蛋白核小球藻藻類生物膜去除鎘的實驗研究

廖運生，魏群，朱宇軒，曹欣

(廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

0 引言

藻類生物膜污水處理技術(shù)是一種依賴藻類生物膜自身的代謝以及相應(yīng)的物理、化學(xué)過程去除污水中有機物、氮、磷等營養(yǎng)元素及其他污染物的新方法[1-2]。藻類細(xì)胞群憑借靜電吸附作用力以及藻類代謝分泌物的黏附作用，附著生長固定到載體表面而逐漸形成藻類生物膜[3]。該技術(shù)可以有效降低污水中營養(yǎng)物質(zhì)含量、減少出水中藻類生物量，增加溶解氧濃度，從而優(yōu)化水質(zhì)[4]。同時，有研究者利用藻類生物膜構(gòu)建膜生物反應(yīng)器，在光合自養(yǎng)條件下對城市污水進(jìn)行深度處理，通過調(diào)節(jié)相關(guān)工藝條件有效降低了污水中的總氮與總磷[5-6]。

目前，藻類生物膜處理重金屬的研究還處于少數(shù)。已有的研究發(fā)現(xiàn)，菌藻共生生物膜對低濃度重金屬鎘(Gd)具有較好的處理效果，可達(dá)91.08 %[7]。也有學(xué)者利用藻類生物膜對Co的去除進(jìn)行了研究，結(jié)果表明每克藻細(xì)胞可吸附1 473.9 μmol Co[8]；利用藻類生物膜吸附Zn的研究顯示每克藻細(xì)胞可吸附15～19 mg Zn，且吸附量隨生物量增加而增加[9]。雖然許多學(xué)者利用藻類生物膜處理了各種重金屬且達(dá)到了較好的效果，但是對于Cd的吸附去除過程的研究還鮮有報道。Cd是一種典型的有毒重金屬物質(zhì)，易于在水體、土壤等環(huán)境中富集，其危害隨食物鏈的傳遞逐漸影響人類身體健康，并且一旦進(jìn)入人體，便難以通過正常的代謝排出體外[10]。因此，如何環(huán)保高效地處理含Cd污水，防止Cd污染影響人類的正常生活逐漸成為亟待解決的問題之一。藻類生物膜技術(shù)利用生物量增長迅速的藻類為吸附吸收材料處理重金屬Cd，具有操作簡便、無二次污染、藻水易分離等優(yōu)點，其有效的利用將為Cd污水治理提供新的方法。

本文主要利用藻類生物膜處理含Cd污水，通過考察其在去除重金屬Cd過程中，不同影響因素(pH值，Cd初始濃度，光照周期)對Cd去除效果的影響規(guī)律。同時，在單因素實驗的基礎(chǔ)上，以Cd去除率為響應(yīng)值采用三因素三水平響應(yīng)面分析方法優(yōu)化主要影響因素，提升去除效果。并通過擬合響應(yīng)面模型確定各因素間的交互作用對Cd去除率的響應(yīng)情況，同時，利用偽一階、偽二階動力學(xué)模型描述蛋白核小球藻藻類生物膜對Cd的富集過程并進(jìn)行分析與評價。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

以蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)為實驗藻種，該藻種取自中國科學(xué)院淡水藻種庫。因其藻細(xì)胞內(nèi)含有豐富的葉綠素，光合作用較強，能夠產(chǎn)生較多胞外聚合物，增強其在載體上的黏附性，故有利于藻類生物膜的制備以及對污染物質(zhì)的去除。藻種的培養(yǎng)與保存選用BG11培養(yǎng)[11]。

課題組前期經(jīng)過大量實驗研究，篩選出具有比表面積大、親水性好等特點的立體彈性填料作為藻類生物膜載體，其主要成分為聚烯烴類和聚酰胺等。由于實際污水中存在微生物以及其他未知因子的干擾，故本實驗以培養(yǎng)基BG11為基礎(chǔ)，添加不同濃度Cd以制備實驗?zāi)M污水。

1.2 藻類生物膜的培養(yǎng)

