固定化酵母對(duì)金屬離子吸附性能的研究

孟君，丁慧嬌，陳鑫，張峻松，韓永輝，鄭炬萍

鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院（鄭州 450002）

隨著生活水平的提高，含重金屬的污染物通過各種途徑進(jìn)入生活的各個(gè)方面，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。其中，空氣、土壤和水中的有毒重金屬對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重威脅正逐漸成為全球性問題，因此與環(huán)境相關(guān)的有毒重金屬離子的有效去除與分離技術(shù)就成為一項(xiàng)富于挑戰(zhàn)性的工作[1]。常用重金屬?gòu)U水處理方法有化學(xué)沉淀法、離子交換法、電化學(xué)法、膜過濾等[2]。與這幾種處理方法相比，生物吸附法作為新興的水體重金屬污染處理方式具有效率高、成本低、價(jià)格低廉、吸附迅速、廢棄物便于儲(chǔ)存與分離等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[3-4]。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，自從20世紀(jì)70年代生物吸附引起關(guān)注以來，生物吸附的研究變得非?；钴S[5]。近年來的大量研究表明，一些微生物如細(xì)菌、真菌藻類對(duì)重金屬有很強(qiáng)的吸附作用[6]。其中，釀酒廠的廢菌體啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是具有實(shí)用潛力的生物吸附劑[7]。以啤酒酵母吸附法處理重金屬?gòu)U水的優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉，制備方法簡(jiǎn)單，吸附效果好，具有良好的穩(wěn)定性，天然、無毒、不造成生態(tài)系統(tǒng)的二次污染。因此，啤酒酵母將在重金屬?gòu)U水處理中具有良好的應(yīng)用前景。游離的和懸浮的微生物生物量的缺點(diǎn)是顆粒小、機(jī)械強(qiáng)度低，處理后的生物量與出水難以分開，采用固定化細(xì)胞可以克服這些缺點(diǎn)[8]。

試驗(yàn)選擇釀酒酵母，采用海藻酸鈉包埋的方法進(jìn)行固定化，探討固定化酵母對(duì)重金屬離子的吸附性能以及吸附條件對(duì)吸附率的影響，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

安琪釀酒高活性干酵母（白酒專用耐高溫型）；濃硝酸（優(yōu)級(jí)純，煙臺(tái)市雙雙化工有限公司）；鹽酸（優(yōu)級(jí)純，煙臺(tái)市雙雙化工有限公司）；氫氧化鈉（分析純，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司）；CuCl2·2H2O（分析純，廣東汕頭市西隴化工廠）；MnCl2·4H2O（分析純，廣東-汕頭市西隴化工廠）；鉛、銅、鋅、鎘，錳單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（GB，1 000 μg/mL，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心）；無水葡萄糖（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；無水氯化鈣（分析純，天津百倫斯生物技術(shù)有限公司）；海藻酸鈉（食品級(jí)，河南三化生物科技有限公司）；試驗(yàn)用水均為去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平（上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司）；恒溫培養(yǎng)搖床（THZ-100，上海一恒科技儀器有限公司）；pH計(jì)（pHS-2C實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；原子吸收光譜儀（AA240FS，美國(guó)瓦里安公司）；元素空心陰極燈（美國(guó)瓦里安公司）；容量瓶，試管，燒杯，玻璃棒，移液管等。所有試驗(yàn)玻璃儀器用前均用10% HNO3浸泡過夜，并用去離子水洗干凈。

1.3 方法

1.3.1 固定化酵母的制備

稱取4 g釀酒活性干酵母放置于50 mL燒杯中，加入10 mL 2%葡萄糖溶液進(jìn)行活化，活化至出氣泡（時(shí)間約10 min）。加入100 g海藻酸鈉水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%），將其混合均勻。將混合液吸入針筒中，滴入約含300 mL氯化鈣溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%）的500 mL燒杯中，注意滴出的速度和下落高度，使凝膠顆粒保持均勻一致。滴完后使其在氯化鈣溶液中浸泡60 min，得到海藻酸鈉固定化酵母球形顆粒，用蒸餾水沖洗3次，放入冰箱里備用。

1.3.2 試驗(yàn)方法

配制5種重金屬水溶液，加入一定量固定化釀酒酵母吸附劑，采用火焰原子吸收分光光度法，測(cè)定不同條件下吸附前后水溶液中相應(yīng)離子濃度，計(jì)算吸附劑對(duì)離子的吸附率和吸附量，每個(gè)條件下的試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，并與空白吸附試驗(yàn)對(duì)照。

