太湖藍藻多糖應用于重金屬離子吸附

黃依佳，吳劍榮，朱 莉，詹曉北

(江南大學生物工程學院糖化學與生物技術教育部重點實驗室，江蘇無錫214122)

藍藻水華是世界上普遍存在的環(huán)境問題，其中微囊藻是一種常見藍藻，其產(chǎn)生的藍藻毒素危害人類和動物的健康[1-2]。藍藻是以菌落的形式或聚集體趨向于飄浮，成長后期藍藻細胞破裂釋放藍藻毒素，嚴重影響湖泊、河水的質量[3]。藍藻含有豐富的蛋白、色素和多糖，具有潛在應用價值[4]，例如，藍藻可以制造成生物塑料，還用于堆肥做肥料或發(fā)酵產(chǎn)沼氣。其他藻類應用中，螺旋藻藻藍蛋白已用于化妝品商業(yè)生產(chǎn)[5]，藻類多糖具有抗氧化[6]、抗病毒[7]、抗腫瘤[8]和吸附重金屬[9-10]等作用。目前打撈藍藻成為治理太湖主要手段，但是打撈藍藻的資源化利用成為瓶頸，如何較高附加值利用打撈藍藻成為關鍵問題。藍藻蛋白質經(jīng)過水解可以制成富營養(yǎng)多肽、氨基酸混合液，用于飼料[11]或微生物營養(yǎng)[4]，而藍藻多糖的資源化利用研究相對比較少。

鉛、鎘等重金屬污染是工業(yè)生產(chǎn)過程中排入水體或土壤的，這會造成環(huán)境問題[12]。一般用吸附法治理鉛、鎘等重金屬污染，傳統(tǒng)吸附劑主要包括活性炭、硅藻土和殼聚糖等，這些吸附劑的吸附時間長且平衡吸附容量僅為8～10 mg/g，同時價格昂貴[13]。鑒于成本和環(huán)境治理綜合考慮，可以使用環(huán)境友好的天然吸附劑來吸附鉛、鎘等重金屬，例如植物細胞壁中的纖維素、半纖維素、果膠和木質素作為主要成分作為可重金屬再生的吸附劑[14]。另外，許多生物吸附劑如細菌、酵母和真菌也可用于重金屬的去除[15]。微生物多糖作為新型吸附劑，優(yōu)點是多糖官能團的吸附位點和離子之間的相互作用[16]，能很好地吸附金屬離子。

本研究旨在采用超聲波輔助熱水浸提的方法提取藍藻多糖，然后將其應用于重金屬離子吸附測試，以期綜合利用大量打撈的藍藻資源，并將藍藻多糖應用于重金屬吸附中。

1 材料與方法

1.1 材料

藍藻粉，無錫德林海公司；其余所用試劑均為市售分析純。

1.2 儀器與設備

SpectrAA-220/220Z型原子吸收分光光度計，美國瓦里安公司；傅里葉變換紅外光譜儀，美國尼高力儀器公司(NEXUS)。

1.3 方法

1.3.1 藍藻多糖的提取

稱取干燥藍藻粉末以液料比30∶ 1 mL/g加入水中，超聲處理30 min(400 W、20 kHz)，再在60 ℃、100 r/min條件下振蕩3 h，然后于8 000 r/min離心10 min，沉淀經(jīng)相同體積水浸提1次，離心后合并上清即為多糖提取液。上清液中加入5倍體積的95%乙醇，4 ℃靜置過夜后沉淀即為藍藻粗多糖，烘干稱質量。

1.3.2 藍藻多糖對水溶液中重金屬離子Pb2+和Cd2+的吸附

在1 L燒杯中裝入1 000 mL質量濃度為500 mg/L的Pb2+和Cd2+溶液，然后精確稱取80.0 mg藍藻多糖復溶成20 mL多糖溶液，裝入經(jīng)過預處理的透析袋中，透析袋兩端用封口夾夾好后放入裝有Pb2+和Cd2+溶液的燒杯中，在室溫下置于磁力攪拌器上以120 r/min的速度進行攪拌。

