固定化芽孢對(duì)鋱離子的吸附特性

王慧敏， 寧周神， 徐鴻濤， 董偉*,2

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 贛州 341000; 2. 江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 贛州 341000）

稀土被廣泛應(yīng)用在不同領(lǐng)域，是極為重要的戰(zhàn)略材料。 但是由于不當(dāng)開采方式、開采工藝以及開采流程存在缺陷，造成稀土離子流失，破壞周邊的土質(zhì)及生態(tài)水環(huán)境系統(tǒng)[1]。 稀土離子對(duì)人類、其他動(dòng)物和植物存在“低促高抑”的Hormesis 現(xiàn)象[2]，對(duì)于生態(tài)環(huán)境和人體而言， 稀土元素對(duì)其都具有潛在的危害效應(yīng)[3]。稀土元素的分離回收處理日漸成為人們不可忽視的重大問(wèn)題。微生物吸附技術(shù)由于投資成本低、見效快、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)逐漸被應(yīng)用于處理水土污染中的稀土元素。 已有許多研究表明枯草芽孢桿菌對(duì)17 種稀土元素均具有吸附效果[4-6]。 但是，由于微生物在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在生物活性低、單位體積內(nèi)菌體密度低、穩(wěn)定性差以及環(huán)境耐受性低等問(wèn)題，對(duì)環(huán)境污染的修復(fù)效果仍然不佳。

固定化技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于固定酶和菌株細(xì)胞，在現(xiàn)有的水體污染研究中大部分是用于去除重金屬、脫氮、降解有機(jī)污染物[7]，現(xiàn)在也被應(yīng)用到稀土處理領(lǐng)域。 PHILIP 等將活性氧化鋁、椰子殼、煙煤、玻璃、陶瓷材料、耐火磚、稻殼、硅膠和沙子等與培養(yǎng)基混合作為固定化基質(zhì)，固定化的銅綠假單胞菌對(duì)幾乎所有鑭系元素的最大金屬吸收能力均在1 mmol/g 左右[8]。鄭春麗等混合巨大芽孢桿菌和膠質(zhì)芽孢桿菌，以農(nóng)作物副產(chǎn)品麥麩、 糠、 廢糖蜜、 豆餅粉以及K2HPO4、MgSO4·7H2O 作為固定化載體，對(duì)土壤中稀土的吸附率達(dá)到61.84%[9]。 但上述固定化方法存在操作較復(fù)雜、操作時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題。 包埋法是一種較為簡(jiǎn)單的固定化方法，常用海藻酸鈉、聚乙烯醇、卡拉膠等作為包埋材料[7,10-11]。 經(jīng)載體海藻酸鈉—硅藻土固定化后，巨大芽孢桿菌對(duì)La（Ⅲ）和Ce（Ⅲ）的吸附率分別提高了20.25%、20.02%[12]。 但現(xiàn)有固定化技術(shù)多用于細(xì)胞，很少見用于芽孢桿菌芽孢的固定化。 芽孢是芽孢桿菌在惡劣生長(zhǎng)環(huán)境中形成的一種營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的休眠體，對(duì)極端環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。 DONG 等對(duì)枯草芽孢桿菌吸附稀土離子的結(jié)果表明，其細(xì)胞與芽孢均對(duì)Tb（Ⅲ）和Dy（Ⅲ）有較高的吸附率，且芽孢的吸附能力明顯更強(qiáng)[13-14]。 因此，開展固定化芽孢吸附劑對(duì)稀土離子吸附特性的研究，有望拓寬固定化微生物技術(shù)的應(yīng)用范圍，對(duì)促進(jìn)水介質(zhì)中稀土離子的回收或凈化具有重要意義。

本文選取海藻酸鈉作為固定化包埋劑，包埋了活性炭以及枯草芽孢桿菌PS832。對(duì)比固定化芽孢加活性炭、固定化芽孢以及固定化活性炭對(duì)稀土離子的吸附效果，探究不同條件對(duì)固定化吸附劑吸附稀土離子的影響， 探討固定化芽孢對(duì)稀土離子的吸附特性，對(duì)廢水中稀土離子的分離回收有重要意義。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，主要有：海藻酸鈉、粉末活性炭、 氯化鈣、 硝酸鋱六水化合物、4-（2-羥乙基）-1-哌嗪乙磺酸、2,6-吡啶二羧酸、營(yíng)養(yǎng)肉湯、硝酸鈣、葡萄糖、碘海醇等。

