蛋白核小球藻的絮凝與對重金屬Cd2+的吸附性能研究

李江洪 李勇昊 劉文書 彭 念 李 倩 陳雨點

(1.重慶科技學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，重慶 401331；2.工業(yè)發(fā)酵微生物重慶市重點實驗室(重慶科技學(xué)院)，重慶 401331)

0 前 言

近年來，隨著工業(yè)化進程的不斷加快，大量工業(yè)廢水被排放到江河中，這會造成嚴(yán)重的水體重金屬污染，部分重金屬隨著食物鏈進入人體，將對人體健康造成嚴(yán)重危害[1]。其中重金屬Cd2+對人體神經(jīng)、肝臟和心肌等都有一定傷害，長期攝入會導(dǎo)致肝臟以及心肌衰竭等疾病[2]。因此，通過水處理去除水體中重金屬Cd2+成為亟需解決的問題。

重金屬水處理常用方法有化學(xué)沉淀法、吸附法、離子交換法、氧化還原法和電解法等。利用廉價易得的生物材料對Cd2+進行吸附相對于其他方法更加經(jīng)濟和環(huán)保[3]。微藻是常見的生物吸附劑之一，藻類具有多孔結(jié)構(gòu)、合理排列的金屬離子結(jié)合位點以及大比表面積等特點，賦予了其良好的吸附重金屬的能力[4]。微藻作為新興的生物吸附劑具有廉價易得且吸附量大等優(yōu)點而被廣泛研究，但是不同微藻對Cd2+吸附率存在差異，目前研究主要集中在不同微藻對重金屬Cd2+的吸附量及吸附率[5-9]。橢圓球藻對重金屬Cd2+的吸附量和吸附率均比其他微藻高，但是橢圓球藻由于胞內(nèi)油脂含量高而被廣泛用于生物柴油的生產(chǎn)[10]。蛋白核小球藻已被衛(wèi)生部批準(zhǔn)為新資源食品，不產(chǎn)生二次污染，可作為生物吸附劑，高密度培養(yǎng)蛋白核小球藻技術(shù)成熟并可實現(xiàn)快速的遺傳轉(zhuǎn)化[11]，所以其具備用于水處理的潛力。姜晶等人用冷凍干燥后的蛋白核小球藻對Cd2+進行吸附，最大吸附量為0.249 mmol/g[12]；Tangahu等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)小球藻與鈍頂螺旋藻比例為3∶1時可去除水中30.10%的Cd2+[13]。但是微藻細胞體積小、密度極低，吸附重金屬后需要采收處理的藻液量非常大，現(xiàn)有的離心和過濾等微藻采收技術(shù)將產(chǎn)生較高的采收成本。因此，實現(xiàn)低成本采收是利用微藻處理廢水必須解決的關(guān)鍵問題[14]。

常見的大分子聚合物絮凝劑有聚丙烯酰胺(C3H5NO)n、陽離子淀粉和殼聚糖等。(C3H5NO)n通過分子鏈中特有的—CONH2官能團與懸浮物中膠粒發(fā)生去水化和吸附架橋作用而絮凝，但其具有一定毒性且分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易降解，容易造成水體的二次污染[15]。陽離子淀粉是一種環(huán)保絮凝劑，在預(yù)實驗中發(fā)現(xiàn)陽離子淀粉可絮凝蛋白核小球藻，但其絮凝結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，絮凝物在動態(tài)條件下容易發(fā)生分散。殼聚糖是一種線性多聚糖，分子結(jié)構(gòu)中含有大量羥基(—OH)與氨基(—NH2)，所以殼聚糖能通過螯合、電中和以及吸附架橋等作用而產(chǎn)生良好的絮凝效果[16]。已有研究表明，當(dāng)殼聚糖質(zhì)量濃度為10 mg/L時，可使蛋白核小球藻絮凝率達98.10%[17]，但殼聚糖絮凝的蛋白核小球藻對重金屬Cd2+吸附性能的研究較少。本次研究分析了殼聚糖絮凝蛋白核小球藻的條件，并探究了絮凝后蛋白核小球藻對重金屬Cd2+的吸附性能。研究成果為利用蛋白核小球藻去除水體中重金屬提供了研究基礎(chǔ)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

