馬紅梅，黃國男，彭一鑫，張來軍

乳酸菌對(duì)海水中鉛離子的吸附作用

馬紅梅，黃國男，彭一鑫，張來軍

（海南熱帶海洋學(xué)院水產(chǎn)與生命學(xué)院，海南 三亞 572022）

【】分析德式乳桿菌、嗜熱鏈球菌及屎腸球菌3種不同乳酸菌對(duì)海水中鉛離子的吸附作用影響。采用原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定海水中鉛的含量，并通過計(jì)算乳酸菌對(duì)重金屬鉛的吸附率及單位菌體吸附量分析乳酸菌對(duì)鉛的吸附性能。菌液加入海水6 h 后，屎腸球菌的吸附率最大為80.85%，嗜熱鏈球菌的吸附率最大為51.73%，德式乳桿菌的吸附率為19.97%；6 ~ 48 h內(nèi)，隨著吸附時(shí)間的延長，3種乳酸菌對(duì)海水中鉛離子的吸附率和吸附量均呈先降后升的趨勢(shì)。當(dāng)投菌量為10 g/L時(shí)，屎腸球菌的吸附率和單位菌體吸附量分別為88.31%和2.48 mg/g，增大投放量，吸附率上升不顯著；當(dāng)投菌量為40 g/L時(shí)，屎腸球菌、德式乳桿菌及嗜熱鏈球菌對(duì)鉛離子的吸附率均達(dá)到最大，分別為95.04%、83.73%及83.25%。當(dāng)鉛離子濃度為150 mg/L時(shí)，德式乳桿菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時(shí)分別為40.18%和2.26 mg/g；嗜熱鏈球菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時(shí)分別為48.33%和8.15 mg/g；屎腸球菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時(shí)分別為62.90%和3.53 mg/g。屎腸球菌在3種乳酸菌中對(duì)鉛的吸附效果最好，當(dāng)屎腸球菌生物投放量為10 g/L、海水中鉛離子濃度為150 mg/L，6 h后即可達(dá)到最大吸附量。

海水中鉛離子；生物吸附；乳酸菌；屎腸球菌

因近海養(yǎng)殖的規(guī)?；?、集約化發(fā)展導(dǎo)致養(yǎng)殖密度不斷提高，同時(shí)我國近海區(qū)域因受城市發(fā)展和工業(yè)污水排放等因素影響，重金屬已成為近海養(yǎng)殖水體及其生物體內(nèi)常見的一類污染物。研究表明，養(yǎng)殖海產(chǎn)品比天然野生海產(chǎn)品受重金屬污染更為嚴(yán)重[1-2]。對(duì)海南近海及海水養(yǎng)殖區(qū)中重金屬污染的調(diào)查和研究表明，近海養(yǎng)殖區(qū)海水鉛污染成為海洋環(huán)境污染高風(fēng)險(xiǎn)的重金屬污染物之一[3-4]。鉛污染水平較高貝類主要為近江牡蠣、華貴櫛孔扇貝、櫛江珧等，季節(jié)分布總體表現(xiàn)為春夏秋冬逐級(jí)遞增趨勢(shì)[5]。在海洋生境中，鉛與銅、鎘等金屬相比，鉛更容易被某些海洋生物所累積，嚴(yán)重影響海洋魚、參、貝等常見經(jīng)濟(jì)生物的繁殖、生長、發(fā)育和存活[6]，對(duì)生物造成不同程度傷害，因而也成為當(dāng)前威脅海洋食品安全的重要因素[7]。同時(shí)，通過水生生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈與食物網(wǎng)的富集作用，對(duì)人類生命和健康造成直接或間接的影響和危害。目前，處理重金屬主要采用物理化學(xué)技術(shù)和新型的生物技術(shù)。與傳統(tǒng)物理化學(xué)技術(shù)相比，生物技術(shù)方法在治理重金屬污染方面展現(xiàn)出其菌種來源豐富、成本低廉、可行性高等特點(diǎn)和無二次污染等優(yōu)勢(shì)[8]。微生物吸附劑是生物吸附中的一種。因微生物培養(yǎng)容易、繁殖速度快、吸附能力較強(qiáng)，吸附效果好、成本較低等成為重金屬污染治理研究的重點(diǎn)，特別在土壤、淡水及食品中耐鉛微生物的篩選及其生物吸附研究報(bào)道很多[9-11]，但利用微生物吸附海水中重金屬離子的研究較少[12]。

