劉 潔, 李寧杰, 楊 銳, 楊 昆, 唐新媛

(桂林理工大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院; b.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541006)

0 引 言

水中重金屬鐵的污染主要來自冶煉、 工業(yè)電鍍和選礦等。水中Fe3+濃度過高容易引起水質(zhì)變黃, 嚴(yán)重時(shí)(Fe3+濃度超過1.0 mg/L)導(dǎo)致水發(fā)紅、 發(fā)黑, 散發(fā)出鐵腥味[1]。通常這類高含鐵酸性廢水的pH在2.6～3.7[2], 普通微生物難以生存。目前報(bào)道的嗜酸性微生物主要有鐵氧化鉤端螺旋菌、 氧化亞鐵硫桿菌、 氧化硫硫桿菌等[3-4], 可將Fe2+加速氧化為Fe3+[5]。

白腐真菌是一類對(duì)重金屬具有強(qiáng)耐受性的微生物, 其對(duì)重金屬Pb2+的吸附量可達(dá)到10～120 mg/g, 甚至更高[6]。白腐真菌對(duì)生長環(huán)境pH的適應(yīng)能力也較強(qiáng), 既可在pH低至3.6的酸性環(huán)境中生長[7], 亦能在弱堿性環(huán)境中馴化生長[8]。這說明白腐真菌很可能在高含鐵環(huán)境下存活。微生物的代謝產(chǎn)物會(huì)對(duì)鐵氧化物的自然形成過程產(chǎn)生影響[9], 姚婷等[10]的研究表明， 在微生物多糖蛋白質(zhì)調(diào)控作用下鐵氧化物的生成過程會(huì)受到影響, 然而， 目前缺少白腐真菌生長代謝干預(yù)下鐵氧化物形成特征的相關(guān)研究。

白腐真菌會(huì)在培養(yǎng)過程中形成菌球[11], 這一特征有利于白腐真菌在廢水處理中的實(shí)際應(yīng)用。而鐵氧化物具有較大的比表面積, 同樣也可作為吸附劑應(yīng)用于廢水處理, 劉詩婷等[12]用鐵氧化物與腐殖酸聯(lián)合吸附污染物并取得了很好的效果。白腐真菌菌球上負(fù)載的鐵氧化物對(duì)環(huán)境污染物的吸附過程影響值得進(jìn)一步研究。因此, 本文探討白腐真菌在較高含鐵環(huán)境下能夠在菌體表面形成鐵氧化物, 并對(duì)該鐵氧化物進(jìn)行表征, 同時(shí)探究不同條件對(duì)亞甲基藍(lán)吸附作用的影響, 并結(jié)合動(dòng)力學(xué)方程對(duì)該吸附作用進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)菌種及培養(yǎng)

所用菌種為黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)BKMF-1767(CCTCC AF96007)，使用微量元素液體培養(yǎng)基培養(yǎng), 具體配制如下(L-1): 2 g KH2PO4、 0.1 g CaCl2、 0.5 g MgSO4、 0.115 g FeSO4·7H2O、 0.112 g MnSO4·H2O、 0.089 g ZnSO4·7H2O、 0.05 g CuSO4·5H2O、 0.001 g維生素B1、 0.206 g酒石酸銨、 10 g葡萄糖, 調(diào)節(jié)pH 4.5。培養(yǎng)液經(jīng)121 ℃高溫蒸汽滅菌30 min后, 每200 mL接種2 mL孢子懸液, 孢子懸液在650 nm波長下吸光度為1[13-14], 向接種完畢的液體培養(yǎng)基中分別加入不同濃度的Fe3+(0、 69、 138、 207、 276 mg/L)溶液, 置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d(30 ℃、 180 r/min)， 通過離心分離獲得菌球后用100 mL超純水清洗兩遍, 再用濾紙過濾得到洗凈的菌球, 最后用離心機(jī)8 000～10 000 r/min離心脫水得到濕菌球。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

KH2PO4、 CaCl2、 MgSO4、 FeSO4·7H2O、 MnSO4·H2O、 ZnSO4·7H2O、 CuSO4·5H2O、 氫氧化鈉、 硫酸銨、 FeCl3·6H2O均為西隴科學(xué)股份有限公司生產(chǎn), 葡萄糖為上海阿拉丁生物科技有限公司生產(chǎn), 維生素B1為國藥集團(tuán)化學(xué)藥劑有限公司生產(chǎn), 所用藥品均為分析純。

實(shí)驗(yàn)儀器: 紫外分光光度計(jì)、 電子天平、 酸度計(jì)、 離心機(jī)、 掃描電子顯微鏡、 470 FT-IR傅里葉變換紅外光譜儀等。

1.3 培養(yǎng)液中Fe3+濃度的測(cè)定

取1～7 d的培養(yǎng)液上清液, 酸化處理后經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國)測(cè)定樣品中的Fe3+濃度A, 其計(jì)算公式為