蛋白核小球藻購于中國科學(xué)院武漢水生生物所；殼聚糖(脫乙酰度90%)購于上海源葉生物科技有限公司；BG11培養(yǎng)基(HB8793)購于青島高科技工業(yè)園海博生物技術(shù)有限公司，用于蛋白核小球藻的培養(yǎng)；異養(yǎng)培養(yǎng)基為在BG11培養(yǎng)基基礎(chǔ)上加入一定量的葡萄糖(20 g/L)和酵母粉(2 g/L)；CdCl2、HCl、NaOH等試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 制備蛋白核小球藻藻粉

利用劃線法將蛋白核小球藻接種至異養(yǎng)BG11培養(yǎng)基，在溫度為28 ℃條件下培養(yǎng)2 d，選取單克隆藻株用于后續(xù)研究。將活化后的單克隆藻株按接種量的5%接種至50 mL異養(yǎng)BG11液體培養(yǎng)基，在溫度為28 ℃、搖床轉(zhuǎn)速為180 r/min的條件下培養(yǎng)4 d；在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的條件下離心5 min收集蛋白核小球藻；在溫度為60 ℃的干燥箱中烘干12 h，將干燥后的蛋白核小球藻藻粉裝入100 mL離心管中，并在常溫條件下保存。

1.2.2 殼聚糖濃度對蛋白核小球藻絮凝的影響

將殼聚糖溶于0.1%的稀鹽酸中，配制成質(zhì)量濃度為20 mg/L的殼聚糖溶液。在10支試管中分別加入5 mL質(zhì)量濃度為1 500.00 mg/L的蛋白核小球藻溶液與5 μL質(zhì)量濃度為5 000.00 mg/L的CdCl2溶液(CdCl2溶液最終質(zhì)量濃度為5.0 mg/L)，在10支試管中分別加入0、30、40、50、60、70、80、90、100、120 μL配制的殼聚糖溶液，觀察溶液絮凝效果。

1.2.3 pH值對蛋白核小球藻絮凝的影響

在7根試管中分別加入5 mL質(zhì)量濃度為1 500.00 mg/L的蛋白核小球藻溶液與5 μL質(zhì)量濃度為5 000.00 mg/L的CdCl2溶液(CdCl2溶液最終質(zhì)量濃度為5.0 mg/L)，用HCl或者NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH，使得溶液pH分別為4、5、6、7、8、9、10，最后在試管中分別加入80 μL質(zhì)量溶度為20 mg/L的殼聚糖溶液，觀察蛋白核小球藻絮凝效果。

1.2.4 絮凝蛋白核小球藻對重金屬Cd2+吸附曲線

以蛋白核小球藻作為吸附劑，其質(zhì)量濃度為1 500.32 mg/L；以殼聚糖為吸附劑，其質(zhì)量濃度為1 500.32 mg/L；以絮凝蛋白核小球藻為吸附劑，蛋白核小球藻質(zhì)量濃度為1 500.00 g/L、絮凝劑殼聚糖質(zhì)量濃度為0.32 mg/L。分別取配置的吸附劑30 mL 置于50 mL的離心管中，在CdCl2溶液初始質(zhì)量濃度為4.6 mg/L、pH為6、溫度為28 ℃、轉(zhuǎn)速為150 r/min條件下進行吸附實驗，吸附完成后，用火焰原子吸收光譜儀(TAS-986)對溶液中Cd2+質(zhì)量濃度進行測定，吸附劑對Cd2+吸附量如式(1)所示：

(1)

式中：Q為吸附劑對Cd2+的吸附量，mg/g；c0、ce分別為吸附前后溶液中的Cd2+質(zhì)量濃度，mg/L；V為CdCl2溶液的體積，mL；m為吸附劑的用量，mg。

