付 晶１，２，王学松２，王 亮１
（１．广东省珠海市金湾区吉林大学珠海学院化学与药学系，广东 珠海 ５１９０００；２．淮海工学院化学工程学院，江苏 连云港 ２２２００５）
摘要：研究了海洋细菌原玻璃蝇节杆菌（Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ ｐｒｏｔｏｐｈｏｒｍｉａｅ）对水溶液中Ｐｂ（Ⅱ）的吸附性能，探讨了溶液酸碱度、温度、菌体浓度和接触时间等因素对去除效率的影响。利用原子力显微镜技术探测吸附前后细胞表面的变化。结果表明，该海洋菌体吸附铅离子的最佳酸碱度为ｐＨ ６，去除铅离子的最佳温度为５５ ℃，且增大菌体浓度有利于铅离子的去除，准二级动力学模型较好地拟合了动力学数据。铅离子的吸附导致细菌细胞表面产生显著变化。
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关键词 ：原玻璃蝇节杆菌（Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ ｐｒｏｔｏｐｈｏｒｍｉａｅ）；Ｐｂ（Ⅱ）；原子力显微镜；生物吸附
中图分类号：Ｘ７０３ 文献标识码：Ａ 文章编号：０４３９－８１１４（２０１５）０４－０８１７－０４
ＤＯＩ：１０．１４０８８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ０４３９－８１１４．２０１５．０４．０１３
收稿日期：２０１４－０５－２９
基金项目：江苏省海洋生物技术重点实验室开放课题项目（２０１１ＨＳ００４）；淮海工学院校内课题项目（２０１０１５００１７）
作者简介：付 晶（１９８９－），吉林通化人，硕士，主要从事环境化学研究，（电话）13417797877（电子信箱）beibei9469＠１６３．ｃｏｍ。
环境问题已成为２１世纪全球关注的焦点。解决环境问题的核心在于以日益发展的科学技术为前提，减少人类生存活动对自然环境的污染，其中以重金属污染为主要方面［１］。金属铅是一种常见的有害重金属，主要的污染来自矿山的开采、染料、冶炼、印刷、电缆及油漆等生产过程中排放的废水和废物。铅对人体的危害很大，主要以磷酸三铅的形式蓄积在人体的骨骼中，少量蓄积在肝脏、肾脏、脑和血液中［２－５］。近几十年来，随着社会的进步和科技的发展，许多研究人员利用生物吸附技术去除水体中的重金属铅，并取得了一定的成绩。
生物吸附是指利用具有分离重金属能力的微生物细胞或微生物的分泌物以及由细胞制备的衍生物通过吸附的方式去除或回收水体中的重金属离子。目前，对应用微生物吸附作用去除重金属的方法已经进行了比较广泛的研究，发现了部分有潜力的、具有很高的金属束缚能力的生物吸附材料［6，7］，其中包括海藻类、细菌类、真菌类、酵母类和发酵业食品工业的废弃生物菌类。微生物吸附法作为一种新兴的处理技术，具有来源广、成本低等优点。对多种重金属具有吸附作用，有较宽的吸附范围。水溶液中重金属离子浓度很低时，使用微生物吸附剂去除水中重金属离子的效果明显优于普通的离子交换剂［8－１0］。
本研究利用了从连云港市近海海域沉积物中筛选获得的一株原玻璃蝇节杆菌（Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ ｐｒｏｐｈｏｒｍｉａｅ）为吸附剂，研究其对废水中铅的吸附性能，为实际应用提供技术参考。
１ 材料与方法
１．１ 主要仪器与试剂
主要仪器：ＳＷ－ＣＪ－１Ｄ型单人净化工作台（苏州净化设备有限公司），ＬＤＺＸ－４０ＳＡ型立式压力蒸汽灭菌器（上海申安医药器械厂），ＨＺＱ－Ｃ型空气浴振荡器（中国哈尔滨东联电子技术开发有限公司），ｐＨＳ－３Ｃ型精密ｐＨ计（上海精密科学仪器有限公司），ＴＡＳ－９９０Ａ型原子吸收分光光度计（北京普析通用公司），ＴＧＬ－１６ＧＢ型高速离心机（上海安亭科学仪器厂），Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ＩＣＯＮ 型原子力显微镜（德国布鲁克 Ｂｒｕｋｅｒ）。
