大肠杆菌在不同条件下对废水中铅的吸附研究论文

 

　　关键词：大肠杆菌,铅离子,生物吸附,吸附实验

 

　　随着重金属在工业制造领域中的广泛应用，重金属污染成为一个严重的环境问题。铅作为一种具有较强毒性的重金属，给人体健康和环境带来了严重危害。近年来，生物吸附技术因成本低、效率高、环境友好等优点，在重金属废水处理中得到了广泛应用。现有研究表明，多种微生物如海藻、真菌和细菌等都对重金属离子具有良好的吸附能力。其中，大肠杆菌作为一种常见细菌，在重金属吸附方面展现出了巨大的应用潜力。然而，目前关于大肠杆菌吸附铅离子的机理研究还相对较少。对此，本文将通过在不同条件下开展吸附试验和吸附等温线实验，探讨大肠杆菌对铅离子的吸附特性和机理，从而为铅污染环境中的生物修复提供理论依据。

 

 

　　1.1模拟含铅废水配制

 

　　用电子天平精确称取6.394 0 g硝酸铅置于100 mL容量瓶中，并向其中加入50 mL蒸馏水，振荡使之完全溶解，得到40 mg/mL的铅标准贮备液。取一个100 mL容量瓶，向其中加入2.5 mL铅标准溶液（40 mg/mL），加蒸馏水定容至刻度线处，得到1 000 mg/L铅标样溶液。

 

　　1.2生化培养基

 

　　肉汤液体培养基（LB培养基）制备所需材料：10 g胰酵母粉；5 g氯化钠（NaCl）；10 g胰蛋白胨。

 

　　将所需药品分别用电子天平精确称量后置于250 mL锥形瓶中，加入100 mL蒸馏水加热溶解并调节pH至7.2；用1 000 mL容量瓶定容。将配制好的培养基分装并置于高压蒸汽灭菌锅中，121℃蒸汽消毒灭菌20 min后，移至超净工作台，冷却待用[1]。

 

　　1.3吸附剂的制备

 

　　在超净工作台上用接种环将已分离纯化的大肠杆菌接种到6瓶100 mL的LB液体培养基中，将已盖上棉塞或橡胶塞的锥形瓶固定在振荡培养箱中，在转速为150 r/min、温度为37℃的条件下振荡培养3 d。培养完成后，将其分别装进50 mL离心管中于30℃、8 000 r/min条件下离心10 min，保留固体部分，再用40 mL蒸馏水对固体部分冲洗重悬，并以同样条件再次离心，保留固体部分。将这些固体装进培养皿（大约三分之一处）中，盖上锡箔纸，戳上一些小孔，放进冰箱冷冻。将最后获得的冷冻菌体干燥，作后续实验备用。

 

　　1.4吸附试验

 

　　为探究大肠杆菌对铅离子的吸附特性，研究设计了一系列吸附试验。第一，配制不同质量浓度的铅溶液（50~250 mg/L），并将其pH调节至7，加入0.02 g大肠杆菌菌粉，在30℃、150 r/min条件下振荡90 min，离心后测定上清液中的铅含量，以研究大肠杆菌对铅初始质量浓度的影响。第二，选取200 mg/L铅溶液，调节pH至1~5，考察pH对吸附效果的影响[2]。第三，固定铅质量浓度为200 mg/L，pH为7，设置温度梯度（15~35℃),以考察温度对吸附效果的作用。第四，改变大肠杆菌添加量（0.01~0.03 g），分析其不同含量对吸附效果的影响。离心后的上清液均通过原子吸收分光光度法测定残留铅质量浓度，并由此计算大肠杆菌的吸附容量。此外，本研究还开展了等温线吸附实验，将铅质量浓度范围设定为50~500 mg/L，温度为25℃,根据Fre原undlich、Langmuir和Temkin 3种模型对实验数据进行拟合，以探讨大肠杆菌吸附铅离子的机理。

 

 

　　2.1吸附条件的研究

 

