釀酒酵母吸附水溶液中Cu2+的研究

徐鵬飛

（常州市武進(jìn)區(qū)牛塘水利（務(wù)）站，江蘇 常州 213000）

工業(yè)經(jīng)濟(jì)是國家經(jīng)濟(jì)的命脈，隨著快速的城市化，現(xiàn)代重工業(yè)不斷發(fā)展，工業(yè)廢水的排放量日益增加。金屬冶煉、電鍍、印刷、機(jī)械制造等行業(yè)均會產(chǎn)生含銅、鎳、鉛、鉻等重金屬廢水[1-3]，具有持久性和難生物降解性的金屬廢水如果不經(jīng)處理直接排放，會對大氣、水體、土壤等造成環(huán)境污染，嚴(yán)重威脅著人類的生存環(huán)境。我國政府高度重視重金屬廢水對環(huán)境的污染，為此制定了與世界接軌的嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。2010年我國發(fā)布《第一次全國污染源普查公報》顯示2007年全國重金屬污染物產(chǎn)生量為2.54萬t，排放量為0.09萬t；2011年我國頒布了《國家環(huán)境保護(hù)的“十二五”規(guī)劃》，明確指出要通過加強(qiáng)重點(diǎn)行業(yè)和區(qū)域的重金屬污染防治來遏制重金屬污染事件的高發(fā)事態(tài)[4]。

銅是城市綜合污水中常見的四大有害重金屬之一，主要來自電鍍加工、礦山開采、金屬冶煉、印刷電路板制造等行業(yè)[5]。相關(guān)研究表明，當(dāng)水中含銅量為0.01 mg/L時，抑制水體的生化耗氧過程，影響水體自凈；當(dāng)水中含銅量為0.1～0.2 mg/L時，使魚類死亡；當(dāng)含銅量超過3.0 mg/L時，水體會產(chǎn)生異味。進(jìn)入水體中的銅不僅污染環(huán)境，還會被生物體富集并把它轉(zhuǎn)化為毒性更大的重金屬有機(jī)化合物，通過食物鏈進(jìn)入人體，威脅人類健康[6]。目前國內(nèi)外對廢水中重金屬離子的去除多采用物理法、化學(xué)法、生物法等，這些工藝技術(shù)成本較高，特別是處理低濃度金屬離子廢水時，化學(xué)沉淀、絮凝等工藝效果較差。生物法反應(yīng)周期長，且在反應(yīng)過程中要嚴(yán)格控制外界因素對微生物的影響，不適宜大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。離子交換樹脂和活性炭是公認(rèn)的處理工業(yè)廢水中金屬離子的有效吸附劑，但是其高成本和低去除率限制了廣泛應(yīng)用。

生物吸附法（Biosorption）是一種較為新穎的處理含重金屬廢水的方法，是利用某些生物體本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分特性來吸附溶于水中的金屬離子，再通過固液兩相分離來去除水溶液中金屬離子。這種方法適宜處理大體積低濃度甚至是ppb級水平的重金屬廢水，其因具有高效、廉價的潛在優(yōu)勢受到研究人員的廣泛關(guān)注[7]。目前常用的生物吸附劑有藻類、細(xì)菌等，通過細(xì)胞外吸附、細(xì)胞表面吸附和細(xì)胞內(nèi)吸附銅離子，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。釀酒酵母菌廣泛用于食品及飲料工業(yè)，具有培養(yǎng)簡單、易大量生產(chǎn)、成本低廉的優(yōu)勢，是理想的重金屬生物吸附劑，已有研究表明釀酒酵母菌可有效吸附銅離子[8]，張愛茜等[9]發(fā)現(xiàn)啤酒廠廢酵母對于低濃度的Cu2+具有一定的去除能力，且為快速吸附過程，符合Langmuir模型。陳燦等[10]發(fā)現(xiàn)用工業(yè)廢棄釀酒酵母吸附廢水中Cu2+，Cu2+去除率最高可達(dá)56%。柳思勉等[11]制備啤酒酵母菌小球，最高可吸附33.49 mg/g銅，使用后的吸附劑可用0.1 mol/L的鹽酸解吸再生，可循環(huán)使用3次以上。

本研究聚焦于釀酒酵母吸附Cu2+，系統(tǒng)研究了酵母用量、吸附時間、搖床轉(zhuǎn)速、溶液pH值、吸附溫度等因素對Cu2+吸附的影響，為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 菌株