本實驗選用開放式培養(yǎng)法培養(yǎng)藻類生物膜。將立體彈性載體、實驗所用反應(yīng)器(1 000 mL燒杯)及其他玻璃儀器均進(jìn)行為期24 h的酸浸(鹽酸10 %)，以去除表面微量元素以及雜質(zhì)，待清洗、烘干后備用；配制適量的BG11培養(yǎng)基，并將800 mL培養(yǎng)基分裝到實驗反應(yīng)器中；將分裝好培養(yǎng)基的燒杯以雙層牛皮紙封緊，置于高壓蒸汽滅菌鍋內(nèi)于121 ℃下滅菌30 min。

高壓滅菌處理后的培養(yǎng)基冷卻后，將其與藻種接種所需用具(酒精燈，酒精噴霧，量筒)一并放入已預(yù)熱的超凈工作臺中紫外滅菌30 min。滅菌完畢后，將定量載體放置于反應(yīng)器后，將200 mL蛋白核小球藻藻液接種于內(nèi)并搖勻，在3 500 lx連續(xù)光照、溫度(25±2) ℃條件下培養(yǎng)12 d。載體表面明顯出現(xiàn)大量氣泡，并附著有綠色的藻體，藻類生物膜掛膜完成。

1.3 實驗設(shè)計

以添加不同劑量CdCl2作為Cd源，以1 mol/L的NaOH及HCl溶液調(diào)節(jié)污水初始pH，通過調(diào)節(jié)遮光時間控制光照周期進(jìn)行單因素實驗。在溫度為(25±2) ℃、3 500 lx 連續(xù)光照條件下進(jìn)行為期6 d的實驗，測定Cd剩余含量以確定Cd去除率。pH值及Cd含量分別采用多參數(shù)測定儀(S400-K)及原子吸收光譜儀(AA-7000)測定。整體按照單因素實驗設(shè)計規(guī)則進(jìn)行，每組實驗設(shè)置兩個平行，實驗過程均使用去離子水。

遵循Box-Behnken響應(yīng)面法設(shè)計原理[12]，以 -1、0、1對選定的3種影響因素pH(X1)、光照周期(X2)和Cd初始濃度(X3)分別進(jìn)行編碼，具體因素水平及取值如表1所示。

表1 響應(yīng)面實驗設(shè)計表Tab.1 Response surface experiment design table

1.4 藻類生物膜富集Cd的動力學(xué)

采用偽一階、偽二階動力學(xué)模型擬合和描述藻類生物膜富集Cd特征[13]：

偽一階動力學(xué)方程：

ln(qe-qt)=lnqe-k1t。

(1)

偽二階動力學(xué)方程：

(2)

式中，k1為偽一級吸附速率常數(shù),min-1；k2為偽二級吸附速率常數(shù),L/(mg·min)；qt和qe分別為某時刻t和達(dá)到吸附平衡態(tài)時Cd的吸附量,mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 不同Cd初始濃度對藻類生物膜去除Cd的影響

利用藻類生物膜處理不同初始濃度Cd，Cd去除率變化趨勢如圖1所示。當(dāng)Cd初始濃度小于15 mg/L時，隨著初始Cd濃度增大，Cd去除率逐漸增大，最高可達(dá)86.3 %，但是當(dāng)Cd初始濃度大于15 mg/L時，隨Cd初始濃度繼續(xù)增加，Cd去除率降低，該現(xiàn)象說明Cd初始濃度過高將會抑制藻類生物膜的去除Cd的能力，降低Cd的處理效果。選擇合適的Cd初始濃度將有利于藻類生物膜吸附環(huán)境中的Cd。此外，雖然Cd去除率存在一定的起伏波動，但一直保持在75 %以上，顯示出藻類生物膜優(yōu)秀的Cd處理能力。

圖1 Cd初始濃度對Cd去除率的影響Fig.1 Effects of different initial concentration of cadmium on the removal rate of Cadmium

