楊司坤，譚　倪，向開(kāi)祥，陸建生，林永成

1.湖南醫(yī)藥學(xué)院 化學(xué)系，湖南 懷化　418000；2.南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)　421001；3.懷化市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖南 懷化　418000；4.中山大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，廣東 廣州　510275

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檸檬酸修飾真菌Fusariumsp.#ZZF51生物吸附Th(Ⅳ)

楊司坤1,2，譚倪2，向開(kāi)祥1，陸建生3，林永成4

1.湖南醫(yī)藥學(xué)院 化學(xué)系，湖南 懷化418000；2.南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001；3.懷化市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖南 懷化418000；4.中山大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，廣東 廣州510275

摘要：采用生物吸附法去除廢水中Th (Ⅳ)，研究了南海紅樹(shù)林內(nèi)源真菌Fusarium sp.#ZZF51化學(xué)改性后吸附Th (Ⅳ)的行為特性、吸附模型及吸附機(jī)理。通過(guò)檸檬酸對(duì)真菌Fusarium sp.#ZZF51進(jìn)行修飾，將吸附劑表面的羥基與檸檬酸發(fā)生酯化，能更有效地吸附釷離子。結(jié)果表明：常溫常壓下，pH=4.5，ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L，吸附劑0.03 g，反應(yīng)90 min，最大吸附率為90.87%，吸附量為75.47 mg/g，吸附量比未經(jīng)處理的真菌(最優(yōu)吸附條件下，吸附量為11.35 mg/g)吸附要大。通過(guò)Langmuir、Freundlich、Temkin三種等溫吸附模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，Langmuir模型能更好地描述受試菌對(duì)Th (Ⅳ)的平衡吸附行為，同時(shí)吸附過(guò)程能很好的用準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)解釋。此外，比較吸附前后紅外光譜圖，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁上羰基、羥基、氨基是主要的作用基團(tuán)。

關(guān)鍵詞：Th(Ⅳ)；Fusarium sp.#ZZF51；生物吸附；檸檬酸

電鍍、鑄件清理、采礦、航空航天、電池及化工產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了很多工業(yè)廢水，通常此類(lèi)廢水中都含有高濃度的金屬離子。Th是一種有毒的放射性重金屬元素，是一種潛在的核燃料，很容易進(jìn)入表層水體，通過(guò)食物鏈的富集，會(huì)嚴(yán)重威脅人和動(dòng)物的健康。一旦Th進(jìn)入機(jī)體，常富集于肺、肝、腎及骨髓中，因此對(duì)Th的富集處理顯得日益重要。處理廢水中Th(Ⅳ)的常用方法包括稀釋法、化學(xué)沉淀法、離子交換法、電滲析和反滲透法等。但是傳統(tǒng)方法處理費(fèi)用高、吸附效果差，并且存在二次污染，使其應(yīng)用受到一定的限制[1]。因此，探索一種吸附效果好、方法簡(jiǎn)單可靠、成本低廉的材料具有重大意義。

生物吸附法是一種通過(guò)生物細(xì)胞壁或生物代謝產(chǎn)物來(lái)吸附金屬離子的方法，現(xiàn)已被證明對(duì)重金屬離子和放射性元素的吸附非常有用[2-3]。盡管近年來(lái)很多真菌類(lèi)微生物被普遍用來(lái)做吸附劑，不過(guò)吸附率和吸附量都不甚理想。與陸地環(huán)境不同，高鹽、低溫、高壓、貧營(yíng)養(yǎng)、少光照的海洋環(huán)境，使得海洋微生物有其自身獨(dú)特的新陳代謝方式，由此并產(chǎn)生了許多結(jié)構(gòu)新穎、接枝有大量羥基、羰基、氨基及含硫、磷基團(tuán)的代謝產(chǎn)物。有研究表明，用甲醛、戊二醛和檸檬酸等對(duì)吸附劑表面進(jìn)行化學(xué)修飾，能大大提高吸附率和吸附量[4]。已有研究[5]表明，真菌Fusariumsp.#ZZF51能較好的吸附金屬鈾、釷及銅離子，其吸附過(guò)程不是簡(jiǎn)單的被動(dòng)吸收，而是“泵”式主動(dòng)吸收。本工作采自南海湛江海域的紅樹(shù)林內(nèi)源真菌Fusariumsp.#ZZF51做生物吸附劑，通過(guò)檸檬酸對(duì)其進(jìn)行化學(xué)修飾酯化接枝，提高生物吸附量，從Th (Ⅳ)初始濃度、溶液pH值、吸附劑用量和反應(yīng)時(shí)間來(lái)討論受試菌對(duì)Th(Ⅳ)吸附的影響，同時(shí)對(duì)吸附過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型和等溫吸附模型進(jìn)行探討。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