吸附3 h后取出透析袋，放入裝有去離子水的燒杯中進行攪拌透析，以去除未被藍藻多糖結合的Pb2+和Cd2+，期間每隔2 h換1次去離子水，10 h后取出透析袋，將透析袋內(nèi)的溶液倒入到25 mL的容量瓶中定容，將定容后的溶液進行消解。用同等體積的去離子水代替藍藻多糖溶液，其他條件不變，作為空白實驗，各實驗分別進行3次平行實驗。平衡吸附量Q的計算具體見式(1)。

(1)

式中：ρf為吸附后透析袋內(nèi)的重金屬質量濃度，mg/L；ρ0為吸附鉛透析袋內(nèi)的重金屬濃度，mg/L；V為透析袋內(nèi)總體積，mL；m為裝入透析袋內(nèi)的藍藻多糖的質量，mg。

1.3.3 重金屬含量測定

采用原子分光光度計測量Pb2+和Cd2+的濃度，重金屬含量檢測方法參照貢小清等[17]所述方法。

1.3.4 等溫吸附模型

等溫吸附模型通過考察吸附劑的吸附能力，采用熱力學模型擬合后可通過相關方程參數(shù)分析其熱力學吸附機制,常用Langmuir和Freundlich等溫吸附方程對吸附等溫線進行擬合[18]。

Langmuir吸附等溫式最初用來描述理想均勻基質表面的單分子層氣固吸附，現(xiàn)也已多用于固液吸附過程，其模型方程見式(2)。

Ce/Qe=1/kLQm+Ce/Qm

(2)

式中：kL為Langmuir等溫吸附平衡常數(shù)，L/mg；Qm為飽和吸附量，mg/g；Ce為平衡質量濃度，mg/mL；Qe為平衡吸附量，mg/g。分別以Ce、Ce/Qe為橫、縱軸，線性擬合得直線方程，通過方程的斜率1/Qm以及截距1/kLQm，分別計算出Qm和kL。

Freundlich熱力學模型為經(jīng)驗模型，假定吸附發(fā)生于非均勻基質表面，且為多分子層吸附，適用濃度范圍廣，其模型方程見式(3)。

lgQe=lgkF+1/nlgCe

(3)

式中：kF、n為Freundlich等溫方程參數(shù)。分別以lgCe、lgQe為橫縱軸，線性擬合得直線方程，通過方程的斜率1/n以及截距l(xiāng)gkF，分別計算出n和kF。

1.3.5 紅外光譜分析

取凍干的多糖樣品和吸附重金屬鉛和鎘后的多糖樣品1～2 mg分別與溴化鉀按1∶ 200的比例研磨，壓片后檢測利用紅外光譜在4 000～4 00 cm-1范圍內(nèi)進行檢測。

2 結果與討論

2.1 藍藻多糖的提取結果

熱水提取法常用于天然多糖的提取，另外在熱水浸提的同時，采用一些輔助方法(如超聲波處理)可以有效提高多糖的得率[19-20]?？疾焖{藻多糖提取條件，結果見圖1。

圖1 不同條件對藍藻粗多糖提取率的影響Fig.1 Effects of different conditions on isolation of Cyanobacteria polysaccharide

由圖1可知：隨著料液比由10∶ 1提高至40∶ 1，藍藻多糖得率由6.5%提高至最高21.5%，藍藻胞外多糖存在于莢膜或黏液層，液料比的增加可以加速胞外多糖的流出[21]。較高溫度可以促使細胞上多糖釋放或溶出，隨著溫度升高多糖得率增加，在溫度為80 ℃時多糖得率達到25.1%；當溫度高于80 ℃則多糖得率降低，可能是因為高溫下多糖與其他物質反應，使溶出多糖減少。另外，隨著提取時間的增加，多糖得率升高，但超過5 h后不再增加。最終確定藍藻多糖提取條件為料液比40∶ 1 mL/g、浸提溫度80 ℃下提取5 h。

