一株深色有隔內(nèi)生真菌的Cd吸附特征研究*

楊仁媛，梁新然，李祖然，湛方棟 ，李 濤，趙之偉

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650201；3.云南大學(xué)省部共建云南生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650091)

隨著全球工業(yè)化的不斷發(fā)展，重金屬年排放量驚人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)土壤總超標(biāo)率為16.1%，無(wú)機(jī)污染物中鎘(Cd)污染最為嚴(yán)重，其點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7%，位居無(wú)機(jī)污染物之首[1]。Cd在自然界中含量小，分布廣泛，主要存在于土壤中，造成Cd污染最主要的因素是人為污染，包括礦山開(kāi)采、金屬冶煉、合金制造、水泥生產(chǎn)以及農(nóng)藥和化肥使用等[2]。目前治理鎘污染的方法包括物理法、化學(xué)法、生物法和聯(lián)合修復(fù)法，其中，生物吸附法對(duì)治理重金屬污染和放射性元素非常有效，它是通過(guò)生物的細(xì)胞壁或代謝產(chǎn)物進(jìn)行吸附[3-5]。真菌具有分布廣泛、種類多樣、菌絲體粗大、易大規(guī)模培養(yǎng)、生物活性強(qiáng)、抗逆性強(qiáng)、生物量大和對(duì)營(yíng)養(yǎng)條件要求簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛關(guān)注[6]。

深色有隔內(nèi)生真菌(dark septate endophytes，DSE)泛指子囊菌或半知菌，它能在活的植物根內(nèi)定殖，卻不會(huì)使植物產(chǎn)生明顯病理學(xué)特征，能產(chǎn)無(wú)性孢子或不產(chǎn)孢，具有典型橫隔膜和微菌核結(jié)構(gòu)，廣泛分布于各種生境[7-9]，即使在嚴(yán)重Cd污染生境中，植物根系仍普遍存在DSE。DSE具有重要的生態(tài)功能，能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增強(qiáng)植物抵抗脅迫的能力，影響植物對(duì)重金屬的吸收累積[10]。已有研究表明：DSE菌絲能夠耐受高劑量重金屬脅迫，具有較強(qiáng)的吸附能力，如DSE菌株P(guān)hialocephala fortiii和Phaeoacremonium mortoniae對(duì)鉛(Pb)有較強(qiáng)的富集能力和耐受性[11]；DSE菌株枝狀枝孢菌(Cladosporium cladosporioides)B142的非活性菌絲能夠吸附Pb[12]；DSE菌株棘殼孢屬(Pyrenochaetasp.) SR35、根盤菌屬(Rhizopycnis vagum) SR37和SR44以及Paraphaeosphaeriasp.SR46 的Cd吸附能力不同，最大Cd吸附量可達(dá)3.01～7.89 mg/g[13]。DSE對(duì)重金屬的吸附能力及耐受性因細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的不同而存在差異，除此之外，pH值、菌絲用量、吸附溫度、吸附時(shí)間和初始Cd質(zhì)量濃度等因素都會(huì)影響真菌對(duì)Cd的吸附[14]，目前，關(guān)于DSE菌絲Cd吸附特征尚不清楚。

在吸附過(guò)程中，吸附物與被吸附物之間存在相互作用，采用吸附平衡等溫線對(duì)其進(jìn)行描述并確定吸附機(jī)理，其中Langmuir吸附模式和Freundlich吸附模式應(yīng)用最為廣泛[15]。描述吸附劑吸附溶質(zhì)速率的是吸附動(dòng)力學(xué)，它被用來(lái)驗(yàn)證吸附過(guò)程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有助于探討吸附機(jī)理，目前常用的是準(zhǔn)一級(jí)速率方程和準(zhǔn)二級(jí)速率方程[16]。本研究以1株DSE-嗜魚(yú)外瓶霉(Exophiala pisciphila)為對(duì)象，探討DSE活體菌絲對(duì)Cd的等溫吸附、吸附動(dòng)力學(xué)及其影響因素，采用紅外光譜分析DSE菌絲Cd吸附的化學(xué)基團(tuán)，研究不同解吸劑對(duì)DSE菌絲解吸Cd的影響，探討DSE對(duì)Cd的吸附特征，為利用DSE吸附去除Cd提供參考和科學(xué)依據(jù)，也為利用真菌吸附去除重金屬污染提供材料。