酵母。

1.2 試劑

1 g/L含銅溶液：稱取3.9062 g硫酸銅（CuSO4:5H2O）溶于水后，加入幾滴硫酸（1∶1），用去離子水定容至1000 ml。

200 g/L檸檬酸銨溶液（掩蔽劑）：稱取20.0 g檸檬酸銨，用去離子水定容至100 ml。

50 g/L氯化銨-氨水緩沖溶液：稱取5.0 g氯化銨并加入20 ml濃氨水，用去離子水定容至100 ml，調(diào)節(jié)pH值至10.0。

0.2%雙環(huán)己酮草酰雙腙（BCO）溶液：取0.20 g BCO和20 ml無水乙醇混合，加熱溶解，冷卻至室溫后用去離子水定容至100 ml。

實(shí)驗所用試劑均為分析純。

1.3 銅溶液的檢測方法

在配制好的50 mg/L的銅標(biāo)準(zhǔn)儲備液中加入酵母粉，吸附30 min后，取適量樣品離心5 min，然后取2 ml上清液分別加入貼好標(biāo)簽的容量瓶中，再分別加5 ml檸檬酸銨溶液、5 ml氨水-氯化銨緩沖溶液和5 ml 0.2% BCO溶液，最后用去離子水定容，搖勻。顯色5 min后用1 cm比色皿在波長600 nm處用紫外可見分光光度計（TU-1810，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）測溶液的光密度值。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

分別移取 0、2.0、4.0、8.0 ml濃度為 5.0 mg/L、1.6、2.4、3.2、4.0 ml濃度為 50.0 mg/L 的銅標(biāo)準(zhǔn)液于8個50 ml容量瓶中，編號分別為1～8，依次加入5 ml檸檬酸銨溶液，5 ml氨水-氯化銨緩沖溶液和5 ml BCO乙醇溶液，最后用去離子水定容，搖勻（每加入1種試劑后都需搖勻）。溶液顯色5 min后用1 cm比色皿在波長600 nm處測定8個試樣的吸光度（表1）。以扣除試劑空白后的吸光度為縱坐標(biāo)、Cu2+濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1）。由圖1可知，Cu2+濃度在0.02～4.00 mg/L線性關(guān)系良好，線性回歸方程是y=0.24658x-0.00115，相關(guān)系數(shù)R2= 0.98442。

表1 銅標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度測量有關(guān)數(shù)據(jù)記錄

圖1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 酵母用量對Cu2+吸附的影響

向1 g/L含銅溶液中分別添加3 g、4 g、5 g、6 g和8 g酵母，吸附30 min后，取2 ml上清液按照1.3中方法測定溶液的吸光度（表2），并計算Cu2+的去除率（圖2）。

表2 酵母用量對Cu2+吸附的影響

圖2 酵母用量對Cu2+吸附的影響

圖2結(jié)果顯示了隨著酵母用量由3 g/L增加至5 g/L時，Cu2+吸附率逐漸升高，當(dāng)酵母用量為5 g/L時，Cu2+吸附率有一個峰值，當(dāng)酵母用量由5 g/L增加至6 g/L時，Cu2+吸附率開始下降，雖然當(dāng)酵母用量為7 g/L時，Cu2+吸附率又提高了，但吸附增加量不大，考慮經(jīng)濟(jì)因素，為了達(dá)到最佳吸附效果，所以選擇酵母量為5 g/L。

2.2 吸附時間對Cu2+吸附的影響

向1 g/L含銅溶液中投加5 g/L酵母，吸附時間分別設(shè)置為15 min、30 min、45 min、60 min和180 min，研究吸附時間對Cu2+吸附率的影響。表3和圖3的結(jié)果顯示當(dāng)吸附時間從15 min延長至45 min時，酵母對Cu2+的吸附率呈上升的趨勢，當(dāng)吸附時間為45 min時，酵母對Cu2+的吸附率最高，達(dá)到92.3%。隨著吸附時間的進(jìn)一步延長，酵母對Cu2+的吸附率慢慢下降，因此吸附時間為45 min時，因此吸附0.75 h時，酵母吸附Cu2+的效果最佳。

表3 吸附時間對Cu2+吸附的影響

圖3 吸附時間對Cu2+吸附的影響

多數(shù)研究者[12-15]認(rèn)為啤酒酵母對重金屬離子的吸附過程分成2個階段：第一階段吸附很快，在很短時間內(nèi)，生物吸附量約為吸附完全時吸附量的90%左右，此為吸附率較高階段，這一過程的特點(diǎn)是吸附速度快、可逆、不依賴于細(xì)菌表面官能團(tuán)的種類、不依賴細(xì)菌的能量代謝，是菌體被動吸附的過程。對相同的重金屬離子，聚集量與菌體的帶電量（Q）有關(guān)，Q數(shù)值越大，聚集量越大，是菌體表面所帶的負(fù)電荷與溶液中金屬陽離子之間靜電作用結(jié)果。第二階段為內(nèi)部滲透階段，吸附速度很慢，停留在菌體表面的金屬離子與菌體表面的有機(jī)官能團(tuán)進(jìn)行絡(luò)合和離子交換的過程。