主要實(shí)驗(yàn)儀器有：超凈工作臺(tái)（VS-1300u）、超聲波 細(xì) 胞 粉 碎 機(jī) （JY92-IIN）、 真 空 冷 凍 干 燥 機(jī)（SCIENTZ-10N）、相差顯微鏡（NCY-E200）、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（MLA650F）、透射電子顯微鏡（G2-20）、多功能酶標(biāo)儀（SuPerMax300）等。

1.2 固定化吸附劑的制備方法

供試菌株枯草芽孢桿菌PS832 由美國(guó)微生物科學(xué)院院士Peter Setlow（UConn Health）提供[15]，由本實(shí)驗(yàn)室保藏。

1.2.1 枯草芽孢桿菌芽孢的培養(yǎng)與收集

將活化后的枯草芽孢桿菌PS832 單菌落接入Luria-Bertani （LB）液體培養(yǎng)基中，在37 ℃、250 r/min條件下培養(yǎng)5～8 h 后， 將菌液涂布于2×Schaeffer’sglucose （2×SG）固體培養(yǎng)基，于37 ℃下培養(yǎng)3～5 d，得到平板表面菌體。冰浴中收集平板表面菌體于盛有無(wú)菌水的離心管中，然后于4 ℃下離心并去除上清與雜質(zhì)后，加入無(wú)菌水重新懸浮，得到芽孢粗懸液。

將芽孢粗懸液冰浴下超聲振蕩后在4 ℃下離心，去除上清與雜質(zhì)，然后加入20%（w/v）的碘海醇溶液懸浮菌體，振蕩后再轉(zhuǎn)入50%（w/v）的碘海醇溶液，繼續(xù)振蕩后在4 ℃條件下離心收集沉淀，無(wú)菌水反復(fù)洗滌多次， 通過(guò)相差顯微鏡確認(rèn)95%以上為亮色菌體后（圖1），即得到實(shí)驗(yàn)所需芽孢，放入4 ℃冰箱保存?zhèn)溆肹16]。

圖1 相差顯微鏡下的芽孢Fig. 1 Spores under phase-contrast microscope

1.2.2 固定化吸附劑的制備

將枯草芽孢桿菌PS832 芽孢稀釋成OD600（菌液在600 nm 波長(zhǎng)處的吸光值）=1.0、2.0、3.0、4.0、6.0、8.0 的芽孢懸液，取10 mL 按包炭量1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶100、1∶200 （活性炭質(zhì)量∶溶液總質(zhì)量）的比例， 分別加入0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1 g 活性炭粉末充分混勻，得到包炭后的芽孢懸液；將0.4 g海藻酸鈉加熱溶于10 mL 無(wú)菌生理鹽水，得到濃度為0.04 g/mL 的海藻酸鈉溶液， 室溫下自然冷卻至40 ℃左右。

將上述包炭后的芽孢懸液與海藻酸鈉溶液混合均勻， 用無(wú)菌玻璃注射器緩慢滴加至冰浴中的4%（w/v）的無(wú)菌CaCl2溶液中。將形成的凝膠顆粒于室溫下放置1 h 后，用無(wú)菌生理鹽水沖洗2 次，再浸沒(méi)于4%質(zhì)量百分含量的無(wú)菌CaCl2溶液中于4 ℃下交聯(lián)24 h，得到固定化芽孢加活性炭[17]。在上述過(guò)程中不加入活性炭粉末即得到固定化芽孢，若不加入芽孢懸液即得到固定化活性炭。

1.3 鋱離子濃度的測(cè)定

Tb（Ⅲ）能與過(guò)量的2,6-吡啶二羧酸（DPA)結(jié)合形成配合物，在特定波長(zhǎng)下有熒光強(qiáng)度且與稀土離子濃度在一定范圍內(nèi)呈顯著線性關(guān)系[14]。取90 μL 待測(cè)液于96 孔酶標(biāo)板中， 加入100 mmol/L HEPES 緩沖液100 μL、10 mmol/L DPA 溶液10 μL，在激發(fā)波長(zhǎng)275 nm、發(fā)射波長(zhǎng)545 nm 下測(cè)其熒光強(qiáng)度。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出待測(cè)液中稀土離子濃度。按上述測(cè)定方法檢測(cè)Tb（Ⅲ)熒光強(qiáng)度，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖2）。