Fe3+吸附量(mg)=(初始Fe3+濃度-A)×溶液體積。

1.4 菌球表面鐵氧化物的表征

采用JSM-6380LV掃描電鏡(SEM, 日本電子株式會(huì)社)和 IE350能譜掃描儀(EDS, 英國牛津儀器公司)對(duì)負(fù)載鐵氧化物前、 后的菌球表面形貌及元素組成進(jìn)行分析, 并采用470 FT-IR紅外光譜儀(FTIR, 美國熱電尼高力公司)測(cè)定菌球表面官能團(tuán)。

1.5 負(fù)載鐵氧化物的菌球?qū)喖谆{(lán)的吸附

使用在初始Fe3+濃度分別為0、 69、 138、 207、 276 mg/L的實(shí)驗(yàn)組中獲得的菌球研究其負(fù)載的鐵氧化物量、 初始亞甲基藍(lán)濃度(12.5、 16.67、 25、 35、 50、 75 mg/L)、 溫度(4、 20、 30、 40、 60 ℃)、 pH(2、 4、 6、 8、 10)等因素的影響。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定最佳實(shí)驗(yàn)條件, 除負(fù)載的鐵氧化物量的研究外, 其余3個(gè)影響因素均使用初始Fe3+濃度為207 mg/L培養(yǎng)獲得的濕菌球2 g, 吸附時(shí)間均設(shè)置為180 min, 溫度為20 ℃, 設(shè)置2組平行樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌體培養(yǎng)過程中Fe3+吸附量變化

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn), 在高初始濃度Fe3+環(huán)境中, 白腐真菌均能正常生長, 并長成菌球。白腐真菌生長過程中菌體對(duì)Fe3+的吸附量的變化情況如圖1所示。不同初始Fe3+濃度實(shí)驗(yàn)組中, 前3天菌體對(duì)Fe3+的吸附量呈增長趨勢(shì), 第4天后基本達(dá)到平衡; 初始Fe3+濃度增高, 菌球吸附的Fe3+量越多。菌球生長過程中, 溶液中的pH一直維持在4.5左右, Fe3+濃度越高, 第7天溶液中的pH值降低至4.2。這說明在穩(wěn)定的酸性條件下, 菌球表面鐵氧化物仍能穩(wěn)定且較快形成。

圖1 白腐真菌菌球?qū)e3+吸附量的變化

2.2 菌球表面鐵氧化物的表征

圖2 不同初始Fe3+濃度下白腐真菌菌球的FT-IR圖譜

2.3 SEM/EDS分析

未添加Fe3+組獲得的菌球與添加不同初始濃度Fe3+組得到的菌球的菌絲形態(tài)如圖3所示?？梢钥闯觯?未添加Fe3+的原始菌球表面光滑, 無明顯附著物, 而添加Fe3+菌球表面附著了較多球狀顆粒, 且高濃度的初始Fe3+濃度組中菌球表面球狀物負(fù)載更加密集, 覆蓋面更廣。這與EDS分析(表1)結(jié)果一致, 初始Fe3+濃度為276 mg/L組獲得的菌球表面鐵元素含量占比17.7%, 而添加168 mg/L Fe3+實(shí)驗(yàn)組的菌球表面鐵元素含量占比4.92%。

表1 不同初始Fe3+濃度組中白腐真菌菌球的EDS分析

圖3 不同初始Fe3+濃度組中白腐真菌菌球的SEM圖像

2.4 負(fù)載鐵氧化物的菌球吸附亞甲基藍(lán)的影響因素

吸附量與吸附率的計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

式中:q為吸附量(mg/g);C0為初始亞甲基藍(lán)的濃度(mg/L);Ce為反應(yīng)平衡時(shí)亞甲基藍(lán)的濃度(mg/L);V為反應(yīng)體系的體積(mL);m為白腐真菌菌球的干重(g);R為吸附率(%)。

4種因素影響負(fù)載鐵氧化物的菌球吸附亞甲基藍(lán)的結(jié)果如圖4所示。初始鐵氧化物濃度的影響結(jié)果如圖4a所示: 空白菌球?qū)喖谆{(lán)的吸附率為24%, 而表面負(fù)載鐵氧化物的菌球?qū)喖谆{(lán)的吸附率明顯增加, 并且隨著菌球表面負(fù)載鐵氧化物的量增多, 亞甲基藍(lán)的吸附率明顯增大, 最高可達(dá)50%。由于鐵氧化物具有較大的比表面積和較高的表面電荷, 有助于吸附的進(jìn)行[18], 這說明菌球表面鐵氧化物有助于提高對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附作用。