四水硝酸釷，上海晶純?cè)噭┯邢薰?；偶氮胂Ⅲ，天津市光?fù)精細(xì)化工研究所；HCl，分析純(AR)，湖南省邵陽(yáng)市化學(xué)試劑廠；NaOH，AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠；蛋白胨，生物試劑(BR)，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；葡萄糖，化學(xué)純(CR)，天津市福晨化學(xué)試劑廠；酵母膏，BR，上海展云化工有限公司；粗海鹽，工業(yè)純，湖南省輕工鹽業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司；檸檬酸，AR，長(zhǎng)沙明瑞化工有限公司；KBr粉末，AR，市售。

菌種:受試菌Fusariumsp.#ZZF51，由中山大學(xué)林永成教授研究組提供。

721型分光光度計(jì)，天津普瑞斯儀器有限公司；Spectrum GX傅里葉-紅外光譜儀，美國(guó)Perkin Elmer設(shè)備有限公司；振蕩器，長(zhǎng)沙索拓科學(xué)儀器設(shè)備有限公司；PHS-3C pH計(jì)，上海鵬順科學(xué)儀器有限公司；JSM-7610F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，日本電子株式會(huì)社；離心機(jī)，江蘇金壇市中大儀器廠。

1.2菌種培養(yǎng)與修飾

以馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)為培養(yǎng)基，4 ℃保存。培養(yǎng)液配制：葡萄糖10 g/L，蛋白胨2 g/L，酵母浸膏1 g/L，粗海鹽2 g/L，pH=7.0。在500 mL錐形瓶?jī)?nèi)加入培養(yǎng)液300 mL，經(jīng)120 ℃(0.1 MPa)高溫滅菌60 min后冷卻、接菌，常溫靜置培養(yǎng)22 d。通過(guò)過(guò)濾，收集菌體，菌體經(jīng)烘干、研磨，100目過(guò)篩并置于干燥器中保存?zhèn)溆?。取干菌?0 g于400 mL 0.1 mol/L的NaOH溶液中，常溫下300 r/min攪拌1 h，之后用蒸餾水清洗殘留的堿，在50 ℃下恒溫24 h。然后取NaOH處理過(guò)的吸附劑3 g加入100 mL 0.6 mol/L的檸檬酸中，常溫下300 r/min反應(yīng)30 min，之后在50 ℃下恒溫24 h，再升溫至120 ℃攪拌90 min，用蒸餾水清洗殘留的酸。50 ℃干燥24 h，室溫冷卻備用，得到處理后的CA-Fusariumsp.#ZZF51[3]。其反應(yīng)機(jī)理示于圖1。

1.3吸附過(guò)程

設(shè)置吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51用量(0.005～0.04 g)、溶液pH(2～6)、釷初始質(zhì)量濃度(20～60 mg/L)、反應(yīng)時(shí)間(5～120 min)四個(gè)變量，常溫常壓下試樣在150 r/min振蕩機(jī)中反應(yīng)后取出3 mL溶液，4 000 r/min離心10 min，取出0.4 mL上清液于10 mL容量瓶中，加入0.5 mLw=0.05%的偶氮胂Ⅲ，再用7 mol/L HCl定容。搖勻、靜置10 min，于660 nm處[6]，以試劑空白樣做參比，平行三組，取平均值，測(cè)定吸光度。

