啤酒酵母对重金属离子的生物吸附特性

啤酒酵母对重金属离子的生物吸附特性

环境中的重金属（如铅、镉、铜、锌等）可以通过链中的重金属积累，导致慢性人体中毒。如何从废水中去除重金属，是人类健康和生态环境的重要研究领域。传统的处理含重金属废水的物理化学方法包括:化学沉淀法、离子交换法、电解法、凝聚法和氧化还原法等,这些方法耗资大而且可能造成二次污染。自从Ruchhoft提出用生物吸附法(活性污泥)去除废水中的Pu239以后,生物吸附法作为一种新兴的水处理技术而受到重视。它具有吸附容量大、吸附速度快、价格低廉、适于处理低浓度重金属废水等优点,而且不易造成二次污染。用于生物吸附的吸附材料可以是细菌、酵母、真菌、藻类和活性污泥等,且研究表明死细胞同活细胞一样具有吸附作用。因而发酵工业产生的大量废菌体是一种极具潜力的生物吸附剂。根据国家统计局公布的数字,2002年我国啤酒产量达到2386.83万吨,约有干菌体近20万吨,如果能用它们作为吸附剂原料,处理含铅、镉和汞等重金属离子的工业废水,将具有很大的实用价值。水中镉的污染主要来源于湿法有色金属冶炼厂、电镀厂和矿山的废水排放,不同来源废水中镉含量从几mg/L至几千mg/L不等,譬如镀镉工艺中所排放废水的镉含量为40~250mg/L。本文以啤酒酵母为生物材料,研究其在游离与固定化条件下对溶液中Cd2+的吸附特性,为开发利用啤酒酵母废菌体处理含重金属工业废水提供科学依据。1材料和方法1.1细菌和培养基1.1.1蘑菇啤酒酵母(S.cerevisiae),本系保存。1.1.2ypd培养基1.2试剂和设备1.2.1主试剂CdCl2·2.5H2O为国产分析纯,用去离子水配制成一定浓度的标准液。海藻酸钠为国产化学纯,CaCl2为国产分析纯。1.2.2主要设备原子吸收分光光谱仪(AA800),恒温摇床(THZ-881K),pH计(PHS-3C)等。1.3生物吸附剂的制备1.3.1菌体粉的制备啤酒酵母经活化后,于液体培养基中28℃振荡培养24h,之后离心收集菌体,冷冻干燥,研磨成粉,置于干燥器中保存备用。使用前将菌体置80℃烘箱中烘至恒重。1.3.2啤酒发酵母的预处理取适量啤酒酵母干菌粉,加入0.5mol/LNaOH于80℃水浴处理一定时间,离心收集菌体,80℃下烘干,研磨成粉。1.3.3葡萄糖母的固定化准确称取一定质量的啤酒酵母干菌粉,用去离子水配成一定浓度的菌悬液,采用海藻酸钙凝胶包埋法进行固定化。1.4cd2+溶液准确称取适量的干酵母或固定化酵母于三角瓶中,加入一定浓度的Cd2+溶液,置于恒温摇床(28℃,240r/min)中振摇吸附。对于未固定化的酵母,吸附后需用微孔(0.45μm)滤膜过滤除去酵母菌体,才能进行检测。1.5解吸实验吸附液过滤后,将滤渣(酵母)置于解吸液中,恒温摇床(28℃,240r/min)中振摇解吸5h,再用微孔滤膜过滤。1.6初始浓度100%吸附能力及干重解吸率溶液中的镉离子浓度用原子吸收分光光谱仪测定。吸附率=(初始浓度-终浓度)/初始浓度×100%吸附能力(mg金属/g细胞)=溶液体积×(初始浓度-终浓度)/细胞干重解吸率=解吸液浓度×解吸液体积(初始浓度-终浓度)×溶液体积×100%=解吸液浓度×解吸液体积(初始浓度−终浓度)×溶液体积×100%2结果与讨论2.1游离母活性2.1.1图1:美国监狱警察-区对大多数生物吸附过程而言,pH值是一个非常重要的参数。