1.2.5 pH對重金屬Cd2+吸附效率的影響

在4支50 mL離心管中分別加入30 mL質(zhì)量濃度為1 500.00 mg/L的蛋白核小球藻溶液，并用HCl或者NaOH調(diào)節(jié)使溶液pH分別為4、5、6、7，再分別加入質(zhì)量濃度為20 mg/L的殼聚糖溶液480 μL。在溫度為28 ℃、轉(zhuǎn)速為150 r/min的條件下對CdCl2溶液進行吸附實驗(CaCl2初始質(zhì)量濃度為4.6 mg/L)，用火焰原子吸收光譜儀測定Cd2+濃度，吸附量按式(1)計算。絮凝蛋白核小球藻對Cd2+有較強的吸附作用，為了進一步探究溶液pH對Cd2+吸附效果的影響，將Cd2+初始質(zhì)量濃度調(diào)整為6.2 mg/L，觀察不同pH條件下溶液絮凝效果。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖濃度對蛋白核小球藻絮凝的影響

梯度添加殼聚糖溶液，觀察蛋白核小球藻的絮凝狀態(tài)，確定殼聚糖絮凝蛋白核小球藻的最佳濃度，結(jié)果如圖1所示。當(dāng)殼聚糖添加量小于80 μL時，蛋白核小球藻的絮凝效果隨著殼聚糖濃度增加而增強，但當(dāng)殼聚糖添加量超過80 μL時，絮凝效果隨著殼聚糖濃度的增大而減弱。這是因為殼聚糖的絮凝能力與其吸附架橋作用的強弱密切相關(guān)，當(dāng)殼聚糖濃度逐漸增大時，殼聚糖與蛋白核小球藻的結(jié)合位點增多，吸附架橋作用增強，蛋白核小球藻絮凝效果不斷增強。但當(dāng)殼聚糖達到一定濃度后，殼聚糖表面吸附了大量的蛋白核小球藻，阻止了殼聚糖架橋結(jié)構(gòu)的形成，吸附架橋作用的減弱導(dǎo)致絮凝效果下降[16]。實驗結(jié)果表明，在蛋白核小球藻溶液中添加80 μL殼聚糖溶液，即在蛋白核小球藻溶液中添加0.021%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))殼聚糖時絮凝效果最佳，后續(xù)研究中選用該比例進行實驗。

圖1 添加不同濃度殼聚糖的蛋白核小球藻絮凝效果

2.2 pH對蛋白核小球藻絮凝效果的影響

調(diào)節(jié)蛋白核小球藻與殼聚糖絮凝液的pH，觀察其絮凝情況，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)pH≤7時，絮凝效果隨著pH的增加而增強；當(dāng)pH≥8時，絮凝效果隨著pH的增加而減弱。在絮凝時間為2 min、pH為7的條件下，溶液最先出現(xiàn)明顯沉淀(見圖2 a)。當(dāng)絮凝時間達到20 min時，絮凝沉降效果普遍提升，pH為4～7時絮凝效果無明顯差異(見圖2 b)。實驗結(jié)果表明，殼聚糖在酸性條件下均可以有效絮凝蛋白核小球藻，但是當(dāng)溶液pH≥8時絮凝沉降效果較差。分析其原因可能是溶液pH改變了殼聚糖的表面電荷，從而影響了其絮凝蛋白核小球藻的效果。當(dāng)溶液pH呈酸性時，殼聚糖表面基團質(zhì)子化帶正電荷；當(dāng)溶液pH提高至接近中性時，殼聚糖基團質(zhì)子化減弱，殼聚糖與蛋白核小球藻電中和作用增強，絮凝效果增強；當(dāng)溶液pH呈堿性時，殼聚糖表面基團去質(zhì)子化帶有負(fù)電荷，與蛋白核小球藻表面的負(fù)電荷相斥，所以其絮凝效果減弱甚至不能產(chǎn)生絮凝[18]。實驗結(jié)果表明，當(dāng)pH=7時，絮凝所需時間最短且絮凝效果最佳。但是在實際應(yīng)用中，若含有Cd2+的溶液pH<7時，在利用絮凝蛋白核小球藻吸附Cd2+的過程中不必特意調(diào)整pH為7，只需增加絮凝時間即可；但當(dāng)含有Cd2+的溶液pH>7時，則需要調(diào)整pH為7時才能有效吸附溶液中的重金屬Cd2+。