1 材料與方法

1.1 供試菌株

從云南會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)野生密序野古草根[Arundinella bengalensis(Spreng.) Druce]分離出1株DSE-嗜魚(yú)外瓶霉(E.pisciphilaACCC32496)，現(xiàn)保存于中國(guó)農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏管理中心，編號(hào)：ACCC32496。用馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基(PDA)培養(yǎng)菌種，4 ℃保存，每2個(gè)月轉(zhuǎn)接菌種。

1.2 Cd處理與培養(yǎng)條件

在250 mL三角瓶中加入MMN液體培養(yǎng)基100 mL，再分別添加0、0.25、0.50、1.00、2.00和4.00 mL 10 mg/mL的Cd2+母 液(CdCl2·2.5H2O)，使Cd2+質(zhì)量濃度分別為0、25、50、100、200和400 mg/L。MMN液體培養(yǎng)基由CaCl2·2H2O 0.05 g/L、麥芽糖3.0 g/L、氯化鈉 0.025 g/L、葡萄糖10.0 g/L、磷酸二氫鉀 0.5 g/L、VB1 (硫胺素) 0.1 mg/L、MgSO4·7H2O 0.15 g/L、FeCl3(1%)1.2 mL/L和NaNO33.0 g/L配制而成[17]。滅菌處理后，接種1片直徑為6 mm的菌株菌塊，在28 ℃、120 r/min的恒溫培養(yǎng)箱中振蕩培養(yǎng)7 d。

1.3 不同因子對(duì)菌絲Cd吸附量的影響

1.3.1 Cd吸附量的計(jì)算

無(wú)Cd培養(yǎng)基培養(yǎng)7 d后，過(guò)濾收集菌絲球，無(wú)菌水沖洗3次，抽濾去除水分得到菌絲鮮樣，稱量得菌絲體鮮質(zhì)量；將菌絲鮮樣于 75 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱量得菌絲體干質(zhì)量；計(jì)算菌絲鮮樣含水率，并通過(guò)干濕比換算得到干菌體質(zhì)量，用于計(jì)算Cd吸附量。吸附完成后，取1 mL過(guò)濾溶液用于測(cè)定Cd質(zhì)量濃度，并根據(jù)公式計(jì)算Cd吸附量：

式中：q為Cd吸附量，mg/g；C0為Cd2+初始質(zhì)量濃度，mg/L；Ce為反應(yīng)后剩余Cd質(zhì)量濃度，mg/L；m為干菌體質(zhì)量，g；V為反應(yīng)液體積，L。

1.3.2 菌絲Cd吸附量的影響因子

(1) pH值：在100 mg/L Cd2+溶液中加入0.5 g菌絲鮮樣，調(diào)節(jié)溶液pH值為3、4、5、6、7、8，在30 ℃、120 r/min恒溫培養(yǎng)箱中振蕩吸附2 h，測(cè)定濾液中Cd質(zhì)量濃度，確定菌絲吸附Cd的最佳pH值。

(2) Cd初始質(zhì)量濃度：在 25、50、100、200、300和400 mg/L Cd2+溶液中分別加入0.5 g菌絲鮮樣，調(diào)節(jié)到最佳pH值，在30 ℃、120 r/min恒溫培養(yǎng)箱中振蕩吸附2 h，測(cè)定濾液Cd質(zhì)量濃度。

