李氏禾內(nèi)生細(xì)菌BacilluscereusJ01吸附Cr3+的研究

摘 要：" 為考察李氏禾內(nèi)生細(xì)菌蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01菌株吸附Cr3+的性能，以蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體作為生物吸附劑，采用單因素實(shí)驗(yàn)方法考察pH、溫度、Cr3+初始濃度、吸附劑用量、吸附時(shí)間等條件對(duì)Cr3+吸附性能的影響，分析其等溫吸附過(guò)程、動(dòng)力學(xué)過(guò)程及熱力學(xué)過(guò)程，并采用紅外光譜方法對(duì)吸附機(jī)理進(jìn)行初步分析。結(jié)果表明：（1）在50 mL反應(yīng)體系中，當(dāng)pH值為6、溫度為40 ℃、Cr3+初始濃度為150 mg·L-1、吸附劑投加量為0.2 g、吸附時(shí)間為12 h時(shí)，蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體對(duì)Cr3+的吸附性能達(dá)到最佳，其平衡吸附量和Cr3+去除率分別為34.30 mg·g-1、91.60%。（2）等溫吸附過(guò)程分析結(jié)果顯示，朗格繆爾吸附等溫模型能更好地模擬蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體對(duì)Cr3+的吸附，其吸附過(guò)程更傾向于單分子層吸附。（3）吸附過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果顯示，蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體對(duì)Cr3+的吸附更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)速率方程。（4）吸附過(guò)程熱力學(xué)分析結(jié)果顯示，在40 ℃下，吸附過(guò)程的△G、△H和△S分別為-2.609 kJ·mol-1、61.792 kJ·mol-1和206.11 J·mol-1，該溫度下吸附過(guò)程是自發(fā)過(guò)程。（5）紅外光譜分析結(jié)果顯示，蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體對(duì)Cr3+的吸附可能通過(guò)細(xì)胞成分中的氨基、羥基和羰基起作用。該研究結(jié)果表明該菌的失活菌體對(duì)Cr3+具有較強(qiáng)的吸附性能，并在鉻污染的環(huán)境治理中具有較好的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞： 蠟樣芽孢桿菌， 吸附， Cr3+， 李氏禾， 內(nèi)生細(xì)菌

中圖分類(lèi)號(hào)：" Q946

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：" A

文章編號(hào)：" 1000-3142（2024）10-1839-09

收稿日期：" 2023-06-18

接受日期：" 2023-08-07

基金項(xiàng)目：" 廣西自然科學(xué)基金 （2016GXNSFAA380014）；" 國(guó)家自然科學(xué)基金 （31460409）。

第一作者： 張澤宇（1996—），碩士研究生，研究方向?yàn)樯锘?，（E-mail）1216891138@qq.com。

*通信作者：" 李海云，博士，教授，主要從事生物催化及生物轉(zhuǎn)化研究，（E-mail）xglihaiyun@126.com。

Study on adsorption of chromium （Cr3+） by endophytic

bacteria Bacillus cereus J01 isolated

from

Leersia hexandra Swartz

ZHANG Zeyu， LI Ziyuan， WANG Shaoyang， CHEN Xinyi， WANG Liqi， LI Haiyun*

（ Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Food Safety and Detection， College of Chemistry

and Bioengineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， Guangxi， China ）