2.2 藍藻多糖投加量對Pb2+和Cd2+吸附的影響

藍藻多糖主要存在于細胞外部，在水體中能使藍細菌聚集成團。由于藍藻多糖結構上含有大量羥基和羧基，因此能夠與水體中金屬離子發(fā)生相互作用。為了測試提取的藍藻多糖是否具有應用于吸附重金屬的潛力，將藍藻多糖裝入透析袋后置于重金屬溶液中進行吸附實驗。考察不同藍藻多糖的投加量對重金屬離子Pb2+和Cd2+吸附的影響，結果如圖2所示。

圖2 藍藻多糖投加量對Pb2+、Cd2+吸附的影響Fig.2 Effects of Cyanobacteria polysaccharide addition on adsorption of Pb2+ and Cd2+

由圖2可知：隨著藍藻多糖投加量的增加，Pb2+和Cd2+的吸附效率也增加。當多糖投加量從20 mg增加到100 mg時，Pb2+的吸附效率增加了44.7%；當多糖投加量從20 mg增加到150 mg時，Cd2+的吸附效率增加了38.5%。當多糖投加量超過150 mg時，Pb2+和Cd2+的吸附效率基本持平。多糖投加量提高會增加吸附基團數(shù)量，使重金屬吸附效率提高；但在固定體積的透析袋內(nèi)，金屬離子通過滲透進入膜內(nèi)與多糖相互作用，當藍藻多糖過量時，一方面多糖之間相互作用可能抑制與重金屬結合，另一方面金屬離子進入多聚糖核心需要更大濃度梯度差[22]。吸附劑用量的進一步增加導致吸附能力下降，這可能導致溶液中金屬離子在表面多糖吸附位點的聚集，降低整體吸附表面積[23]?；钚蕴课侥芰?，吸附Cd2+吸附容量僅為8.45 mg/g，且價格昂貴，很難達到工業(yè)要求，應用受到限制[24]；殼聚糖在酸性條件下易發(fā)生質子化，吸附效果沒有生物吸附效果好，在pH為5、25 ℃條件下，Cd2+的吸附容量僅達到9.1 mg/g[25]。

2.3 吸附時間對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的影響

在pH為7.0、25 ℃條件下進行，多糖投加量為80 mg，Pb2+和Cd2+的質量濃度都為500 mg/mL，考察藍藻多糖對吸附Pb2+和Cd2+的平衡吸附量，結果如圖3所示。

圖3 吸附時間對多糖吸附Pb2+、Cd2+的影響Fig.3 Effects of treating time on adsorption of Pb2+ and Cd2+ by Cyanobacteria polysaccharide

由圖3可以看出，重金屬吸附過程經(jīng)歷快速吸附、緩慢吸附和平衡3個階段。在0～150 min時為多糖吸附的快速階段，Pb2+的平衡吸附量從36.2 mg/g上升到54.9 mg/g，而Cd2+的平衡吸附量從17.5 mg/g上升到30.6 mg/g；后面的60 min為緩慢吸附階段，3 h之后基本持平，Pb2+和Cd2+的平衡吸附量分別為57.2和36.2 mg/g。在重金屬吸附過程中，藍藻多糖的吸附位點隨著時間的延長逐漸減少，由快速吸附逐漸變?yōu)榫徛?，最后達到吸附平衡[26]。天然沸石已成功運用到廢水中取出重金屬，平衡吸附時間需要達到3 h以上[13]。硅藻土是一種良好的吸附劑，但吸附時間需要8 h以上[27]。

2.4 溶液pH對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的影響

溶液的pH是影響金屬性質的重要因素，同時，pH能影響多糖基團的解離，考察pH對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的影響，結果如圖4所示。

由圖4可知：在pH為2～3時，藍藻多糖對鉛、鎘的吸附量都較低。隨著pH的增加，藍藻多糖對鉛、鎘的吸附量明顯增加，鉛的吸附量從pH為3時的平衡吸附量38.4 mg/g上升到pH為7時的67.9 mg/g，而鎘的吸附量從25.0 mg/g上升到35.7 mg/g。可能是多糖結構上H+從官能團解吸，因此吸附劑表面帶更多負電荷，從而增加金屬離子對多糖自由部位的吸引力，導致高吸附能力[23]。當pH為8時，藍藻多糖對Pb2+的吸附量為55.0 mg/g，下降了12.9 mg/g，是因為在堿性條件下，產(chǎn)生了Pb(OH)2沉淀，使藍藻多糖的吸附位點減少。藍藻多糖結構上含有羧基和羥基基團，在酸性條件下，溶液中的H+與金屬離子存在排斥力，使得藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的吸附量減少[22]。