1.3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)工作系列及工作方程的建立

標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：準(zhǔn)確吸取各重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)貯備液，用去離子水配制成各元素濃度范圍的標(biāo)準(zhǔn)系列Mn：0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 mg/L，Pb：1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 mg/L，Cu：1.0，2.0，3.0，5.0，7.0，9.0 mg/L，Zn：0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mg/L，Cd：0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 mg/L。在各元素測(cè)定的最佳條件下，上機(jī)測(cè)定各元素相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液得Mn、Pb、Cu、Zn、Cd相應(yīng)的回歸方程分別為：A=0.240 03C+0.004 48，A=0.050 27C+0.026 08，相關(guān)系數(shù)為0.999 6，Cu：A=0.100 34C+0.038 49，Zn：A=0.559 64C+0.003 45，Cd：A=0.106 34C+0.324 72，相關(guān)系數(shù)依次為0.998 9，0.999 6，0.991 4，0.999 0，0.993 2。

1.3.2.2 樣品測(cè)定

在5種重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)系列溶液測(cè)定的最佳條件下，依次測(cè)定不同條件下的樣品溶液中對(duì)應(yīng)元素吸光度，由制訂的各元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，得樣品溶液中待測(cè)離子含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 固定化釀酒酵母對(duì)5種重金屬離子的吸附效率

分別配制50 mg/L的5種重金屬離子的溶液，使離子溶液pH范圍為2～3，分別吸取3 mL該質(zhì)量濃度的溶液到試管中，依次加入1.3.1中制備的固定化后酵母吸附劑1.0 g，在30 ℃、轉(zhuǎn)速180 r/min條件下，在恒溫振蕩搖床中振蕩吸附1 h后，從對(duì)應(yīng)試管中各吸取1 mL，用0.45 μm的微孔濾膜過濾，稀釋50倍后，用原子吸收光譜儀，測(cè)定加入吸附劑前后溶液中相應(yīng)離子濃度，計(jì)算固定化酵母吸附劑對(duì)5種重金屬的吸附效率。吸附效果見圖1。

從圖1中可以看出，相同條件下，該吸附劑對(duì)5種重金屬離子的去除效率依次Cu2+＞Mn2+＞Pb2+＞Zn2+＞Cd2+，固定化釀酒酵母對(duì)Cu2+、Mn2+的吸附率較高，因此，試驗(yàn)選擇Cu2+、Mn2+作為研究對(duì)象。

圖1 固定化釀酒酵母對(duì)5種重金屬離子的吸附效率

2.2 影響固定化酵母吸附性能的因素

為使生物吸附劑達(dá)到使用的理想狀態(tài)，對(duì)影響生物吸附劑吸附性能的因素進(jìn)行考察研究，從而確立最佳吸附條件[9]。

2.2.1 重金屬離子初始質(zhì)量濃度對(duì)吸附效率的影響

配制Cu2+、Mn2+系列質(zhì)量濃度為10，20，30，40和50 mg/L，取3 mL不同濃度系列Cu2+、Mn2+的溶液于40 mL試管中，分別加入1.3.1制備的固定化酵母各1.0 g，混合后，用1%的HCl和0.1 mol/L的NaOH將溶液調(diào)至pH 2.0～3.0，在30 ℃、轉(zhuǎn)速180 r/min條件下，在恒溫振蕩搖床中振蕩，吸附1 h。從各自對(duì)應(yīng)試管中吸取1 mL，稀釋50倍，用火焰原子吸收光譜儀，測(cè)定加入吸附劑前后溶液所含待測(cè)重金屬離子的質(zhì)量濃度，每個(gè)條件做3個(gè)平行樣，結(jié)果取平均值，根據(jù)測(cè)定結(jié)果，計(jì)算固定化釀酒酵母吸附劑對(duì)兩種離子的吸附率，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，Mn2+初始質(zhì)量濃度在10～40 mg/L，固定化釀酒酵母對(duì)錳離子的吸附效率不斷增大，40～50 mg/L之間吸附效率呈下降趨勢(shì)，錳離子的最佳吸附質(zhì)量濃度為40 mg/L；而Cu2+初始質(zhì)量濃度在10～50 mg/L之間呈上升趨勢(shì)，50 mg/L的吸附率達(dá)53.15%，為進(jìn)一步考察吸附劑對(duì)Cu2+吸附的最佳質(zhì)量濃度，將Cu2+初始質(zhì)量濃度設(shè)定為100，150，200，250和300 mg/L。

圖2 Mn2+、Cu2+的初始質(zhì)量濃度對(duì)吸附效率的影響

由圖2可以看出，在Cu2+初始質(zhì)量濃度為100～300 mg/L時(shí)，隨著溶液中重金屬離子初始質(zhì)量濃度增加，吸附效率先升高再降低。Cu2+初始質(zhì)量濃度為250 mg/L時(shí)，固定化酵母具有較好的吸附效果，但較50 mg/L時(shí)的低。因此，固定化酵母吸附Cu2+的濃度最佳質(zhì)量濃度選取50 mg/L。