Abstract："" The effects of pH， temperature， initial Cr3+ concentration， adsorbent dosage， time， and other factors on the adsorption capacity of Cr3+ were examined by the single factor test method using inactivated Bacillus cereus J01 strain as biological adsorbent in order to investigate the adsorption performance of Cr3+ by endophytic bacterium Bacillus cereus J01 from Leersia hexandra Swartz. The kinetic， thermodynamic， and isothermal adsorption processes were analyzed. Infrared spectroscopy was used to provide a preliminary analysis of the Cr3+ adsorption mechanism. The results were as follows： （1） In the reaction system of 50 mL， inactivated Bacillus cereus J01 reached the best adsorption performance on Cr3+ when pH value was 6， temperature was 40 ℃， initial concentration of Cr3+ was 150 mg·L-1， adsorbent dosage was 0.2 g and adsorption time was 12 h. The equilibrium adsorption capacity was 34.30 mg·g-1 and the removal rate of Cr3+ was 91.60%. （2） The Langmuir isothermal adsorption model could better simulate the adsorption of Cr3+ by inactivated Bacillus cereus J01. The adsorption process was more similar to monolayer adsorption. （3） The adsorption kinetics analysis showed that the adsorption of inactivated Bacillus cereus J01 on Cr3+ was more consistent with" quasi-second-order kinetic rate equation. （4） Thermodynamic analysis of adsorption showed that at 40 ℃， △G， △H and △S were -2.609 kJ·mol-1， 61.792 kJ·mol-1 and 206.11 J·mol-1， respectively. The adsorption process was spontaneous at 40 ℃. （5） The results of infrared spectroscopy showed that the adsorption of inactivated Bacillus cereus J01 on Cr3+ could be attributed to the effects of amino， hydroxyl and carbonyl groups in the cell components. The results show that the inactivated bacteria of this bacterium has strong adsorption capacity for Cr3+， and has good application potential in the treatment of environmental chromium pollution.

Key words： Bacillus cereus， adsorption， Cr3+， Leersia hexandra， endophytic bacterium

重金屬污染是世界上最受關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一，對(duì)環(huán)境和人類(lèi)有著各種影響。鉻是對(duì)人體具有致癌和致突變作用的典型重金屬之一（Mishra amp; Bharagava， 2016）。為適應(yīng)對(duì)廢水排放要求越發(fā)苛刻的限制形勢(shì)，許多技術(shù)被用來(lái)脫除廢水中的鉻，如微濾技術(shù)、吸附法、化學(xué)沉淀法、萃取法和電解法（Fu amp; Wang， 2011）。其中，吸附法性?xún)r(jià)比最高，而傳統(tǒng)吸附法存在著明顯缺點(diǎn)，如化學(xué)藥劑用量大、成本高、需要后期進(jìn)行脫水處理、金屬去除不徹底或者易產(chǎn)生二次污染等（Joseph et al.， 2019）。近年來(lái)，微生物吸附法因具有成本低廉、易于處理、可獲得性廣泛、資源豐富和與金屬結(jié)合能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而受到了人們的重視（Vendruscolo et al.， 2017; Wei et al.， 2018）。應(yīng)用的微生物包括微藻（Daneshvar et al.， 2019; Pradhan et al.， 2019）、真菌（de Rossi et al.， 2018; Shi et al.， 2019）和細(xì)菌（Ma et al.， 2018）。鉻的形態(tài)主要表現(xiàn)為三價(jià)鉻（Cr3+）和六價(jià)鉻［Cr（Ⅵ）］。與Cr（Ⅵ）相比，盡管Cr3+毒性較弱，但Cr3+所造成的傷害同樣不可忽視，若吸入的氧化鉻濃度為0.012～0.033 mg·m-3時(shí)，可誘發(fā)鼻出血、鼻黏膜萎縮和鼻中隔穿孔，甚至嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起肺癌（鐘雅潔等，2007； 霍小平和劉存海，2009）。目前，在鉻污染微生物修復(fù)領(lǐng)域，大多數(shù)研究集中在Cr（Ⅵ）的吸附或還原，對(duì)Cr3+的去除研究不多。李欣等（2011）從皮革鉻鞣、復(fù)鞣污泥等處分離純化出絲孢酵母TP、蠟樣芽孢桿菌XB、蠟樣芽孢桿菌MY和土曲霉TQ等菌株，其吸附Cr3+的最大吸附量分別為26.8、19.3、16.9、21.4 mg·g-1；海洋解木糖賴(lài)氨酸芽孢桿菌（Lysinibacillus xylanilyticus sp. JZ008）對(duì)Cr3+的吸附量約為0.4 mg·g-1濕菌體（林梵宇等，2018）；短乳桿菌（Lactobacillus brevis）對(duì)水溶液中Cr3+的最大吸附量約為32 mg·g-1（代啟虎等，2019）；米曲霉AS3.951干菌體對(duì) Cr3+的吸附量為6.66 mg·g-1（吳俊賢，2017）?，F(xiàn)有報(bào)道的Cr3+微生物吸附劑存在種類(lèi)較少、吸附量較低、吸附速率慢等問(wèn)題。因此，亟需尋找新的高效吸附Cr3+的微生物，以補(bǔ)充和完善微生物法修復(fù)鉻污染的菌源。

