李麗杰，賀銀鳳

（內蒙古農業(yè)大學食品科學與工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

隨著經濟與工業(yè)的迅速發(fā)展，農藥的使用、鉛冶煉企業(yè)的廢物處理、含鉛汽油燃燒后的汽車尾氣、廢鉛蓄電池非法拆解等使鉛污染日益加重，而鉛污染會通過空氣、水、土壤及農作物、食品等最終進入人體。鉛對人體是多系統(tǒng)、多親和性的毒物[1-2]，對人類健康構成了巨大威脅。

對于去除環(huán)境及食品中的鉛污染問題，微生物吸附法因其具有無污染、成本低等優(yōu)點已成為廣泛認可的鉛脫除方法。目前，對于這類微生物的研究主要集中在乳酸菌上。但已有研究發(fā)現(xiàn)，除乳酸菌外，酵母菌對重金屬鉛同樣具有良好的吸附能力，并且有些酵母菌可以應用于食品發(fā)酵工業(yè)中。眾多學者發(fā)現(xiàn)釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）對Pb2+、Cd2+、Cr2+、Hg2+等具備較高的吸附性能，在水溶液中對各離子的去除率可以達到90%以上[3-5]。Ilyas等[6]從工業(yè)廢水中分離出的熱帶假絲酵母PS33培養(yǎng)8 d后，能從35 mmol/L含Pb2+培養(yǎng)基中除去87% Pb2+。本實驗室自內蒙古包頭重金屬污染區(qū)土壤分離篩選到4 株高抗、高吸附性的異常威客漢姆酵母（Wickerhamomyces anomalus），其對Pb2+的耐受質量濃度在6 000～7 000 mg/L之間，去除率可達78.94%～91.67%，具備一定的研究應用潛力[7]。

隨著研究的進展，人們發(fā)現(xiàn)酵母菌對重金屬的吸附主要通過胞外結合的被動吸附和胞內主動累積2 個階段。胞外吸附又包括表面絡合、離子交換、無機微沉積、靜電吸附、氧化還原和酶促以應等[8]。而胞內的主動累積可能涉及細胞壁外層與重金屬結合的某些透膜酶、水解酶和多肽以及對重金屬結合物進行區(qū)隔的一些轉運系統(tǒng)[9]。由此可見，酵母菌吸附重金屬機理較為復雜，并且不同酵母菌的吸附特性和吸附機理不盡相同。

本研究以前期篩選獲得的一株高吸附鉛的異常威客漢姆酵母為研究對象，對其Pb2+吸附特性及機制進行研究，結果為闡明酵母菌Pb2+吸附的機理提供依據。異常威客漢姆酵母作為產香酵母被廣泛應用到白酒、葡萄酒、醬油、醋、面包等發(fā)酵食品和發(fā)酵飼料中，因此也可為此酵母菌能進一步應用于環(huán)境、食品、人體中去除Pb2+的應用研究提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

W. anomalus QF-1-1分離自內蒙古包頭土壤中，對重金屬Pb2+具備較高的吸附能力，由內蒙古農業(yè)大學食品學院食品生物技術團隊提供。

YPD液體培養(yǎng)基：2%葡萄糖、2%蛋白胨、1%酵母粉，pH 6.0（115 ℃，20 min）。

1.2 儀器與設備

HF-SAFE 1500型生物安全柜 力康生物醫(yī)療科技控股有限公司；SX-500型全自動高壓滅菌鍋 日本Tomy Digital Biology公司；AAS990火焰原子吸收光譜儀北京普析通用公司；HZQ-C氣浴恒溫振蕩器 常州金壇精達儀器制造有限公司；PB-10型數(shù)顯酸度計 德國Sartorius公司；5810R型高速低溫離心機 德國Eppendorf公司；CP224C型電子天平 奧豪斯儀器（上海）有限公司；LABCONCO冷凍干燥機 北京照生行儀器設備有限公司；單道移液槍 德國艾本德股份公司。

