深海芽孢桿菌Bacillus megaterium LM-44對(duì)亞甲基藍(lán)染料的吸附作用

徐湘薇,張 云,胡云峰

(1.中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所/熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省海洋藥物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510301;2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州),廣東 廣州 511458;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;4.中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所儀器設(shè)備公共服務(wù)中心,廣東 廣州 510301)

偶氮染料是使用量最大的一種染料,廣泛應(yīng)用在印染、紡織、食品等領(lǐng)域[1]。含偶氮染料的廢水具有高鹽、高堿度等特點(diǎn),直接排放至水體會(huì)造成水體色度污染,降低水體溶解氧含量與透光度,干擾水體生物正常生命活動(dòng)。此外,偶氮染料的降解產(chǎn)物大多對(duì)生物有毒害作用,隨水體進(jìn)入生態(tài)循環(huán)系統(tǒng),對(duì)人類健康構(gòu)成威脅[2-6]。亞甲基藍(lán)(methylene blue,MB)是一種典型的偶氮染料,含有難以降解的偶氮結(jié)構(gòu),顏色鮮艷并且具有較高的吸收波長(zhǎng)。微量的MB就可以使水溶液呈現(xiàn)明顯的藍(lán)色,直接影響水中生物的光合作用,破壞水體環(huán)境,進(jìn)而危害人類和動(dòng)物的健康[7-9]。

目前,偶氮染料廢水的處理方法主要有化學(xué)法、物理法和生物法[10]。其中,微生物吸附法具有來(lái)源豐富、品種多樣、成本低廉、對(duì)環(huán)境干擾小、實(shí)地操作性強(qiáng)、無(wú)毒害降解產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn),在污染治理方面具有顯著優(yōu)越性[11]。從真菌、藻類、細(xì)菌中都發(fā)現(xiàn)了可以吸附染料的微生物,如白腐真菌、芽孢桿菌等[12-13]。Liu等發(fā)現(xiàn)解淀粉芽孢桿菌W36具有較強(qiáng)的染料脫色能力[14];蘇會(huì)敏利用芽孢桿菌對(duì)MB進(jìn)行脫色[15],細(xì)菌接種量為3%,pH為5,碳源濃度為10 mg/L,反應(yīng)120 h,對(duì)20 mg/L的MB去除率為84%。細(xì)菌具有生長(zhǎng)周期短、生長(zhǎng)速率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易于獲取等特點(diǎn),非常適用偶氮脫色,但其本身易受溫度、pH、鹽度等條件的影響,且先前研究中都存在反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、去除作用不穩(wěn)定等局限性,因此,尋求具有高效、穩(wěn)定吸附作用的菌株仍然是研究的關(guān)鍵。本課題組前期已經(jīng)從深海環(huán)境中分離了一株芽孢桿菌Bacillussp. LM-24,其在高鹽、高pH環(huán)境中具有穩(wěn)定的吸附典型偶氮染料MB作用。本文基于最新發(fā)現(xiàn)的一株具有更高吸附率的海洋巨大芽孢桿菌BacillusmegateriumLM-44,利用無(wú)機(jī)載體硅膠和有機(jī)載體大孔樹脂對(duì)其進(jìn)行固定化來(lái)提高外界環(huán)境的穩(wěn)定性,對(duì)其吸附條件進(jìn)行了優(yōu)化并分析了其吸附過(guò)程,以期為高鹽高堿度偶氮染料廢水的深度脫色提供微生物種質(zhì)資源。

1 材料與方法

1.1 材料

BacillusmegateriumLM-44篩選分離于南海深海環(huán)境樣品;亞甲基藍(lán)等均為分析純;柱層層析硅膠(200-300目,青島海洋化工廠分廠);大孔樹脂HPD-750S(鄭州和成新材料廠);酶標(biāo)儀(Infinite M200 Pro);恒溫?fù)u床(廣州湘西生物儀器公司)。