重金屬超積累植物（hyperaccumulator）（陳一萍，2008）是一類(lèi)能超量吸收重金屬且使其富集的特殊植物，如東南景天（楊肖娥等，2002； 何冰等，2014）、堇葉碎米薺（郭松明等，2022）、 Nopalea cochenillifera（Adki et al.， 2013）、野薄荷（高潔等，2012）等，在重金屬污染修復(fù)中的應(yīng)用日益廣泛。近年來(lái)，為了彌補(bǔ)植物修復(fù)易受生長(zhǎng)周期、地理環(huán)境等影響的不足，植物內(nèi)生菌的應(yīng)用開(kāi)始得到研究者的重視。植物內(nèi)生菌是指一類(lèi)在其部分或全部生活史中存活于健康植物組織內(nèi)部，并且不使宿主植物表現(xiàn)出明顯感染癥狀的微生物（Wilson， 1995）。植物內(nèi)生菌在與宿主植物長(zhǎng)期共存或互存過(guò)程中逐漸形成了自身的獨(dú)特之處，在宿主植物的生長(zhǎng)和抵抗環(huán)境脅迫中起著重要作用（Rho et al.， 2018）。從超富集植物中分離獲得可吸附相應(yīng)重金屬的內(nèi)生菌已有報(bào)道，如As超富集植物蜈蚣草（董睿智，2012）、Zn超富集植物東南景天（龍新憲等，2013）、Cd超積累植物龍葵（曹喆等，2009）、Mn超積累植物商陸（盧文顯，2015）等。李氏禾（Leersia hexandra）是張學(xué)洪等（2006）在中國(guó)桂林境內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)的鉻超積累植物，在鉻污染的環(huán)境中生長(zhǎng)非常迅速且繁殖能力強(qiáng)（張學(xué)洪等，2008），其對(duì)Cr3+和Cr（Ⅵ）都有較強(qiáng)的富集能力（陳俊等，2008； 盧媛媛等，2013）。本課題組前期從李氏禾葉和根中分別分離篩選出內(nèi)生芽孢桿菌Bacillus sp. Y04和陰溝腸桿菌Enterobacter cloacae G04，并將其應(yīng)用于Cr（Ⅵ）的還原（袁治豪，2018；韓文等，2019）。

蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01是本課題組首次從李氏禾莖部組織中分離獲得的1株內(nèi)生細(xì)菌，前期對(duì)該菌株去除Cr（Ⅵ）的性能進(jìn)行了研究（李海云等，2022），研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其對(duì)Cr（Ⅵ）的去除機(jī)理可能與三價(jià)鉻的吸附有關(guān)。針對(duì)現(xiàn)有的Cr3+微生物吸附劑種類(lèi)偏少、吸附效率不高等問(wèn)題，本研究以李氏禾內(nèi)生蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體為吸附材料，考察其對(duì)Cr3+的吸附性能。采用單因素實(shí)驗(yàn)方法考察溫度、pH、Cr3+初始濃度、吸附劑用量、吸附時(shí)間等因素對(duì)Cr3+平衡吸附量和吸附率的影響，建立較優(yōu)的吸附工藝條件，并探討其等溫吸附過(guò)程、動(dòng)力學(xué)過(guò)程、熱力學(xué)過(guò)程及吸附機(jī)理，以期為該菌株在生物除鉻領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，也為Cr3+的微生物吸附提供一種新的途徑，同時(shí)為李氏禾鉻積累機(jī)制中微生物作用研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 主要試劑 鹽酸、硫酸（衡陽(yáng)市凱信化工試劑有限公司）；氯化鉻、尿素、氨水、丙酮、氫氧化鈉、氯化鈉（西隴化工股份有限公司）；高錳酸鉀（汕頭市光華化學(xué)廠）；亞硝酸鈉、瓊脂粉（成都市新都區(qū)木蘭鎮(zhèn)工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)）；氯化鉻（天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）；磷酸（長(zhǎng)沙市分路口塑料化工廠）；胰蛋白胨、酵母浸粉（北京陸橋技術(shù)有限責(zé)任公司）; 無(wú)水乙醇（天津市富宇精細(xì)化工有限公司）；二苯碳酰二肼［百賽勤化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司］。

