微生物絮凝剂MBFA9去除水中Pb2+的机理

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姜彬慧¹, 李凤达¹, 刘倩^1,2, 胡筱敏¹
1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819;
2.辽宁省环境科学研究院，辽宁沈阳 110031
收稿日期: 2015-07-13
基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51278090); 辽宁省科学事业公益研究基金资助项目(201400311)。
作者简介: 胡筱敏(1958-)，男，江西婺源人，东北大学教授，博士生导师.。
通信作者：姜彬慧(1962-)，女，辽宁沈阳人，东北大学教授。

摘要: 从土壤中筛选得到一株类芽孢杆菌A9，所产微生物絮凝剂MBFA9对水中Pb²⁺具有较高的去除作用，并进一步考察了MBFA9对Pb²⁺的吸附动力学和热力学过程.结果表明：当水中初始Pb²⁺质量浓度为56.20mg/L，MBFA9吸附25min后的去除率最高可达92.73%；MBFA9捕集Pb²⁺的理论最大值为196.08mg/g，吸附速率常数k₂为0.019g/(mg·min)，动力学特征符合准二级动力学模型，其等温吸附模型与Langmuir方程拟合较好，相关系数R²=0.96；结合红外光谱检测、场发射扫描电镜和能谱分析，探讨了MBFA9去除Pb²⁺的机理为其表面的官能团如羟基、酰胺基、羧基等在捕集Pb²⁺过程中与之发生配合作用，对Pb²⁺的去除贡献了重要作用.
关键词：微生物絮凝剂MBFA9Pb²⁺动力学热力学去除机理
Removal Mechanism of Lead (II) Ions by Bioflocculant MBFA9 from Aqueous Solution
JIANG Bin-hui¹, LI Feng-da¹, LIU Qian^1,2, HU Xiao-min¹
1.School of Resources & Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China;
2.Liaoning Research Achademy of Environmental Sciences,Shenyang 110031, China
Corresponding author: JIANG Bin-hui. E-mail:jiangbinhui@mail.neu.edu.cn
Abstract: The bioflocculant produced by a stain of Paenibacillus sp. A9 which separated and purified from soilhada high removal rate of Pb²⁺ in the water, and the adsorption kinetics and thermodynamic process of MBFA9 were further investigated. The results showed that the removal rate of Pb²⁺ reaches 92.73% at initial concentration of 56.2mg/L.The theoretical maximum capacity was 196.08mg/g, and the adsorption rate constant k₂ was 0.019g/(mg·min^-1).The dynamic characteristics of MBFA9 capturing Pb²⁺ in the water are in accordance with pseudo-second kinetic model, and the adsorption isotherm model of MBFA9 capturing Pb²⁺ agrees well with the Langmuir equation of thermodynamics with the correlation coefficient R²=0.96. Comparison among the IR spectra,SEM and EDS of MBFA9 capturing Pb²⁺ showed that the main component of MBFA9 is polysaccharides and the reaction mechanism is that functional groups on the surface of flocculant and Pb²⁺ formed chelate by chelation.There is chemical reaction between hydroxyl, amido, carboxyl and Pb²⁺ in the trapping process, and there is also a floc of sweep function, so MBFA9 has better removal effect on Pb²⁺.
Key Words: MBFA9Pb²⁺kineticsthermodynamicsremoval mechanism
由于经济的快速发展，工业废水大量排放，导致在土壤和水体中积累较多的重金属，严重污染了环境并危害人类及其他生物的健康，因此对重金属废水处理技术的深入研究势在必行^[1-2].与化学沉淀法、离子交换法、氧化还原法等方法相比，生物吸附法去除重金属具有处理成本低廉、操作方法简便、选择性强、处理效果好等优点，一直是重金属废水处理研究的热点.以往的研究大多集中在利用微生物作为吸附剂去除重金属^[3]，近年来，有学者开展了利用微生物絮凝剂处理重金属Cd²⁺和Cu²⁺的研究^[4-6].微生物絮凝剂(microbial flocculants，MBFs)是由微生物产生的天然高分子生物絮凝剂，其主要成分为脂多糖、多糖、蛋白质、纤维素和核酸，它可以使液体中不易降解的固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体粒子等产生凝集和沉淀^[7].与传统高分子絮凝剂相比，MBFs具有高效、可生物降解、绿色环保等优点，在废水处理方面显示出广阔的应用前景，因此，越来越受到广大学者的关注，现已成为水处理领域的研究热点之一^[8].类芽孢杆菌A9(Paenibacillus sp. A9) 为本课题组发现具有絮凝作用的一个新菌种^[9]，已完成其培养条件优化、结构检测、机理分析和A9的基因组特征^[10-11]等研究工作.本文拟通过研究微生物絮凝剂MBFA9 捕集水中重金属Pb²⁺的动力学与热力学特征，结合红外光谱、发射场扫描电镜及能谱分析，探究MBFA9对Pb²⁺的去除机理，为微生物絮凝剂的应用提供理论依据.
1 试验方法1.1 菌种来源菌株A9由本课题组从公园桃树根系土壤中分离筛选纯化获得，现保存于中国科学院微生物研究所菌种保藏中心(CGMCC 2040) ，研究发现A9为类芽孢杆菌属(Paebubacillus sp.)的一个新种^[9]，所产絮凝剂MBFA9对高岭土悬浮液的絮凝率高达99.6%.
1.2 培养基成分及培养条件牛肉膏蛋白胨培养基(PB培养基)：牛肉膏0.50g，蛋白胨1.00g，NaCl 0.50g，蒸馏水100.00mL，pH=7.00，121℃灭菌30min后，于4℃冰箱中保存备用.
葡萄糖发酵培养基(GF培养基)：葡萄糖2.00g，磷酸二氢钾0.20g，磷酸氢二钾0.50g，七水硫酸镁0.02g，氯化钠0.01g，脲0.05g，酵母膏0.05g，蒸馏水100.00mL，pH=7.50~8.00.121℃灭菌30min后，于4℃冰箱中保存备用.
1.3 主要试剂及配制Pb²⁺储备液的配制见参考文献[12].
1.4 MBFA9的制备将菌株A9接种于PB培养基中活化24h后，以一定体积比转接到GF培养基中，在摇床转速为150r/min，30℃条件下发酵培养72h，将其发酵液稀释3倍后，置于离心机中以转速为8000r/min离心15min除菌体，浓缩、乙醇沉淀、氯仿正丁醇去除游离蛋白，透析48h后真空冷冻干燥即得到絮凝剂MBFA9粗品.
1.5 MBFA9对重金属去除率的测定配制一定质量浓度含Pb²⁺溶液，调节初始pH值为5.0，将一定量MBFA9加入到Pb²⁺溶液中，在30℃、摇床转速为150r/min条件下振荡30min后取样，6000r/min离心10min，取一定量上清液，用离子体发射光谱仪(Prodigy XP ICP)检测上清液中剩余的Pb²⁺质量浓度，按式(1) 和式(2) 计算去除率和吸附量.

