抗性真菌對Pb²⁺、Zn²⁺和Cu²⁺的吸附特性研究

姚颋 江丹丹

摘要：從銅陵市某礦區(qū)土壤中篩選出1株對重金屬Pb2+、Zn2+和Cu2+具有抗性的真菌，命名為TL-3。以TL-3為實(shí)驗(yàn)菌株，在不同pH值、不同金屬離子初始濃度、不同菌體量以及不同吸附時(shí)間條件下對Pb2+、Zn2+和Cu2+進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，研究其吸附特性與對不同金屬離子的吸附能力。結(jié)果表明，TL-3對Pb2+、Zn2+和Cu2+的最佳pH值為5.0。在最佳條件下，吸附量在Pb2+，Zn2+和Cu2+的初始濃度分別為200mg/L、300mg/L和200mg/L達(dá)到最大，分別為20.61mg/g，23.17mg/g 和 17.46mg/g。TL-3對三種重金屬的吸附均在20h達(dá)到吸附平衡。

關(guān)鍵詞：真菌 鉛 鋅 銅 吸附

Biosorption characteristics of a fungus strain with resistance to lead, zinc and copper

Yao Ting Jang Dandan

Anhui Wanlian Environment Protection Co. Ltd. Hefei Anhui 230051 China

Abstract: The fungi strains named TL-3 were isolated from soil of some Tailing in Tongling City. The biosorption characteristics and capacities of Pb2+, Zn2+ and Cu2+ by stain TL-3 were investigated. The results showed that the optimum adsorption pH values for Pb2+, Zn2+ and Cu2+ were 5.0. Under the optimal condition, the maximum uptake capacities of Pb2+, Zn2+ and Cu2+ were 20.61mg/g, 23.17mg/g and 17.46mg/g at initial concentrations of 200 mg/L, 300mg/L and 200 mg/L, respectively. Biosorption equilibrium was established within 20h for lead, zinc and copper ions.

Keywords: fungusleadzinccopperbiosorption

重金屬污染已經(jīng)成為一個(gè)日益突出的環(huán)境問題，尤其是工業(yè)廢水和城市污水等造成的重金屬污染具有長期性和不可逆的特點(diǎn)。國內(nèi)外主要用物理法、化學(xué)法等方法修復(fù)重金屬污染，成本高，易造成二次污染[1-2]。與傳統(tǒng)處理方法相比，生物修復(fù)具有成本低，不易造成二次污染。微生物活細(xì)胞尤其抗性微生物活細(xì)胞是作為廉價(jià)、高效的吸附劑用于修復(fù)環(huán)境中的重金屬已受到廣泛關(guān)注[3-5]。

本文采用在自然界中分布較為廣泛，且很容易從重金屬污染土壤中分離得到的真菌在液體培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，在不同pH值、不同金屬離子初始濃度、不同菌體量以及不同吸附時(shí)間條件下，對重金屬Pb2+、Zn2+和Cu2+分別進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，探討抗性真菌對重金屬的吸附能力及特征，以拓展真菌在生物修復(fù)重金屬污染方面的潛力。

1. 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1供試菌種

本實(shí)驗(yàn)選用菌種從安徽銅陵礦區(qū)土壤中分離純化得到真菌，初步鑒定為曲霉屬（Aspergillus）。將分離得到的菌株接種到固體斜面培養(yǎng)基上，生長旺盛后移至冰箱中 4℃保存。 實(shí)驗(yàn)開始前，將供試菌株接種到固體平板上，使之生長旺盛，以備試驗(yàn)接種時(shí)使用。

1.2培養(yǎng)基

馬鈴薯葡萄糖培養(yǎng)基（PDB）：去皮馬鈴薯500g（土豆洗凈去皮，在水中煮至沸騰15min），葡萄糖20g，瓊脂20g，蒸餾水1L，自然 pH值。

液體培養(yǎng)基：葡萄糖20g、蛋白胨10g，NaCl 0.2g，CaCl2 0.1g，KCl 0.1g，K2HPO4 0.5g，NaHCO3 0.05g，MgSO4 0.25g、FeSO4·7H2O 5mg，蒸餾水1L，自然pH值。

