修饰啤酒酵母菌吸附铀的研究

修饰啤酒酵母菌吸附铀的研究

生物吸附技术随着我国经济和社会的快速发展，能源问题越来越明显，新能源的开发和利用越来越紧迫。因此，我国大力发展了能源工业。铀(uranium)是主要的核燃料,铀矿开采以及核能的利用过程是U在环境中富集并产生污染的重要途径,且U主要通过生物圈进入食物链,再进入人体的肝脏、肾脏和骨骼,以化学毒性和内照射两种形式对人体造成损伤。研究表明,U污染已对人类生态环境和人体健康构成了严重的威胁。因此,如何有效处理铀,极力降低铀的危害已成为研究热点。由于铀的传统处理方法存在很多缺陷,生物吸附以其吸附来源丰富、操作简单、去除率高、选择性好等优点而备受关注。其中,啤酒厂废菌体啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae,SC)是一种具有实用潜力的生物吸附剂,它可吸附多种重金属离子和放射性核素U,且吸附效果不受其他离子及盐度的影响。同时,由于未处理的啤酒酵母细胞壁表面结构疏松,机械强度和化学性能差等因素限制了其使用范围。为了改善啤酒酵母细胞壁上的官能团(如—COOH、—NH2、—SH、—OH)与铀的结合力,一些学者对啤酒酵母进行化学修饰以引入特殊官能团,从而促进其吸附重金属离子(如Hg2+、Cu2+等)的效能。鉴于铀元素的复杂性、特殊性以及铀吸附的影响因素多,修饰啤酒酵母在铀吸附研究还不多,也不深入。本文通过甲醛交联啤酒酵母,用胱氨酸接枝,再采用海藻酸钠和明胶包埋固定化处理,制备了一种新型的生物吸附剂——修饰啤酒酵母菌(modificationSaccharomycescerevisiae,MSC)。同时,本文研究了铀在修饰啤酒酵母菌上的生物吸附动力学特性,重点考察溶液的pH值、吸附时间等主要因素对修饰啤酒酵母菌吸附铀的影响,建立了相应的吸附动力学模型。这对铀矿冶废水中低浓度铀的处理、回收和控制具有重要意义。1实验部分1.1废弃培养的方法本文所用的实验材料啤酒酵母是由湖南衡阳燕京啤酒厂提供的废弃菌丝体,实验用吸附水样铀标准溶液采用文献方法配制(根据实验需要稀释成对应浓度),其他试剂均为分析纯。1.2仪器、设备和仪器本文所用主要实验仪器有AL104电子天平(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)、CL-32L高压蒸汽灭菌器(日本ALP公司)、PHS-3C型精密pH计(上海雷磁仪器厂)、SHA-B恒温水浴摇床(常州国华电器有限公司)、9800型离心机(上海手术机械厂)、DF205电热鼓风干燥箱(北京医疗设备二厂)、SHB-Ⅲ循环水式真空泵(西安太康生物科技有限公司)、78-1型磁力加热搅拌器(上海南汇电讯器材厂)、IRPrestige-21型傅里叶变换红外光谱仪(日本岛津公司)。1.3msc的制备将从啤酒厂采样回来的啤酒酵母废弃菌丝体进行高压蒸汽灭菌15min,经离心15min(8000r·min-1)收集菌体,并用蒸馏水洗涤,而后再离心,再洗涤,置冰箱(4℃)中冷冻得到啤酒酵母菌体。称取1.2g啤酒酵母菌体加入到10ml185g·L-1的甲醛溶液和24ml0.12mol·L-1盐酸溶液中,温和混合0.5h,室温下放置1h,然后用滤纸过滤菌体,用50ml蒸馏水洗涤后,得到甲醛交联啤酒酵母菌湿润体。取0.5g甲醛交联啤酒酵母菌湿润体于100ml的锥形瓶中,再将0.2g胱氨酸溶于1mol·L-1的NaOH溶液后加入锥形瓶中,加入80ml蒸馏水,温和混合0.5h,再将锥形瓶于恒温水浴摇床内(20℃)振荡反应12h,得到胱氨酸接枝啤酒酵母菌。称取2g海藻酸钠和1g明胶于烧杯中,加入100ml蒸馏水加热、搅拌使其溶解,得到浅黄色黏稠的溶胶。将此液倒入胱氨酸接枝啤酒酵母菌中,搅拌,使胱氨酸接枝啤酒酵母菌均匀悬浮于溶胶中,然后将悬浮液逐滴加入到0.1mol·L-1CaCl2溶液中,得直径为3～4mm的小球,收集后,用蒸馏水洗涤,沥干,得到MSC。