1.4計(jì)算方法

吸附率R和吸附量Q(mg/g)計(jì)算如下：

圖1　檸檬酸修飾機(jī)理Fig.1　Thermochemical reaction of fungus materials and citric acid

其中：ρ0和ρe分別為T(mén)h(Ⅳ)初始和平衡質(zhì)量濃度，mg/L；V為溶液體積，mL；m為吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51質(zhì)量，g。

1.5樣品表征

為確認(rèn)吸附過(guò)程吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51上各官能團(tuán)的變化，在400～4 000 cm-1測(cè)定了吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51吸附前后的紅外光譜。稱(chēng)取吸附前與吸附后的吸附劑各2 mg，分別加入200 mg純KBr粉末置于研缽中研磨均勻，真空狀態(tài)下壓成透明薄片進(jìn)行測(cè)定。

為了觀察吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51在吸附前后表面的變化，用掃描電鏡進(jìn)行了分析。將吸附前后吸附劑置于干凈的蓋玻片并風(fēng)干，并用2.5%(體積分?jǐn)?shù))的戊二醛固定液溶液處理7 h，再通過(guò)濃度從稀到濃梯度的乙醇脫水20 min，最后在使用之前，將樣品風(fēng)干并附上一層4 nm的均勻金粒。

2　結(jié)果與討論

2.1真菌化學(xué)改性前后紅外譜圖

通過(guò)檸檬酸化學(xué)改性，使得真菌Fusariumsp.#ZZF51表面基團(tuán)發(fā)生變化，對(duì)比化學(xué)改性前后的紅外譜圖，主要譜峰的變化列入表1。

表1 真菌化學(xué)改性前后譜峰變化

Table 1 Infrared (FTIR) spectra peak changes before and after chemical modification

改性處理羥基伸縮振動(dòng)羰基伸縮振動(dòng)飽和C—H伸縮振動(dòng)N—H彎曲振動(dòng)未處理3452cm-1強(qiáng)峰1639cm-1強(qiáng)峰2924cm-1弱峰1570cm-1弱峰改性后3450cm-1強(qiáng)峰、峰寬1631cm-1強(qiáng)峰2920cm-1中強(qiáng)峰1560cm-1中強(qiáng)峰

2.2pH值對(duì)吸附的影響

ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L，m=0.03 g，t=90 min圖2　 pH對(duì)吸附的影響Fig.2　Effect of initial solution pH on thorium sorption

2.3吸附劑用量對(duì)吸附的影響

當(dāng)ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L、pH=4.5、t=90 min時(shí)，吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51用量對(duì)吸附的影響示于圖3。由圖3可知，當(dāng)m<0.03 g時(shí)，吸附率隨吸附劑用量的增加而增加，因?yàn)橥都恿吭黾訒r(shí)活性位點(diǎn)總數(shù)隨之增加，溶液中釷離子與活性位點(diǎn)結(jié)合的幾率增大，最大吸附率可達(dá)90.87%，對(duì)應(yīng)吸附量為75.47 mg/g；而m>0.03 g時(shí)，吸附率反而有所下降，可能是因?yàn)榇罅康奈絼┚奂蓤F(tuán)，使得暴露出來(lái)的有效活性位點(diǎn)反而減小，對(duì)細(xì)胞壁產(chǎn)生一種“空間位阻效應(yīng)”，導(dǎo)致吸附率有所降低。

ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L，pH=4.5，t=90 min圖3　 吸附劑用量對(duì)吸附的影響Fig.3　Effect of biomass dose on thorium sorption

ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L，pH=4.5，m=0.03 g圖4　 反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸附的影響Fig.4　Effect of time on thorium sorption