圖4 pH對多糖吸附Pb2+、Cd2+的影響Fig.4 Effects of pH on adsorption of Pb2+ and Cd2+ by Cyanobacteria polysaccharide

2.5 溫度對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的影響

隨著溫度的變化，藍藻多糖的平衡吸附量也逐漸變化，進一步考察溫度對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的影響，pH 7.0、多糖投加量80 mg、吸附時間3 h，結果如圖5所示。

圖5 溫度對藍藻多糖吸附Pb2+、Cd2+的影響Fig.5 Effects of temperature on adsorption of Pb2+ and Cd2+ by Cyanobacteria polysaccharide

由圖5可知：隨著溫度的升高，Pb2+和Cd2+的吸附速率增大，溫度從10 ℃上升到50 ℃，Pb2+的吸附量從42.0 mg/g上升到78.3 mg/g，而Cd2+的吸附量從18.3 mg/g上升到49.7 mg/g。其中，從10 ℃上升到30 ℃，吸附速率快，Pb2+的吸附速率提高了28.8 mg/g，Cd2+的吸附速率提高了23.7 mg/g；從30 ℃上升到50 ℃時，吸附速率變慢，Pb2+的吸附速率僅增加7.5 mg/g，Cd2+的吸附速率也僅增加了7.8 mg/g。這是因為隨著溫度的升高，分子間運動加快，加速藍藻多糖與Pb2+和Cd2+吸附位點的接觸，Pb2+和Cd2+的吸附效率變高；當溫度過高時，吸附效率并沒有明顯的增加[23]。從節(jié)約能源角度考慮，重金屬吸附適合于25 ℃下操作。

2.6 藍藻多糖對重金屬Pb2+和Cd2+的等溫吸附模型

對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的吸附等溫線進行Langmuir模型和Freundlich模型線性擬合，相關參數(shù)及線性擬合方程結果如表1和表2所示。

由表1和表2可知：在不同溫度下，Langmuir模型和Freundlich模型擬合方程R2均大于0.95，表明兩種模型均適用于描述藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+動力學過程。Langmuir模型所示的最大吸附量Qm與實際實驗所得吸附量基本相近，F(xiàn)reundlich模型的參數(shù)n>1，表明該吸附過程為可行型吸附[28]。

表1 在不同吸附熱力學模型下的相關參數(shù)

表2 在不同吸附熱力學模型下線性擬合方程式

2.7 藍藻多糖吸附重金屬Pb2+和Cd2+的機制

圖6 藍藻多糖原樣和吸附Pb2+、Cd2+后藍藻多糖的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectra of polysaccharides and that loaded with Pb2+and Cd2+

3 結論

在本文的研究中，建立并優(yōu)化了藍藻多糖的熱水浸提方法，最終藍藻多糖的最高得率達到25.1%，該提取方法的建立，為高效獲得成本低廉的多糖產(chǎn)品提供了可靠方法和途徑。

為了解藍藻多糖的應用價值，本研究主要關注藍藻多糖作為重金屬離子吸附劑，應用于含有重金屬離子污水的處理。因此考察并優(yōu)化藍藻多糖對Pb2+和Cd2+兩種重金屬離子的吸附條件。最終，經(jīng)優(yōu)化多糖投放量、吸附溫度、吸附pH和吸附時間等條件，發(fā)現(xiàn)藍藻多糖對Pb2+和Cd2+的最高吸附量分別達到62.34 mg/g和46.55 mg/g。相比目前應用較多的活性炭、殼聚糖等吸附劑，藍藻多糖的吸附能力更強且受吸附條件的影響較小，顯示了藍藻多糖作為重金屬吸附劑的應用價值和潛力。本文研究的結果，為實現(xiàn)綜合處理太湖藍藻及其他湖泊藍藻并最終提高藍藻的經(jīng)濟價值提供了有益的思路。