(1)

(2)

式中：去除率Q，%；吸附量q,mg/g;C₀为吸附前溶液中Pb²⁺质量浓度，mg/L；C_e为吸附后溶液中Pb²⁺质量浓度，mg/L；m为吸附剂用量，g；V为溶液总体积，L.
1.6 MBFA9去除重金属Pb²⁺的机理研究将MBFA9捕集重金属Pb²⁺前后的沉淀物干燥后与KBr研磨压片，利用红外光谱仪(Nicollet 380，FTIR)分析MBFA9的基团位移变化.另外将处理前后的样品干燥后喷金，用场发射扫描电镜(ULTRA/PLUS，FESEM)和能谱(EDX)分析表征MBFA9的结构与成分变化.
2 结果与讨论2.1 吸附动力学研究Lagergren准二级反应动力学模型为

(3)

式中：k₂为准二级吸附速率常数，g/(mg·min)，利用t/q_t对t作图可求得k₂；k₂q_e²为初始吸附速率，mg/(g·min).
根据反应时间对捕集Pb²⁺的影响结果，利用t/q_t与t作图，可得到准二级动力学方程，Y=0.051X-0.014，R²=0.9978，相关参数通过t/q_t对t的拟合计算确定.
由表 1可知，准二级动力学模型的相关系数R²为0.9978，表明准二级动力学模型可以很好地描述MBFA9对废水中Pb²⁺的捕集行为.吸附速率常数k₂为0.019g/(mg·min^-1).MBFA9对Pb²⁺的理论最大捕集量为196.08mg/g，而由试验获得的最大捕集量为208.46mg/g，两组数据非常接近.说明准二级动力学方程对MBFA9吸附Pb²⁺的过程拟合较好.
表 1(Table 1)

