酵母菌對活性艷紅X-3B的吸附研究

王銀玲，張麗芳

(沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

酵母菌對活性艷紅X-3B的吸附研究

王銀玲，張麗芳

(沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

以酵母菌菌體作為生物吸附劑對水中陰離子偶氮染料活性艷紅X-3B進(jìn)行生物吸附研究。討論了酵母菌培養(yǎng)時間、投加量、溶液初始pH值和吸附時間等因素對菌體吸附活性艷紅X-3B的影響，探討了菌體吸附染料的動力學(xué)規(guī)律，利用FTIR技術(shù)分析了酵母菌吸附活性艷紅X-3B的吸附作用。結(jié)果表明，培養(yǎng)時間為 3d 時，酵母菌對染料吸附能力最強。當(dāng)溶液pH值為2時，菌體對活性艷紅X-3B吸附效果較好，酵母菌吸附活性艷紅X-3B過程符合準(zhǔn)二級動力方程。通過對酵母菌紅外光譜分析，發(fā)現(xiàn)對活性艷紅X-3B吸附過程中菌體的氨基等基團(tuán)起主要作用。

生物吸附；酵母菌；活性艷紅X-3B；吸附動力學(xué)；紅外光譜

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年的印染廢水排放量約為300～400萬噸，約占全國工業(yè)廢水排放量的6%，印染廠每加工一百米紡織品，產(chǎn)生的廢水量為3～5m3，每排放1噸印染廢水，能造成20噸水體污染，由此造成的水體環(huán)境破環(huán)和經(jīng)濟(jì)損失是不可估計的[1-2]。在目前所有染料中，偶氮染料約有3000種，也是工業(yè)生產(chǎn)中實際使用量最大的一類[3-4]。氮染料具有牢固的著色度，其具有抗光、抗熱、抗氧化等能力，也因此引起了一系列的環(huán)境問題，最直接的污染是色度污染，影響水中植物光合作用和呼吸作用，致使底層動、植物得不到生長所必須的條件，對水生生態(tài)系統(tǒng)的生物鏈造成破壞，從而影響整個水生生態(tài)系統(tǒng)的多樣性[5-6]。目前，常用的處理染料廢水的方法有活性炭、沸石吸附法、磁分離法、電化學(xué)法、生物降解法等[7]，這些方法相對于生物吸附法存在運行費用高、易造成二次污染等問題，而生物吸附法具有不受外界有毒物質(zhì)和營養(yǎng)供應(yīng)干擾等特點[8]。

目前，應(yīng)用酵母菌作為生物吸附劑多集中在對重金屬吸附研究方面，而對酵母菌吸附染料的報道較少。本文利用酵母菌為生物吸附劑，考察在不同條件下，如菌體培養(yǎng)時間、投加量、pH值、吸附時間等，對酵母菌吸附水中活性艷紅X-3B的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行動力學(xué)研究，初步探討菌體對活性艷紅X-3B的吸附機理。

1 實驗

1.1 染料廢水

實驗所用染料廢水為活性艷紅X-3B(偶氮類；λmax= 538 nm)模擬染料廢水。

1.2 生物吸附劑的制備

實驗用的生物吸附劑為酵母菌(Saccharomyce scerevisiae)。于無菌狀態(tài)下，用接種環(huán)輕輕刮取固體培養(yǎng)基表面上的酵母菌菌落，將其移入一定量的黃豆芽液體培養(yǎng)基中，充分振蕩，用8層無菌紗布封口，30℃，140r/min，恒溫空氣浴振蕩器中振蕩培養(yǎng)。培養(yǎng)一定時間后取出菌體，121℃高壓蒸汽滅菌15～20 min，使用時，離心分離菌體，洗滌，洗滌離心菌體重復(fù)多次，4℃保藏備用。另取定量的酵母菌菌體在60℃下烘干，測定菌體干濕比。

1.3 吸附實驗

配制100mg/L活性艷紅X-3B溶液、裝液量為50mL，投加一定量酵母菌，在設(shè)定溫度下進(jìn)行恒溫振蕩吸附，達(dá)到吸附平衡后，取上清液，測定溶液的吸光度，計算殘余活性艷紅X-3B的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 酵母菌的形態(tài)特征

對酵母菌活菌體、滅活后菌體進(jìn)行顯微鏡(放大400倍)觀察及進(jìn)行數(shù)碼拍照，結(jié)果如圖1所示。

由圖1a、1b可知，在生物顯微鏡放大400倍下，活酵母菌與滅活酵母菌在形態(tài)上差別微弱，均為橢圓形。但是滅活菌體相較于原菌體形態(tài)更小，這可能是由于在滅活的過程中，菌體細(xì)胞壁局部產(chǎn)生空洞破裂，造成菌體水分丟失，使細(xì)胞內(nèi)各種基團(tuán)如：羧基、羥基、氨基等，充分暴露在菌體表面，有利于吸附染料。