1.1.2 菌株 蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01：分離自鉻超富集植物李氏禾莖部的內(nèi)生細(xì)菌菌株，現(xiàn)保存于中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心，編號(hào)為CGMCC 14267。

1.1.3 培養(yǎng)基 LB固體培養(yǎng)基：胰蛋白胨10.0 g·L-1，氯化鈉10.0 g·L-1，酵母浸粉5.0 g·L-1，瓊脂15.0 g·L-1，蒸餾水1 000 mL。pH調(diào)整至7，121 ℃下滅菌20 min。

LB液體培養(yǎng)基：胰蛋白胨10.0 g·L-1，氯化鈉10.0 g·L-1，酵母浸粉5.0 g·L-1，蒸餾水1 000 mL。pH調(diào)整至7，121 ℃下滅菌20 min。

1.1.4 主要儀器設(shè)備 ZXRD-B5110型鼓風(fēng)干燥箱（上海智城分析儀器制造有限公司）；冰箱（博西華家用電器有限公司）；SW-CJ-IF型超凈工作臺(tái)（蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司）；PB-10型pH計(jì)、SQP型電子天平（北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司）；立式壓力蒸汽滅菌器（上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；LRH-250-Z型振蕩培養(yǎng)箱（韶關(guān)市泰宏醫(yī)療器械有限公司）；BXHW型電熱套（鞏義市英峪予華儀器廠）；UV760CRT型紫外分光光度計(jì)（上海傲譜分析儀器有限公司）；KQ-400KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；DL-5-B型離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 Bacillus cereus J01菌體吸附劑的制備 斜面保存的Bacillus cereus J01接種至LB固體培養(yǎng)基平板活化，于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后，挑取2環(huán)菌體接種在含100 mL液體培養(yǎng)基的250 mL三角瓶?jī)?nèi)，在37 ℃恒溫水平搖床中以120 r·min-1的轉(zhuǎn)速振蕩培養(yǎng)24 h（為107～108 CFU·mL-1）。共培養(yǎng)20批次，每批次10瓶。培養(yǎng)完畢后，121 ℃高溫下滅菌20 min，10 000 r·min-1下離心10 min去除上清液，收集且合并菌體，冷凍干燥后即得蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體吸附劑，密封貯存于4 ℃冰箱中備用。

1.2.2 吸附實(shí)驗(yàn) 在100 mL具塞錐形瓶中加入一定濃度Cr3+溶液50 mL，加入一定量的蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體，用0.1 mol·L-1鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)至所需pH 值，控制一定溫度，以120 r·min-1振蕩吸附一定時(shí)間后，取適量反應(yīng)液于10 000 r·min-1下離心10 min，收集上清液，采用二苯碳酰二肼分光光度法（GB/T 7467—87）測(cè)定殘余的Cr3+濃度。按公式（1）和公式（2）分別計(jì)算吸附量和去除率。每個(gè)處理均設(shè)置3次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果以平均值表示。

平衡吸附量 （mg·g-1）=

鉻初始質(zhì)量 （mg）-鉻殘余質(zhì)量 （mg）失活菌體干重 （g） （1）

去除率 （%）=

鉻初始質(zhì)量 （mg）-鉻殘余質(zhì)量 （mg）鉻初始質(zhì)量 （mg）×100（2）

1.2.3 吸附熱力學(xué)公式

KD=qe/Ce （3）

△G=-RTlnKD（4）

△G=△H-T△S" （5）

式中： R為氣體常數(shù) （8.314 J·mol-1·K-1）；T為溫度（K）；KD為熱力學(xué)分散系數(shù)；平衡常數(shù)qe為平衡吸附量（mg·g-1）；Ce為平衡吸附濃度（mg·L-1）；△H表示吸附體系的焓變； △G表示吸附體系的吉布斯自由能變； △S表示吸附過(guò)程熵變代數(shù)之和。

