EM 菌對鎘離子的吸附特性的研究

楊平，李偉朋，王召欣，王亞婷，趙燕 ，王仁君

(曲阜師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 曲阜 273165)

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，重金屬污染成為了危害水健康的最大問題之一. 其中重金屬鎘通過礦山開采，金屬冶煉，金屬加工及化工生產(chǎn)廢水，化石燃料的燃燒和生活垃圾等人為污染源，以及地質(zhì)侵蝕，風(fēng)化等天然源形式進入水體，導(dǎo)致水體被污染. 加之重金屬具有毒性大，在環(huán)境中不易被代謝，大都參與食物鏈循環(huán)，最終在生物體內(nèi)富集，并有生物放大效應(yīng)等特點，不但污染水環(huán)境，也嚴重威脅人類和水生生物的生存［1］. 因此，有效地去除水體中的重金屬污染物成為了當(dāng)前最緊迫的任務(wù)之一.

目前，針對重金屬污染所開發(fā)應(yīng)用的廢水處理方法很多，較傳統(tǒng)的方法有化學(xué)沉淀法、化學(xué)氧化還原法、活性炭吸附法、離子交換法、溶劑萃取法、物理法、膜分離技術(shù)等［2］，這些方法在一定條件下有效，但存在成本高、操作復(fù)雜、對低濃度廢水的處理較難等缺點.因此，近年來人們提出了一種新興的廢水處理技術(shù)——生物吸附法，已被證實在低濃度重金屬污水處理方面有著極為廣闊的應(yīng)用前景.

生物吸附是將利用微生物(活的，死的或它們的衍生物)分離水體系中金屬離子的過程.從廣義上說，生物吸附就是用生物材料吸附水溶液中的金屬或非金屬物質(zhì). 研究發(fā)現(xiàn)，生物材料，如藻類、植物［3］、動物［4］、細菌、霉菌、大型真菌、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物等都能有效的從水溶液中吸收微量的重金屬離子. 重金屬的生物吸附主要包括生物物質(zhì)的表面吸附與體內(nèi)積累兩個動態(tài)平衡過程.表面吸附主要是細胞外多聚物、官能團等與重金屬離子結(jié)合;體內(nèi)積累即活體細胞的主動吸附，主要是細胞表面吸附的離子與某些酶結(jié)合運輸至細胞內(nèi).細胞壁是細菌個體與重金屬接觸最早的部分，富含羧基陰離子和磷酸陰離子，使得細菌表面具有陰離子的性質(zhì)，很容易與金屬發(fā)生反應(yīng)，因而金屬很容易結(jié)合到細菌的表面.許多研究表明細菌及其代謝產(chǎn)物對溶解態(tài)的金屬離子有很強的絡(luò)合能力，這主要歸因于其表面的獨特化學(xué)組成［5－7］.這種方法以其投資少、操作成本低、高吸附率、高選擇性、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點引起廣大研究者的高度關(guān)注，而且被認為是現(xiàn)有金屬回收技術(shù)中的一種很有經(jīng)濟價值的替代技術(shù)［8－11］.

EM 菌是復(fù)合微生物菌群，其中所含的絲狀菌群、光合菌群等所產(chǎn)生的代謝物能夠相會促進菌群生長繁殖，對重金屬有較高的吸附率，而且成本較低不會產(chǎn)生二次污染. 首次對EM 菌群吸附Cd2+的效果進行研究，經(jīng)研究可得其去除率達75.26%.有研究者采用別的菌群對其吸附去除，但是Cd2+的去除率最佳只可達到60%，因此選擇EM 菌作為生物吸附劑是一種經(jīng)濟可行的方案［1］.

1 材料和方法

1.1 主要儀器與試劑

原子吸收光譜儀(南京科捷分析儀器有限公司).