圖2 鋱離子濃度與熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig. 2 Standard curve of terbium ion concentration and fluorescence

1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

50 mL 錐形瓶中添加1 mL 含有一定Tb（Ⅲ）濃度的溶液、2.5 mL HEPES 緩沖液、6.5 mL 無(wú)菌水，加入2.5 g 固定化吸附劑。吸附一定時(shí)間后取上清液按1.3 所述方法測(cè)稀土離子濃度，每個(gè)樣設(shè)置3 個(gè)平行試驗(yàn)。

1.5 固定化吸附劑的顯微鏡觀察

1）固定化吸附劑在相差顯微鏡下觀察。將制好的固定化芽孢加活性炭、 固定化芽孢冷凍干燥后研磨，過(guò)200 目（0.074 mm）篩，取粉末制片，在相差顯微鏡下觀察。

2）固定化吸附劑吸附Tb（Ⅲ）前后掃描電鏡觀察。 將吸附Tb（Ⅲ）前后的固定化芽孢加活性炭，在冷凍干燥后研磨成粉末并過(guò)0.074 mm 篩，取少量粉末粘于導(dǎo)電膠上，噴金后通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察。

3）固定化吸附劑吸附Tb（Ⅲ）前后透射電鏡觀察。 將吸附Tb（Ⅲ）前后的固定化芽孢加活性炭，在冷凍干燥后研磨成粉末并過(guò)0.074 mm 篩， 加少量無(wú)菌水超聲分散后滴在銅網(wǎng)上，烘干后在透射顯微鏡下觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附條件變化對(duì)固定化吸附劑吸附稀土離子效果的影響

2.1.1 包炭量對(duì)吸附效果的影響

當(dāng)芽孢濃度為OD600=2.0 時(shí)，在Tb（Ⅲ）初始濃度為100 μmol/L、pH=7.4、 室溫的條件下吸附60 min，測(cè)定固定化吸附劑吸附后上清液Tb（Ⅲ）濃度并計(jì)算其去除率，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 包炭量對(duì)吸附效果的影響Fig. 3 Effects of carbon content onadsorption capacity

固定化芽孢加活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的吸附效果比固定化活性炭好，對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率高5%～8%。 當(dāng)活性炭質(zhì)量為0.1 g，即包炭量為1∶200 時(shí)，固定化芽孢加活性炭、固定化活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率分別為79.81%、73.67%。 當(dāng)活性炭質(zhì)量為0.2 g，即包炭量為1∶100 時(shí)，兩種固定化吸附劑的吸附效果較優(yōu)，其中固定化芽孢加活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率為90.22%，固定化活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率為82.71%。 再增加活性炭質(zhì)量，吸附效果變化不大，兩種固定化吸附劑對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率分別穩(wěn)定在90%、83%左右。故后續(xù)實(shí)驗(yàn)皆采用包炭量為1∶100 進(jìn)行。

2.1.2 芽孢濃度對(duì)吸附效果的影響

當(dāng)包炭量為1∶100 時(shí)， 在Tb（Ⅲ）初始濃度為100 μmol/L、pH=7.4、 室溫的條件下吸附60 min，測(cè)定固定化吸附劑吸附后上清液Tb（Ⅲ）濃度并計(jì)算其去除率，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 芽孢濃度對(duì)吸附效果的影響Fig. 4 Effects of spore concentration onadsorption capacity