在吸附时间5h,Cd2+初始浓度50mg/L,酵母浓度1g/L,pH值分别为3、4、5、6、7时,进行吸附实验,结果如图1所示。从图中可以看出,随着溶液pH值增大,吸附率也逐渐增大。在pH6时,吸附率最大。当pH值继续增大到pH7时,溶液中出现少量沉淀,吸附率有所下降。干酵母细胞对Cd2+的吸附是一种被动吸收过程,主要是利用细胞壁上的活性基团(胺、酰胺等)和金属离子相结合,这个机制可以是离子交换或配位结合。pH值较低时,细胞壁上的官能团是质子化的,pH值增大,H+会从官能团上解离下来,暴露出更多的带负电荷的基团,有利于金属离子的结合,故吸附率随pH值上升而增大。但是pH值过高会使金属离子生成氢氧化物沉淀,不利于吸附的进行。2.1.2离子浓度和菌体浓度对cd2+吸附的影响在不同酵母浓度(0.1g/L,0.5g/L,1.0g/L,2.0g/L)及不同Cd2+浓度(10mg/L,50mg/L,100mg/L,200mg/L)下做Cd2+的吸附实验(pH6,吸附时间0.5h),结果如图2所示。从图2可以看出,离子浓度和菌体浓度对Cd2+的吸附影响也很显著。低浓度酵母(0.1g/L)对Cd2+的吸附率很低,对于同样的酵母浓度,只在一合适的离子浓度下才有最大吸附率。酵母细胞的吸附能力随着菌体浓度的增加而降低,随着离子浓度的升高而升高。实验范围内,在Cd2+为100mg/L,酵母浓度为2g/L或Cd2+为50mg/L,酵母浓度为1g/L时的吸附率最高,达到93%,此时干酵母的吸附能力为46.5mgCd2+/g干酵母,Cd2+初始浓度与酵母浓度之比为50mg/LCd2+∶1g/L酵母。2.1.3酵母溶液ph值对酵母吸附实验的影响一般认为,碱处理能使细胞羟基化并且去除一些和活性区域相结合的成分而有利于金属吸附。取经碱处理不同时间的酵母进行吸附实验,在Cd2+初始浓度50mg/L,酵母浓度1g/L时,吸附5h,与未经预处理的酵母吸附实验(溶液pH值为6)相对比,结果如图3。从图中看出,适当的碱处理有助于酵母对Cd2+的吸附,处理时间3~4h较好。未经碱处理的酵母对Cd2+的吸附不是很牢固,随着吸附时间的延长,会有部分Cd2+解吸下来,表现在振摇吸附5h后的吸附率比0.5h的低。而经过碱处理的酵母对Cd2+的吸附比较牢固,碱处理4h的酵母在吸附5h后仍保持着92.9%的高吸附率。此外,经过碱处理后的酵母进行吸附时可不必调节溶液的pH值。2.1.4多次生物吸附剂回收工业上利用生物吸附剂净化工业污水需根据金属的价值、回收的难易及吸附机理等来选择适当的回收方法。生物吸附剂的再生可通过简单的物理或化学方法实现,如用特定的解吸剂解吸,这种回收方式是非破坏性的,可进行多次吸附-解吸循环处理。如果金属价值高而生物吸附剂比较廉价,也可采用破坏性的金属回收方式,如焚烧、溶于酸或碱等。图4是分别用去离子水,1mol/L的HCl和1mol/L的NaOH对吸附Cd2+后的酵母菌进行解吸的结果。从图4可以看出,用HCl解吸的效果大大优于去离子水和NaOH解吸,解析率达84%。这是因为HCl中的H+能与金属离子竞争细胞表面的结合位置而使得金属离子解吸,而NaOH会中和H+,使得金属离子与细胞表面的结合增强,不易解吸。2.2固定化母吸附性2.2.1固定化酵母对cd2+的吸附游离的酵母吸附金属离子后,必须经过膜过滤才能与溶液分开,给连续操作带来一定困难。