液體Luria-Bertani培養(yǎng)基:10 g胰蛋白胨,5 g酵母粉,10 g NaCl溶于1 L蒸餾水中;固體Luria-Bertani培養(yǎng)基:10 g胰蛋白胨,5 g酵母粉,10 g NaCl,15 g瓊脂溶于1 L蒸餾水中。

MB溶液:稱取10 mg MB固體于少許水中,攪拌至完全溶解,倒至100 mL容量瓶中定容。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菌種分離與篩選

取0.5 g南海深海環(huán)境樣本于10 mL 液體LB培養(yǎng)基中,150 r/min、37 ℃恒溫培養(yǎng)1.5 h;用生理鹽水將原菌液稀釋5倍,吸取200 μL稀釋菌液于固體LB培養(yǎng)基表面,倒入5顆玻璃球均勻搖晃,使稀釋菌液均勻涂布于培養(yǎng)基表面,37 ℃恒溫倒置培養(yǎng)16 h。 從LB平板上挑取不同形態(tài)的單個(gè)菌落至10 mL新鮮液體LB培養(yǎng)基中, 搖床培養(yǎng)12 h(150 r/min、 37 ℃)。 取2 mL菌液離心, 去上清液后向離心管中加入100 mg/L的MB溶液, 震蕩使菌體充分懸浮, 150 r/min振蕩反應(yīng)1 h。 離心后取上清液于665 nm[16]處測(cè)量吸光度。

1.2.2 菌株生理生化性質(zhì)鑒定

生長(zhǎng)曲線測(cè)定:從LB平板上挑取生長(zhǎng)良好的單個(gè)菌落至新鮮液體LB培養(yǎng)基中,搖床培養(yǎng)12 h(37 ℃、150 r/min)。以1%接種量轉(zhuǎn)接至新鮮液體LB培養(yǎng)基中,取菌液于600 nm處測(cè)量吸光度(間隔2 h)。

耐鹽性測(cè)定:分別向LB培養(yǎng)液中加入1%～15%的NaCl,以1%接種量將菌液轉(zhuǎn)接至不同含鹽量的液體LB培養(yǎng)基中,分別于4、12、24、36 h取菌液于600 nm處測(cè)定吸光度。

1.2.3 基因測(cè)序分析

吸取1 mL發(fā)酵菌液至離心管中低溫保存,由上海生工完成16S rRNA測(cè)序分析,利用NCBI做在線比對(duì),用MEGA.11構(gòu)建系統(tǒng)樹。

1.2.4 制備游離菌株和固定化菌株

濕菌體制備:從固體LB培養(yǎng)基表面挑取生長(zhǎng)良好的單個(gè)菌株,于10 mL液體LB培養(yǎng)基中,室溫下150 r/min振蕩培養(yǎng)12 h,以1%接種量轉(zhuǎn)接至液體LB培養(yǎng)基中,37 ℃、150 r/mim振蕩培養(yǎng)12 h。吸取菌液離心,去除上清液,加入無(wú)菌水清洗,離心后去上清液,濕菌體備用。

固定化菌株制備:取部分濕菌體,加入與原上清液體積相同的無(wú)菌水,震蕩充分后加入1%載體,振蕩(150 r/min)反應(yīng)2 h后抽濾,用無(wú)菌生理鹽水沖洗載體表面,放入50 ℃恒溫箱烘干1 h。

1.2.5 吸附優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

最適吸附劑濃度測(cè)定:MB溶液100 mg/L,游離菌株、硅膠固定化菌株和大孔樹脂固定化菌株濃度分別為0.59～23.74 mg/mL、1～10 g/L、1～10 g/L;室溫、150 r/min反應(yīng)1 h后離心,取上清液于665 nm[16]處測(cè)量吸光度。

pH對(duì)吸附作用的影響:用pH為5.0～10.0的緩沖液溶解MB至100 mg/L,以最適吸附劑濃度加入3種不同吸附劑,室溫、150 r/min反應(yīng)1 h后離心,取上清液于665 nm處測(cè)量吸光度。