1.3 方法

1.3.1 QF-1-1活化及供試菌液的制備

甘油保存的異常W. anomalus QF-1-1解凍后，取100 μL菌液（體積分數(shù)2%的接種量）接種于20 mL YPD培養(yǎng)基中，在恒溫培養(yǎng)箱中振蕩培養(yǎng)24 h（30 ℃，160 r/min），獲得一代菌。之后按照相同接種量，將QF-1-1活化3 代。將活化好的3 代菌液離心（6 000 r/min，6 min，4 ℃）棄上清液，用超純水洗滌菌體3 次（6 000 r/min，6 min，4 ℃）后制備成質量濃度0.3 g/mL的菌懸液用于后續(xù)實驗。

1.3.2 QF-1-1對Pb2+的吸附

本研究采用搖瓶法，取20 mL待測Pb2+溶液置于50 mL三角瓶中，30 ℃水浴振蕩箱保溫1 h，加入供試菌液至要求的質量濃度，繼續(xù)于水浴振蕩箱中（30 ℃、160 r/min）振蕩培養(yǎng)一定時間。吸附結束后，吸附液離心（12 000 r/min，10 min）取上清液，用火焰原子吸收光譜儀測定Pb2+含量，計算酵母菌對Pb2+的去除率及吸附量。

1.3.3 各因素對QF-1-1吸附Pb2+的影響

1.3.3.1 pH值的影響

按照1.3.2節(jié)的實驗操作，分別在吸附時間140 min，Pb2+溶液的初始質量濃度100 mg/L，菌體質量濃度11 g/L，Pb2+溶液的初始pH值為4、4.5、5、5.5、6條件下，計算酵母菌對Pb2+的去除率及吸附量。

1.3.3.2 Pb2+溶液初始質量濃度的影響

按照1.3.2節(jié)的實驗操作，分別在吸附時間140 min，Pb2+溶液的初始pH 5.5，菌體質量濃度11 g/L，Pb2+溶液的初始質量濃度為100、200、300、400、500 mg/L條件下，計算酵母菌對Pb2+的去除率及吸附量。

1.3.3.3 菌體質量濃度的影響

按照1.3.2節(jié)的實驗操作，分別在吸附時間140 min，Pb2+溶液的初始pH 5.5，Pb2+溶液的初始質量濃度100 mg/L，菌體質量濃度為7、9、11、13、15 g/L條件下，計算酵母菌對Pb2+的去除率及吸附量。

1.3.3.4 吸附時間的影響

按照1.3.2節(jié)的實驗操作，分別在菌體質量濃度11 g/L，Pb2+溶液的初始pH 5.5，Pb2+溶液的初始質量濃度100 mg/L，吸附時間為60、80、100、120、140、160 min條件下，計算酵母菌對Pb2+的去除率及吸附量。

1.3.4 表面基團掩蔽對QF-1-1吸附Pb2+的影響

為了探究QF-1-1表面基團在Pb2+吸附中發(fā)揮的作用，將活化3 代離心所得的濕菌體用不同的方式進行化學處理，使得菌體表面的羧基、氨基及磷酸基團被掩蔽，再進行吸附Pb2+的實驗，通過測定掩蔽前后菌體吸附Pb2+的差異，評價不同基團在QF-1-1吸附Pb2+中的作用。

將1.3.1節(jié)活化3 代離心所得到的濕菌體加至鹽酸濃度為0.1 mol/L的無水甲醇溶液中，調節(jié)其質量濃度為10 g/L（以菌體干質量計），30 ℃水浴振蕩箱中160 r/min振蕩24 h以掩蔽羧基[10]；加至甲醛-甲酸混合溶液（1∶2，V/V）中，調節(jié)其質量濃度為1 g/L，30 ℃水浴振蕩箱中160 r/min振蕩6 h以掩蔽氨基和羥基[11]；加至亞磷酸三乙酯（97%）-硝基甲烷混合溶液（1.25∶1，V/V）中，調節(jié)其質量濃度為1 g/L，30 ℃水浴振蕩箱中160 r/min振蕩6 h以掩蔽磷酸基團[12]。將以上處理的菌體用超純水洗滌 3 次（6 000 r/min，6 min，4 ℃），按照1.3.1節(jié)進行供試菌液的制備，并按照1.3.3節(jié)得到的最佳條件進行Pb2+的吸附實驗，以未經基團掩蔽處理的菌體做對照實驗。