1.2 實驗材料與處理方法

EM(Efective Microorganisms)是一種有效微生物技術(shù)，又稱高效復(fù)合菌技術(shù)，是日本琉球大學(xué)比嘉昭夫教授等研制出來的一種新型復(fù)合微生物菌劑，是從自然界篩選出來的多種有益微生物，用特定的方法混合培養(yǎng)所形成的微生物復(fù)合體系［12］. 利用EM 菌群在其生長過程中能迅速分解污水中的有機物，同時依靠相互間的共生增殖及協(xié)同作用，代謝出抗氧化物質(zhì)，生成穩(wěn)定而復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，并抑制含硫、氮等惡臭物質(zhì)產(chǎn)生的臭味，激活水中具有凈化功能的原生動物、微生物及水生植物，通過這些生物的綜合效應(yīng)從而達到凈化水體的目的. 從國內(nèi)一些學(xué)者的研究來看，EM 菌液具有去除污水中氮、磷的功能，在一定程度上提高生活污水中常見的三類污染物(有機物、氨氮和總磷)的去除效果［13－17］.

供應(yīng)材料EM 菌(江西省天意生物技術(shù)開發(fā)有限公司)、蜂蜜和去氯水按10:10:80進行混合，混合液200mL 裝在250mL 燒瓶中，在溫度25℃環(huán)境下密閉培養(yǎng).3d 后開始測定pH 值直到pH 值降到3.5 以下便認為富集培養(yǎng)成功.

根據(jù)所實驗所需設(shè)定的Cd2+的濃度，采用(分析純)進行重金屬標準溶液配制.

利用火焰原子吸收法對Cd2+的濃度進行測定.

1.3 實驗設(shè)計

EM 菌對重金屬Cd2+的吸附平衡實驗測定［18］，取25mL 已處理的菌體懸浮液各三份，分別置于100mL 塑料瓶中，按照一設(shè)定的濃度梯度(離子濃度范圍為0 ～6mg/L)向其加入Cd2+離子試液，添加去離子水以確保最終體積為50mL，調(diào)節(jié)體系PH 為6，在25℃下恒溫振蕩24h，高速離心分離取其上清液，測定上清液的重金屬離子含量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

EM 菌是復(fù)合微生物，很多研究表明里面所含有的革蘭氏陽性菌、發(fā)酵系的絲狀菌群等細菌及其產(chǎn)物對溶解態(tài)的重金屬離子有很強的絡(luò)合能力. 評價生物吸附性能最好的方法就是將整個吸附過程用吸附等溫線來描述，這里采用兩種最常用的吸附等溫式Langmuir 和Freundlich 模型來擬合吸附過程［3］.

采用三次平行實驗結(jié)果表示，標準差＜5%.

樣品對Cd2+的單位吸附量的計算方法，按照以下生物吸附過程的數(shù)學(xué)模型進行分析:

(a)Langmuir 模型

Langmuir 模型是根據(jù)氣固二相間的單分子層吸附的假設(shè)而推導(dǎo)得出的［1］［2］可適用于短時間的單組分重金屬的生物吸附.

方程表達式如(1)式:

線性表達式如(2)式:

式中，qm是最大吸附量，ka是吸附平衡常數(shù). 以ce/ qe對ce做圖，運用最小二乘法進行線性擬合，根據(jù)斜率和截距可求出吸附參數(shù)qm和ka.

(b)Freundlich 模型

Freundlich 方程是一個半經(jīng)驗方程，可以用于各種非理想條件下的表面吸附以及多分子層吸附［19］.

方程表達式如(3)式:

等式兩邊分別求對數(shù)可得其線性表達如(4)式:

式中，kF和n 是常數(shù).同樣可以根據(jù)斜率和截距求出吸附參數(shù)n 和kF.

2 結(jié)果與分析

2.1 吸附過程濃度變化

表1 不同濃度的中樣品Cd2+離子濃度的變化Table 1 variation of the Cd2+ ion concentration for different concentrarion samples

圖1 Cd2+離子吸附率的變化曲線Fig.1 The adsorption rate curves of the Cd2+ ion

由圖1 可知，隨著Cd2+濃度的增大，吸附率逐漸減小;C0較小的樣品中Cd2+吸附率較大，可達75.26%;而C0比較大的樣品吸附率則相對較小，僅為17.67%.