1.2.4 紅外光譜分析 分別收集在0、50、100、200 mg·L-1 Cr3+溶液中吸附12 h的蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體，干燥至恒重，與KBr按比例磨細(xì)混勻，壓薄，用FTIR光譜儀測(cè)定，并記錄其光譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)條件對(duì)Cr3+吸附的影響

2.1.1 pH值對(duì)吸附的影響 pH值能直接影響吸附劑的表面活性官能團(tuán)交換作用的能力，而吸附重金屬離子的關(guān)鍵機(jī)制之一就是離子交換過(guò)程。pH值對(duì)蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體吸附Cr3+的影響如圖1所示，當(dāng)pH值在3～6范圍時(shí)，吸附劑對(duì)Cr3+的平衡吸附量和去除率都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；而當(dāng)pH值在6～8之間時(shí)，菌體對(duì)Cr3+的平衡吸附量和去除率都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在pH值為6時(shí)，吸附劑對(duì)Cr3+的平衡吸附量和去除率都達(dá)到最大值，分別為33.76 mg·g-1和90.70%。因此，6為較佳的吸附pH值。

2.1.2 溫度對(duì)吸附的影響 溫度是影響吸附效率的重要因素之一，隨著溫度的逐漸升高，分子間的布朗運(yùn)動(dòng)隨之加快，溶質(zhì)與吸附劑表面接觸的機(jī)會(huì)也會(huì)增加。溫度對(duì)蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體吸附Cr3+的影響如圖2所示，當(dāng)吸附溫度在25～40 ℃范圍時(shí)，平衡吸附量和去除率都隨著溫度的升高而增加，溫度的升高有利于反應(yīng)向吸熱方向移動(dòng)；當(dāng)超過(guò)40 ℃時(shí)，平衡吸附量和去除率反而急劇下降，若溫度過(guò)高耗能就變大，高溫會(huì)使Cr3+與吸附劑脫離，從而不利于吸附。因此，40 ℃為較佳的吸附溫度。

2.1.3 初始Cr3+濃度對(duì)吸附的影響

初始Cr3+濃度對(duì)蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體吸附Cr3+的影響如圖3所示，隨著初始Cr3+濃度的增加，平衡吸附量也逐漸增大，在達(dá)到一定濃度后，吸附量的上漲趨于平緩。重金屬吸附過(guò)程與重金屬濃度和吸附劑投放量有關(guān)，在25～150 mg·L-1范圍內(nèi)，平衡吸附量隨著Cr3+濃度的增大而快速增大，去除率隨著Cr3+濃度的增大而緩慢減小，表面位點(diǎn)幾乎被占滿(mǎn)；在150～300 mg·L-1范圍內(nèi)，平衡吸附量的上漲趨于平穩(wěn)，而去除率隨著Cr3+濃度的增加而快速減小。因此，150 mg·L-1為較佳的初始Cr3+濃度。

2.1.4 吸附劑投加量對(duì)吸附的影響 蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體投加量對(duì)吸附Cr3+的影響如圖4所示，在投加量達(dá)到0.2 g之前，隨著投加量增加，Cr3+的去除率也隨之增加，最高去除率為90.36%。這可能是由于失活菌體與Cr3+接觸的表面積增大，因此給Cr3+提供了更多的吸附位點(diǎn)。但是，當(dāng)失活菌體的劑量繼續(xù)增加時(shí)，吸附劑相互碰撞的機(jī)會(huì)增加，顆粒相互吸引，有效的吸附基團(tuán)被覆蓋，吸附的表面積反而隨之減小，從而導(dǎo)致去除率下降。因此，蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體較佳的投加量為0.2 g。