溫度對(duì)吸附作用的影響:在最適吸附劑濃度、pH條件下,將3種吸附劑分別置于25、30、35、40、45 ℃恒溫?fù)u床中,150 r/min震蕩反應(yīng)1 h。

時(shí)間對(duì)吸附作用的影響:在最適吸附劑濃度、最佳溶液pH、最適溫度的條件下,將吸附劑投入MB溶液中,150 r/min震蕩反應(yīng),分別于1、5、10、30、60、120、180 min取上清液于665 nm處測(cè)量吸光度。

溶液初始濃度對(duì)吸附作用的影響:在最適吸附劑濃度、最佳pH、最適時(shí)間、最適溫度的條件下,將吸附劑分別投入濃度為50、100、200、300、400、500 mg/L的MB溶液中,150 r/min震蕩反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后離心取上清液于665 nm處測(cè)量吸光度。

1.2.6 無(wú)機(jī)鹽對(duì)吸附作用的影響

配制13種分別含NaH2PO4、NaCl、乙酸鈉、Na2CO3、 NH4Cl、 KCl、 K3PO4、 硫酸銨、 KH2PO4、 MgSO4、MgCl2、CaCl2、BaCl2量為0.002 mol/L和0.01 mol/L的MB溶液,最適反應(yīng)條件下,分別加入3種吸附劑進(jìn)行吸附反應(yīng)。

1.2.7 動(dòng)力學(xué)測(cè)定

在最適條件下分別投入3種吸附劑,分別震蕩反應(yīng)1、3、5、10、20、40、60、120、180 min,離心后取上清液于665 nm處測(cè)量吸光度。

1.2.8 吸附等溫線測(cè)定

分別向50～500 mg/L MB溶液中投入3種吸附劑,在最適吸附劑濃度與溶液pH條件下,分別于25、30、35 ℃震蕩反應(yīng)120 min。離心后取上清液于665 nm處測(cè)量吸光度。

1.2.9 計(jì)算公式

1)去除率與吸附容量

(1)

(2)

式中:Y為MB去除率,%;q為MB吸附容量,mg/g;Ci為MB溶液初始濃度,mg/L;Cf為MB溶液終濃度,mg/L;Cb為吸附劑濃度,mg/L。

2)吸附動(dòng)力學(xué)方程

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程[17]為

qt=qe×(1-e-K1t)

(3)

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程[18]為

(4)

式中:qe為平衡吸附量,mg/g;qt為t時(shí)刻吸附量,mg/g;K1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型吸附速率常數(shù),min-1;K2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型吸附速率常數(shù),mg/(mg·min)。

3)等溫吸附方程

Langmuir等溫吸附方程[19]為

(5)

式中:qm為單分子層飽和吸附量,mg/g;KL為L(zhǎng)angmuir吸附系數(shù),L/mg;Ce為溶液平衡濃度,mg/L。

Freundlich等溫吸附方程[20]為

(6)

式中:KF為Freundlich吸附常數(shù),mg/g;n描述了等溫線的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 基因測(cè)序比對(duì)

從分離菌株中獲得了對(duì)MB吸附率較高的芽孢桿菌LM-44,菌體呈圓形、白色、質(zhì)地黏稠。通過(guò)16S rRNA測(cè)序分析后,將序列上傳至NCBI進(jìn)行在線比對(duì),GenBank序列編號(hào)為ON527364。利用MEGA.11軟件鄰近法制作系統(tǒng)樹(見圖1),結(jié)合比對(duì)結(jié)果和系統(tǒng)樹分析,發(fā)現(xiàn)該菌株為芽孢桿菌菌屬,與一株巨大芽孢桿菌ROA024高度同源,命名為BacillusmegateriumLM-44。此前也有研究表明,芽孢桿菌在染料脫色領(lǐng)域具有巨大的開發(fā)潛力[14]。