圖1 酵母菌生物顯微鏡觀察形貌

2.2 培養(yǎng)時間的影響

為考察培養(yǎng)時間對菌體生長量和吸附染料的影響，實驗研究不同培養(yǎng)時間酵母菌菌體的生長情況和對吸附量的影響，實驗結(jié)果分別見圖2和圖3。

微生物剛剛接種到培養(yǎng)基時，其代謝系統(tǒng)需要適應(yīng)新的環(huán)境，同時要合成酶、輔酶和其他代謝中間代謝產(chǎn)物等。由圖2可知，實驗用的酵母菌所需停滯期非常短，其在一天之內(nèi)就可以進(jìn)入對數(shù)期，酵母菌質(zhì)量迅速增加，在第3d生長量達(dá)到最大為3.94g/L(干重)。繼續(xù)增加培養(yǎng)時間，隨著營養(yǎng)物質(zhì)的不斷消耗，菌體所產(chǎn)生有害代謝產(chǎn)物的增加，菌體開始進(jìn)入穩(wěn)定期，菌體生長速度下降，死亡率大于繁殖率，活菌數(shù)量下降，從第4d開始，菌體生長量不斷下降，到第8d為3.04g/L，下降了22.84%，這是由于培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸消耗殆盡，菌體由于缺乏營養(yǎng)而利用自身貯存的物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)源呼吸而自我溶解。實驗還考察了培養(yǎng)時間對菌體吸附活性艷紅X-3B的影響，結(jié)果見圖3。

圖2 培養(yǎng)時間對生長量的影響

圖3 培養(yǎng)時間對吸附量的影響

由圖3可知，在實驗培養(yǎng)天數(shù)內(nèi)，吸附量隨著培養(yǎng)天數(shù)增加單調(diào)下降。培養(yǎng)時間為1d時，酵母菌對活性艷紅X-3B吸附效果較好，吸附量為276.79mg/g，這說明在對數(shù)期內(nèi)菌體最活躍，吸附能力最強，隨著酵母菌的培養(yǎng)時間增加，酵母菌對活性艷紅X-3B吸附量逐漸下降，當(dāng)培養(yǎng)時間超過4d后的酵母菌對染料吸附量有所下降，5d后吸附量趨于穩(wěn)定。雖然采用培養(yǎng)時間為1d的酵母菌對活性艷紅X-3B的吸附能力略高于培養(yǎng)3d的酵母菌，當(dāng)培養(yǎng)時間為3d時，酵母菌的生長量明顯高于前2天。綜合考慮，確定酵母菌的培養(yǎng)時間為3d。

2.3 菌體投加量對吸附的影響

為考察酵母菌投加量對吸附的影響，向染料溶液中分別投加0.075g/L、0.15g/L、0.225g/L、0.3g/L、0.375g/L、0.45g/L、0.525g/L、0.60g/L的酵母菌(干重)，溶液pH值為2，吸附溫度為30℃、恒溫振蕩器轉(zhuǎn)速140r/min條件下，振蕩吸附，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 酵母菌投加量對活性艷紅X-3B吸附的影響

由圖4知，隨著酵母菌投加量的增加，酵母菌對活性艷紅X-3B的去除率逐漸增大，當(dāng)投加量超過0.375g/L時，去除率達(dá)到100%；同時，由圖4可以看出，酵母菌對活性艷紅X-3B吸附量是隨著投加量增加而降低的，菌體投加量與其吸附量成反比。在染料濃度一定的前提下。隨著投加量的增加，去除率升高，而吸附量逐漸減少。這是因為在投加量較低時，菌體上的結(jié)合位點得到全部利用達(dá)到飽和，因而吸附量較大，而當(dāng)增加酵母菌投加量時，由于投加量較大，菌體上的結(jié)合位點尚未吸附飽和時，水中染料已被全部吸附，因而造成菌體對染料吸附量的大量減少。

2.4 初始pH值的影響

為考察溶液的pH值對吸附的影響，分別調(diào)節(jié)染料溶液的pH值為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，酵母菌投加量為0.3g/L(干重)，吸附溫度為30℃，轉(zhuǎn)速為140r/min，恒溫振蕩吸附，實驗結(jié)果如圖5和表1所示。

由圖5可知，當(dāng)溶液初始pH值為1.0～2.0時，酵母菌對活性艷紅X-3B去除率均較大，當(dāng)pH值為2時，酵母菌對活性艷紅X-3B去除率為80.72%。當(dāng)溶液pH值超過2.0時，酵母菌對染料的去除率急劇下降，當(dāng)pH值為6時，酵母菌對活性艷紅X-3B去除率較低為30.49%，與pH值為2時去除率相比下降了50.23%。當(dāng)pH值從8.0升高到10.0時，去除率極低，且變化不大。