1.3吸附劑制備

將TL-3菌接種于液體培養(yǎng)基中，于28℃，120r/min的振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3d。過濾收集得到的菌絲體，用超純水沖洗數(shù)次，用紗布包好，放于燒杯中置于4℃冰箱內(nèi)備用。

1.5菌株的吸附實(shí)驗(yàn)

1.5.1 pH值對吸附的影響

將0.2g新鮮菌絲體接入裝有100mL金屬溶液中（Pb2+、Zn2+和Cu2+濃度均為50mg/L），設(shè)初始的pH值范圍為2~6，于28℃、轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)震蕩培養(yǎng)36h。

1.5.2不同濃度重金屬對吸附的影響

將0.2 g新鮮菌絲體接入裝有金屬溶液中的錐形瓶中，Pb2+、Zn2+和Cu2+濃度范圍為50-500mg/L，于28℃、轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)震蕩培養(yǎng)36h。

1.5.3不同菌體量對吸附的影響

將不同量的新鮮菌絲體（0.1-0.5g）接入裝有金屬溶液中的錐形瓶中，Pb2+、Zn2+和Cu2+濃度均為50mg/L，于28℃、轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)震蕩培養(yǎng)36h。

1.5.4吸附時(shí)間對吸附的影響

將0.2g新鮮菌絲體接入裝有100mL金屬溶液中（Pb2+、Zn2+和Cu2+濃度均為50mg/L），于28℃、轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)震蕩培養(yǎng)，于20min、40min、1h、2h、4h、16h、20h、24h、36h取樣，取樣體積為1mL，測定樣品中金屬離子濃度。

1.6測定項(xiàng)目和方法

1.6.1菌絲體濕比測定

首先稱干燥并標(biāo)號的燒杯重量，加入用于吸附的定量菌絲體，稱重，然后將菌絲體與濾燒杯放在 80℃干燥箱中烘干12h至恒重后，減去燒杯重量，得出菌絲體干重，計(jì)算菌絲體干濕比。用于吸附量計(jì)算中菌體干重的換算。

1.6.2菌絲體吸附量

實(shí)驗(yàn)完成后，對每個(gè)樣品取1mL上清溶液測定重金屬的濃度，根據(jù)重金屬的初始濃度計(jì)算菌株對重金屬的吸附量。

其中：Q為重金屬吸附量，mg/g；c0為重金屬離子的初始質(zhì)量濃度，mg/L；ce為反應(yīng)后剩余重屬質(zhì)量濃度，mg/L；m為菌株質(zhì)量，g；V為反應(yīng)液體積，L。

1.6.3 重金屬濃度測定

用原子吸收分光光度計(jì)（Hitachi Z-8000，Japan）測定反應(yīng)后剩余溶液的重金屬濃度。

2. 結(jié)果與分析

2.1 pH值對吸附的影響

pH值對TL-3吸附Pb2+、Zn2+和Cu2+的影響見圖1。由圖1可知，pH<3.0時(shí)，TL-3對Pb2+、Zn2+和Cu2+的吸附能力增加緩慢；在pH值為3-5之間時(shí)，吸附量逐漸增加，增速較快；當(dāng)pH為5.0時(shí)對3種金屬吸附量均達(dá)到最大。pH值較低時(shí)，因溶液中大量的氫離子與金屬離子競爭吸附位點(diǎn)使吸附減弱，隨著pH值增大，氫氧根離子濃度升高改變了細(xì)胞壁表面的電性，使吸附帶正電的金屬離子變得容易[6-8]。但重金屬Pb2+和Cu2+在pH值在5.0-6.0之間，吸附量上升，是由于溶液會產(chǎn)生少量沉淀，使得溶液中金屬離子濃度較平衡時(shí)低，因此吸附量在上升。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對Pb2+、Zn2+和Cu2+吸附的后續(xù)實(shí)驗(yàn)溶液pH值均調(diào)至5.0。