圖1 系統(tǒng)進(jìn)化樹

2.2 菌種鑒定

生長(zhǎng)曲線測(cè)定結(jié)果顯示(見圖2),培養(yǎng)10 h左右,菌株生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期。研究表明,大多數(shù)細(xì)菌只能在0～3%鹽度下生長(zhǎng),過(guò)高鹽度會(huì)造成細(xì)胞損傷。耐鹽性測(cè)定顯示BacillusmegateriumLM-44生長(zhǎng)在1%含鹽量培養(yǎng)基中生長(zhǎng)最佳,鹽度超過(guò)8%后不再生長(zhǎng)(見圖3),說(shuō)明LM-44是一株耐鹽菌。

圖2 Bacillus megaterium LM-44生長(zhǎng)曲線

圖3 Bacillus megaterium LM-44生長(zhǎng)耐鹽曲線

2.3 單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.3.1 最適吸附劑濃度測(cè)定

因?yàn)槲絼?duì)MB具有吸附作用, 去除率隨著吸附劑濃度的增加而快速增加。之后,游離菌株、 硅膠固定化吸附劑、 大孔樹脂固定化吸附劑吸附率的增長(zhǎng)速率分別在吸附劑濃度為1.187、2、8 g/L時(shí)開始減緩, 在2.374、 6、 14 g/L時(shí)第2次減緩。 而吸附容量隨吸附劑濃度增加逐漸降低, 可知隨著吸附劑濃度的增加, 吸附劑吸附MB的總量增加, 而單個(gè)吸附劑吸附的MB分子數(shù)量在逐漸減少, 吸附劑空余的吸附位點(diǎn)逐漸增多。 在實(shí)際應(yīng)用中, 為使吸附劑性能比最優(yōu)化,需綜合考慮去除率和吸附容量, 以減少吸附劑的浪費(fèi)[21], 選擇接近二者交點(diǎn)處, 可同時(shí)保證一定吸附效果與較高的吸附容量。 故游離菌株、 硅膠固定化吸附劑、 大孔樹脂固定化吸附劑的初始濃度分別選取1.187、2、 8 g/L繼續(xù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)(見圖4)。

圖4 吸附劑濃度對(duì)吸附作用的影響

2.3.2 pH對(duì)吸附作用的影響

pH是影響吸附劑吸附率的重要因素,溶液中pH的變化會(huì)影響分子的電離程度以及分子表面性質(zhì)[22],吸附劑等電點(diǎn)(pHpzc)對(duì)吸附劑表面吸附能力和表面活性中心具有決定作用[17,23]。當(dāng)溶液pH>pHpzc時(shí),有利于吸附劑對(duì)陽(yáng)離子染料的吸附;而當(dāng)pH

圖5 pH對(duì)吸附作用的影響

3種吸附劑最佳pH分別為9、9、8。當(dāng)pH值從最佳pH降至5時(shí),3種吸附劑吸附率下降率分別為37%、38%、14%,大孔樹脂固定化吸附劑在不同pH條件下吸附性能比較均一,而硅膠固定化吸附劑在堿性條件下的吸附效果優(yōu)于在酸性條件下的吸附效果。

2.3.3 溫度對(duì)吸附作用的影響

溫度是另一個(gè)重要的物理化學(xué)過(guò)程參數(shù)[24],主要通過(guò)影響微生物吸附劑的生理代謝過(guò)程、基團(tuán)吸附熱動(dòng)力和吸附熱容等進(jìn)而影響吸附效果。游離菌株和硅膠固定化吸附劑吸附率隨溫度升高略有下降(見圖6)。

圖6 溫度對(duì)吸附作用的影響

可能是由于溫度升高影響了微生物表面的活性位點(diǎn),但3種吸附劑去除率波動(dòng)范圍不超過(guò)9%,說(shuō)明溫度對(duì)吸附作用影響不大,BacillusmegateriumLM-44對(duì)溫度適應(yīng)性較好。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中,升高溫度需要較高成本,在溫度影響不大的情況下,選用接近室溫操作更符合經(jīng)濟(jì)效益,故而此處選用25 ℃繼續(xù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.3.4 時(shí)間對(duì)吸附作用的影響