乳酸菌作為公認(rèn)的安全食品，為人及動(dòng)物腸道的益生菌，因其獨(dú)特細(xì)胞結(jié)構(gòu)與生物特性使其在食品等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)乳酸菌能夠吸附食品和土壤及淡水中重金屬[13]，但對(duì)乳酸菌在海洋生境中吸附重金屬研究報(bào)道甚少。乳酸菌在液體中培養(yǎng)生長較快，比表面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生理活性物質(zhì)多且菌體自身能促進(jìn)海水養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境中魚類的生長，故其可作為海洋環(huán)境中重金屬吸附的友好材料；此外，乳酸菌中很多種類具有耐酸、耐鹽及耐較高的滲透壓[14－15]。因此，乳酸菌具備開發(fā)成海洋重金屬吸附劑的潛力。本研究利用乳酸菌的生物學(xué)特性，測(cè)定3種乳酸菌在海水中對(duì)重金屬鉛離子的吸附效果，找出吸附效果好的乳酸菌及對(duì)重金屬鉛離子的最佳吸附條件，為更好利用微生物吸附處理近海養(yǎng)殖中重金屬污染、促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要器材

設(shè)備：火焰原子吸收光譜儀AAS990：北京普析通用儀器有限公司；臺(tái)式全溫振蕩培養(yǎng)箱：上海知楚儀器有限公司。

菌株與試劑：供試菌株德氏乳桿菌（）編號(hào)為LAB-2、嗜熱鏈球菌（）編號(hào)為LAB-3、屎腸球菌（）編號(hào)為LAB-4，均為標(biāo)準(zhǔn)菌株，購自廣東環(huán)凱微生物科技有限公司。試劑：氯化鈉、醋酸鉛、濃硝酸、硝酸鉛等為分析純；MRS肉湯培養(yǎng)基、LB培養(yǎng)基為化學(xué)純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菌種的活化與擴(kuò)大培養(yǎng) 將3種菌株分別通過劃線接種至LB固體培養(yǎng)基上，于37 ℃的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2 ~ 3 d，待斜面長滿，將菌種制備成菌懸液接種至MRS肉湯培養(yǎng)基中，置臺(tái)式恒溫震蕩培養(yǎng)箱于150 r/min，37 ℃條件下擴(kuò)大培養(yǎng)24 h。

1.2.2 乳酸菌吸附重金屬鉛離子試驗(yàn) 采用國標(biāo)GB17378.4-2007中原子吸收分光光度法測(cè)定海水中鉛離子[16]。

1.2.2.1 海水中鉛離子濃度溶液的配置 準(zhǔn)確稱取0.5 g醋酸鉛，加入1 L配置好的海水溶液，于1 L容量瓶中定容，制得500 mg/L的醋酸鉛溶液。醋酸鉛遇海水后有白色沉淀生成，將制得的500 mg/L醋酸鉛溶液進(jìn)行抽濾，上清液倒入試劑瓶中標(biāo)記備用。按相同操作，對(duì)500 mg/L醋酸鉛溶液進(jìn)行稀釋，配置300、150、100、75、50mg/L不同質(zhì)量濃度的鉛離子溶液。

1.2.2.2 鉛離子標(biāo)準(zhǔn)溶液配制 1 000.00 mg/L鉛標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液配制：準(zhǔn)確稱取1.598 5 g硝酸鉛，用少量濃硝酸溶液溶解，移入1 L容量瓶，加水至刻度，混勻。

1.00 mg/L鉛標(biāo)準(zhǔn)中間液配制：準(zhǔn)確地吸取1 000.00 mg/L鉛標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液1.00 mL于1 L容量瓶中，加體積分?jǐn)?shù)為5%硝酸溶液至刻度，混勻。

鉛標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制：分別吸取1.00 mg /L鉛標(biāo)準(zhǔn)中間液0、0.100、0.500、1.00、1.50 mL于 100 mL容量瓶中，加體積分?jǐn)?shù)為5%硝酸溶液至刻度，混勻。此鉛標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的質(zhì)量濃度分別為0、1.00、5.00、10.0、15.0、20.0 μg/L。

1.2.2.3 乳酸菌吸附鉛離子的實(shí)驗(yàn) 將3種乳酸菌接種至MRS肉湯培養(yǎng)基中進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，離心分離（4 000 r/min，10 min）收集菌體，用超純水洗滌菌體上殘留液，置50 ℃烘箱中烘干至恒重。取出后加入超純水，制備濃度為100 g/L的3種乳酸菌的菌懸液，測(cè)定不同條件對(duì)乳酸菌吸附鉛離子的影響。