2.2.2 吸附劑投放量對(duì)重金屬吸附效率的影響

分別將0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 g的固定化釀酒酵母吸附劑，依次加入有3 mL 40 mg/L Mn2+、50 mg/L Cu2+的溶液試管中，混合均勻，吸附1 h，從對(duì)應(yīng)試管中各取1 mL，稀釋50倍，測(cè)定溶液加入吸附劑前后相應(yīng)離子濃度，根據(jù)測(cè)定結(jié)果，比較不同投放量的固定化釀酒酵母吸附劑對(duì)Mn2+、Cu2+離子的吸附效果，根據(jù)吸附率選出吸附劑最佳的投放量，試驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4所示。

從圖3可以看出，Mn2+、Cu2+吸附率隨著吸附劑投放量增加呈上升趨勢(shì)，且上升趨勢(shì)比較明顯，固定化釀酒酵母對(duì)錳離子的吸附呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。

圖3 不同吸附劑投放量對(duì)Mn2+、 Cu2+的吸附效率的影響

從圖4可以看出，單位吸附劑投放量1.5 g時(shí)，Cu2+吸附效率最大，單位吸附劑投放量2 g時(shí)，Mn2+吸附效率在最大。這主要是因?yàn)楣潭ɑ劸平湍傅耐都恿吭黾?，為重金屬離子提供了更多的吸附位點(diǎn)，而溶液中Cu2+和 Mn2+的量是一定的，因而有更多的重金屬離子被吸附，去除率升高?？傮w來說，Mn2+、Cu2+單位吸附劑投放量吸附效率隨著固定化釀酒酵母投加量的增加而減少，這是因?yàn)楣潭ɑ劸平湍傅耐都恿吭黾?，而溶液中重金屬離子總量一定，導(dǎo)致吸附劑上大量吸附位點(diǎn)沒有被利用，單位吸附劑吸附的重金屬離子的量減少?？紤]運(yùn)行成本，選擇吸附劑最佳投放量為1.5 g固定化釀酒酵母用于吸附Cu2+，2 g固定化釀酒酵母吸附用于吸附Mn2+。

圖4 單位吸附劑投放量Mn2+、 Cu2+的吸附效率

2.2.3 吸附時(shí)間對(duì)吸附效率的影響

吸附時(shí)間是表征吸附劑對(duì)重金屬離子吸附過程的重要參數(shù)。以Mn2+40 mg/L、Cu2+50 mg/L，固定化釀酒酵母吸附劑2.0 g和1.5 g，混合后振蕩吸附，每隔1 h取1次樣，考察1，2，3，4和5 h吸附時(shí)間對(duì)吸附性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖5和圖6所示。

圖5 Mn2+、Cu2+的不同吸附時(shí)間變化對(duì)吸附效率的影響

圖6 不同吸附時(shí)間變化對(duì)Mn2+、 Cu2+的吸附速度的影響

從圖5可以看出，隨著吸附時(shí)間的增加，Mn2+、Cu2+吸附率呈上升趨勢(shì)，銅離子在3～4 h之間上升趨勢(shì)比較明顯，4～5 h之間上升趨勢(shì)略弱，Mn2+呈直線上升趨勢(shì)。

從圖6可以看出，在4 h時(shí)，Mn2+、Cu2+的吸附率差值最大，即4 h是二者的吸附速度都最大，所以，從經(jīng)濟(jì)效率及成本考慮，Mn2+、Cu2+的最佳吸附時(shí)間選擇4 h。

2.2.4 吸附溫度對(duì)吸附效率的影響

固定其他吸附條件不變，依次改變吸附溫度為20，25，30，35和40 ℃。吸附4 h后，從對(duì)應(yīng)試管中吸取1 mL，取出的樣品稀釋50倍，用火焰原子吸收光譜儀測(cè)定溶液加入吸附劑前后所含待測(cè)重金屬濃度，測(cè)定結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，Mn2+在20～40 ℃溫度范圍內(nèi)，改變吸附溫度，固定化酵母對(duì)Mn2+的吸附幾乎沒有影響。Cu2+隨著溫度的變化吸附率大小變化也不大，考慮到升高溫度會(huì)使溶液薄膜厚度減薄，密度和黏度降低，離子的擴(kuò)散速度增加，適當(dāng)升高溫度有利于固定化釀酒酵母對(duì)重金屬離子的吸附。為此，在試驗(yàn)過程中，選擇吸附溫度為30 ℃。