2.4反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸附的影響

當(dāng)ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L、pH=4.5、m=0.03 g時(shí)，不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸附的影響示于圖4。由圖4可以看出，t<90 min時(shí)，吸附率和吸附量隨時(shí)間的增加而增大，是因?yàn)槿芤褐杏坞x釷離子的濃度高、吸附劑上有效活性位點(diǎn)較多，并且吸附極有可能為單分子層吸附，所以反應(yīng)速率快，效率高，最大吸附率可達(dá)90.87%，對(duì)應(yīng)吸附量為75.47 mg/g；而當(dāng)t>90 min時(shí)，釷離子的吸附率與吸附量保持穩(wěn)定，略有降低，可能是因?yàn)槲?解吸達(dá)到平衡的緣故。

2.5釷初始濃度對(duì)吸附的影響

當(dāng)pH=4.5、m=0.03 g、t=90 min時(shí)，不同釷初始濃度對(duì)吸附率的影響示于圖5。從圖5可以看出：在ρ0(Th(Ⅳ))<50 mg/L時(shí)，隨著濃度的增大，吸附率隨之增大，可能是因?yàn)殁Q離子濃度增加，使游離釷離子與有效結(jié)合位點(diǎn)能夠充分接觸，最大吸附率可達(dá)90.87%，對(duì)應(yīng)吸附量為75.47 mg/g；當(dāng)ρ0(Th(Ⅳ))>50 mg/L時(shí)，吸附率有所下降，可能是吸附過(guò)程接近平衡。

pH=4.5，m=0.03 g，t=90 min圖5　 釷初始質(zhì)量濃度對(duì)吸附的影響Fig. 5　Effect of initial thorium mass concentration on thorium sorption

2.6吸附動(dòng)力學(xué)

吸附過(guò)程可用準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和Elovich動(dòng)力學(xué)模型[7]來(lái)解釋。方程如式(1—3)。具體擬合方法如下：對(duì)于準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，以t為橫坐標(biāo)，ln(Q-Qt)為縱坐標(biāo)得到一條直線(Qt，t時(shí)刻吸附量)，求出常數(shù)k1與吸附量Q。在準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型中，以t為橫坐標(biāo)，t/Qt為縱坐標(biāo)得到一條直線，求出常數(shù)k2與吸附量Q。對(duì)于Elovich動(dòng)力學(xué)模型，α與β是相關(guān)的常數(shù)，以lnt為橫坐標(biāo)，Qt為縱坐標(biāo)得到一條直線，求出常數(shù)α與β。

準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型：

ln(Q-Qt)=lnQ-k1t

(1)

準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型：

(2)

Elovich動(dòng)力學(xué)模型：

(3)

吸附過(guò)程的各動(dòng)力學(xué)參數(shù)列入表2。由表2可知，準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型(r2=0.999 9)比準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和Elovich模型能更好地解釋吸附過(guò)程，說(shuō)明吸附過(guò)程是化學(xué)吸附，且是速控步過(guò)程。此外，準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型Q值75.75 mg/g

與實(shí)驗(yàn)值75.47 mg/g接近。

2.7吸附模型

用Freundlich、Langmuir、Temkin三種等溫吸附模型[8]來(lái)擬合吸附過(guò)程，模型方程如式(4—6)。擬合結(jié)果示于圖6。從圖6可以看出，F(xiàn)reundlich 模型、Langmuir模型比Temkin吸附模型要適合，Langmuir吸附模型又比Freundlich等溫模型相關(guān)性更好，說(shuō)明吸附過(guò)程主要是單分子層吸附。

表2 吸附過(guò)程的各動(dòng)力學(xué)參數(shù)

Table 2 Kinetic parameters for the adsorption

模型Q/(mg·g-1)βkαr2準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)5.96610.04530.9644準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)75.750.02120.9999Elovich模型0.66481.02×10200.9689