（1）吸附時(shí)間對(duì)乳酸菌吸附鉛離子影響。在試管中各加入5 mL鉛離子濃度為150 mg/L海水，分別投入3種質(zhì)量濃度為100 g/L乳酸菌，使投放后菌體質(zhì)量濃度最終為5 g/L。將投放菌種后的試管置轉(zhuǎn)速為150 r/min，37 ℃臺(tái)式慍溫振蕩培養(yǎng)箱中進(jìn)行吸附作用，吸附時(shí)間分別為6、12、24、36、48 h。吸附完成后離心，取上清液進(jìn)行檢測(cè)。

（2）菌量對(duì)乳酸菌吸附鉛離子的影響。在試管中各加入5 ml鉛離子質(zhì)量濃度為150 mg/L的海水，分別投入3種質(zhì)量濃度為100 g/L乳酸菌，使投放后的菌體質(zhì)量濃度最終分別為5、10、20、30、40 g/L，每種菌各做1組梯度。將投放菌種后的試管置轉(zhuǎn)速為150 r/min，37 ℃臺(tái)式慍溫振蕩培養(yǎng)箱中進(jìn)行吸附作用1 d。吸附完成后離心，取上清液進(jìn)行檢測(cè)。

（3）鉛離子濃度對(duì)乳酸菌吸附鉛離子的影響。取鉛離子濃度分別為500、300、150、100、75、50 mg/L的海水各5 mL加入試管中，分別投入3種濃度為100 g/L乳酸菌，使投放后的菌體的濃度最終為5 g/L。將投放菌種后的試管置轉(zhuǎn)速為150 r/min，37 ℃臺(tái)式慍溫振蕩培養(yǎng)箱中進(jìn)行吸附作用1 d。吸附完成后離心，取上清液進(jìn)行檢測(cè)。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 乳酸菌對(duì)鉛吸附率與單位菌體吸附量采用下面公式計(jì)算：

重金屬鉛的吸附率：=（01）/0，（1）

單位菌體吸附量：e=（01）×/，（2）

式中，0表示初始的鉛離子濃度，1表示吸附后溶液中的鉛離子濃度，表示鉛離子溶液的體積，表示投放菌體的質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

以鉛標(biāo)準(zhǔn)工作液濃度為橫坐標(biāo)，以鉛離子對(duì)應(yīng)的光密度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1），線性歸方程為：= 0.014 81+ 0.004 38，相關(guān)性= 0.999 42，呈良好線性關(guān)系。

圖1 鉛離子質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 吸附時(shí)間對(duì)乳酸菌吸附鉛離子影響

吸附時(shí)間對(duì)乳酸菌吸附鉛離子影響的結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 時(shí)間對(duì)鉛吸附率的影響

圖3 時(shí)間對(duì)單位菌體鉛吸附量的影響

由圖2可知，在6 ~ 24 h，隨著吸附時(shí)間延長，嗜熱鏈球菌與屎腸球菌吸附量下降，24 ~ 48 h內(nèi)對(duì)鉛的吸附率逐漸上升，而德氏乳桿菌整體上吸附率變化不大。

由圖3可知，屎腸球菌與德氏乳桿菌隨著吸附時(shí)間延長，單位菌體鉛吸附量變化不大，但屎腸球菌單位菌體鉛吸附量最大，而嗜熱鏈球菌單位菌體鉛吸附量在24 h時(shí)吸附量最低。

由圖2和圖3可以看出3種菌的吸附率與單位菌體吸附量均是先降低再升高。德式乳桿菌在6 ~ 12 h內(nèi)吸附率從19.97%下降至17.81%，12 h后逐漸上升，48 h后吸附率達(dá)到23%，單位菌體吸附量達(dá)到1.30 mg/g；嗜熱鏈球菌與屎腸球菌的吸附率與吸附量在6 ~ 24 h逐漸下降，24 h后逐漸上升，到48 h嗜熱鏈球菌的吸附率達(dá)28.34%，單位菌體吸附量達(dá)1.59 mg/g，屎腸球菌的吸附率達(dá)73.39%，單位菌體吸附量達(dá)4.12 mg/g。由此可見，3種乳酸菌中對(duì)鉛離子吸附效果最好的是屎腸球菌。

2.3 菌量對(duì)乳酸菌吸附鉛離子的影響

菌量對(duì)乳酸菌吸附鉛離子影響的結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 菌量對(duì)鉛吸附率的影響

