu2+的吸附率最高（0.4606 mg）。结果与Dilek研究的结果一致。我国学者刘恒在啤酒酵母吸附Cu2+的研究时也发现，反应体系的温度对它们的吸附能力影响不大9，反应的理想温度为20 和30 。黑曲霉对Cu2+吸附的理想温度为30 和40 。2.3 初始Cu2+质量浓度和菌丝体生物质量分数的影响初始Cu2+质量浓度对金属吸附的影响从两个方面进行试验。一是固定Cu2+质量浓度改变菌丝体生物质量分数，二是固定菌丝体生物质量分数改变Cu2+质量浓度。图4可看出在任何一种生物质量分数的情况下，均表现出随着初始Cu2+质量浓度的提高吸附增加。而从图5反应的情况则有所不同，当溶液中Cu2+保持恒定时随着菌丝体质量分数的提高，生物对金属的吸附量反而有所下降，在溶液中Cu2+为60 mgL-1时下降最明显，不同Cu2+的质量浓度和菌丝体质量分数的试验数据结果经统计分析差异均显著。图5 菌丝体质量分数对铜吸附的影响Fig. 5 Effect of different mycelium concentrations on metal adsorption据zer等用Schizomeris leibleinil对Fe、Pb和Cd的吸附以及根霉Rhizopus arrhizus对Zn的吸附试验得出的结果及其他作者报道，提高金属：生物体比率，有效的生物体吸收能力会增强10。微生物细胞间的静电学相互反应，在金属离子的吸附方面发挥了重要作用，当细胞间的距离增加时，被吸附的离子数量更大11。细胞外层的“扫描效应”，在更高的生物体质量分数下会引起较低的有效的金属吸附，随着生物体质量分数的增加，吸附减少12。说明在溶液中Cu2+质量浓度较低时，毛木耳的吸附更有效。3 结论本试验结果表明，pH值是毛木耳菌丝体吸附Cu2+的影响因子，在金属低和高的质量浓度情况下，理想吸附的pH值有所不同，因为pH值影响金属离子的化学形态。随着溶液Cu2+初始质量浓度的增加，菌丝体对Cu2+的吸附也增加。金属/生物体比率是金属吸附的限制因子，选择合适的比率可以提高生物体吸附的有效性。振荡时间对吸附的影响差异并不明显，15 min时为吸附最大值。温度对Cu2+吸附的影响没有规律，反应的理想温度为20 。有关高等真菌菌丝体吸附重金属的研究国内尚为空白，许多生物吸附的基础性研究均有待填补，毛木耳菌丝体有望作为废水中重金属的吸附剂，但对生物吸附的技术和理想条件还应进行更多的探索。参考文献：1 DILEK F B, ERBAY A, YETIS U. Ni() biosorption by polyporus versicolorJ. Process Biochemistry, 2002, 7: 723-726.2 张洪玲, 吴海琐, 王连军. 生物吸附重金属的研究进展J. 污染防治技术, 2003, 16(4): 53-56.ZHANG H L, WU H S, WANG L J. Advances in Research on Biosorption of Heavy MetalsJ.Technology on Pollution Prevention, 2003, 16(4): 53-56.3 刘月英, 傅锦坤, 陈平, 等. 巨大芽孢杆菌D01吸附金(Au3+)的研究J. 微生物学报, 2000, 40(4): 425-429.LIU Y Y, FU J K, CHENG P.Studies on biosorption of Au3+ by Bacillus megateriumJ. Acta Microbiolotica Sinica, 2000, 40(4): 425-429.4 竺建荣, 许玲. 啤酒酵母吸附Cu2+的模拟实验J. 应用与环境生物学报, 1998, 4(4): 400-404.ZHU J R, XU L, Simulated experiment of Cu2+ treatment using Saccharomyces cerevisiaeJ. Chinese Journal of Applied & Environmental Biology, 1998, 4(4): 400-404.5 林荣根, 周俊良, 黄朋林. 螺旋藻吸附水溶液中铜离子的研究J. 海洋环境科学, 1998, 17 (2): 8-11.LIN R G, ZHOU J L, HUANG P L. Preliminary study on the adsorption of copper ion on the spiral algaeJ. Marine Environmental Science, 1998, 17 (2): 8-11.6 KAPPOOR A, VIRARAGHAVAN T.Fungal biosorptionan alternative treatment option for heavy metal bearing wastewaters: a reviewJ. Bioresource Technology, 1995, 53(3): 195-206.7 Galli E, Di Mario F, Rapana P, et al. Copper biosorption by Auricularia polytrichaJ. Letter in Applied Microbiology, 2003, 37: 133-137.8 张秀丽, 刘月英.贵重金属的生物吸附J.应用与环境生物学报, 2002, 8(6): 668-671.ZHANG X L, LIU Y Y. Biosorption of precious and heavy metals J. Chinese Journal of Applied & Environmental Biology, 2002, 8(6): 668-671.9 刘恒, 王建龙, 文湘华. 啤酒酵母吸附重金属的研究J. 环境科学研究, 2002, 15(2): 26-29.LIU H, WANG J L, WEN X H. Research on Cu2+ biosorption using Saccharomyces cerevisiaeJ. Research of Environmental Science, 2002, 15(2): 26-29.10 ZER A, ZER D, EKIZ H I. Application of Freundlich and angmuir models to multistage purification process to remove heavy metal ions by using Schizomeris leibleiniiJ. Process Biochemistry, 1999, 34: 919-927.11 ITOH M, YUSSA M, KOBAYASHI T. Adsorption of metal ions on yeast cells at various cell concentrationJ.Plant Cell Physiology, 1995, 16: 1167-1169.12 PONS M P, FUSTE M C. Uranium uptake by immobilized cells of Pseudomonas strains EPS 5082J. Applied Microbiology and Biotechnology, 1993, 39: 661-665. Effects of factors on copper biosorption by macrofungi Auricularia polytrichaZHANG Dan1, GAO Jianwei1, YIN Yigao1, WANG Bo21. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Conservancy, Chengdu 610041, China;2. Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610066, ChinaAbstract: The use of macrofungi Auricularia polytricha in Cu2+ removal as biosorbent was investigated. The purpose of this study was to obtain the optimal conditions for Cu2+ biosorption of A. polytricha. The sorption experiments were conducted to evaluate the effects of initial pH and temperature, shaking time, initial metal ion and biomass concentration. Initial pH affected Cu2+ sorptio