表 1 MBFA9捕集Pb²⁺的准二级动力学模型常数Table 1 Pseudo second order kinetics constants for biosorption of Pb²⁺on MBFA9

Q/(mg·g^-1)	q_e/(mg·g^-1)	k₂/(g·mg^-1·min^-1)	R²
208.46	196.08	0.019	0.9978

表 1 MBFA9捕集Pb²⁺的准二级动力学模型常数 Table 1 Pseudo second order kinetics constants for biosorption of Pb²⁺on MBFA9

2.2 等温吸附模型研究在研究固体表面上的吸附作用时，通常会研究吸附剂在一定温度条件下的平衡吸附模型，即吸附等温线，描述吸附等温线最常用的表达式为Langmuir方程和Freundlich方程^[12-13].
Langmuir方程的线性化为

(4)

式中：C_e为吸附平衡时金属离子质量浓度，mg/L；q为吸附量，mg/g；q_max为最大单分子层吸附量，mg/g；b为吸附平衡常数，L/mg.
Freundlich方程的线性化为

(5)

式中：C_f为平衡质量浓度，mg/L；q为吸附量，mg/g.
配制Pb²⁺质量分数分别为1，5，10，20，50，100mg/L溶液，用0.1mol/L的HCl和NaOH调节pH值为5，分别投加质量分数为0.25g/L的MBFA9，在温度为30℃、摇床转速为150r/min的条件下振荡30min取样，在转速为6000r/min的条件下离心10min，测定上清液中Pb²⁺的质量浓度，计算去除率.Pb²⁺初始质量浓度对MBFA9捕集Pb²⁺的影响结果见表 2.
表 2(Table 2)

表 2 Pb²⁺初始质量浓度对MBFA9捕集Pb²⁺的影响Table 2 Effect of Pb²⁺ initial concentration in MBFA 9

初始浓度C₀/(mg·L^-1)	0.29	2.98	7.46	16.90	45.20	94.30
平衡浓度C_e/(mg·L^-1)	0.09	0.41	0.36	1.24	0.52	2.05
Pb²⁺去除率Q/%	68.28	86.41	95.17	92.66	98.85	97.83
捕集量q/(mg·L^-1)	0.79	10.30	28.40	62.64	178.72	369.02
ln C_e	-2.39	-0.90	-1.02	0.22	-0.65	0.72
ln q_e	-0.23	2.33	3.35	4.14	5.19	5.91
1/C_e	10.87	2.47	2.78	0.81	1.92	0.49
1/q	1.26	0.10	0.04	0.02	0.01	0.00

表 2 Pb²⁺初始质量浓度对MBFA9捕集Pb²⁺的影响 Table 2 Effect of Pb²⁺ initial concentration in MBFA 9

利用1/q与1/C_e作图，可得到Langmuir等温线回归直线形式：Y_L=0.1281X_L-0.1764，R_L²=0.9603；利用ln q_e与ln C_e作图，可得到Freundlich等温线回归直线形式：Y_F=1.8304X_F+4.6775，R_F²=0.8010.从拟合的相关系数可以看出，Langmuir方程比Freudlich方程的拟合程度高，Langmuir方程能够更好地拟合MBFA9对Pb²⁺的捕集.这是因为MBFA9对Pb²⁺是一个表面吸附的过程，所以用单分子层吸附模型Langmuir方程拟合本吸附过程更合适.MBFA9捕集Pb²⁺等温线模型的常数见表 3.
表 3(Table 3)

表 3 MBFA9捕集Pb²⁺的等温线模型常数Table 3 Parameter values of Langmuir and Freundlich models

模型	参数值	相关系数	拟合方程
Langmuir	q=5.6689mg/g，b=0.7262/mg	R_L²=0.9603	Y_L=0.1281X_L-0.1764
Freundlich	K=107.5mg/g，n=0.5463	R_F²=0.8010	Y_F=1.8304X_F+4.6775

表 3 MBFA9捕集Pb²⁺的等温线模型常数 Table 3 Parameter values of Langmuir and Freundlich models

2.3 FESEM和EDS表征MBFA9捕集Pb²⁺前后的变化MBFA9捕集Pb²⁺前后的形态结构变化见图 1.
图 1(Fig. 1)

图 1 MBFA9捕集Pb²⁺前后的扫描电镜和能谱图Fig.1 FESEM and EDS of MBFA9 before/after capture Pb²⁺ (a)—电镜图； (b)—能谱图.