主要试剂：蛋白胨、酵母膏、琼脂粉、氢氧化钠及硝酸铅，以上试剂均为分析纯。
１．２ 菌体的制备
将从连云港市近海海域沉积物中分离纯化得到的原玻璃蝇节杆菌菌株接入２２１６Ｅ培养基中，摇床振荡１２ ｈ（２５ ℃，１８０ ｒ／ｍｉｎ），将培养液于８ ０００ ｒ／ｍｉｎ下高速离心１５～２０ ｍｉｎ，弃去上清液并用去离子水冲洗３～４次，弃去上清液，菌体冻干。将冻干的部分菌体配制成一定浓度的菌体悬浮液备用。
１．３ 生物吸附试验
将一定质量浓度的铅离子溶液置于锥形瓶中，用ＮａＯＨ和ＨＣｌ调节溶液ｐＨ。向其中投入配置好的菌体悬浮液，将锥形瓶迅速置于２５ ℃的恒温振荡器中振荡一段时间后取出离心，留上清液待测。在此研究中分别探讨了溶液ｐＨ、菌体的质量浓度、反应温度和接触时间等对铅离子吸附效果的影响。
１．４ 分析方法
利用火焰原子吸收法测定上清液中铅离子的浓度，用精密ｐＨ计测定上清液ｐＨ。
２ 结果与分析
２．１ 溶液酸碱度对吸附率的影响
酸碱度的变化可以改变微生物的吸附位点，改变表面电荷以及各配位基团的络合能力，且能影响金属溶液的化学特性及状态等，对于一般溶液而言，ｐＨ增大，吸附率也随之增大。但ｐＨ与吸附率并非线性增长的关系，当ｐＨ超过金属离子的沉淀上限时，由于部分金属离子形成氢氧化物沉淀，微沉积于细菌表面，从而影响了金属离子与吸附位点的结合，使吸附率降低［11］。溶液酸碱度对去除效率的影响如图１所示。
由图１可知，当溶液ｐＨ＜３的时候，原玻璃蝇节杆菌对铅的吸附率快速上升至９０％，至ｐＨ ６时吸附率达到最大。随着ｐＨ的继续升高，吸附率下降，这可能是因为部分铅离子形成氢氧化物沉淀，影响了铅离子与吸附位点的结合。
２．２ 菌体浓度对吸附率的影响
菌体浓度对吸附率的影响如图２所示。由图２可知，随着菌体浓度的增大，更多的铅离子被吸附在菌体上，从而导致吸附率逐渐增大。菌体浓度的增大可以提高吸附率，这是因为当菌体浓度增大时，为铅离子提供的活性吸附位点数目不断增多，可以使更多的铅离子吸附在菌体表面。但由于铅离子的浓度并未改变，继续增大菌体浓度，单位质量的菌体所吸附铅离子减少，因此吸附容量降低［１2］。
２．３ 温度对吸附率的影响
升高温度可以提高金属离子的吸附率，但过高的温度也会制约金属离子的吸附率，且过高的温度会增加去除成本，因此不宜选取过高的温度［１3］。温度对铅离子吸附率的影响如图３所示。随着温度由２0 ℃逐渐升高至５0 ℃，吸附率也逐渐增大。此后继续升高温度对吸附率的影响不明显。
２．４ 接触时间对吸附率的影响
接触时间是影响重金属吸附的一个重要因素，生物吸附一般可分为两个阶段。第一个阶段为快速吸附阶段，通常在几十分钟内就可以达到总吸附量的７０％左右，这个阶段是重金属在细胞壁的富集阶段；第二阶段为慢速阶段，通常需要几十个小时才能达到最终吸附。在第二阶段发生的是金属向细胞内扩散等。接触时间对铅离子吸附率的影响如图４所示。由图４可知，４ ｈ之前为快速吸附阶段，吸附率达到７０％左右，随后进入了慢速吸附阶段，在接下来的几个小时中，吸附率的变化不大，趋于平稳。
准二级动力学方程常用于描述生物吸附体系动力学数据：
式（１）中，ｑｅ、ｑｔ分别为吸附平衡时以及吸附时间ｔ时被吸附金属离子量（ｍｇ／ｇ）；ｋ２为准二级动力学速率常数。
用准二级动力学方程对试验数据进行拟合，相关系数Ｒ２为０．９９７ ０，这表明原玻璃蝇节杆菌对铅离子的吸附符合准二级动力学模型，可推测吸附的速率控制步骤为化学吸附。
２．５ 吸附等温线
Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型是使用最多的描述固体吸附剂吸附重金属的等温线模型。Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型假定吸附位点数量是有限的，均匀地分布于吸附剂表面，吸附为单分子层吸附。在这些假定的基础上，建立了Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型：