時(shí)間是影響吸附作用的另一主要因素,探究吸附時(shí)間對(duì)吸附作用的影響,可以幫助確定吸附平衡時(shí)間,得到更適用于實(shí)際廢水處理的參數(shù)[25-26]。吸附劑對(duì)染料的吸附過(guò)程可分2為個(gè)階段(見圖7),第一階段為快速吸附階段,吸附率會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速增加,主要是染料分子從水溶液中被吸附至吸附劑表面;第二階段為慢速吸附階段,即吸附率緩慢增長(zhǎng)直至穩(wěn)定,染料分子需克服膜阻力等因素進(jìn)入微生物內(nèi)部。測(cè)定不同時(shí)間下的吸附率發(fā)現(xiàn),游離菌株與硅膠固定化菌株的初始吸附速率要大于大孔樹脂固定化菌株,10 min時(shí)前2種吸附劑進(jìn)入了緩慢階段,30 min接近吸附平衡,即吸附容量達(dá)到飽和,吸附率不再隨時(shí)間增加。而大孔樹脂在60 min進(jìn)入緩慢吸附階段,大約在3 h左右接近吸附平衡狀態(tài)。

圖7 時(shí)間對(duì)吸附作用的影響

2.3.5 溶液初始濃度對(duì)吸附作用的影響

吸附劑吸附容量高度依賴于初始染料濃度,染料濃度會(huì)影響吸附劑表面上的可用位點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō),由于吸附劑表面吸附位點(diǎn)的飽和,染料去除率隨著初始染料濃度的增加而降低。另一方面,高初始染料濃度下傳質(zhì)的高驅(qū)動(dòng)力會(huì)導(dǎo)致吸附劑容量的增加[27]。測(cè)定不同初始濃度的溶液中MB剩余濃度(見圖8),可以發(fā)現(xiàn),MB初始濃度從50 mg/L增至500 mg/L,游離微生物平均吸附率下降了52%,硅膠和樹脂固定化菌株平均吸附率分別下降23%和45%,說(shuō)明吸附高濃度MB時(shí),固定化吸附劑的吸附作用要優(yōu)于游離菌株,其中無(wú)機(jī)載體硅膠固定化吸附劑的吸附效果最佳。由于高濃度的MB染料具有明顯的毒害作用,可能對(duì)微生物吸附過(guò)程有一定影響,而載體為微生物提供了良好的生長(zhǎng)空間,可增加其對(duì)外部理化環(huán)境的抗性。另外,可能該條件下無(wú)機(jī)載體硅膠比有機(jī)載體大孔樹脂更利于菌株的富集。

圖8 MB初始濃度對(duì)吸附作用的影響

2.4 無(wú)機(jī)鹽對(duì)吸附劑吸附速率的影響

如圖9所示,一價(jià)無(wú)機(jī)鹽對(duì)大孔樹脂固定化菌株的吸附作用有一定影響,對(duì)游離菌株與硅膠固定化菌株影響較小。相較于游離菌株和硅膠固定化吸附劑,大孔樹脂固定化吸附劑作用更不穩(wěn)定,說(shuō)明一價(jià)無(wú)機(jī)鹽可能主要影響了緩慢吸附階段。二價(jià)鹽對(duì)游離菌株吸附作用影響較小,其中Mg2+對(duì)吸附過(guò)程體現(xiàn)出了一定促進(jìn)作用。比對(duì)無(wú)機(jī)鹽對(duì)硅膠固定化菌株的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn),PO43-、SO42-、K+、Ca2+、Ba2+對(duì)吸附劑有一定抑制作用,吸附率隨離子濃度增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖9 無(wú)機(jī)鹽對(duì)吸附作用的影響