2.2重金屬濃度對吸附的影響

不同重金屬濃度對TL-3吸附Pb2+、Zn2+和Cu2+的影響見圖2。由圖2可知，隨著Pb2+、Zn2+和Cu2+濃度的增加，TL-3的吸附量增大，原因可能是靜電交互作用使得低親和力的位點(diǎn)增加[9-10]。當(dāng)Pb2+、Zn2+和Cu2+的初始濃度分別在200、300和200mg/L達(dá)到吸附飽和狀態(tài)，吸附量基本保持不變。TL-3對Pb2+、Zn2+和Cu2+最大吸附量分別為20.61、23.17和17.46mg/g。TL-3對Zn2+的吸附能力強(qiáng)于Cu2+和Pb2+，可能是由于不同金屬離子由于自身性質(zhì)存在差異，跟吸附劑結(jié)合的快慢程度以及吸附作用強(qiáng)度不一樣所致[10]。Myxococcus xanthus、Saccharomyces cerevisiae和Mocus rouxii對Zn2+最大吸附能力分別為21.6mg/g、13.1mg/g和7.75mg/g [11]，與其他研究相比，活性TL-3對Zn(II)的吸附能力較強(qiáng)。

2.3菌體量對吸附的影響

不同菌體量對TL-3吸附Pb2+、Zn2+和Cu2+的影響見圖3。由圖3可知，TL-3對Pb2+、Zn2+和Cu2+的吸附隨著菌體量增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，均在菌體量為0.2g時(shí)吸附量達(dá)到最大，分別為Pb 15.01mg/g、Zn 19.98mg/g、Cu 13.42mg/g。吸附量下降的原因可能是達(dá)到吸附平衡時(shí)，菌體的單位吸附量已經(jīng)飽和，被吸附的金屬離子堵塞細(xì)胞表面的空隙或者離子之間發(fā)生凝聚，降低活性位點(diǎn)的可用性[12]。也進(jìn)一步說明，在一定范圍內(nèi)，重金屬離子與吸附劑量的比值越大，則單位吸附劑的吸附量越大，直至吸附飽和。因此，重金屬離子與吸附劑用量比值的選取要兼顧重金屬的有效吸附和吸附劑的充分利用，適當(dāng)提高比值有利于吸附劑的有效利用，故應(yīng)選取一個(gè)適當(dāng)?shù)木w量[13]。

2.4吸附時(shí)間對吸附的影響

不同時(shí)間對TL-3吸附Pb2+、Zn2+和Cu2+的影響見圖4。由圖4可知，TL-3吸附Pb2+、Zn2+和Cu2+過程大致分為兩個(gè)階段：第一階段為快速吸附，4h內(nèi)對Pb2+、Zn2+和Cu2+吸附量分別為12.74、16.98和10.74mg/g，占總吸附量的82.5%、92.1%和80.9%；第二階段為緩慢吸附，在4h-20h內(nèi)吸附較慢。24h后三種金屬的吸附量幾乎沒有變化，達(dá)到吸附平衡。吸附量隨時(shí)間的曲線變化說明的第一階段主要是Pb2+、Zn2+和Cu2+和細(xì)胞壁表面的官能團(tuán)發(fā)生了作用，第二階段可能Pb2+、Zn2+和Cu2+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，發(fā)生了胞內(nèi)吸附和富集。

3. 結(jié)論

以銅陵市某礦區(qū)土壤中篩選出1株對重金屬Pb2+、Zn2+和Cu2+具有抗性的真菌為實(shí)驗(yàn)菌株，通過設(shè)定不同條件的吸附實(shí)驗(yàn)，研究TL-3對重金屬的吸附能力和特征。結(jié)果表明，TL-3對Pb2+、Zn2+和Cu2+的最佳pH值為5.0。在最佳條件下，TL-3對Pb2+，Zn2+和Cu2+最大吸附量分別為20.61mg/g，23.17mg/g 和 17.46mg/g；TL-3對三種重金屬的吸附均在20h達(dá)到吸附平衡。

研究結(jié)果表明具有重金屬抗性的TL-3能有效去除廢水中的Pb2+、Zn2+和Cu2+，且對Zn2+吸附能力最強(qiáng)，在今后的工作中，要進(jìn)一步探尋并建立TL-3對重金屬吸附的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測吸附過程。

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