式（２）中，Ｃｅ为吸附平衡时的溶液浓度（ｍｇ／Ｌ）；ｑｍａｘ为最大吸附容量（ｍｇ／ｇ）；ｑｅ为平衡时被吸附金属离子量（ｍｇ／ｇ）；ｂ为与吸附能有关的常数（ｄｍ３／ｍｇ）。这些参数可以由Ｃｅ／ｑｅ对Ｃｅ作图的斜率和截距得到。
根据计算，Ｌａｎｇｍｕｉｒ等温线拟合试验数据，Ｒ２为０．９８３ ４，这说明Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型能够被用来描述原玻璃蝇节杆菌吸附铅离子的过程，其最大吸附容量ｑｍａｘ为１０．４ ｍｇ／ｇ。
Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ等温线模型是另一个常用的描述固体吸附剂吸附重金属的等温线模型。Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ模型假定吸附剂表面性质不同，且吸附位点分布并不均匀。Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ等温线方程为：
式（３）中，Ｋｆ为与吸附能力有关的常数；ｎ为与温度有关的常数，一般认为１／ｎ值界于０．１0～０．５0之间时易于吸附，而大于２.00时难以吸附。对原玻璃蝇节杆菌吸附铅离子的过程进行Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ拟合，相关系数Ｒ２为０．９８７ ８，１／ｎ值为０．７５，说明生物吸附可以进行。
２．６ 吸附体系中Ｎａ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋的浓度变化
原玻璃蝇节杆菌吸附铅离子的过程伴随着Ｎａ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋的释放，其释放情况如图５所示。
由生物吸附的动力学数据可知，随着时间的增加，铅离子的吸附率先急速上升，随后趋于平缓。由图５可知，在相同条件下，反应体系中，随着铅离子的吸附，释放出Ｎａ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋。在初始的１ ｈ内３种阳离子迅速释放，随后趋于平稳，其中Ｎａ＋、Ｃａ２＋的释放量明显高于Ｍｇ２＋。因此在原玻璃蝇节杆菌吸附铅离子的过程中，存在离子交换过程。
２．７ 菌体细胞吸附铅离子前后微观形态的ＡＦＭ观察
为进一步探讨原玻璃蝇节杆菌对铅离子的吸附机理，对其进行了原子力显微镜的微观形态观察，吸附前后的菌体样品的３Ｄ图像如图６和图７所示。
由图６和图７可知，吸附铅离子前的菌体细胞是由数个细胞紧密连接在一起，每个细胞头大尾细且细胞中部有节状结构，单个细胞长约１．１９ μｍ，宽约５１７．０３ ｎｍ，高约１８８．６ ｎｍ，细胞壁光滑。吸附铅离子后，细胞体积膨胀，单个细胞尺寸发生变化，长约２．０６ μｍ，宽１．３１ μｍ，高约２９１．００ ｎｍ。同时，吸附铅离子后的细胞壁表面变得粗糙，有的部分甚至发生塌陷，节状结构消失，这可能是由于细胞壁表面的官能团与铅离子发生络合作用，从而使其表面变得粗糙，另外细胞在溶液中因渗透作用等而发生膨胀，从而导致某些部分的细胞结构发生破损，吸附铅离子后的细胞不再紧密有序排列，而是几个细胞黏连在一起，这可能是由于细胞表面性能（如表面电荷等）发生了改变，使得细胞之间黏附力增强，细胞之间更容易发生聚集黏结。
３ 小结
原玻璃蝇节杆菌对水溶液中铅离子的吸附试验研究了ｐＨ、温度、菌体浓度和接触时间等因素对铅离子吸附能力的影响，初步探讨了其吸附机理。由试验结果可以得出如下结论：（１）pH 6时原玻璃蝇节秆菌体对铅离子吸附率最大；（２）增大菌体浓度有利于铅离子的吸附；（３）吸附铅离子的最佳温度为５５ ℃；（４）吸附过程符合Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ模型和准二级动力学模型；（５）铅离子的吸附可导致细菌细胞表面产生显著变化。
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（责任编辑 韩 雪）