1.3.5 化學試劑處理對QF-1-1吸附Pb2+的影響

將1.3.1節(jié)離心所得到的濕菌體，分別加入到0.1 mol/L氨水、鹽酸、硫酸、乙酸、乙醇、氯化鈉、氫氧化鈉中，使其質量濃度為2 g/L，于水浴振蕩箱中（30 ℃、160 r/min）處理60 min，用超純水洗滌3 次（6 000 r/min，6 min，4 ℃），而后用去離子水漂洗至pH值不再變化，收集濕菌體，制成0.30 g/mL的菌懸液[13-14]。按照1.3.2節(jié)的方法測定各種化學試劑處理后QF-1-1對Pb2+的吸附能力，以未經化學試劑處理的菌體做對照實驗。

1.3.6 QF-1-1對Pb2+吸附穩(wěn)定性研究

按照1.3.2節(jié)所述方法進行吸附實驗，將鉛溶液和菌體分開得到沉淀菌體，12 000 r/min離心10 min獲得吸附完成后的菌體，計算菌體的Pb2+吸附量。分別加入與上清液等體積的超純水、0.1 mmol/L和1.0 mmol/L的EDTA溶液以及1.5 mmol/L和15 mmol/L的HNO3、0.1 mol/L HCl、0.05 mol/L H2SO4、0.1 mol/L NaCl 8 種解吸附溶液[15-17]，于160 r/min，30 ℃振蕩30 min后，12 000 r/min離心10 min獲得上清液，利用獲得的菌體重復上述處理過程3 次。用原子吸收光譜儀測定每次解吸后上清液中的Pb2+含量，按式（1）、（2）計算每種溶液的解吸率及菌體上未被洗脫的Pb2+占比：

式中：Mi為吸附完成時菌體上Pb2+濃度；Mt為解吸溶液中Pb2+的濃度。

1.3.7 QF-1-1對Pb2+去除率和吸附量的計算

標準曲線的繪制：以硝酸鉛繪制標準曲線，以Pb2+溶液的質量濃度（0～100 mg/L）為橫坐標軸，火焰原子吸收分光光度計的吸光度為縱坐標軸，得到線性回歸方程y=0.009 9x+0.01，R2=0.999 6。

根據樣品測定得到的吸光度，代入線性回歸方程求出Pb2+的含量，并利用式（3）、（4）計算吸附量（mg/g，以濕菌質量計算）和去除率：

式中：mb為未接種QF-1-1處理溶液中的Pb2+含量/mg；mc為QF-1-1處理后溶液中的Pb2+含量/mg；md為QF-1-1的添加量/g。

1.4 數(shù)據處理

每組實驗重復3 次，利用SPSS 20.0進行單因素方差分析與顯著性差異分析，數(shù)據結果以 ±s表示。圖表利用Excel軟件進行繪制，差異顯著，P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 各因素對QF-1-1吸附Pb2+的影響結果

2.1.1 Pb2+溶液初始pH值的影響

圖1 pH值對QF-1-1吸附Pb2＋的影響Fig. 1 Effect of pH value on QF-1-1 adsorption toward Pb2+

pH值在微生物吸附重金屬的過程中起重要作用，它可以通過改變溶液中金屬離子的溶解度、離子交換過程以及細胞壁上羧酸鹽、磷酸鹽、氨基和巰基官能團的電離狀態(tài)影響吸附平衡時間和吸附能力[18]。具有活性的生物吸附基團接受或喪失質子的能力也主要取決于pH值[19]。由圖1可知，隨著pH值升高，QF-1-1對Pb2+的吸附量和去除率均呈上升趨勢，變化趨勢相同。當pH值低于4.5時，吸附量和去除率均較低，這可能是因為溶液中大量存在的水合H+會與Pb2+競爭QF-1-1細胞壁上吸附活性位點，并使菌體細胞壁質子化，增加細胞表面的靜電斥力，使得吸附量較低。隨著pH值的升高，吸附量急劇升高，并在pH 5.5時基本趨于穩(wěn)定，此時吸附量為7.29 mg/g、去除率為97.89%，與pH 6時無顯著性差異。原因是隨著pH值的增加，羧基和氨基配體等官能團的去質子化使細胞表面將攜帶更多的負電荷，這有利于鉛離子通過電化學吸引和吸附作用而結合在細胞表面[20-21]。