2.5 動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

采用準(zhǔn)一階與準(zhǔn)二階動(dòng)力學(xué)模型擬合吸附劑對(duì)MB的吸附動(dòng)力學(xué),模型參數(shù)和相關(guān)系數(shù)見表1,結(jié)果如圖10所示,。由擬合結(jié)果可以看出,3種吸附劑與2種模型都可以很好擬合,qe值與實(shí)際所測(cè)值一致,說(shuō)明3種吸附劑都存在物理吸附和化學(xué)吸附。比較R2值得出大孔樹脂固定化菌株與準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合度更高,以化學(xué)吸附為主,飽和吸附容量與實(shí)際測(cè)量值更加接近。比較K2值,可推測(cè)游離菌株的吸附過(guò)程最容易進(jìn)行,其次是硅膠固定化菌株,最后是大孔樹脂固化菌株,這與實(shí)際所測(cè)結(jié)果相符。

表1 準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合

圖10 動(dòng)力學(xué)

由圖10可以看出,3種吸附劑達(dá)到一定吸附容量后,進(jìn)入平衡階段,即吸附容量不再發(fā)生改變。其中游離微生物和硅膠固定化微生物在30 min左右接近吸附飽和,而大孔樹脂固定化微生物較慢,膜擴(kuò)散階段對(duì)其影響作用較小,顆粒擴(kuò)散階段對(duì)其影響較大,在180 min左右達(dá)到吸附飽和。故而3種吸附劑分別選用30、30、180 min繼續(xù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.6 吸附等溫線測(cè)定

吸附等溫線對(duì)于研究吸附劑顆粒與吸附物相互作用的過(guò)程具有重要意義, 可以幫助了解吸附背后的機(jī)制并提供表面性質(zhì)、 親和力和吸附劑吸附能力[28]。 3種吸附劑的吸附容量qe在298.15、 303.15、 308.15 K這3種溫度下差異并不明顯,qe隨著MB溶液初始濃度增加而增加, 已有研究證明初始濃度增加可以有效增加吸附劑吸附容量[25]。采用Langmuir和Freundlich模型進(jìn)行擬合(見圖11), 相關(guān)系數(shù)見表2和表3。 Freundlich是假設(shè)表面非均一的吸附過(guò)程, Langumir是基于表面為單層均勻的吸附過(guò)程,假設(shè)吸附劑表面所有吸附位點(diǎn)能量相同且被吸附的粒子之間相互獨(dú)立[18]。 比較R2值發(fā)現(xiàn), 固定化吸附劑吸附過(guò)程與Langumir模型更貼近,Langumir模型下大孔樹脂固定化菌株最大吸附容量為32 mg/g,游離菌株在同等條件下平均吸附容量為153 mg/g,說(shuō)明大孔樹脂固定化吸附劑主要以菌株對(duì)MB的吸附作用為主。游離微生物與Freundlich方程式擬合度更高,說(shuō)明MB分子在游離菌株LM-44上的吸附作用位點(diǎn)是非均一的,不能簡(jiǎn)單以Langmuir模型估算LM-44最大吸附容量,吸附容量仍可能隨反應(yīng)條件的改變?cè)龃蟆?/p>

表2 Langmuir等溫線擬合

表3 Freundlich等溫線擬合

2.7 Bacillus megaterium LM-44與Bacillus sp LM-24吸附性能比較

本課題組前期分離了一株對(duì)典型偶氮染料亞甲基藍(lán)(MB)具有優(yōu)勢(shì)吸附作用的芽孢桿菌Bacillussp.LM-24,其在含NaCl超過(guò)6%的培養(yǎng)基上不再生長(zhǎng),而BacillusmegateriumLM-44在培養(yǎng)基含NaCl為8%時(shí)不再生長(zhǎng),說(shuō)明BacillusmegateriumLM-44較Bacillussp.LM-24具有更好的耐鹽性。比較2種菌株對(duì)不同含鹽量MB的吸附作用,發(fā)現(xiàn)2種菌株吸附作用在含鹽量大于4%時(shí)依然具有較好的吸附去除效果,低濃度NaCl對(duì)其吸附作用有一定影響(見圖12)。而染料廢水含鹽度通常在3%～10%[29-32],說(shuō)明2株芽孢桿菌適用于處理染料廢水。