圖2 不同pH條件下蛋白核小球藻絮凝效果

2.3 絮凝蛋白核小球藻對重金屬Cd2+的吸附曲線

為探究絮凝后的蛋白核小球藻對Cd2+吸附效果影響，分別以蛋白核小球藻、殼聚糖以及絮凝蛋白核小球藻為吸附劑對Cd2+進行吸附對比實驗,實驗結(jié)果如圖3所示。當(dāng)吸附時間為3 h時，殼聚糖對Cd2+吸附量為2.46 mg/g，吸附率為80.39%，隨后吸附量下降至2.39 mg/g。這是由于殼聚糖作為天然高分子化合物，鏈段中含有的—NH2和—OH活性基團，可與重金屬離子形成配位化合物，因此對Cd2+有吸附作用，但是殼聚糖對Cd2+的吸附不穩(wěn)定，受環(huán)境影響較大[19]。當(dāng)吸附時間達到7 h時，蛋白核小球藻與絮凝蛋白核小球藻對Cd2+吸附量達到最大，吸附量分別為2.30 mg/g與2.44 mg/g，吸附率分別為76.70%與79.74%，絮凝蛋白核小球藻最大吸附量略高于蛋白核小球藻。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，絮凝蛋白核小球藻對Cd2+吸附性能無顯著性影響，但是可以大幅度降低后續(xù)采收成本，具備良好的商業(yè)化前景。

圖3 蛋白核小球藻、殼聚糖、絮凝蛋白核小球藻的Cd2+吸附曲線

2.4 pH值對Cd2+吸附效果的影響

進一步探討pH值對絮凝蛋白核小球藻吸附Cd2+效果的影響，根據(jù)2.2的實驗結(jié)果，為了保證殼聚糖絮凝蛋白核小球藻的效率，本章節(jié)只探討較好絮凝效果前提下的pH對Cd2+的吸附效果(pH取4、5、6、7)的影響，結(jié)果如圖4所示。pH對Cd2+吸附效果的影響與對絮凝影響趨勢一致。當(dāng)溶液pH=7時殼聚糖絮凝蛋白核小球藻的效率最高、絮凝蛋白核小球藻對Cd2+的吸附效最大。這是由于隨著溶液pH值的逐漸升高，絮凝蛋白核小球藻表面更多基團形成去質(zhì)子化狀態(tài)，有更多基團可與Cd2+結(jié)合，絮凝蛋白核小球藻對Cd2+最大吸附量為4.06 mg/g，吸附率達到98.00%。

圖4 不同pH條件下絮凝蛋白核小球藻的Cd2+吸附曲線

3 結(jié) 語

本次研究對殼聚糖絮凝蛋白核小球藻的條件進行了優(yōu)化，并對絮凝蛋白核小球藻吸附重金屬Cd2+的影響進行了探討。當(dāng)?shù)鞍缀诵∏蛟迦芤褐刑砑淤|(zhì)量濃度百分比為0.021%的殼聚糖且pH為7時，微藻絮凝效果達到最佳。絮凝蛋白核小球藻吸附Cd2+的效率略高于蛋白核小球藻，但是無顯著性差異，絮凝蛋白核小球藻對重金屬Cd2+最大吸附量為2.44 mg/g。當(dāng)pH為7時，絮凝蛋白核小球?qū)d2+吸附率最高，達到98.00%，吸附量為4.06 mg/g。蛋白核小球藻在絮凝的同時保證了較高的重金屬吸附率，其結(jié)果為利用蛋白核小球藻進行廉價高效水處理重金屬提供了一定的理論依據(jù)。