芽孢濃度對(duì)固定化吸附劑吸附稀土離子的影響較大。 當(dāng)OD600=1.0 時(shí)，固定化芽孢加活性炭、固定化芽孢對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率分別為78.63%、71.19%；當(dāng)OD600增加到2.0 時(shí)，兩種固定化吸附劑對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率顯著增大，此時(shí)固定化芽孢加活性炭、固定化芽孢對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率均達(dá)到最高點(diǎn)，分別為89.51%、85.18%；當(dāng)芽孢液的OD600從3.0 增加到8.0時(shí)，兩種固定化吸附劑對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率略有下降。由此可知，芽孢濃度的增加在提供更多吸附位點(diǎn)的同時(shí)也增加了各個(gè)吸附位點(diǎn)間的競(jìng)爭(zhēng)作用，造成單位吸附劑對(duì)稀土離子吸附量的減少[18]。為了經(jīng)濟(jì)有效地運(yùn)用固定化吸附劑， 在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中芽孢濃度都控制在OD600=2.0。

2.1.3 稀土離子初始濃度對(duì)吸附效果的影響

在包炭量為1∶100、 芽孢濃度為OD600=2.0、pH=7.4、 室溫的條件下吸附60 min， 測(cè)定吸附后上清液Tb（Ⅲ）濃度并計(jì)算其去除率，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 Tb（Ⅲ）初始濃度對(duì)吸附效果的影響Fig. 5 Influence of initial concentration of Tb（Ⅲ）on adsorption capacity

當(dāng)稀土離子濃度在25～100 μmol/L 時(shí)，固定化吸附劑對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率不斷提高。 隨著Tb（Ⅲ）初始濃度的增加，稀土離子的擴(kuò)散速率增加，且稀土離子與吸附劑間靜電引力也在增加[19]，提高了固定化吸附劑上吸附位點(diǎn)的利用率。 而當(dāng)溶液中Tb（Ⅲ）濃度超過(guò)100 μmol/L， 去除率隨著稀土離子濃度的增加呈下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)楣潭ɑ絼┥系目偽轿稽c(diǎn)有限，故所能吸附的稀土離子總量有限，隨著稀土離子濃度的增加，吸附位點(diǎn)被充分利用，吸附達(dá)到飽和， 沒(méi)有足夠的有效吸附位點(diǎn)與剩余稀土離子結(jié)合，去除率呈不斷降低的趨勢(shì)[20]。 另一方面，隨著稀土離子濃度的增加，對(duì)枯草芽孢桿菌芽孢造成的毒性也增大，使得芽孢的生物活性降低，從而導(dǎo)致去除率的下降[21]。

2.1.4 吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

將固定化芽孢加活性炭、固定化芽孢、固定化活性炭3 種吸附劑在包炭量為1:100、 芽孢濃度為OD600=2.0、Tb（Ⅲ）初始濃度為100 μmol/L、pH=7.4、室溫的條件下吸附5～120 min， 測(cè)定吸附后上清液Tb（Ⅲ）濃度并計(jì)算其去除率，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響Fig. 6 Influence of time on adsorption capacity

研究表明菌株對(duì)稀土離子的吸附可分為快速吸附和基本平衡的2 個(gè)過(guò)程[22]。 在快速吸附階段，隨著吸附時(shí)間的增加，3 種固定化吸附劑對(duì)Tb（Ⅲ）的吸附效果不斷增強(qiáng)。固定化活性炭比其他兩種吸附劑更早達(dá)到吸附平衡， 固定化活性炭在30 min 已達(dá)到吸附拐點(diǎn)， 固定化芽孢加活性炭和固定化芽孢分別在60、75 min 時(shí)達(dá)到吸附平衡。 到達(dá)拐點(diǎn)后繼續(xù)延長(zhǎng)吸附時(shí)間至120 min，吸附效果變化不大，此時(shí)固定化吸附劑中的吸附位點(diǎn)已被充分利用，這表明三種固定化吸附劑對(duì)Tb（Ⅲ）的吸附過(guò)程均為快速吸附。