2.1.2 光照周期對藻類生物膜去除Cd的影響

光照周期是光照時間與暗處理時間的比值，代表著藻類生物膜的光合作用與呼吸作用，對藻類生物膜的生長極為重要。Cd初始濃度為15 mg/L時，Cd去除率隨光照周期的變化情況如圖2所示。整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在L∶D= 12∶12時達(dá)到最大值93.3 %，具有較好的去除效果。但是當(dāng)L∶D=16∶8時，Cd去除率降到最低值74.6 %，比最大值低近20個百分點，說明光照周期的改變在較大程度上影響著藻類生物膜對Cd去除。文獻(xiàn)[14]的研究表明光照周期影響藻類生物量增長，這也就在一定程度上影響了藻類生物對Cd的吸附吸收。

圖2 光照周期對Cd去除率的影響Fig.2 Effects of photo period on the removal rate of Cadmium

2.1.3 初始pH值對藻類生物膜去除Cd的影響

如圖3所示，當(dāng)Cd初始濃度為15 mg/L時，Cd去除率隨pH值的變化呈現(xiàn)先上升后整體保持平穩(wěn)的趨勢。當(dāng)pH值由7上升至7.5時，Cd去除率由67.5 %上升至94.2 %，急劇上升表示出堿性環(huán)境相對于中性環(huán)境更有利于藻類生物膜對Cd的去除。在實際應(yīng)用以及后期實驗室研究過程中，初始pH值的調(diào)節(jié)將成為提高Cd去除率的重要措施之一。此外，有研究表明，在藻類生物膜的培養(yǎng)與應(yīng)用中，溶液pH值一般會隨著培養(yǎng)時間的增長而提高[15]，這也將有利于提高Cd的去除效率。當(dāng)pH值大于7.5小于9時，Cd去除率有部分波動但整體保持較為平穩(wěn)，表示在這個范圍內(nèi)，pH值的改變對藻類生物膜的影響相對較小。

圖3 初始pH對Cd去除率的影響Fig.3 Effects of initial pH on the removal rate of Cadmium

2.2 響應(yīng)面實驗

2.2.1 響應(yīng)面模型建立及回歸分析

單因素的實驗結(jié)果顯示，不同因素的改變對Cd去除率影響很大，合適的環(huán)境條件可較高效率地提高藻類生物膜對重金屬Cd的去除效果。響應(yīng)面實驗設(shè)計不僅可有效確定較佳的環(huán)境條件，還能模擬各影響因素之間的交互作用，整體提高具體應(yīng)用時的可行性。

響應(yīng)面試驗方案和結(jié)果見表2。在各種因素的相互作用下，Cd去除率呈現(xiàn)不同的變化情況。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，使用Design Expert 8.0.6軟件多元回歸擬合3種影響因素對Cd的去除過程，可得二次多項式回歸方程如下：

表2 響應(yīng)面實驗方案及結(jié)果Tab.2 Response surface experiment plan and results

Y=-581.283 75+118.437 78X1+13.802 85X2+33.439 72X3+0.536 23X1X2+

0.445 00X1X3-0.036 232X2X3-7.721 00X12-8.277 67X22-1.618 19X32。

(3)

由方程的結(jié)構(gòu)狀況可以初步看出，所選3種因素對藻類生物膜除Cd效率的影響具有一定的交互作用。同時，該方程的決定系數(shù)R2= 0.996 7，此系數(shù)是反映方程擬合程度的重要指標(biāo)，表明僅存在不到0.5 %去除率的變異，而99.67 %響應(yīng)值的變化可由該方程解釋，回歸方程整體擬合程度良好。

如表3所示，進(jìn)一步進(jìn)行模型方差分析可知，該模型的P值小于0.000 1，失擬項(lack of fit)P值為0.122 1，大于0.1。表明該模型的擬合程度極顯著，模型與實驗的差異不顯著。此外，P值的大小表示各因素對響應(yīng)值的影響程度，P值越小對響應(yīng)值的影響越明顯。對比各因素的P值可知，Cd去除率影響因素的主次作用排序為：Cd初始濃度>pH值> 光照周期。而各因素交互作用的中，Cd去除率的響應(yīng)值受pH值與Cd初始濃度的影響最大。