Xing Sicheng[22]、Al-Fakih[23]等研究也表明，由于在低pH值下Pb2+和帶正電的生物質之間會存在靜電排斥作用，微生物的鉛累積能力會隨著pH值的升高而增加。但當pH值高于6時，鉛離子會沉淀。故選取pH 5.5進行后續(xù)實驗，同時可以避免pH值過高導致OH-和Pb2+生成氫氧化鉛沉淀，對吸附實驗造成影響。

2.1.2 Pb2+溶液初始質量濃度的影響

圖2 Pb2＋質量濃度對QF-1-1 吸附Pb2＋的影響Fig. 2 Effect of initial Pb2+ concentration on QF-1-1 adsorption toward Pb2+

由圖2可知，隨著Pb2+溶液質量濃度的升高，QF-1-1對Pb2+吸附量和去除率均逐漸下降，在500 mg/mL時達到最低，去除率和吸附量分別為17.02%和4.16 mg/g。其原因可能是當Pb2+質量濃度為100 mg/L時，Pb2+的量與細胞表面的吸附位點趨于平衡，溶液中所有的Pb2+幾乎全部被吸附，然而隨著Pb2+質量濃度的升高，細胞表面對Pb2+吸附位點開始飽和，導致去除率和吸附量均逐漸下降[24-25]。因此后續(xù)實驗選擇Pb2+溶液質量濃度為100 mg/L。Pb2+溶液質量濃度對各種微生物吸附Pb2+的影響研究結果不盡相同，本研究與Gunjal[19]、Ma Yanyan[26]等的結論基本一致。而Li Xiaohui[18]和Wahab[21]等研究發(fā)現(xiàn)，隨著Pb2+的初始質量濃度增加，木賊鐮刀菌和熒蒽降解菌FA1對Pb2+去除率逐漸下降，但是吸附量卻表現(xiàn)出持續(xù)增加或逐漸上升隨后下降的趨勢。說明不同微生物對Pb2+的吸附能力表現(xiàn)不同。

2.1.3 菌體質量濃度的影響

圖3 QF-1-1菌體質量濃度對吸附Pb2＋的影響Fig. 3 Effect of cell concentrations on Pb2+ absorption by QF-1-1

由圖3可知，隨著菌株QF-1-1質量濃度的增加，其對Pb2+的吸附量和去除率的影響不同。當菌體質量濃度小于11 g/L時，吸附量隨著菌濃度的增加緩慢增加，去除率快速上升，由60.54%升至96.52%，并在菌體質量濃度11 g/L時吸附量達到最大值7.27 mg/g。而當菌體質量濃度大于11 g/L時，吸附量逐漸下降，去除率趨于平穩(wěn)。這與諸多學者研究的綠色木霉對Ni2+、釀酒酵母對Cd2+、產堿菌屬對Pb2+的吸附結果一致[4,27-28]。原因可能是當菌體質量濃度為11 g/L時，菌的吸附位點恰好和溶液中游離的Pb2+含量平衡，而隨著菌濃度的增加，菌體表面的部分吸附位點未飽和，而此時對Pb2+的去除幾乎完全，因此造成單位吸附位點吸附量降低。此外，菌體表面積的聚集或重疊以及對Pb2+的可用吸附位點的競爭對生物吸附效率產生不利影響，可能使一部分結合位點消失，從而出現(xiàn)吸附量下降、去除率基本不變的現(xiàn)象[29]。也可能是由于在高的菌體濃度下，會發(fā)生部分細胞聚集從而導致細胞壁的三維結構和以應基團（COO-和NH3+）之間的內部連接，從而減少了金屬離子在菌體中的擴散和吸附結合位點的可及性[30]。

2.1.4 吸附時間的影響

圖4 吸附時間對QF-1-1吸附Pb2＋的影響Fig. 4 Effect of adsorption time on Pb2+ adsorption by QF-1-1