如果将酵母固定在某种合适的材料上,具有一定的颗粒尺寸、足够的强度、多孔性、亲水性和化学惰性,就可以用于重金属离子的连续吸附过程。本实验以海藻酸钙凝胶包埋法固定酵母细胞,为确定固定化酵母合适的吸附条件,设计了L9(34)的正交实验表,实验安排和结果如表1所示,吸附时间均为2h,CaCl2的浓度为10%。从表中可以看出,在固定化酵母对Cd2+的吸附过程中,海藻酸钙凝胶对金属离子的吸附作用不可忽略,在总吸附率中占有很大比重。海藻酸盐是一类从褐藻的细胞壁中提取出来的多糖,它是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸聚合而成的线性高聚物,Cd2+可能通过和藻酸上的共价离子交换而被吸附。海藻酸钙凝胶对Cd2+的吸附受胶浓度(海藻酸钠浓度)的影响最大,提高胶浓度,凝胶对Cd2+的空白吸附率也增加。此外,胶浓度也极大地影响了固定化酵母对Cd2+的吸附作用,实验条件下,用3.2%的海藻酸钠做成的凝胶包埋酵母,对Cd2+的吸附效果最好。pH值、离子浓度和菌体浓度对固定化酵母吸附Cd2+也有一定影响,不过都没有对游离酵母的影响那样显著,而且,酵母固定化之后,其吸附Cd2+的较适pH值与游离酵母也不同。固定化酵母对Cd2+的吸附率随pH值升高而降低,与游离状态相反。这些现象的产生,可能是因为酵母细胞固定化之后所处的微环境与游离状态不同,金属离子必须扩散进入凝胶内部才能与细胞接触。2.2.2cd2+的吸附用3.2%的海藻酸钠分别与不同浓度的CaCl2溶液进行凝胶化包埋酵母,研究制得的固定化酵母对Cd2+的吸附率,结果如图5,吸附条件为:pH4,Cd2+初始浓度200mg/L,菌体浓度0.5g/L,吸附时间为0.5h、1h和2h。从图中可以看出,一方面Cd2+的吸附率随吸附时间增加而增大,另一方面,又随CaCl2浓度的降低而增大。CaCl2浓度为2%,吸附2h时,Cd2+的吸附率达到87%,大大高于10%CaCl2时的吸附率。可见CaCl2浓度是影响固定化酵母吸附Cd2+的一个重要因素,降低CaCl2的浓度即降低Ca2+的浓度,能提高凝胶的渗透性,有利于金属离子的扩散,从而有助于吸附。3固定化酵母cd2+的吸附能力啤酒酵母具有吸附Cd2+的能力,其吸附过程受到pH值、离子浓度及菌体浓度的影响,在不使Cd2+沉淀的条件下,提高pH值有利于吸附。其吸附能力随着菌体浓度的增加而降低,随着离子浓度的升高而升高。实验范围内,最高吸附率达到93%,此时干酵母的吸附能力为46.5mgCd2+/g干酵母,Cd2+初始浓度与酵母浓度之比为50mg/LCd2+:1g/L酵母。适当的碱处理有利于酵母对Cd2+的吸附。吸附Cd2+后的酵母可以用1mol/L的HCl解吸,解吸率为84%。用海藻酸钙凝胶包埋啤酒酵母细胞,固定化的酵母仍具有吸附Cd2+的能力,但凝胶本身对Cd2+的吸附能力也不能忽略。固定化酵母吸附Cd2+所需的吸附时间要满足金属离子的扩散要求,它对Cd2+的吸附主要受到海藻酸钠浓度和CaCl2浓度的影响,降低CaCl2的浓度有利于Cd2+的吸附,不过需要考虑到CaCl2浓度的降低会影响凝胶的机械强度。固定化酵母的优势在于可重复使用及连续操作,合适的条件下,固定化之后对Cd2+的总吸附率仍能达到游离酵母的吸附水平。当然,如果要求只能有啤酒酵母的吸附,那么应该换一种对Cd2+不具吸附能力的固定化材料。此外,本文仅考察了溶液中只含一种金属离子Cd2+时啤酒酵