圖12 NaCl濃度對(duì)LM-44與LM-24吸附作用的影響

比較最適吸附條件發(fā)現(xiàn)(見表4),2種菌株最適吸附條件接近,但LM-44在不同環(huán)境pH、溫度以及含不同無(wú)機(jī)鹽離子溶液中,呈現(xiàn)出了更好的穩(wěn)定性。改變初始MB溶液溶度,在吸附100 mg/L的MB溶液時(shí),測(cè)得LM-24最大吸附容量為56 mg/g,之后其吸附容量隨MB初始濃度升高而減小,而LM-44吸附500 mg/L的MB溶液時(shí),測(cè)得吸附容量為153 mg/g, 說(shuō)明LM-44對(duì)高濃度廢水仍然具有較好的去除作用。動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),6種吸附劑與準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)都具有較高的擬合度。LM-24游離菌以及其固定化吸附劑都與準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合度更高,以化學(xué)吸附為主;LM-44以及其固定化吸附劑都與準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合度更高,以物理吸附作用為主。表明固定化吸附劑的理化吸附作用機(jī)制與菌株吸附作用一致。等溫線實(shí)驗(yàn)表明,LM-24與Langmuir模型擬合度更高,表明其表面吸附位點(diǎn)為均一的,而LM-44與Freundlich模型擬合度更高,即其表面吸附位點(diǎn)為非勻相的[33]。

表4 吸附劑相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

1)BacillusmegateriumLM-44最高生長(zhǎng)耐鹽度為8%,一株對(duì)MB具有較好吸附作用的耐鹽菌,經(jīng)優(yōu)化后,游離菌株在最適反應(yīng)條件(吸附劑濃度1.187 mg/mL、溶液pH=9、溫度25 ℃、150 r/min、震蕩反應(yīng)60 min)下,對(duì)100 mg/L MB溶液的去除率為70%,吸附容量為50 mg/g,對(duì)500 mg/L MB溶液吸附容量為153 mg/g;硅膠固定化吸附劑在最適反應(yīng)條件(吸附劑濃度2 g/L、溶液pH=9、溫度25 ℃、150 r/min、震蕩反應(yīng)120 min)下,對(duì)100 mg/L MB溶液的去除率為98%,吸附容量為49 mg/g,對(duì)500 mg/L MB溶液的吸附容量為192 mg/g;大孔樹脂固定化吸附劑在最適反應(yīng)條件(吸附劑濃度8 g/L、溶液pH9、溫度25 ℃、150 r/min,震蕩反應(yīng)180 min)下,對(duì)100 mg/L MB溶液的去除率為82%,吸附容量為10 mg/g,對(duì)500 mg/L MB溶液的吸附容量為32 mg/g。

2) 3種吸附劑總體對(duì)金屬離子有較好的耐受性,共存離子PO43-、SO42-、K+、Ca2+、Ba2+對(duì)吸附劑有一定抑制作用。

3) 3種吸附劑均與準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合度更高, 吸附作用均存在化學(xué)與物理作用, 但以物理作用為主。 游離微生物與Freundlich模型擬合度更高, 而固定化吸附劑與Langmuir模型擬合度更高。

4) 單因素實(shí)驗(yàn)表明,溶液pH、溶液初始濃度對(duì)吸附劑吸附作用有較為明顯的影響。有機(jī)載體大孔樹脂固定化菌株吸附性能在不同pH條件下具有優(yōu)越的穩(wěn)定性,而無(wú)機(jī)載體硅膠固定化微生物在堿性條件下吸附作用更為穩(wěn)定,且適用于吸附高濃度MB。表明固定化BacillusmegateriumLM-44對(duì)不同pH、溫度、染料濃度的穩(wěn)定性明顯提高,適合處理高鹽環(huán)境的染料廢水,具有制備偶氮脫色吸附劑的潛能。在后續(xù)固定化載體和微生物聯(lián)合研究中,還要擴(kuò)大對(duì)具有高效穩(wěn)定吸附作用的菌株與最廉價(jià)高效載體的篩選,進(jìn)一步探究載體與微生物之間的作用機(jī)制、固定化方法與條件的影響以及長(zhǎng)期的環(huán)境效應(yīng)。