为了比较SC与MSC对铀的吸附效果,本文将吸附前后的SC与MSC在60℃烘干,并且与KBr以1∶100的比例制成压片,分别用红外光谱仪进行测定,观察其红外光谱图。1.4铀的吸附及去除率测定配制一定浓度的铀标准溶液50ml置于150ml的锥形瓶中,根据实验要求,加入一定量的吸附剂(SC、MSC),调节pH值,置于恒温水浴摇床内(30℃)进行恒温振荡吸附,反应后在8000r·min-1离心分离5～10min,取上清液,用三氯化钛还原/钒酸铵氧化滴定法测定铀的剩余浓度,并根据吸附前后溶液中铀的浓度计算吸附剂的单位吸附量q(mg·g-1)和铀的去除率p。吸附剂对铀的单位吸附量q按照式(1)计算q=C0−CeWV(1)q=C0-CeWV(1)式中q为吸附量,mg;C0为吸附前铀的质量浓度,mg·L-1;Ce为吸附平衡时铀的质量浓度,mg·L-1;V为吸附液的体积,ml。2结果与讨论2.1msc与铀的生物吸附图1为SC和MSC吸附铀前后的红外光谱图,从图中可以看出,两种吸附剂在对铀进行吸附后,在817cm-1和810cm-1处出现了铀酰离子的伸缩振动峰,表明SC和MSC对铀发生了吸附作用。由于SC和MSC结构复杂,在整个波数范围内均有明显的吸收,这样就使得某些峰未能表现出来,一些不太灵敏的吸收峰被掩盖。按照文献对吸收光谱进行归属,对于MSC,在3397cm-1处附近有一个较宽的峰,可归结为胱氨酸修饰时仲酰胺上的—NH2伸缩振动时引起的。—OH出现的范围是在3200～3500cm-1之间,因此在3397cm-1处观察到的峰可能是—NH2和—OH的峰,2934cm-1处的峰为—CH3、—CH2的—CH不对称伸缩振动峰。另外,MSC吸附铀前后的红外光谱中蛋白质的特征吸收峰1438cm-1和1355cm-1处羧根离子的吸收峰都发生了偏移,且细胞壁中碳水化合物的C—O伸缩振动峰由1077cm-1移至1209cm-1,表明这些基团在吸附铀过程中参与了吸附作用。比较SC吸附铀前后的红外光谱中蛋白质的特征吸收峰,发现1348cm-1和1652cm-1峰在吸附前后基本无明显变化,而1213cm-1峰消失了,在1301cm-1出现了新的峰,表明蛋白质参与了铀的生物吸附。从SC和MSC蛋白质的特征吸收峰来看,在吸附铀前后都未发生明显的结构变化,说明SC和MSC的主要成分和结构仍然保持完整。2.2sc和msc对铀离子的吸附机理研究表明,溶液的pH值是影响生物吸附的一个重要的因素,它不仅影响金属的形态和金属离子的结合位点,而且还影响生物吸附剂表面功能团的结构与性能。本实验在铀浓度为200mg·L-1,吸附剂用量为1g,吸附时间为1.5h,pH值在3.0～8.0范围内的条件下,考察pH值对铀的吸附容量影响曲线,结果见图2。由于生物体是通过细胞壁将重金属吸附于其细胞表面。啤酒酵母菌细胞壁主要由各种多糖构成,呈多层微纤维结构,这些多糖中的N、O、S等原子都可以提供孤对电子以—COOH、—NH2、—SH、—OH等官能团与金属离子配位,而这些官能团吸附重金属的过程受溶液pH值的影响。当pH值较低时,吸附剂表面吸附位点被水合氢离子(H3O+)占据,阻碍了金属离子与表面官能团的相互作用。当pH值较高时,溶解的CO2-3和HCO-3有所增加,与铀形成了较为稳定的配合物,因而减少了铀离子的吸附。这是由于铀在不同的酸度环境下,存在的状态不同,吸附效果也不同。当铀以UO2+2、UO2(OH)+、(UO2)2(OH)2+2等形式存在时,吸附效果最好,此时,pH值一般在6.0左右。由图2可以看出,SC和MSC吸附铀的最佳酸度为pH=6.0。对于一般低浓度含铀水体,其pH值在5～6之间,因此采用SC和MSC吸附铀时不需调节酸度。2.3啤酒酵母的细胞与铀的复合作用图3为吸附时间对铀的吸附效果的影响。由图3中可以看出SC和MSC对铀的吸附是较为快速的吸附过程,在1h内基本完成了80%的吸附量,在1.5h左右均可达到吸附平衡。