由圖4可知，QF-1-1對Pb2+去除率和吸附量變化趨勢相同，在吸附時間為60 min時，去除率已經達到50.89%，完成吸附過程的一半，說明該菌株對重金屬Pb2+大部分的吸附在短時間內即可完成，是一個較為快速的過程。該吸附過程主要是菌體細胞表面的吸附作用，可能是重金屬離子通過表面絡合、靜電吸附、離子交換或者與細胞壁上的某些官能團結合[31]。該吸附過程取決于細胞表面上官能團的可用性和金屬離子的性質[21]。隨著時間進一步延長，吸附量和去除率繼續(xù)呈現(xiàn)上升趨勢，但增加緩慢，在140 min時去除率和吸附量已經基本趨于穩(wěn)定，去除率和吸附量分別為95.44%和7.10 mg/g，與160 min無顯著差異。推測原因可能是隨著細胞的通透性改變和離子交換等作用，重金屬離子通過無機微沉淀、氧化還原作用等進一步進入細胞質壁間，所以吸附過程逐漸減緩，直至表面結合位點飽和并達到平衡[27-28]。

2.2 QF-1-1菌體表面基團對Pb2+吸附能力的比較

圖5 掩蔽菌體表面基團對菌株QF-1-1吸附Pb2＋的影響Fig. 5 Effect of chemical treatment of different functional groups on the cell surface on Pb2+ adsorption by QF-1-1

據報道，羧基、氨基及磷酸基團這3 個官能團的螯合活性，是所有細菌與Pb2+結合的原因[22]。由圖5可知，與未處理的菌體比較，經基團掩蔽后的菌株QF-1-1的去除率及吸附量都顯著下降。其中經羧基、氨基、磷酸基掩蔽后的菌株QF-1-1的去除率從92.61%分別下降到34.13%、38.69%、77.84%，差異極顯著（P＜0.01）。說明3 種基團在菌株QF-1-1吸附Pb2+過程中均發(fā)揮了很重要的作用，貢獻率為羧基＞氨基＞磷酸基，而其中羧基和氨基的貢獻率沒有顯著性差異（P＞0.05）。韓潤平等[32]也發(fā)現(xiàn)啤酒酵母的羧基酯化后，其吸附能力下降35%。Salah[3]和邵昭[33]等證實酵母中存在的羧基，氨基和磷酸基是金屬離子的主要生物吸附位點。Gazem等[34]對曲霉菌吸附Cu2+、Pb2+的研究也得到了類似的結論，說明在微生物吸附重金屬的過程中，起主要作用的官能團是一致的。

2.3 化學試劑處理對QF-1-1吸附Pb2+的影響

圖6 化學試劑處理對菌株QF-1-1吸附效果的影響Fig. 6 Effect of different chemical treatments on Pb2+ adsorption by QF-1-1

由圖6可知，與對照相比，經氨水、氫氧化鈉及乙醇處理后，菌株QF-1-1的去除率及吸附量均有所升高，去除率從93.76%分別上升到94.58%、98.24%和93.83%，但是差異不顯著（P＞0.05）。其原因是氨水和氫氧化鈉提供了—OH，改變了菌株QF-1-1表面的某些化學性質，使菌體的電位電負性增加，造成菌體表面具有更多的負電荷活性基團，如羧基、氨基等，使其更易接受Pb2+而使去除率升高。邵昭[33]和Gazem等[34]通過對酵母菌和曲霉菌的研究得到了類似的結果。乙醇使吸附能力提高可能是因為乙醇使蛋白質變性，破壞細胞結構，造成細胞壁表面的官能團暴露[13]。

與對照相比，經鹽酸、硫酸及乙酸處理后，QF-1-1對Pb2+的去除率及吸附量均大幅降低，差異極顯著（P＜0.01）。其中經鹽酸處理后的去除率最低，從93.76%下降到54.20%。其原因可能是酸使QF-1-1表面具有一定的H+而呈現(xiàn)正電性，與Pb2+相斥，從而使去除率降低。而氯化鈉處理后，QF-1-1的去除率從93.76%下降到68.25%，差異極顯著（P＜0.01），原因是正離子Na+與Pb2+相斥，從而使Pb2+去除率降低。Li Chunsheng等[35]研究發(fā)現(xiàn)魯氏酵母對Cd2+和Pb2+的去除率和吸附量均隨著NaCl濃度的增加明顯降低，而釀酒酵母對Cd2+的吸附表現(xiàn)與魯氏酵母相同，對Pb2+的吸附量卻呈現(xiàn)先增加后減低的趨勢。