(3) 吸附時(shí)間：在50 mL 300 mg/L Cd2+溶液中加入0.5 g菌絲鮮樣，調(diào)節(jié)pH值，在30 ℃、120 r/min恒溫培養(yǎng)箱中振蕩吸附，分別在5、10、20、30、40和50 min以及1、2、4、6、8、10、12、24、36、48、60和72 h取樣。每次取樣體積為0.5 mL，測(cè)定Cd質(zhì)量濃度。

1.4 嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd的等溫吸附模型與動(dòng)力學(xué)模型

利用吸附等溫模型描述吸附達(dá)到平衡時(shí)的吸附量(qe)與溶液中吸附質(zhì)質(zhì)量濃度(Ce)間的定量關(guān)系，可為吸附機(jī)理的研究提供依據(jù)。采用Langmuir方程和Freunndlich方程2種等溫吸附模型對(duì)嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd的過(guò)程進(jìn)行擬合，Langmuir方程和Freunndlich方程表達(dá)式見(jiàn)式(1)和式(2)：

式中：qe為吸附平衡后Cd在單位質(zhì)量吸附劑上的平衡吸附容量，mg/g；qm為理論最大吸附量，mg/g；KL為L(zhǎng)angmuir吸附常數(shù)，L/mg；Ce為吸附平衡時(shí)溶液中Cd質(zhì)量濃度，mg/L；KF為Freunndlich吸附常數(shù)，mg1-1/n·L1/n·g-1；n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，與吸附體系性質(zhì)有關(guān)。吸附過(guò)程隨時(shí)間變化的關(guān)系是吸附動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容，其對(duì)更好地了解吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附過(guò)程具有重要意義。吸附動(dòng)力學(xué)常用準(zhǔn)一級(jí)速率方程和準(zhǔn)二級(jí)速率方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。準(zhǔn)一級(jí)速率方程和準(zhǔn)二級(jí)速率方程表達(dá)式分別為式(3)和式(4)：

式中：t為吸附時(shí)間，min；qe為吸附平衡時(shí)的吸附容量，mg/g；qt為吸附時(shí)間為t時(shí)的吸附容量，mg/g；K1和K2為吸附速率常數(shù)。

1.5 菌絲傅立葉紅外光譜測(cè)定

采用壓片法測(cè)定菌絲的紅外光譜。取75 ℃烘干并粉碎成粉末狀的菌絲體2 mg，與烘干的溴化鉀200 mg充分研磨，壓片，采用FTIR紅外光譜儀測(cè)繪其光譜，并進(jìn)行分析，探討嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd涉及的基團(tuán)。

1.6 菌絲Cd解吸試驗(yàn)

按1.3節(jié)的方法獲得不同質(zhì)量濃度Cd的菌絲鮮樣及鮮樣含水量。分別以0.1 mol/L的HNO3、Na2EDTA、CaCl2和NaOH為解吸劑，向50 mL解吸劑中加0.5 g菌絲鮮樣，在30 ℃、120 r/min恒溫培養(yǎng)箱中振蕩吸附2 h，過(guò)濾，用火焰原子吸收法測(cè)定濾液中Cd質(zhì)量濃度，計(jì)算解吸劑從菌絲體上解吸的Cd含量，計(jì)算公式為：

式中：De為菌絲對(duì)Cd的解吸量；c為解吸完成時(shí)濾液中Cd的質(zhì)量濃度；V為解吸體系體積；m為稱取的菌絲質(zhì)量。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；用IBM SPSS Statistics 24進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，用最小顯著差數(shù)法(LSD)和新復(fù)極差法(Duncan’s)進(jìn)行多重比較；采用Origin 9.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH值與初始質(zhì)量濃度對(duì)嗜魚(yú)外瓶霉菌絲Cd吸附量的影響