圖5 菌量對(duì)單位菌體鉛吸附量的影響

由圖4可知，隨著投入菌量的增加，3種乳酸菌對(duì)鉛離子的吸附率均增加。由圖5可知，德式乳桿菌與嗜熱鏈球菌在菌量為10 g/L時(shí)，單位菌體鉛吸附量最大，之后隨著菌量增加，單位菌體鉛吸附量下降。

由圖4和圖5可知，投放菌的量越多，吸附率越高。投放菌量為40 g/L時(shí)，乳酸菌吸附率達(dá)到最大值，德式乳桿菌、嗜熱鏈球菌及屎腸球菌的吸附率分別為83.73%、83.25%及95.04%。投放菌量為5 ~ 10 g/L時(shí)，3種乳酸菌吸附率急劇上升，德式乳桿菌和濕熱鏈球菌的單位菌體吸附量也上升，單位菌體吸附量達(dá)到最大值，分別為1.40、2.03 mg/g，20 g/L后逐漸下降；當(dāng)投放菌量10 g/L時(shí)，兩種乳酸菌單位菌體吸附量開始下降。當(dāng)菌投放量為10 g/L時(shí)，屎腸球菌吸附率和單位菌體吸附量分別為88.31%和2.48 mg/g，增大投放量，吸附率上升不顯著，且單位菌體吸附量下降明顯。出于經(jīng)濟(jì)實(shí)用目的考慮，可選用濃度為10 g/L的屎腸球菌進(jìn)行實(shí)際投放。

2.4 鉛離子濃度對(duì)乳酸菌吸附鉛離子的影響

鉛離子濃度對(duì)乳酸菌吸附鉛離子影響的結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 鉛離子濃度對(duì)鉛吸附率的影響

由圖6可知，在鉛離子濃度為50 ~ 100 mg/L時(shí)，德式乳桿菌和屎腸球菌的吸附率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)在鉛離子濃度大于100 mg/L時(shí)，屎腸球菌的吸附率下降；而德氏乳桿菌與嗜熱鏈球菌的吸附率變化較復(fù)雜。由圖7可知，3種乳酸菌的吸附量均隨著海水中鉛離子濃度升高，吸附量上升。

圖7 鉛離子濃度對(duì)單位菌體吸附量的影響

由圖6、7可知，德氏乳桿菌在鉛離子質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，吸附率為68.49%，單位菌體吸附量為0.81 mg/g，隨著海水中鉛離子濃度增長，吸附率呈下降趨勢(shì)，單位菌體吸附量呈逐步上升趨勢(shì)。

鉛離子濃度為500 mg/L時(shí)，分別為27.73%和4.68 mg/g。嗜熱鏈球菌與屎腸球菌在鉛離子質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí)，其吸附率均達(dá)到最大值，分別為78.55%、91.35%，之后鉛離子逐漸上升，吸附率逐步下降，當(dāng)鉛離子濃度為500 mg/L時(shí)，其吸附率降至48.33%、53.14%，其中單位菌體吸附量逐漸上上升，最終可達(dá)8.15、8.96 mg/g。

結(jié)合吸附率和單位菌體吸附量分析，鉛離子濃度為150 mg/L時(shí)，德式乳桿菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時(shí)分別為40.18%，2.26mg/g；嗜熱鏈球菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時(shí)分別為48.33%，8.15mg/g；屎腸球菌的吸附率和單位菌體吸附量均較高時(shí)分別為62.90%，3.53mg/g。由此可見，屎腸球菌的吸附效果優(yōu)于德式乳桿菌與嗜熱鏈球菌。

3 討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同乳酸菌對(duì)海水中鉛離子的吸附能力不一樣，且乳酸菌吸附性能受吸附時(shí)間、投入菌量及海水中鉛離子濃度的影響。從吸附時(shí)間上來看，菌體吸附率與單位菌體吸附量從一開始緩慢下降得知，在6 ~ 24 h內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)解吸作用，這與乳酸菌的自我保護(hù)機(jī)制、防止重金屬的毒害作用有關(guān)[17]；24 h后，從吸附率與單位菌體吸附量緩慢上升推斷乳酸菌可能適應(yīng)了重金屬鉛離子環(huán)境，開始出現(xiàn)鉛離子運(yùn)輸至細(xì)胞內(nèi)部并與細(xì)胞內(nèi)部化合物質(zhì)進(jìn)行結(jié)合。