2.1.5 時(shí)間對(duì)吸附的影響 時(shí)間對(duì)蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體吸附Cr3+的影響如圖5所示，在0～12 h之間，平衡吸附量和去除率隨著吸附時(shí)間的增加而增大，此時(shí)的平衡吸附量最高（34.29 mg·g-1），去除率達(dá)到91.52%。這可能是由于此時(shí)失活菌體表面空白的吸附位點(diǎn)較多，故Cr3+可以與失活菌體表面的吸附位點(diǎn)迅速結(jié)合；12 h后，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，吸附位點(diǎn)逐漸飽和，達(dá)到吸附平衡，平衡吸附量和去除率幾乎不再變化。因此，12 h為較佳的吸附時(shí)間。

2.2 等溫吸附模型

吸附等溫線是指在某一溫度下，吸附量隨著平衡濃度的改變而改變的曲線。最常見(jiàn)的吸附等溫線主要有2種表現(xiàn)形式，分別是朗格繆爾模型和弗倫德利希模型。Cr3+的吸附等溫線擬合情況如圖6所示，所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可知，朗格繆爾方程的線性擬合系數(shù)（R2）為0.996 1，而弗倫德利希方程的線性擬合系數(shù)（R2）只有0.893 3。這表明朗格繆爾吸附等溫線模型可以更好地模擬蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體對(duì)Cr3+吸附的熱力學(xué)過(guò)程，吸附過(guò)程更傾向于單分子層的吸附。

2.3 吸附過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析

吸附過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究通常是指描述吸附劑吸附速度的快慢，它通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，進(jìn)而探討其吸附的機(jī)理。本研究中，動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合。從表2可以看出，R2值相差較小，而準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型中菌體預(yù)測(cè)的Qe值與實(shí)驗(yàn)值q更相符。因此，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程更適合用來(lái)描述蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體的吸附過(guò)程。

2.4 吸附過(guò)程熱力學(xué)分析

吸附熱力學(xué)的研究可以了解吸附過(guò)程發(fā)生的驅(qū)動(dòng)力和程度。蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體吸附Cr3+過(guò)程的熱力學(xué)參數(shù)值如表3所示?！鱄gt;0表示此吸附過(guò)程是吸熱反應(yīng)?！鱏表示吸附過(guò)程熵變代數(shù)之和，熵變一般是用于解釋系統(tǒng)的混亂程度變化之和。熵變很小的情況，說(shuō)明相對(duì)有序；熵變很大的情況，說(shuō)明系統(tǒng)的混亂程度變化很大。當(dāng)溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)增加，從而增加了吸附Cr3+的概率。當(dāng)溫度達(dá)到303 K時(shí)，△G＜0反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行。

2.5 紅外光譜分析

采用傅立葉紅外光譜方法研究李氏禾內(nèi)生細(xì)菌蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體組分中不同化學(xué)官能團(tuán)在吸附Cr3+后的變化，結(jié)果如圖7所示。在3 500～3 200 cm-1范圍的吸收峰，主要是O—H/N—H的振動(dòng)伸縮吸收峰，來(lái)自蛋白質(zhì)、脂肪酸及多糖等組分。肽鍵中CO的伸展運(yùn)動(dòng)、—NH的振動(dòng)和—CN伸展振動(dòng)分別出現(xiàn)在1 650 cm-1吸收峰的附近。1 400 cm-1與1 240 cm-1表示的是羧基和羧酸的CO的振動(dòng)。上述這些官能團(tuán)是在生物吸附劑吸附重金屬過(guò)程中發(fā)揮重要作用的基本組分。隨著Cr3+濃度的增加，3 455.18 cm-1處的—NH峰和—OH峰的強(qiáng)度逐漸減小，表明菌體表面的—NH、—OH在Cr3+的吸附中具有重要作用；在1 636.52 cm-1處也有較強(qiáng)的吸收峰，肽鍵中CO峰和—NH峰有較明顯的變化。當(dāng)金屬離子附著在有機(jī)化合物的官能團(tuán)上時(shí)，會(huì)吸引官能團(tuán)上的電子云，從而導(dǎo)致電子密度降低和鍵長(zhǎng)增加。與不加Cr3+的體系相比，加入不同濃度Cr3+后，在400～800 cm-1波段內(nèi)出現(xiàn)了金屬氧鍵的伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明菌體表面結(jié)合了鉻。紅外光譜分析結(jié)果表明，蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體對(duì)Cr3+起吸附作用的主要官能團(tuán)是—NH、—OH、CO。