这主要是由于SC和MSC细胞的表面吸附作用,这种作用的特点是快速、可逆,不依赖于能量代谢。啤酒酵母的细胞壁85%都是葡聚糖和甘露聚糖,侧链上连有蛋白质和磷酸酯,它们中的氨基和磷酸基能吸附铀;而且,与磷酸酯结合形成的磷甘露聚糖的磷酸二酯键可能带有负电荷,造成啤酒酵母细胞壁带负电荷,也能吸附铀。从实验结果看出,MSC比SC具有更大的吸附量,主要是在MSC中引入了胱氨酸,使得MSC表面结合铀的位点增多,同时甲醛的交联,海藻酸钠和明胶对其的固定化,都使MSC机械强度和稳定性能大大增大,使得水溶液中铀能够更好地接近MSC表面结合铀的吸附位点,从而增大了对铀的吸附量。2.4级吸附速率和k1吸附动力学是用来描述吸附剂对金属离子的吸附速率,该速率决定了吸附的平衡时间。为进一步研究SC和MSC吸附铀的动力学特性,本文采用准一级反应动力学模型和准二级反应动力学模型对吸附过程进行拟合。拟合结果见表1和图4。准一级反应动力学模型的表达式和线性形式为dqtdt=K1(qe−qt)(2)dqtdt=Κ1(qe-qt)(2)lg(qe−qt)=lgqe−K12.303t(3)lg(qe-qt)=lgqe-Κ12.303t(3)式中K1为准一级吸附速率常数,min-1;qe、qt分别为平衡吸附量和t时刻的吸附量,mg·g-1。准二级反应动力学模型的表达式和线性形式为dqtdt=K2(qe−qt)2(4)dqtdt=Κ2(qe-qt)2(4)tqt=1(K2qt)2+tqe(5)tqt=1(Κ2qt)2+tqe(5)式中K2为准二级吸附速率常数,g·mg-1·min-1。由表1和图4可知,准二级动力学模型对SC和MSC吸附铀过程的拟合好于准一级动力学模型,而准二级动力学模型假定速率控制步骤是化学吸附,且主要因SC和MSC吸附剂表面官能团的化学作用所致。因此准二级动力学模型在拟合SC和MSC吸附铀的过程更有优越性,说明SC和MSC对铀的吸附是一个有化学作用的过程。同时,比较SC和MSC的K值大小,无论是准一级还是准二级反应动力学模型,SC的K值都比MSC大,这表明SC吸附铀达到平衡所需要的时间比MSC所需要的时间短,这与实验结果(图3)是一致的。出现这一现象的主要原因是在MSC中引入了胱氨酸,海藻酸钠和明胶载体阻碍了MSC与铀的直接作用,减慢了传输速率,从而增加了达到平衡所需的时间。2.5u3000铀的等温线模型吸附等温线用来描述吸附剂对金属离子的吸附机理。本文采用常用的Langmuir和Freundlich吸附等温线来拟合SC和MSC对铀的等温吸附过程。拟合结果见表2和图5。Langmuir等温线模型Ceqe=1KLq∞+Ceq∞(6)Ceqe=1ΚLq∞+Ceq∞(6)Freundlich等温线模型lgqe=lgKf+1nlgCe(7)lgqe=lgΚf+1nlgCe(7)式中Ce为吸附平衡时铀的质量浓度,mg·L-1;qe为平衡吸附容量,mg·g-1;KL为吸附系数,L·mg-1;q∞为饱和吸附量,mg·g-1;Kf为吸附系数,mg·g-1;n为量度吸附强度的常数。表2和图5结果表明Langmuir和Freundlich等温线模型均能较好地拟合SC和MSC对铀的吸附,体现了单层覆盖(Langmuir等温线模型)与多层吸附(Freundlich等温线模型)相结合的吸附模式。从相关系数R2看,Freundlich等温线拟合得更好,且在Freundlich等温线模型中,SC和MSC的1/n值均小于0.5,说明SC和MSC对铀的吸附是自发的,也对吸附过程非常有利。3sc和msc对铀的吸附(1)红外分析表明,化学修饰后的MSC细胞表面含有大量基团,这些基团都参与了对铀的吸附作用。而且当铀被吸附到MSC细胞表面时,细胞壁上的—COOH、—NH2、—SH、—OH等基团发生了配位络合反应并使表面基团发生变化,但MSC的主要成分和结构仍然保持完整。(2)SC和MSC吸附铀达到最大吸附量时的pH