2.3 搖床轉(zhuǎn)速對Cu2+吸附的影響

向1 g/L含銅溶液中投加5 g/L酵母，吸附時間為45 min時，將搖床轉(zhuǎn)速從50 r/min提高到200 r/min，以50 r/min為增長梯度，從表4和圖4可以看出搖床轉(zhuǎn)速由50 r/min上升至100 r/min時，酵母對Cu2+的吸附率呈上升趨勢，隨著轉(zhuǎn)速提高到200 r/min時，吸附率不斷下降。所以轉(zhuǎn)速在100 r/min時，酵母對Cu2+的吸附率最高，為94.33%，此時吸附效果最佳。

表4 搖床轉(zhuǎn)速對Cu2+吸附的影響

圖4 搖床轉(zhuǎn)速對Cu2+吸附的影響

2.4 pH值對Cu2+吸附的影響

向1 g/L投加5 g/L酵母，吸附時間為45 min搖床轉(zhuǎn)速為100 r/min時，分別調(diào)整溶液的pH值為1、3、5、7、9，研究pH值對酵母吸附Cu2+的影響，結(jié)果如表5和圖5所示。

表5 pH值對Cu2+吸附的影響

圖5 pH值對Cu2+吸附的影響

2.5 吸附溫度對Cu2+吸附的影響

向1 g/L向1 g/L投加5 g/L酵母，調(diào)整溶液的pH值為7，吸附時間為45 min，搖床轉(zhuǎn)速為100 r/min時，將吸附溫度從25℃提高到45℃，以5℃為增長梯度，研究不同溫度下酵母對Cu2+的吸附效果，結(jié)果如表6和圖6所示。

表6 吸附溫度對Cu2+吸附的影響

圖6 吸附溫度對Cu2+吸附的影響

圖表結(jié)果顯示了溫度從25℃到30℃時，酵母對Cu2+的吸附率呈上升的趨勢，溫度從30℃增加到45℃時，酵母對Cu2+的吸附率呈下降趨勢并趨于穩(wěn)定。所以溫度在30℃時，酵母對Cu2+的吸附率最大，達(dá)到94.19%，此時的吸附效果最佳。吸附溫度對吸附效果有一定的影響。一般認(rèn)為，溫度的升高可以使溶液中的離子運(yùn)動速度加快，使溶液中活化離子增多，從而促進(jìn)離子的交換反應(yīng)。通過用啤酒酵母吸附重金屬陽離子的方法，發(fā)現(xiàn)在一定溫度范圍內(nèi)，溫度的升高有利于提高對重金屬離子的吸附效率。但由于升溫會增加運(yùn)行成本，而且溫度過高生物材料會失活，因此在微生物吸附過程中不宜采用高溫操作。但是蔡佳亮等[16]認(rèn)為生物吸附是一個放熱反應(yīng)的過程，因此，啤酒酵母對重金屬的吸附能力隨溫度的下降而增大。

3 結(jié)論

本研究用釀酒酵母作為生物吸附劑吸附Cu2+，探討了釀酒酵母在不同條件下對重金屬銅離子的吸附能力。研究結(jié)果表明：

（1）Cu2+的初始濃度為1 g/L，吸附時間30 min時，酵母投加量為5 g/L時，吸附率最高，達(dá)到92.80%；

（2）當(dāng)Cu2+的初始濃度為1 g/L，酵母投加量為5 g/L，吸附時間為45 min時，Cu2+的吸附率最高，達(dá)到92.30%；

（3）當(dāng)Cu2+的初始濃度為1 g/L，酵母投加量為5 g/L，吸附時間為45min時，轉(zhuǎn)速在100 r/min時的Cu2+的吸附率最高，為94.33%；

（4）當(dāng)Cu2+的初始濃度為1 g/L，酵母投加量為5 g/L，吸附時間為45 min，轉(zhuǎn)速在100 r/min時，溶液pH為7時的Cu2+的吸附率最高，為95.48%；

（5）當(dāng)Cu2+的初始濃度為1 g/L，酵母投加量為5 g/L，吸附時間為45 min，轉(zhuǎn)速為100 r/min，溶液pH為7時，吸附溫度為30℃時, Cu2+的吸附率最高，為94.19%。

因此釀酒酵母吸附銅離子時，銅離子初始濃度為1 g/L，最佳的酵母投加量為5 g/L，最佳的吸附條件為：吸附時間 45 min，轉(zhuǎn)速100 r/min，pH為 7，溫度30℃。

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