观察放大10000倍的扫描电镜图 1a，发现MBFA9捕集Pb²⁺前呈均匀颗粒结成块状结构，表面粗糙；图 1b的能谱图中没有Pb²⁺的能谱峰.从图 1a中可以看出MBFA9捕集Pb²⁺后的块状结构变得松散，形成了大量的针状晶体结构，从MBFA9捕集Pb²⁺后的能谱图 1b中也可以看出MBFA9对Pb²⁺具有明显的能谱峰，说明MBFA9对Pb²⁺有良好的捕集作用.这可能是MBFA9与Pb²⁺之间产生了桥联作用，MBFA9表面的官能团与Pb²⁺通过配合作用形成了铅氧化物的配合体，因此表现出对Pb²⁺较好的去除作用.
2.4 红外光谱表征MBFA9捕集Pb²⁺前后的变化红外光谱法是测定有机化学官能团的一种常用方法，由于红外光谱在鉴定生物材料表面的官能团方面具有实用价值，可以较好地检测MBFA9捕集Pb²⁺前后的变化(见图 2).
图 2(Fig. 2)

图 2 MBFA9捕集Pb²⁺前后的红外吸收光谱Fig.2 IR spectroscopy of MBFA9 before/after capture Pb²⁺

MBFA9主要红外吸收峰分别在3435.09，2925.71，2553.42，1933.18，1667.51，1624.72，1356.78，1000.46和833.22cm^-1处.3435.09cm^-1处为一宽吸收峰，是糖环中—OH振动所致；2925.71cm^-1处小吸收峰为C—H不对称伸缩振动偏移的结果，此区域是糖类的特征吸收峰；2553.42cm^-1处明显的吸收峰可能是附近波长对应基团偏移振动的结果，也可能是某些基团的同分异构；1667.51cm^-1和1624.72cm^-1处吸收峰可能是多糖中的乙酰氨基(NHCOCH₃)的C＝O键伸缩振动偏移的结果；1000~1400cm^-1间吸收峰是C—H的变角振动和糖衍生物的典型吸收^[14-16]；833.22cm^-1处吸收峰是R₂C＝CHR官能团振动收缩的结果.通过红外光谱分析，可以判定菌株A9产生的MBFA9主要成分为多糖类物质.
对比MBFA9捕集Pb²⁺前后的红外光谱图可以看出，其主要吸收峰3421.91，2927.54，1648.04，1399.24，1043.96，982.56cm^-1分别发生了偏移，并出现了新的波峰，说明MBFA9对Pb²⁺进行了有效捕集.MBFA9捕集Pb²⁺后O—H 的伸缩振动左移13.18cm^-1，峰形无明显变化，说明部分羟基参与了捕集，使形成的氢键部分断开，引起羟基的伸缩振动最大峰位置偏移；脂肪族CH₂的C—H伸缩振动峰偏移了1.83cm^-1；羧酸COOH中C—O伸缩振动偏移了43.50cm¹，波峰强度明显增强，这种位移是羧基阴离子抗衡金属阳离子而发生的改变^[13]；C—N伸缩振动偏移42.46cm^-1且波峰强度明显减弱；在波数小于1000的范围内波峰偏移较大，这可能是Pb²⁺与MBFA9中多糖类物质结合形成配合物.由此推测MBFA9中的羟基、酰胺基、羧基等在捕集过程中与Pb²⁺发生了作用.
3 结论1) MBFA9对废水中Pb²⁺的捕集行为可以用准二级动力学模型进行描述.MBFA9对Pb²⁺的理论最大捕集量与试验确定的最大捕集量很接近.说明准二级动力学方程可以很好地模拟MBFA9吸附Pb²⁺的过程；等温吸附模型Langmuir方程能够较好地拟合MBFA9对Pb²⁺捕集，相关系数R_L²=0.9603.
2) 观察MBFA9捕集Pb²⁺前后扫描电镜和能谱图，可以看出MBFA9结构变化较大，结合MBFA9捕集Pb²⁺后的能谱峰，推测MBFA9与Pb²⁺之间产生了桥联作用，其表面官能团与Pb²⁺通过配合作用形成了铅氧化物配合体，故对Pb²⁺具有较好的去除效果.
3) 通过红外光谱分析，初步确定MBFA9的主要成分为多糖类物质.比较MBFA9捕集Pb²⁺前后红外光谱吸收峰的变化，可以推测MBFA9中的羟基、酰胺基、羧基等在捕集过程中与Pb²⁺发生了作用.
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