由圖1可知：不同pH值條件下，嗜魚(yú)外瓶霉菌絲對(duì)Cd的吸附量不同。隨著pH值的增大，Cd吸附量先增加后下降，當(dāng)pH值為5時(shí)，吸附量達(dá)到最大值，為9.09 mg/g。由圖1還可知：隨著Cd初始質(zhì)量濃度的增加，嗜魚(yú)外瓶霉菌絲對(duì)Cd吸附量也增加。Cd初始質(zhì)量濃度為400 mg/L時(shí)，達(dá)到吸附飽和狀態(tài)，吸附量基本穩(wěn)定，即嗜魚(yú)外瓶霉菌絲對(duì)Cd的最大吸附量為14.14 mg/g。

圖1 pH值與初始質(zhì)量濃度對(duì)嗜魚(yú)外瓶霉菌絲Cd吸附量的影響Fig.1 Effects of pH value and initial mass concentration on the Cd adsorption amount by Exophiala pisciphila mycelium

2.2 吸附時(shí)間對(duì)嗜魚(yú)外瓶霉菌絲Cd吸附量的影響

由圖2可知：嗜魚(yú)外瓶霉菌絲Cd吸附過(guò)程大致分為2個(gè)階段：第1階段為快速吸附，第2階段為緩慢吸附，60 min內(nèi)Cd吸附量為11.37 mg/g，占總吸附量的79.3%，在 24 h基本達(dá)到吸附平衡。

圖2 吸附時(shí)間對(duì)嗜魚(yú)外瓶霉菌絲Cd吸附量的影響Fig.2 Effect of adsorption time on the Cd adsorption amount by E.pisciphila mycelium

2.3 嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd的等溫吸附模型與動(dòng)力學(xué)模型

由圖3可知：嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd的Langmuir等溫吸附方程擬合的相關(guān)系數(shù)為0.991 7，該方程得出Cd理論最大吸附量(qm)為16.31 mg/g；Fleundlich等溫吸附方程擬合的相關(guān)系數(shù)為0.959 8，該方程得到的qm為15.24 mg/g?？梢?jiàn)，Langmuir吸附等溫模型相關(guān)系數(shù)更高，其qm與Cd吸附試驗(yàn)值更接近。因此，嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd更符合Langmuir吸附等溫模型。

圖3 嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd的Langmuir吸附等溫線(a) 和Freundlich吸附等溫線(b)Fig.3 Langmuir adsorption isotherm (a) and Freundlich adsorption isotherm (b) of Cd by E.pisciphila mycelium

由圖4可知：準(zhǔn)一級(jí)速率方程的相對(duì)系數(shù)為0.921 2，較準(zhǔn)二級(jí)速率方程的相對(duì)系數(shù)(0.999 0)小，即準(zhǔn)一級(jí)速率方程獲得的理論平衡吸附量與試驗(yàn)結(jié)果相差較大。準(zhǔn)一級(jí)速率和準(zhǔn)二級(jí)速率方程獲得的理論平衡吸附量分別為16.67 和14.25 mg/g，準(zhǔn)二級(jí)速率方程所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更接近。因此，嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd更符合準(zhǔn)二級(jí)速率方程。

圖4 嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd的準(zhǔn)一級(jí)速率方程(a)和準(zhǔn)二級(jí)速率方程(b)Fig.4 Linearized pseudo-first order kinetic plots (a) and linearized pseudo-second order kinetic plots (b) of Cd by E.pisciphila mycelium

2.4 嗜魚(yú)外瓶霉菌絲Cd吸附的基團(tuán)