隨著初始亞甲基藍(lán)濃度的升高, 菌球表面鐵氧化物吸附亞甲基藍(lán)的效率明顯下降(圖4b), 這可能是由于菌體表面鐵氧化物的量有限, 吸附位點(diǎn)逐漸達(dá)到飽和， 但吸附量隨亞甲基藍(lán)的濃度升高而不斷增加。

反應(yīng)體系的酸堿度影響(圖4c)表明, 當(dāng)溶液pH為2時(shí), 亞甲基藍(lán)去除效果最差, 一方面可能是因?yàn)槿芤褐写嬖诖罅康腍+, 與亞甲基藍(lán)發(fā)生競(jìng)爭吸附[19]； 另一方面, 此時(shí)會(huì)有Fe3+析出, 菌球表面的鐵氧化物含量減少。當(dāng)pH升高到4～8時(shí), 亞甲基藍(lán)吸附率升高, 且維持較穩(wěn)定的水平。當(dāng)pH為10時(shí), 吸附率最大， 為50.29%?？梢? 在堿性條件下更有利于負(fù)載鐵氧化物的菌球?qū)喖谆{(lán)的吸附, 劉文莉等[20]的研究表明, pH與鐵氧化物吸附能力成正相關(guān)。但隨初始pH值的增加, 材料對(duì)亞甲基藍(lán)的脫色效果影響不是非常的顯著, 即克服了一般的吸附劑使用pH值范圍窄的缺點(diǎn), 在pH值4～10的范圍內(nèi)均對(duì)亞甲基藍(lán)具有很好的脫色效果[21]。而鄒玉春等[22]的研究表明, 在pH較低的情況下, 白腐真菌和染料形成的體系較為穩(wěn)定, 與本實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果不一致。而印染廢水多具有強(qiáng)堿性等特點(diǎn)[23], 說明實(shí)驗(yàn)組中使用的負(fù)載鐵氧化物的菌球可能更適用于印染廢水的處理。

溫度影響的試驗(yàn)結(jié)果(圖4d)表明, 隨著溫度的升高， 吸附率先升高后下降, 在溫度為20 ℃時(shí), 吸附率達(dá)到最高值39.92%?？梢姼邷夭焕趯?duì)亞甲基藍(lán)的吸附, 由此可以推測(cè)負(fù)載鐵氧化物的菌球吸附亞甲基藍(lán)可能是一個(gè)放熱過程, 而在4～40 ℃時(shí), 吸附效果仍能有保障, 說明負(fù)載了鐵氧化物的菌球?qū)喖谆{(lán)的吸附能在自然水溫下進(jìn)行。

圖4 初始鐵氧化物濃度(a)、 亞甲基藍(lán)初始濃度(b)、 溶液pH(c)和反應(yīng)溫度(d)對(duì)負(fù)載鐵氧化物的白腐真菌菌球吸附亞甲基藍(lán)作用的影響

2.5 吸附動(dòng)力學(xué)研究

采用吸附動(dòng)力學(xué)方程對(duì)負(fù)載鐵氧化物的菌球吸附亞甲基藍(lán)的作用進(jìn)行了描述。將測(cè)得的數(shù)據(jù)代入準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程中, 得到擬合方程[24]。

ln(qe-qt)=lnqe-k1t;

(3)

(4)

式中:qe為吸附平衡時(shí)的吸附量(mg/g);qt為t時(shí)刻的吸附量(mg/g);k1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)(min-1);k2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)(g/(min·mg))。

由圖5可以看出, 對(duì)亞甲基藍(lán)初始濃度相同的吸附動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合, 表面負(fù)載鐵氧化物的白腐真菌菌球吸附亞甲基藍(lán)過程更適合用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來描述, 吸附質(zhì)與吸附劑之間電子交換化學(xué)反應(yīng)過程為主要的控速過程[25], 可以推測(cè)菌球?qū)喖谆{(lán)的吸附過程以化學(xué)作用為主導(dǎo)[26]。

圖5 準(zhǔn)一級(jí)(a)和準(zhǔn)二級(jí)(b)動(dòng)力學(xué)方程擬合模型

3 結(jié) 論

(1)在高濃度Fe3+環(huán)境中白腐真菌能正常生長, 并在菌體表面形成大量含α-FeOOH、β-FeOOH 等的鐵氧化物;

(2)菌球上負(fù)載的鐵氧化物能提高菌球整體對(duì)染料亞甲基藍(lán)的吸附效果, 其吸附過程受鐵氧化物負(fù)載量的影響, 負(fù)載量越高, 對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附效果越好;

(3)負(fù)載鐵氧化物的菌球在pH 4～10范圍內(nèi)、 自然水溫條件下對(duì)亞甲基藍(lán)有較好的吸附;

(4)負(fù)載鐵氧化物的菌球?qū)喖谆{(lán)的吸附過程更適合用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來描述。