　　2.1.1不同铅质量浓度对大肠杆菌吸附效果的影响实验设置的铅离子初始质量浓度分别为50、100、150、200、250 mg/L。研究结果表明，当铅离子质量浓度低于150 mg/L时，大肠杆菌对铅的吸附量随质量浓度的升高而减少；当铅离子质量浓度介于150~200 mg/L时，大肠杆菌对铅的吸附量随铅离子质量浓度的升高而增加，并在200 mg/L时达到最大值122.25 mg/g；当铅离子质量浓度超过200 mg/L后，大肠杆菌对铅的吸附量又开始逐渐减少。这表明，适当提高铅离子初始质量浓度有利于提升大肠杆菌的吸附能力，但过高的质量浓度反而会抑制其吸附效果。其原因可能在于，低质量浓度时，大肠杆菌表面具有较多结合位点，吸附效果良好；而随着质量浓度不断升高，结合位点逐渐饱和，同时离子间斥力增大，吸附量减少[3]。过高质量浓度的铅离子还可能对菌体产生毒害作用，抑制其生长代谢，从而降低其吸附性能。具体如图1所示。

 

　　

 

　　2.1.2不同pH对大肠杆菌吸附效果的影响

 

　　研究发现，当溶液的pH低于3时，随着pH增大，大肠杆菌吸附剂的吸附量呈现上升趋势；当溶液的pH为3时，吸附量达到最高，为108.98 mg/g；当溶液的pH大于3时，随着pH增大，大肠杆菌的吸附量呈现下降趋势[4]。因此，本研究中大肠杆菌的最适pH为3。研究表明，在重金属的吸附过程中，外部pH可改变菌体表面的功能基团活性、表面电荷以及重金属的赋存状态，从而影响菌体对重金属的吸附性能。因此，选择合理的pH区间至关重要。鉴于Pb2+的特殊性质，铅离子在pH≤6时不会析出，而是以二价阳离子的形态存在于水溶液中。但在碱性环境中，Pb2+易生成羟基氧化物，使可用于生物吸附的重金属离子浓度降低，吸附能力也随之减弱，从而影响生物的吸附性能。具体如图2所示。

 

　

 

　　2.2吸附等温线实验

 

　　为探究大肠杆菌对Pb2+的吸附机理，本研究选用Freundlich、Langmuir和Temkin 3种等温线模型进行拟合探讨。Freundlich等温线模型代表了一种物理上的吸附，可用多层吸附来描述；Langmuir等温线模型代表了可用单分子层来描述的化学吸附，可描述为单层吸附；Temkin等温线模型则通过反应自由能来表征化学反应过程中温度的不变性。具体结果如图3所示。

 

　　本研究采用Freundlich、Langmuir和Temkin 3种等温线模型对大肠杆菌吸附铅离子的过程进行拟合，拟合参数如表1所示。结果表明，3种模型的R2值均在0.99以上，P值均小于0.05，说明拟合效果显著。其中，Langmuir模型的R2值最高，为0.996 45，且通过该模型计算得到的最大吸附量qm为201.61 mg/g，与实验值219 mg/g相近，明显高于Freundlich模型的结果。这表明，大肠杆菌对铅离子的吸附主要为单分子层化学吸附，符合Langmuir模型[5]。此外，Langmuir模型中的分离因子RL介于0.508 91~0.911 99之间，进一步证实了大肠杆菌对铅离子具有良好的吸附能力。

 

 

　　本文以大肠杆菌为吸附剂，探讨了其在不同条件下对含铅废水的吸附特性及机理。研究结果表明，当铅离子初始质量浓度为200 mg/L、pH为3、温度为30℃、吸附剂添加量为0.01 g时，大肠杆菌的吸附效果最佳。等温线拟合结果显示，大肠杆菌对铅离子的吸附行为符合Langmuir模型，最大吸附量可达201.61 mg/g，吸附方式主要为单分子层化学吸附过程。Langmuir模型中的分离因子RL介于0.508 91~0.911 99，进一步证实了大肠杆菌对铅离子具有良好的吸附能力。综上所述，大肠杆菌是一种极具应用前景的铅废水生物吸附剂，为铅污染环境的生物修复提供了新思路。

 

 

　　［1］孟祥和,胡国飞.重金属废水处理［M］.北京:化学工业出版社,2000.

 

　　［2］顾学箕,金泰廙,傅华,等.职业卫生50年(1)［J］.中国乡村医药,2001(11):47-50.

 

　　［3］尹利利,臧淑艳,侯雪敏,等.黑曲霉对含铅废水的生物吸附研究［J］.沈阳化工大学学报,2013,27(1):15-19.

 

　　［4］金娜,印万忠.铅的危害及国内外除铅的研究现状［J］.有色矿冶,2006(S1):114-115,118.

 

　　［5］郑荣光,王芳.氢氧化镁处理含铅废水的研究［J］.无机盐工业,2000(1):26-27,2.