由圖5可知：嗜魚(yú)外瓶霉菌絲在3 401.82 cm-1處的寬吸收峰為聚合體中的-NH基團(tuán)的伸縮振動(dòng)和-OH基團(tuán)的吸收，2 925.48和2 856.06 cm-1處的強(qiáng)吸收峰為脂肪族-CH2和-CH3基團(tuán)的伸縮振動(dòng)，1 743.33和1 641.13 cm-1處的強(qiáng)吸收峰為酸、酯和酮中-C=O基團(tuán)的對(duì)稱和非對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 153.22、1 078.53和1 035.59 cm-1處的吸收峰為P-O基團(tuán)的伸縮振動(dòng)，P=O在1 153.22和1 078.53 cm-1處有非對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)，P-O-C基團(tuán)在1 035.59 cm-1處有對(duì)稱伸縮振動(dòng)。可見(jiàn)，嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd涉及氨基、酰胺基、羧基、羥基和磷?；然鶊F(tuán)。

圖5 嗜魚(yú)外瓶霉菌絲的紅外光譜Fig.5 FT-infrared spectrum of E.pisciphila mycelium

2.5 解吸劑對(duì)嗜魚(yú)外瓶霉菌絲Cd的解吸作用

由表1可知：HNO3和Na2EDTA的解吸能力基本相同，Cd質(zhì)量濃度為25、50、100、200、300和400 mg/L時(shí)，HNO3分別從菌絲上解吸出3.55、6.94、20.94、49.84和72.61 mg/g Cd，分別占菌絲Cd富集量的63.0%、66.4%、70.4%、75.6%和81.6%；Na2EDTA分別解吸出3.81、7.11、21.73、51.24和74.36 mg/g Cd，分別占菌絲Cd富集量的67.7%、68.1%、73.1%、77.7%和83.5%。Cd質(zhì)量濃度增加時(shí)，HNO3和Na2EDTA從嗜魚(yú)外瓶霉菌絲解吸出的Cd含量也顯著增加，占菌絲Cd富集量的比例也增加。對(duì)于CaCl2和NaOH而言，Cd質(zhì)量濃度增加時(shí)，菌絲解吸出的Cd含量增加，但占菌絲Cd富集量的比例下降?？梢?jiàn)，4種解吸劑中HNO3和Na2EDTA的解吸能力最強(qiáng)。

表1 不同解吸劑從嗜魚(yú)外瓶霉菌絲解吸的Cd含量Tab.1 Content of cadmium desorption from Exophiala pisciphila mycelium using various eluants mg/g

3 討論

3.1 不同因子對(duì)真菌吸附Cd影響

在真菌吸附Cd2+的過(guò)程中，重金屬初始質(zhì)量濃度、pH值、吸附溫度和吸附時(shí)間以及真菌自身特性、吸附劑投加量和對(duì)菌體的不同預(yù)處理方法等因素都會(huì)對(duì)吸附能力產(chǎn)生影響[18-20]。pH使真菌的吸附位點(diǎn)發(fā)生變化，改變細(xì)胞膜通透性，對(duì)酶促反應(yīng)速率造成影響，使胞內(nèi)物質(zhì)的溶解性和電離性發(fā)生改變，轉(zhuǎn)變金屬溶液的化學(xué)特性，影響細(xì)胞壁表面的官能團(tuán)活性[21]。在不同pH值的溶液中，Cd的狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，如酸性條件下易呈離子狀態(tài)，堿性條件下易形成沉淀。pH值升高導(dǎo)致溶液中H+濃度下降，弱化H+對(duì)吸附位的競(jìng)爭(zhēng)能力，使吸附劑上負(fù)電荷的官能團(tuán)增多，可更好地與Cd2+結(jié)合；同時(shí)，負(fù)電荷的增加使基團(tuán)與Cd2+的電荷排斥力減弱，促進(jìn)吸附劑對(duì) Cd2+吸附，繼續(xù)增加pH值，溶液中Cd2+發(fā)生水解反應(yīng)，形成Cd(OH)2，降低去除率[22]。在本研究中，嗜魚(yú)外瓶霉菌絲對(duì)Cd吸附的最佳pH值為5，與目前已報(bào)道的產(chǎn)絮酵母菌廢菌體、煙曲霉和棘孢曲霉吸附Cd的最佳pH[23-25]一致。