Ma Ning等[36]研究表明，在6 mg/L和20 mg/L Cd2+2 種質量濃度下，隨著NaCl濃度的提高，畢赤酵母對Cd2+的吸附量逐漸下降，但釀酒酵母對Cd2+的吸附量卻隨著NaCl濃度的提高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在去除率方面，在2 種Cd2+濃度下，畢赤酵母對Cd2+去除率均呈現(xiàn)上升趨勢，但釀酒酵母對Cd2+去除率影響不大。以上結論表明，NaCl對酵母菌吸附重金屬的影響與酵母菌的種類、是否在培養(yǎng)基中、NaCl的濃度、重金屬種類及濃度均有密切關系。

2.4 QF-1-1對Pb2+的吸附穩(wěn)定性

圖7 QF-1-1吸附Pb2＋后解吸附實驗結果Fig. 7 Desorption of adsorbed Pb2+ from QF-1-1

由圖7可知，8 種洗脫劑中超純水和0.1 mol/L NaCl幾乎無洗脫作用，0.1 mol/L HCl、15 mmol/L HNO3、1.0 mmol/L EDTA第1次洗脫率已達到80%以上，經4 次洗脫后，菌體內只有不到4.1%的Pb2+。1.5 mmol/L HNO3、0.05 mol/L H2SO4洗脫能力在8 種洗脫劑中居中。酸型解吸液中含有大量的H+，可競爭Pb2+結合位點，從而可使吸附的Pb2+解吸[37]。不同酸解吸效果不同，原因可能是Pb2+被解吸下來后與硝酸根結合形成易溶于水、溶于酸的PbNO3，與Cl-形成易溶于酸的PbCl2，而Pb2SO4只能溶于濃硫酸和堿性條件下微溶于水，因此，HNO3的解吸能力最好，HCl次之，H2SO4最差。而EDTA與金屬離子螯合作用強，很容易將Pb2+從細胞表面解吸下來。Ye?im等[38]也證明HNO3是比CaCl2和蒸餾水更有效的洗脫劑，并且0.05 mol/L的硝酸可有效地解吸生物吸附的金屬離子[3]。本研究結果與高雁斐[17]和Gunjal[19]等結論一致。但與Yin Ruijie等[16]對植物乳桿菌CCFM8661吸附Pb2+后的解吸情況稍有差異，植物乳桿菌CCFM8661對Pb2+總洗脫率小于QF-1-1?？梢酝茰yQF-1-1對Pb2+主要是胞外吸附，是鉛離子與細胞表面的物質如羥基、羧基等官能團或者胞外分泌物發(fā)生的化學結合作用。

3 結 論

本研究結果揭示異常W. anomalusQF-1-1菌株體外吸附Pb2+的機理。首先考察了吸附條件對QF-1-1吸附Pb2+的影響，結果表明，當Pb2+溶液的初始pH 5.5、Pb2+溶液的初始質量濃度100 mg/L、菌體質量濃度11 g/L、吸附時間140 min時吸附效果較好，吸附量最大為7.29 mg/g，去除率為97.89%?；鶊F掩蔽實驗結果發(fā)現(xiàn)，羧基、氨基、磷酸基3 種基團在菌株QF-1-1吸附Pb2+過程中均發(fā)揮了重要的作用，貢獻率為羧基＞氨基＞磷酸基?；瘜W試劑處理實驗結果表明，經堿處理后，菌株QF-1-1對Pb2+的去除率及吸附量均有所升高，但是差異不顯著（P＞0.05）。經酸處理后去除率及吸附量均大幅降低，差異極顯著（P＜0.01），表明電荷性質的改變對Pb2+吸附有重大的影響。QF-1-1對Pb2+吸附穩(wěn)定性實驗表明，0.1 mol/L HCl、15 mmol/L HNO3、1.0 mmol/L EDTA解吸能力最強，經4 次洗脫后進入菌體內的Pb2+小于4.1%。初步斷定，QF-1-1對Pb2+的吸附機理主要是表面吸附。本研究初步闡明了異常威客漢姆酵母QF-1-1吸附Pb2+的作用過程，為此酵母菌能進一步應用于環(huán)境、食品、人體中去除Pb2+的應用提供一定的參考依據。