從菌量對(duì)乳酸菌吸附海水中鉛離子影響來看，吸附菌量越大，乳酸菌吸附率越大，單位菌體吸附量越小。造成這種現(xiàn)象的原因跟鉛離子與乳酸菌結(jié)合位點(diǎn)有關(guān)[18]。當(dāng)投放菌量少時(shí)，鉛離子與乳酸菌表面的結(jié)合位點(diǎn)充分結(jié)合，因此單位菌體吸附量最高，但由于總的結(jié)合位點(diǎn)較少，因此吸附率較低。當(dāng)投放菌量增多時(shí)，單位體積內(nèi)菌體數(shù)量增多，鉛離子與菌膜上結(jié)合位點(diǎn)不充分結(jié)合，導(dǎo)致單位菌體吸附量減少，但由于總的結(jié)合位點(diǎn)增加，故吸附率仍呈緩慢上升趨勢(shì)。

從鉛離子濃度對(duì)乳酸菌吸附海水中鉛離子的影響來看，初始鉛離子濃度越大，乳酸菌對(duì)鉛離子的吸附量也越高，而吸附率變化較大，與文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)吸附率隨著鉛離子濃度升高而呈現(xiàn)平滑下降趨勢(shì)不一致[19]。出現(xiàn)此種情況，可能是本實(shí)驗(yàn)所設(shè)吸附時(shí)間相對(duì)較長，此間發(fā)生生物積累或解吸作用，乳酸菌吸附率出現(xiàn)波動(dòng)所致，此外還可能與乳酸菌所處海水介質(zhì)有關(guān)。綜合以上分析，吸附率呈下降趨勢(shì)是由于在溶液中，單位體積內(nèi)菌體數(shù)目固定，當(dāng)單位菌體結(jié)合位點(diǎn)飽和時(shí)，鉛離子濃度越大，吸附率越低。在實(shí)際投入使用中，從經(jīng)濟(jì)效益與成果效率來看，既需要保證所投放菌種吸附率，又要保障其單位菌體吸附量較高，而測(cè)試乳酸菌中只有屎腸球菌滿足該要求。

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Adsorption of Lead Ions in Seawater by Lactic Acid Bacteria

MA Hong-mei , HUANG Guo-nan, PENG Yi-xin, ZHANG Lai-jun

(,,572022,)

The adsorption properties of lead ions in seawater byandwere studied.The concentration of lead in seawater was detected by the atomic absorption spectrophotometer and the adsorption capacity of lactic acid bacteria to lead was analyzed by calculating the adsorption rate and adsorption capacity per unit of bacteria of heavy metal lead by lactic acid bacteria.The results showed that the maximum adsorption rates ofwere 80.85% and 51.73% respectively within 6 hours since inocula was added to the seawater, and the adsorption rate ofwas only 19.97%. The adsorption rate and adsorption capacity of lead ions by the three lactic acid bacteria decreased at first and then increased with the prolongation of adsorption time within 6―48 hours. The adsorption rate and unit bacterial adsorption capacity ofwere 88.31% and 2.48 mg/g respectively, but the adsorption rate wasn’t significantly increased when the concentation of lactic acid bacteria was 10 g/L. The adsorption rates of lead ion by,andreached the highest, which were 95.04%, 83.73% and 83.25% respectively with the 40 g / L concentration of lactic acid bacteria. When the concentration of lead ion was 150 mg/L, the adsorption rate and unit bacterial adsorption capacity ofwere 40.18% and 2.26 mg / g, and those of48.33% and 8.15 mg/g respectively, and those ofwere 62.90% and 3.53mg/g respectively when the adsorption rate and unit bacterial adsorption capacity ofwere both higher.had the best adsorption effect on lead among the three kinds of lactic acid bacteria by comparing the adsorption properties of the three kinds of lactic acid bacteria. When the biomass ofwas 10 g/L with the concentration of lead ion in seawater was 150 mg/L, the maximum adsorption capacity can be reached after 6 hours.

lead ion in seawater; biosorption; lactic acid bacteria;

X55

A

1673-9159（2020）06-0071-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.06.009

馬紅梅，黃國男，彭一鑫，等. 乳酸菌對(duì)海水中鉛離子的吸附作用[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40（6）：71-76.

2020-05-02

海南省高等學(xué)校教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目（Hnjg2020ZD-35）；國家自然科學(xué)基金(31260139)

馬紅梅（1976－），女，碩士，教授，研究方向?yàn)楹Ｑ笪⑸鷳B(tài)。E-mail:mahongmei612@163.com

（責(zé)任編輯：劉嶺）