(4)

(5)

Temkin模型：Q=blnA+blnρe

(6)

式中：K，吸附能力常數(shù)，mg1-1/n·L1/n·g-1；n，吸附強(qiáng)度常數(shù)，無(wú)量綱；Qmax，理論飽和吸附量，mg/g；B、b、A，分別為各模型的吸附平衡常數(shù)，b無(wú)量綱，B、A單位分別是L/mg、L/g。

圖6　Freundlich(a)、Langmuir(b)、Temkin(c)模型等溫線Fig.6　Freundlich(a), Langmuir(b), and Temkin(c) isotherm plot of Th(Ⅳ) adsorption for CA-Fusarium sp.#ZZF51

2.8吸附前后吸附劑的紅外表征

2.9掃描電鏡表征

吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51吸附前后的掃描電鏡圖示于圖8。由圖8可知，CA-Fusariumsp.#ZZF51在吸附前，表面相對(duì)均勻規(guī)則，而吸附后，吸附劑表面變得粗糙，被覆蓋得很?chē)?yán)實(shí)。這表明吸附劑CA-Fusariumsp.#ZZF51表面在釷離子的吸附過(guò)程中具有重要作用，細(xì)胞壁是主要的吸附部位。

ρ0(Th(Ⅳ))=50 mg/L，pH=4.5，m=0.03 g，t=90 min圖7　處理后CA-Fusarium sp.#ZZF51吸附Th(Ⅳ)前(a)、后(b)的紅外光譜圖Fig.7　Infrared (FTIR) spectra for CA-Fusarium sp.#ZZF51 before(a) and after(b) loaded with Th(Ⅳ)

圖8　CA-Fusarium sp.#ZZF51吸附Th(Ⅳ)前(a)、后(b)的掃描電鏡圖(×5 000)Fig.8　Scanning electron micrographs for CA-Fusarium sp.#ZZF51 before(a) and after(b) loaded with Th(Ⅳ) (×5 000)

3　結(jié)　論

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收稿日期：2015-03-04；

修訂日期：2015-05-09

基金項(xiàng)目：湖南省科技發(fā)展項(xiàng)目(2010FJ3014)

作者簡(jiǎn)介：楊司坤(1988—)，男，湖南懷化人，碩士，講師，生物吸附與環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0253-9950(2016)03-0182-06

doi：10.7538/hhx.2016.38.03.0182

Biosorption of Th(Ⅳ) From Aqueous Solutions by Citric Acid Modified Mangrove Endophytic FungusFusariumsp.#ZZF51

YANG Si-kun1,2, TAN Ni2, XIANG Kai-xiang1, LU Jian-sheng3, LIN Yong-cheng4

1.School of Chemistry, Hunan University of Medicine, Huaihua 418000, China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China;3.Huaihua Municipal Environmental Protection Monitoring Station, Huaihua 418000, China;4.School of Chemistry and Chemical Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

Abstract:To remove Th(Ⅳ) ions from wastewater, the adsorption behavior was investigated by mangrove endophytic fungus Fussarium sp.#ZZF51 that citric acid treated from South China Sea. The biosorption process was optimized at pH=4.5, equilibrium time 90 min, initial Th(Ⅳ) mass concentration 50 mg/L and adsorbent dose 0.6 g/L with 90.87% of removal efficiency and 75.47 mg/g of adsorption capacity, which is obviously greater than that (11.35 mg/g) of the untreated fungus Fussarium sp.#ZZF51 for Th(Ⅳ) biosorption under the condition of optimization. The experimental data were analyzed by using isotherm and kinetic models. Kinetic data follow the pseudo-second-order model and equilibrium data agree very well with the Langmuir model. In addition, FTIR analysis indicates that hydroxyl, amino, and carbonyl groups act as the important roles in the adsorption process.

Key words:Th(Ⅳ); fungus Fussarium sp.#ZZF51; biosorption; citric acid