2.1.5 吸附pH 對(duì)吸附效果的影響

在50 mL 錐形瓶中添加100 μmol/L 的Tb（Ⅲ）溶液1、6.5 mL 無(wú)菌水，并分別加入pH=4.5 的醋酸—醋酸鈉緩沖溶液、pH=5.5 及pH=6.5 的嗎啉乙磺酸緩沖溶液、pH=7.5 及pH=8.5 的HEPES 緩沖溶液各2.5 mL，加入OD600=2.0、包炭量為1∶100 的固定化吸附劑2.5 g，吸附60 min 后取上清液測(cè)Tb（Ⅲ）濃度，計(jì)算其去除率，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 吸附pH 值對(duì)吸附效果的影響Fig. 7 Influence of pH on adsorption capacity

pH 對(duì)固定化芽孢的影響較大， 對(duì)固定化活性炭的影響次之，對(duì)固定化芽孢加活性炭的影響最小。 其中，隨著溶液pH 值的增加，固定化芽孢對(duì)Tb（Ⅲ）的吸附效果總體呈先上升后下降的趨勢(shì)；固定化芽孢加活性炭與固定化活性炭的去除率均先上升后平衡。

溶液pH 值從4.5 上升至6.5 時(shí)， 固定化吸附劑對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率不斷增加，很可能因?yàn)殡S著pH值的升高， 吸附劑表面的官能團(tuán)如磷酸基團(tuán)去質(zhì)子化，而稀土離子仍以帶正電的形式存在，從而使固定化吸附劑與稀土離子的靜電相互作用和絡(luò)合作用增強(qiáng)，對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率增加[23-24]。對(duì)生物吸附劑而言，過(guò)高或者過(guò)低的pH 會(huì)影響生物活性，都不利于其吸附稀土離子， 因此當(dāng)pH 值在酸性條件下不斷升高時(shí)，微生物內(nèi)的大多數(shù)酶活性增加，對(duì)稀土離子的載體協(xié)助運(yùn)輸?shù)茸饔脵C(jī)制開始起重要的作用，對(duì)稀土離子的吸附作用也越強(qiáng)[25]。當(dāng)溶液pH 值在6.5～8.0 之間，總體上3 種固定化吸附劑的去除率變化不大，均處于較高水平；在pH=7.5 時(shí)，固定化芽孢加活性炭、固定化芽孢、固定化活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率較高，分別為91.43%、88.35%、85.33%。 說(shuō)明這3 種固定化吸附劑更適合在中性或堿性環(huán)境中吸附Tb（Ⅲ）。

固定化芽孢加活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的吸附效果波動(dòng)不大，總體在90%上下浮動(dòng)，這是因?yàn)檠挎吲c固定化載體結(jié)合使得吸附劑內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，降低了外部溶液對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響。含稀土濃度較高的稀土廢水通常是偏酸性的，因此需要找到可以在較低pH 下起作用的生物吸附劑[26-27]，而固定化芽孢加活性炭具有更廣泛的pH 適用范圍，實(shí)際應(yīng)用性更好。

2.1.6 溫度對(duì)吸附效果的影響

溫度通過(guò)影響微生物的生理代謝活動(dòng)和吸附熱容等影響吸附效果，對(duì)于不同種類吸附劑而言，溫度對(duì)它們的吸附影響也不盡相同[28]。在包炭量為1:100、芽孢濃度為OD600=2.0、Tb（Ⅲ）初始濃度為100 μmol/L、pH=7.5 條件下， 分別于5、15、25、35 ℃環(huán)境中吸附60 min，測(cè)定吸附后上清液Tb（Ⅲ）濃度并計(jì)算其去除率，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 溫度對(duì)吸附效果的影響Fig. 8 Influence of temperature on adsorption capacity

隨著溫度的上升，固定化芽孢加活性炭、固定化芽孢對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率呈先上升后下降的趨勢(shì)，可能因?yàn)檠挎咴谑覝叵卤３州^高的活性， 在25 ℃時(shí)達(dá)到最高值，分別為91.33%、85.00%。 而固定化活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率則呈不斷下降的趨勢(shì)，在5 ℃時(shí)去除率最高，為86.20%。這是因?yàn)榛钚蕴康奈阶饔檬且粋€(gè)放熱過(guò)程，而解吸是吸熱過(guò)程，溫度的升高抑制了活性炭的吸附作用，同時(shí)促進(jìn)了解吸作用[29]。

2.2 吸附動(dòng)力學(xué)與吸附等溫線

2.2.1 吸附動(dòng)力學(xué)