圖7 Mn2+、Cu2+的不同吸附溫度變化對(duì)吸附效率的影響

2.2.5 pH對(duì)重金屬吸附效率的影響

其他吸附條件不變，用1%的HCl或0.1 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)溶液的酸堿度，使溶液的pH依次為1，2，3，4和5，考察溶液pH對(duì)吸附效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。在溶液pH 1～2時(shí)Mn2+吸附率呈上升趨勢(shì)，pH 2～5時(shí)呈下降趨勢(shì)，在pH 2時(shí)，固定化釀酒酵母對(duì)Mn2+的吸附率最高，所以固定化釀酒酵母對(duì)Mn2+的最佳吸附pH為2。固定化釀酒酵母對(duì)Cu2+的吸附效率在pH 1～4時(shí)呈上升趨勢(shì)，pH 4～5時(shí)呈下降趨勢(shì)，在pH 4時(shí)固定化釀酒酵母對(duì)Cu2+的吸附率最高，所以固定化釀酒酵母對(duì)Cu2+的最佳吸附pH為4。

圖8 Mn2+、Cu2+的不同pH對(duì)吸附效率的影響

2.3 同存離子的競(jìng)相吸附

配制Mn2+、Cu2+100 mg/L單元素離子液及Cu2+、Mn2+100 mg/L的混合儲(chǔ)備液調(diào)節(jié)溶液pH 3，依次吸取3 mL的相應(yīng)溶液到試管中，分別加入固定化釀酒酵母吸附劑1.0 g，混合后，在30 ℃，轉(zhuǎn)速為180 r/min的條件下，在恒溫振蕩搖床中振蕩吸附4 h。吸附時(shí)間結(jié)束后，稀釋測(cè)定，每1個(gè)條件有3個(gè)平行樣，結(jié)果取平均值。比較2種重金屬的競(jìng)相吸附效率，相同條件下，單組份 Cu2+和Mn2+的吸附率分別為56.99%和21.20%。雙組分的吸附率分別為67.24%和29.05%。

由此可以看出，Mn2+、Cu2+共存時(shí)，單位吸附劑吸附Mn2+、Cu2+吸附率較單獨(dú)離子存在時(shí)的吸附率高，這可能是因?yàn)镸n2+、Cu2+與固定化釀酒酵母之間發(fā)生共同吸附，形成Mn2+、Cu2+金屬絡(luò)合物。

3 結(jié)論

試驗(yàn)以海藻酸鈉為包埋劑，采用包埋的方法固定化釀酒酵母，用固定化酵母作為吸附劑，研究其對(duì)5種重金屬離子Cu2+、Mn2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+吸附性能。結(jié)果表明，固定化釀酒酵母對(duì)5種離子的吸附效率依次Cu2+＞Mn2+＞Pb2+＞Zn2+＞Cd2+，其中吸附效果最好的2種重金屬是Cu2+、Mn2+。

以吸附效果較好的2種重金屬離子Cu2+、Mn2+為研究對(duì)象，改變重金屬離子的初始質(zhì)量濃度、吸附劑投放量、吸附溫度、吸附時(shí)間、pH，考察對(duì)吸附效率的影響，得出固定化釀酒酵母對(duì)Cu2+、Mn2+最佳的吸附條件。Cu2+的最佳吸附條件：初始質(zhì)量濃度50 mg/L，吸附劑投放量1.5 g，時(shí)間4 h，溫度30 ℃，pH 4。Mn2+的最佳吸附條件：初始質(zhì)量濃度40 mg/L，吸附劑投放量2 g，時(shí)間4 h，溫度30 ℃，pH 2。

Cu2+、Mn2+2種重金屬離子的競(jìng)相吸附試驗(yàn)表明，在2種離子共存的條件下，固定化酵母對(duì)2種離子吸附效率比單個(gè)金屬離子的吸附率都有明顯提高，說明兩種離子的存在能相互促進(jìn)吸附。

生物吸附法是一種經(jīng)濟(jì)有效的處理大規(guī)模低濃度重金屬?gòu)U水的生物技術(shù)，其中酵母是具有實(shí)用潛力的生物吸附劑。研究開發(fā)新的生物吸附劑及其固定化技術(shù)，研究增強(qiáng)生物吸附劑吸附性質(zhì)的化學(xué)或生物試劑在將來有更廣泛的應(yīng)用[10]。試驗(yàn)結(jié)果為利用價(jià)廉易得的廢棄酵母作為吸附材料去除廢水中的重金屬、解決重金屬污染的凈化處理問題提供一定參考。但由于試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下的模擬重金屬離子水溶液的試驗(yàn)，對(duì)于多種基質(zhì)存在條件下的復(fù)雜環(huán)境中實(shí)際樣品的吸附，還需要更進(jìn)一步的研究和論證，固定化釀酒酵母作為吸附劑吸附廢重金屬離子的吸附機(jī)理，固定化釀酒酵母吸附重金屬離子后的后續(xù)處理等有待進(jìn)一步研究探討。