3 討論與結(jié)論

微生物在重金屬吸附領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，特別是微生物失活菌體作為吸附劑，具有無(wú)需營(yíng)養(yǎng)維護(hù)、可長(zhǎng)期儲(chǔ)存等特點(diǎn)， 被廣泛用于重金屬離子的吸附（Ozdemir et al.， 2003；Xu et al.， 2017）。李氏禾作為一種鉻超積累植物，目前對(duì)其內(nèi)生菌的研究報(bào)道不多。本研究以李氏禾內(nèi)生蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體為吸附材料，考察其吸附Cr3+的性能和機(jī)制。本研究吸附性能結(jié)果表明，在最適條件下，蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體吸附Cr3+的平衡吸附量和去除率分別可達(dá)34.30 mg·g-1、91.60%，并且在12 h時(shí)可達(dá)吸附平衡，吸附效率高于已有的報(bào)道（李欣等，2011；林梵宇等，2018；代啟虎等，2019）。究其原因，可能是由于李氏禾的鉻超積累性能一方面為內(nèi)生菌提供了一個(gè)高鉻濃度的生長(zhǎng)環(huán)境，從而提高了內(nèi)生菌的鉻抗性；另一方面，內(nèi)生菌作為李氏禾植物體的一部分，在抵抗鉻脅迫過(guò)程中能夠通過(guò)吸收或吸附等作用將鉻進(jìn)行固定，以降低其對(duì)李氏禾的脅迫強(qiáng)度。類(lèi)似的結(jié)果在其他超積累植物內(nèi)生菌研究中也得到了驗(yàn)證（曹喆等，2009；董睿智，2012；龍新憲等，2013；盧文顯，2015）。

本研究中，等溫吸附結(jié)果表明，朗格繆爾吸附等溫模型優(yōu)于弗倫德利希模型，說(shuō)明吸附過(guò)程傾向于單分子層吸附；吸附動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的平衡吸附量（32.26 mg·g-1）與實(shí)驗(yàn)吸附結(jié)果（34.30 mg·g-1）更接近，說(shuō)明質(zhì)量擴(kuò)散步驟對(duì)吸附速率的影響可以忽略，限速步驟是化學(xué)吸附過(guò)程。該過(guò)程可能與金屬離子和生物細(xì)胞之間電子共享或電子交換的共價(jià)力有關(guān)，推測(cè)蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體對(duì)Cr3+的吸附過(guò)程很可能是以細(xì)胞表面附著為主；而吸附體系的焓變△Hgt;0，表明吸附過(guò)程是吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于吸附的進(jìn)行，當(dāng)溫度達(dá)到303 K時(shí)吸附體系的吉布斯自由能變△G＜0，反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行。上述結(jié)果表明，蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體對(duì)Cr3+的吸附以化學(xué)吸附為主，這與已報(bào)道（李群等，2014；麻淳雅等，2020；林海等，2021）的微生物吸附重金屬過(guò)程相似。本研究中，紅外光譜分析結(jié)果表明，蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體吸附Cr3+主要通過(guò)菌體表面蛋白質(zhì)、脂肪酸及多糖中的—NH、—OH、CO等官能團(tuán)起作用，這進(jìn)一步驗(yàn)證了菌體對(duì)Cr3+的吸附過(guò)程是以表面絡(luò)合為主的化學(xué)吸附過(guò)程。

綜上所述，李氏禾內(nèi)生細(xì)菌蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus J01失活菌體對(duì)Cr3+具有較高的吸附效率，在環(huán)境鉻污染的治理中具有較好的應(yīng)用潛力，今后尚需深入研究培養(yǎng)條件對(duì)該菌株吸附Cr3+性能的影響以及擴(kuò)大其培養(yǎng)工藝，為該菌株的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本研究結(jié)果為Cr3+的微生物吸附提供了一種新的途徑，也為李氏禾鉻積累機(jī)制中微生物作用的研究提供了一定參考。

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（責(zé)任編輯 蔣巧媛 鄧斯麗）