此外，初始Cd2+質(zhì)量濃度和吸附時(shí)間也是決定真菌吸附能力的重要因素。控制時(shí)間和初始Cd質(zhì)量濃度能提高真菌對(duì)Cd的吸附率。吸附劑相同時(shí)，增加離子初始質(zhì)量濃度和吸附時(shí)間會(huì)導(dǎo)致吸附量增加，最終達(dá)到飽和吸附量。這是因?yàn)槲絼┫嗤瑫r(shí)，結(jié)合位點(diǎn)沒(méi)有達(dá)到飽和，初始Cd2+質(zhì)量濃度越大，吸附的Cd2+越多，吸附容量越高，當(dāng)位點(diǎn)趨于飽和時(shí)，吸附容量將達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。研究顯示：生物對(duì)重金屬離子的吸附過(guò)程可分為快速過(guò)程和慢速過(guò)程[26]。吸附前期，吸附劑表面有大量的活性吸附位點(diǎn)，Cd被快速去除，隨著吸附位點(diǎn)不斷被Cd2+占據(jù)，反應(yīng)速度逐漸減緩，直到吸附平衡[27-28]。層迭靈芝子實(shí)體和球孢白僵菌株 JB15吸附Cd2+的過(guò)程分為快速吸附和慢速吸附[28-29]，與本研究結(jié)果一致。

3.2 真菌吸附Cd的等溫平衡與動(dòng)力學(xué)

等溫吸附模型表示的是恒溫條件下物質(zhì)濃度對(duì)吸附到表面上的物質(zhì)數(shù)量產(chǎn)生的影響，其前提是存在一定數(shù)量的吸附位點(diǎn)，金屬離子被化學(xué)吸附在該位點(diǎn)，每一位點(diǎn)能吸附一分子金屬離子，位點(diǎn)是能量均衡的，且被吸附離子間不存在相互作用力[30-32]。Langmuir模型和Freundlich模型是描述絲狀真菌吸附Cd體系中最常用的平衡吸附模型。Langmuir模型適用于吸附劑表面含有限均一性吸附位點(diǎn)的單分子層吸附過(guò)程，符合該模型說(shuō)明吸附劑表面均勻，吸附質(zhì)之間沒(méi)有相互作用，吸附是單層吸附，只發(fā)生在吸附劑的外表面[33-35]；Freundlich模型則是吸附位點(diǎn)非均一地分布在異質(zhì)表面，屬于多分子層吸附過(guò)程，適用于吸附劑表面異質(zhì)的吸附過(guò)程[30,35]。目前已報(bào)道的產(chǎn)絮酵母菌廢菌體[23]、球孢白僵菌株 JB15[29]、白腐菌[34]、簡(jiǎn)青霉[35]、粗柄側(cè)耳、雙孢蘑菇、Calocybe indica[27]、Microsphaeropsissp.LSE10[36]、微紫青霉菌菌株GXCR[37]等Cd吸附的等溫式均符合Langmuir等溫吸附模型，與本研究嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd的吸附等溫式一致。

生物吸附是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，目前已有許多描述吸附反應(yīng)速率的動(dòng)力學(xué)方程。吸附動(dòng)力學(xué)可以描述吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附速率以及受速率控制的吸附平衡時(shí)間[38-39]。目前，常用準(zhǔn)一級(jí)速率方程和準(zhǔn)二級(jí)速率方程描述生物吸附過(guò)程[40]。本研究表明：嗜魚(yú)外瓶霉菌絲Cd吸附過(guò)程符合準(zhǔn)二級(jí)速率方程，它預(yù)測(cè)的平衡吸附量與試驗(yàn)結(jié)果更接近，還能更好地表達(dá)生物吸附過(guò)程，這與目前報(bào)道的醬油曲霉[19]、產(chǎn)絮酵母菌廢菌體[23]、棘孢曲霉[25]、層迭靈芝子實(shí)體[28]、簡(jiǎn)青霉[35]、雙孢蘑菇、Calocybe indica[27]和Microsphaeropsissp.LSE10[36]等不同種類真菌菌絲吸附Cd的過(guò)程一致。