表3 響應(yīng)面二次方程的方差分析Tab.3 Analysis of variance of RSM quadratic equation

圖4為殘差正態(tài)概率分布圖，圖4中的數(shù)據(jù)點均比較靠近直線，并且各數(shù)據(jù)點在直線上的分布呈現(xiàn)出中間密集兩邊稀疏且整體對稱的狀態(tài)，符合正態(tài)分布的規(guī)律，說明方程擬合效果越好。圖5表示的是殘差與方程預(yù)測值的對應(yīng)關(guān)系。所有數(shù)據(jù)點的分布處于分散狀態(tài)，且殘差在±3.00之間，表明數(shù)據(jù)點的殘差和預(yù)測值不存在直接關(guān)系，方程的殘差較小，可以準(zhǔn)確預(yù)測各影響因素的取值。

圖4 殘差正態(tài)概率分布圖

圖5 殘差與預(yù)測值的關(guān)系Fig.5 Relationship between residual and predicted value

2.2.2 藻類生物膜去除Cd的條件優(yōu)化

依據(jù)上文所示方程擬合可得，pH為8.0，光照周期為13∶10，Cd初始濃度為11.68 mg/L時，藻類生物膜對Cd的去除率最佳。在此最優(yōu)條件下進(jìn)行3次平行實驗對響應(yīng)面預(yù)測模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證，取平均值得到Cd的去除率為91.79 %。同時，方程預(yù)測值為92.89 %，兩者偏差小于5 %，故該方程模型準(zhǔn)確有效，可反映所選三種因素對藻類生物膜去除Cd的影響過程。

2.3 動力學(xué)實驗

在響應(yīng)面實驗中得到的最佳實驗條件下進(jìn)行Cd的動力學(xué)實驗，結(jié)果如圖6所示。經(jīng)過72 h連續(xù)取樣測定環(huán)境中Cd含量，Cd濃度在短時間內(nèi)急劇下降，隨后趨于平穩(wěn)。實驗開始前40 min，藻類生物膜去除了污水中將近90 %的Cd并達(dá)到吸附平衡，隨后基本穩(wěn)定在90 %左右，說明該階段并無Cd的明顯釋放。

(a) 72 h連續(xù)取樣

利用偽一階、偽二階動力學(xué)模型描述蛋白核小球藻藻類生物膜對Cd的前40 min富集過程。將該時間段的實驗組數(shù)據(jù)代入式(1)、(2)，可得擬合結(jié)果如表4所示。偽二階動力學(xué)方程的擬合值更高，平衡態(tài)時的吸附量qe為11.28 mg/L，更接近真實實驗結(jié)果，因此更適用于描述藻類生物膜去除鎘的動力學(xué)過程。由此可知，藻類生物膜對Cd的富集主要受化學(xué)吸附機理的控制，這種化學(xué)吸附涉及到藻類生物膜與Cd兩者之間的相互作用影響，不是受單一的某一方面所控制，且藻類生物膜對Cd的生物吸收作用在前期較小。

表4 Cd的動力學(xué)模型擬合參數(shù)Tab.4 Fitting parameters of kinetic model for biological enrichment of Cd

3 結(jié)論

① 3種影響因素(Cd初始濃度，pH值，光照周期)的改變對藻類生物膜Cd去除率均有較大的影響。根據(jù)響應(yīng)面實驗結(jié)果，各影響因素對Cd去除率的影響顯著性大小為：Cd初始濃度> pH值> 光照周期；各因素交互作用的中，pH值與Cd初始濃度的交互作用對Cd去除率的響應(yīng)值影響最大。

② 采用BBD設(shè)計，以Cd初始濃度、pH值、光照周期為影響因素，Cd去除率為響應(yīng)值，得到響應(yīng)面二次方程模型極顯著，失擬項不顯著，決定系數(shù)R2= 0.996 7，說明模型準(zhǔn)確可靠。

③ 根據(jù)二次回歸方程得出Cd去除效率的最佳條件為：pH為8.0，光照周期為13∶11，Cd初始濃度為11.68 mg/L。該條件下Cd去除率可達(dá)91.79 %，且實驗值與預(yù)測值偏差小于5 %。

④ 偽二階動力學(xué)方程模擬結(jié)果相關(guān)性更高，表明藻類生物膜對Cd的富集主要受化學(xué)吸附機理的控制。