圖5 pH值對吸附量的影響

實驗用染料活性艷紅X-3B均為陰離子染料，在溶液中帶負(fù)電荷。而酵母菌表面具有很多官能團(tuán)，如氨基、羧基、羥基、巰基和酰胺基等。酵母菌在強酸條件下吸附效果顯著，是由于酵母菌菌體上的氨基等官能團(tuán)在強酸條件下被質(zhì)子化，使菌體帶正電，因而容易與帶負(fù)電荷的染料相互靜電吸引而結(jié)合。而當(dāng)pH值較高時，菌體上的羧基等官能團(tuán)發(fā)生電離，使菌體帶有大量負(fù)電荷，與帶負(fù)電荷的染料相互排斥，因而此時菌體對染料的吸附量較低。由表1可知，當(dāng)溶液初始pH值(即吸附前)較低時，吸附平衡后pH值都有所上升，這表明菌體在吸附過程中吸收溶液中的H+，菌體被質(zhì)子化，帶正電荷，因而有利于對陰離子染料的吸附。而當(dāng)溶液初始pH值較高時，吸附平衡后pH值都有所下降，不利于吸附。這與圖5實驗結(jié)果相一致。

表1 活性艷紅X-3B吸附前后溶液pH值變化

2.5 吸附時間的影響

為考察吸附時間對吸附的影響，改變吸附時間，在吸附體系溫度分別為20℃、30℃、40℃，溶液pH值為2，酵母菌投加量為0.3g/L(干重)，轉(zhuǎn)速140r/min，振蕩吸附，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 吸附時間對活性艷紅X-3B吸附的影響

由圖6可知，酵母菌對活性艷紅X-3B吸附速度較快，當(dāng)吸附時間為3min時，在20℃、30℃、40℃下，酵母菌對染料的去除率均超過80%以上，即達(dá)到總?cè)コ实?5%以上，此后酵母菌對染料的去除率緩慢增加，吸附時間在1h左右達(dá)到吸附平衡。

目前最常用的吸附動力學(xué)模型主要有兩種，分別為Lagergren一級動力學(xué)模型和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型。Lagergren一級動力學(xué)模型的線性化形式為

(1)

準(zhǔn)二級動力學(xué)模型的線性化形式為

(2)

式中：k1、k2為常數(shù);qe為吸附平衡時吸附；qt為t時刻的吸附量。對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表 2所示。

由表2可知，酵母菌對活性艷紅X-3B吸附過程用準(zhǔn)二級動力學(xué)擬合曲線相關(guān)性要遠(yuǎn)大于Lagergren一級動力學(xué)擬合曲線，R2值達(dá)到1.0000，估算的qcal理論值與實驗值較為接近，隨著溫度的升高估算的qcal理論值隨之增大，這與前面的吸附時間對染料吸附影響的實驗相一致；而一級動力學(xué)方程R2值僅為0.67左右，相關(guān)性較差，說明準(zhǔn)二級動力學(xué)模型更能很好地描述酵母菌對活性艷紅X-3B的吸附過程。

表2 不同溫度下動力學(xué)方程參數(shù)

2.6 紅外光譜測定

實驗分別對吸附染料前后的酵母菌的紅外光譜進(jìn)行分析。實驗結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 滅活酵母菌光譜圖

圖8 酵母菌吸附活性艷紅X-3B后紅外光譜圖

由圖8可知，吸附活性艷紅X-3B的酵母菌紅外光譜譜峰沒有明顯的改變，只是漂移而沒有出現(xiàn)新的伸縮振動峰，這表明菌體吸附染料后，自身的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變。

3 結(jié)論

(1)生物吸附劑酵母菌在液體培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng)3d時，菌體對活性艷紅X-3B的吸附性能較好。

(2)當(dāng)溶液初始pH值為2時，菌體對染料的去除率較高。酵母菌對染料的去除率隨著酵母菌投加量增加而升高，吸附量則隨著投加量增加而下降。在實驗溫度20℃～40℃時，隨著溫度的升高，菌體對活性艷紅X-3B的吸附量逐漸提高。對酵母菌吸附染料的吸附動力學(xué)研究表明，酵母菌吸附活性艷紅X-3B過程符合準(zhǔn)二級動力方程。

(3)通過對酵母菌吸附染料前后紅外光譜分析，發(fā)現(xiàn)酵母菌菌體上的氨基等官能團(tuán)對偶氮染料活性艷紅X-3B吸附起主要作用。

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BiosorptionofReactiveBrilliantRedX-3BfromAqueousSolutionbyYeast

WANG Yinling,ZHANG Lifang

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The biosorption of Brilliant Red X-3B from aqueous solution,using the yeast,was investigated in batch system.The azo dye biosorption on yeast was investigated with different parameters,such as cultivation time,biomass concentration,pH value,adsorptive time and biosorption kinetic.The interaction between functional groups of yeast and Brilliant Red X-3B was studied by FTIR.Results showed that cultivation time was 3 days and the biosorption process obeyed the quasi-second-order kinetic model.Analyzing the FTIR of yeast adsorped dye,it is discovered that NH2group plays a large role in the process of absorption.

biosorption;yeast;Reactive Brilliant Red X-3B;biosorption kinetic;FTIR

2013-11-17

王銀玲(1984—),女,碩士研究生；通訊作者：張麗芳(1975—)，女，副教授，博士，研究方向；污水處理和環(huán)境污染微生物治理.

1003-1251(2014)05-0042-06

X172

A

馬金發(fā))