2.2 EM 菌體吸附Cd2 +的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)EM 菌體吸附Cd2+的平衡濃度和平衡吸附量值，用Langmuir 方程和Freudlich方程來擬合實驗數(shù)據(jù)，分別采用(2)和(4)進行線性擬合，結(jié)果見表2，用(1)和(3)進行非線性擬合，結(jié)果見表3.

表2 EM 菌吸附Cd2 +的Langmuir 和Freundlich 模型的線性擬合參數(shù)Table 2 Liner fltting Parameters of Langmuir and Freundlich model With the adsorption Cd2 +for EM bacteria

表3 EM 菌吸附Cd2 +的Langmuir 和Freundlich 模型的非線性擬合參數(shù)Table 3 Nonlinear fltting Parameters of Langmuir and Freundlich model with the adsorption Cd2 +for EM bacterica

Langmuir 方程和Freudlich 方程的各種參數(shù)見表2 和表3，從擬合的相關(guān)系數(shù)表明，Langmuir 和Freudlich 等溫吸附式相關(guān)性的比較，發(fā)現(xiàn)Langmuir 的擬合程度更高一些，更適合用來描述Cd2+的吸附過程.

為了比較不同模型線性與非線性擬合的效果，用測得數(shù)據(jù)與兩種擬合方法重新計算獲得數(shù)據(jù)，對兩種吸附等溫線進行比較，見圖2.

圖2 線性和非線性擬合的Langmuir，F(xiàn)reundlich 吸附等溫線與實測數(shù)據(jù)的比較Fig 2 The comparison between experimental date and linear fitting of langmuir model ，nolinear fitting of Freundcilh modeal

通過Langmuir 和Freudlich 等溫吸附式與實驗數(shù)據(jù)的線性和非線性比較，可以看出線性與非線性的Freundlich 模型幾近重合，說明本次試驗線性與非線性的比較對Freundlich 模擬影響很小.而對于Langmuir 模型則線性擬合比非線性擬合效果較好、更能接近實際值.經(jīng)過對實驗數(shù)據(jù)的擬合，發(fā)現(xiàn)Cd2+的吸附過程符合Langmuir 等溫吸附方程，該過程可能是一個均勻的表面吸附的過程. 雖然Langmuir 模型對Cd2+的吸附過程擬合程度好一些，但是相關(guān)系數(shù)并不是很高. 這有可能是因為在Cd2+的吸附過程中不完全是一個表面吸附的過程，還包括一個較為復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，所以用單分子層吸附模型Langmuir 方程的擬合程度并不是很高.

2.3 EM 菌用于去除水體污染前景展望及結(jié)果分析

本文主要研究了EM 菌液中多種微生物對重金屬鎘離子的吸附特性，并初步探討了其吸附機理，得到如下一些結(jié)論:

(1)EM 菌可以對重金屬Cd2+離子進行生物富集，并且其吸附率高達75.26%，大大地去除了廢水中Cd2+離子.由于EM 菌對水體富營養(yǎng)化也具有較好的修復(fù)效果，可見EM菌有較好的用途.

(2)隨著重金屬離子的濃度不斷增加，EM 菌吸附重金屬離子的能力下降，說明重金屬離子的濃度增加抑制了微生物的生長.

(3)通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合，Cd2+的吸附過程中Langmuir 方程比Freudlich 方程的擬合程度高，由此可知Cd2+的吸附過程更符合Langmuir 等溫吸附方程. 這可能是因為在Cd2+的吸附過程中是一個表面吸附的過程. 根據(jù)Langmuir 模型線性擬合參數(shù)，EM 菌對Cd2+的吸附最大量為5.939 mg/g.

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