由上述吸附條件變化對(duì)固定化吸附劑吸附Tb（Ⅲ）效果的影響結(jié)果可知，在包炭量為1∶100、芽孢濃度為OD600=2、Tb（Ⅲ）初始濃度為100 μmol/L、pH=7.5、25 ℃的條件下，固定化芽孢加活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的吸附效果較好。使用固定化芽孢加活性炭在此條件下吸附Tb（Ⅲ），測(cè)定0～120 min 內(nèi)不同時(shí)間段的上清液Tb（Ⅲ）濃度，計(jì)算其吸附量qe（nmol/mg）。 通過(guò)3 種常見吸附動(dòng)力學(xué)擬合其結(jié)果，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型如式（1）、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型如式（2）、Elovich 動(dòng)力學(xué)如式（3）：

式（1）—式（3）中：qe和qt分別是平衡時(shí)和時(shí)間t時(shí)的吸附量，nmol/mg；K1為準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù)；K2為準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)；α 為初始吸附速率；β 為解吸常數(shù)。

圖9 所示為固定化芽孢加活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的吸附動(dòng)力學(xué)擬合曲線。 3 個(gè)動(dòng)力學(xué)擬合的R2值分別為0.999、0.998 及0.994（表1），說(shuō)明固定化芽孢加活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的吸附是受擴(kuò)散步驟、化學(xué)吸附等一系列反應(yīng)機(jī)制控制的[30]。 吸附更吻合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)，得到擬合模型qt=32.8951-e-0.039t（nmol/mg）。

圖9 吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig. 9 Adsorption kinetic curves

表1 固定化芽孢加活性炭的吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)Table 1 Adsorption kinetic model parameters of immobilized spores plus activated carbon

2.2.2 吸附等溫線

將固定化芽孢加活性炭在25 ℃下分別用于吸附不同濃度的Tb（Ⅲ）溶液各60 min。 測(cè)定在0～100 μmol/L濃度下吸附達(dá)到平衡時(shí)的上清液Tb（Ⅲ）濃度，計(jì)算其吸附量qe（nmol/mg）。 通過(guò)兩種常見吸附等溫線擬合其結(jié)果，Langmuir 模型如式 （4）、Freundlich 模型如式（5）：

式（4）、式（5）中：qe是平衡時(shí)的吸附量，nmol/mg；Ce為吸附平衡時(shí)Tb（Ⅲ）溶液的濃度，nmol/L；qmax為單層最大吸附量，nmol/mg；KL為L(zhǎng)angmuir 吸附相關(guān)常數(shù)，KF、n為Freundlich 吸附相關(guān)常數(shù)。qe=（nmol/mg），單分子層最大吸附量qmax為151.111 nmol/mg。 觀察Freundlich 等溫吸附模型的參數(shù)1/n在0～1 之間，表示固定化芽孢加活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的吸附較為容易[31]。 說(shuō)明固定化芽孢加活性炭對(duì)Tb （Ⅲ） 的吸附應(yīng)該是一種可逆的吸附過(guò)程，在吸附劑表面有均勻的吸附位點(diǎn)[17,32]。 此外，還擬合了固定化海藻酸鈉（既無(wú)芽孢也無(wú)活性炭）、固定化芽孢、 固定化活性炭的吸附等溫線， 均更符合Langmuir 吸附等溫線模型， 擬合的單分子層最大吸附量分別為84.415、104.760、145.452 nmol/mg。 可見固定化芽孢加活性炭的吸附容量更大。

圖10 吸附等溫線Fig. 10 Adsorption isotherm models

Langmuir 等溫吸附模型 Freundlich 等溫吸附模型qmax/（nmol·mg-1） KL 1/n KF R2 151.111 2.479×10-6 0.563 0.048 0.955 R2 0.989

2.3 固定化吸附劑的表征

2.3.1 固定化吸附劑的表面形貌

不同條件的固定化吸附劑外觀形貌如圖11 所示。 按1.2 所述制備的固定化吸附劑呈顆粒分明的球形結(jié)構(gòu)，外觀圓潤(rùn)飽滿、大小均勻，其平均粒徑為3 mm，添加了活性炭的固定化吸附劑為黑色，未添加活性炭的固定化芽孢為米白色。