3.3 真菌吸附Cd機(jī)理

生物吸附分為主動(dòng)吸附和被動(dòng)吸附。被動(dòng)吸附是物理性吸附，其過(guò)程不消耗能量，細(xì)胞壁上的官能團(tuán)如-SH、-COOH、-NH2、-OH和-PO43-等可與金屬離子進(jìn)行絡(luò)合、螯合和離子交換等反應(yīng)，靠官能團(tuán)與離子之間的物理作用力將重金屬吸附[41]；主動(dòng)吸附是化學(xué)性吸附，其過(guò)程需要消耗能量，通過(guò)細(xì)胞壁官能團(tuán)與重金屬形成化學(xué)鍵，或者進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)酶促作用，將重金屬生物轉(zhuǎn)運(yùn)、生物沉淀或生物積累[42-43]，通過(guò)真菌表面吸附的金屬離子與特定酶相結(jié)合，將其轉(zhuǎn)移至胞內(nèi)。本研究的嗜魚(yú)外瓶霉菌絲對(duì)Cd的吸附作用是細(xì)胞表面吸附Cd的物理過(guò)程，該過(guò)程包括配位絡(luò)合、離子交換、靜電交感、氧化還原和無(wú)機(jī)微沉淀等[44]。真菌細(xì)胞壁上的活性基團(tuán)如巰基、羧基和羥基等與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)而達(dá)到吸收重金屬的目的，不同真菌的細(xì)胞壁不同，吸附重金屬的能力也不同。研究表明：Penicilliumsp.PC1吸附去除Pb2+與 Cd2+的過(guò)程涉及O-H、C=O、C-N、N-H和C-H 等官能團(tuán)[45]；在吸附過(guò)程中，醬油曲霉依靠菌體表面的酰胺基、羧基、羥基、磷酸基和氨基進(jìn)行吸附[19]；在利用農(nóng)林廢棄物—耐性真菌復(fù)合吸附劑吸附Pb的過(guò)程中，起主要作用的是羥基、羧基、氨基和羰基等官能團(tuán)[46]；羧基、酰胺、羥基和吡啶等官能團(tuán)主要參與功能化的黃孢原毛平革菌對(duì)重金屬的吸附[47]；Microsphaeropsissp.LSE10通過(guò)羧基、氨基、磺酸基和羥基等基團(tuán)對(duì)Cd進(jìn)行吸附[36]；產(chǎn)菌核真菌Aspergillus oryzaeG15表面的羧基和氨基等基團(tuán)在吸附Pb和Cu的過(guò)程中發(fā)揮了主要作用[48]。本研究表明：嗜魚(yú)外瓶霉菌絲吸附Cd的化學(xué)基團(tuán)涉及氨基、酰胺基、羧基、羥基和磷?；?。

4 結(jié)論

深色有隔內(nèi)生真菌嗜魚(yú)外瓶霉吸附Cd的最佳pH值為5，隨著Cd初始質(zhì)量濃度的增加，其對(duì)Cd吸附量也增加，直至吸附飽和。吸附過(guò)程分為快速吸附和慢速吸附，吸附24 h基本達(dá)到吸附平衡，吸附過(guò)程符合Langmuir吸附等溫模型，吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級(jí)速率方程。嗜魚(yú)外瓶霉吸附Cd涉及氨基、酰胺基、羧基、羥基和磷酰基等基團(tuán)。0.1 mol/L HNO3、Na2EDTA、CaCl2和NaOH均能從嗜魚(yú)外瓶霉菌絲上解吸出一定量的Cd，其中，HNO3和Na2EDTA的解吸能力最強(qiáng)。