圖11 固定化吸附劑外觀Fig. 11 Appearance of immobilized adsorbents

2.3.2 相差顯微鏡觀察

相差顯微鏡下的固定化吸附劑如圖12 所示。 添加了固定化芽孢加活性炭在相差顯微鏡下的每塊碎片都有明顯的亮斑，而固定化活性炭則表現(xiàn)為大小均勻的灰黑塊狀結(jié)構(gòu)， 說(shuō)明芽孢的固定化效果較好，與海藻酸鈉、活性炭均勻地混合在一起。

圖12 相差顯微鏡下的固定化吸附劑Fig. 12 Immobilized adsorbents under phase-contrast microscope

2.3.3 吸附前后掃描電鏡觀察

固定化吸附劑的掃描電鏡圖如圖13 所示，可以看到固定化芽孢加活性炭具有多孔結(jié)構(gòu)，有明顯的芽孢被固定在載體中。 吸附Tb（Ⅲ）前，固定化芽孢加活性炭表面比較平滑，吸附Tb（Ⅲ）后其表面粗糙[22]，有許多零散明亮的附著物，表明固定化芽孢加活性炭的吸附效果較好，且多為表面吸附[14]。

圖13 掃描電鏡下的固定化芽孢加活性炭Fig. 13 Immobilized spores plus activated carbon under scanning electron microscope

2.3.4 吸附前后透射電鏡觀察

固定化吸附劑的透射電鏡圖如圖14 所示。 固定化芽孢在透射電鏡下可看到單個(gè)芽孢（圖14（a）），這是因?yàn)闃悠方?jīng)研磨、超聲分散處理，使原本固定在載體上的芽孢脫落，變成游離的芽孢。而固定化芽孢加活性炭在經(jīng)相同處理后則未觀察到單個(gè)的芽孢 （圖14（b）、圖14（c）），說(shuō)明就固定效果而言，添加了活性炭的固定化芽孢加活性炭明顯優(yōu)于固定化芽孢。

對(duì)比固定化芽孢加活性炭吸附Tb （Ⅲ）前（圖14（b））、后（圖14（c）），吸附后的固定化芽孢加活性炭交聯(lián)更加緊密，而且顏色更深，這是因?yàn)槲胶笃浔砻嬗写罅康腡b（Ⅲ）附著，使吸附劑表面厚度加深，說(shuō)明固定化芽孢加活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的吸附效果較好。

圖14 透射電鏡下的固定化吸附劑Fig. 14 Immobilized adsorbents under transmission electron microscope

3 結(jié) 論

本研究對(duì)比了不同吸附條件下，固定化芽孢加活性炭、固定化芽孢、固定化活性炭對(duì)Tb（Ⅲ）的吸附效果，擬合了固定化芽孢加活性炭吸附Tb（Ⅲ）的動(dòng)力學(xué)與等溫線，并對(duì)吸附Tb（Ⅲ）前后的固定化吸附劑進(jìn)行了電鏡觀察，得到以下結(jié)論：

1） 固定化芽孢加活性炭兼具包埋法和吸附法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率達(dá)到90%以上，最大吸附量為151.111 nmol/mg。 固定化芽孢與固定化活性炭吸附能力相當(dāng)，對(duì)Tb（Ⅲ）的去除率約為85%，最大吸附量分別為104.760、145.452 nmol/mg。

2）與其他兩種固定化吸附劑相比，固定化芽孢加活性炭的適用范圍更廣，實(shí)際應(yīng)用性更強(qiáng)。 當(dāng)包炭量為1∶100 （活性炭質(zhì)量∶總?cè)芤嘿|(zhì)量）， 芽孢濃度的OD600=2.0 時(shí)，在Tb（Ⅲ）初始濃度為100 μmol/L、中性或堿性環(huán)境、 溫度為15～25 ℃的條件下吸附60 min，其吸附效果較好。

3）固定化芽孢加活性炭呈顆粒分明的球形結(jié)構(gòu)，具有多孔結(jié)構(gòu)，固定效果良好。 其對(duì)Tb（Ⅲ)的吸附符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)、Langmuir 吸附等溫線模型，吸附速度快，受擴(kuò)散步驟、化學(xué)吸附等一系列反應(yīng)機(jī)制控制，是一種可逆的化學(xué)吸附過(guò)程，在吸附劑表面有均勻的吸附位點(diǎn)。