孟佑婷

（1.北京市科學(xué)技術(shù)研究院北京市輻射中心，北京100875；2.北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院射線束技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875）

重金屬是威脅生態(tài)環(huán)境安全和人類健康的重要污染物，其污染修復(fù)有多種方法，包括物理、化學(xué)和生物方法。生物吸附是一種環(huán)境友好型的修復(fù)技術(shù)，尤其是通過(guò)固定化微生物和納米材料吸附溶液中的重金屬離子受到越來(lái)越多的重視[1]。絲瓜絡(luò)（Loo?fah sponge），又名絲瓜網(wǎng)、瓜絡(luò)、絲瓜瓤，是葫蘆科植物絲瓜干燥成熟果實(shí)的維管束，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，具有獨(dú)特的多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度[2]。絲瓜絡(luò)作為固定化基質(zhì)具有價(jià)格低廉、生物相容性好和環(huán)境友好等特點(diǎn)，目前多用于固定細(xì)菌、真菌和藻類制備復(fù)合吸附劑，吸附重金屬和有機(jī)物[3-8]。

氧化錳是環(huán)境中重要的吸附劑、催化劑和氧化劑[9]。多種細(xì)菌[9-11]和真菌[12]均可以通過(guò)直接或間接作用形成生物氧化錳（Biogenic manganese oxides，BMOs）。錳生物氧化速率比化學(xué)氧化速率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)[13]，因此推測(cè)環(huán)境中氧化錳的形成主要是微生物驅(qū)動(dòng)的[14]。微生物主要通過(guò)多銅氧化酶[10，15]、漆酶[16]和動(dòng)物血紅素過(guò)氧化物酶[17]等催化錳的氧化，形成無(wú)定型態(tài)的BMOs 納米微粒。BMOs 普遍比化學(xué)氧化錳的比表面積大[9]，對(duì)重金屬和放射性核素有良好的吸附[18-22]和氧化作用[23]。在實(shí)際應(yīng)用中，游離氧化錳顆粒吸附重金屬離子時(shí)存在回收和重復(fù)利用困難等問(wèn)題。有文獻(xiàn)報(bào)道了將化學(xué)氧化錳固定于生物炭[21，24]和沸石[25]來(lái)吸附重金屬離子，但將BMOs 固定于絲瓜絡(luò)并用于重金屬離子吸附鮮有報(bào)道。絲瓜絡(luò)固定BMOs 制備的復(fù)合吸附劑（Loofah sponge-immobilized biogenic manganese oxides，LIBMOs）可以提高吸附劑和金屬離子的回收利用效率，并有利于改善吸附穩(wěn)定性。本文制備植物-微生物復(fù)合吸附劑LIBMOs，研究該吸附劑的表面性質(zhì)，并考察其對(duì)重金屬離子的吸附特點(diǎn)。本研究將為水環(huán)境中重金屬離子的去除提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 BMOs合成

本文所用錳氧化細(xì)菌是一株蠟樣芽孢桿菌Bacil?lus cereus CP133（CP133），篩選自昌平錳礦舊址[26]。該菌株合成的BMOs為無(wú)定形態(tài)的納米微粒[26]。實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)基為不添加pH 緩沖液的L2 培養(yǎng)基[18]，具體成分為：胰蛋白胨2 g·L-1、酵母萃取物0.5 g·L-1、NaCl 0.15 mol·L-1、KCl 0.005 mol·L-1、MgSO40.025 mol·L-1、CaCl20.005 mol·L-1、CuSO4?5H2O 10 mg·L-1、ZnSO4?7H2O 44 mg·L-1、CoCl2?6H2O 20 mg·L-1、Na2MoO4?2H2O 13 mg·L-1。配制好的培養(yǎng)基高壓蒸汽滅菌（121 ℃、30 min）后加入過(guò)濾滅菌（0.22 μm 濾膜）的MnCl2溶 液，終 濃 度 為10 mmol?L-1。BMOs 含 量 用Leucoberbelin Blue（LBB）方法測(cè)定[27]，所用儀器為MD公司的SpectraMax M3。

1.2 LIBMOs制備

本文所用絲瓜絡(luò)產(chǎn)自北京郊區(qū)。將絲瓜絡(luò)剪成小塊，用20%的NaOH 和一定量乙醇的混合溶液在室溫25 ℃下浸泡48 h；然后在80 ℃恒溫水浴中回流3 h；用去離子水洗滌NaOH 預(yù)處理的絲瓜絡(luò)若干次，直至洗滌液呈中性，抽濾后70 ℃烘干備用。將2.0 g?L-1的天然絲瓜絡(luò)（Loofah sponge，LS）或NaOH 預(yù)處理的絲瓜絡(luò)（NaOH-treated loofah sponge，NaOH-LS）加入L2液體培養(yǎng)基中高壓蒸汽滅菌后接種CP133，并添加MnCl2至10 mmol·L-1，振蕩培養(yǎng)（25 ℃、150 r·min-1）14 d。分別在2、4、6、8、10、12、14 d取樣檢測(cè)LS和NaOHLS 體系中被絲瓜絡(luò)固定的BMOs（Immobilized BMOs）和分散在培養(yǎng)基中的游離BMOs（Free BMOs）含量。14 d 后將LIBMOs 離心并用磷酸鹽緩沖液清洗3 次后冷凍干燥，用于表面性質(zhì)分析和重金屬離子吸附實(shí)驗(yàn)。

1.3 LIBMOs表面性質(zhì)分析

用掃描電鏡（SEM，F(xiàn)EI Quanta 200）觀察CP133、BMOs、絲瓜絡(luò)和LIBMOs 的表面形貌，樣品用導(dǎo)電膠固定在銅基板上，并做表面噴金處理。采用傅里葉紅外光譜儀（Thermo，Nicolet iS 50）對(duì)絲瓜絡(luò)和LIBMOs的表面官能團(tuán)進(jìn)行表征，采用KBr 壓片法制樣，掃描范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)為32次。

1.4 LIBMOs吸附重金屬實(shí)驗(yàn)

LIBMOs 分別吸附重金屬離子Pb2+、Cd2+、Cu2+和Zn2+，實(shí)驗(yàn)在50 mL 離心管中進(jìn)行，反應(yīng)體系10 mL，pH 6.0，LIBMOs 投加量為2.0 g?L-1。實(shí)驗(yàn)在25 ℃下進(jìn)行，往復(fù)搖床轉(zhuǎn)速100 r·min-1，設(shè)置3個(gè)平行。吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中4 種重金屬離子的初始濃度均為0.1 mmol?L-1，振蕩時(shí)間4 h。等溫吸附實(shí)驗(yàn)中4 種重金屬離子初始濃度均為0～0.8 mmol?L-1，振蕩時(shí)間2 h。吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分離LIBMOs 并檢測(cè)殘留在溶液中的重金屬離子濃度。

LIBMOs 從溶液中吸附重金屬離子的量q（mmol?g-1）按公式（1）計(jì)算[18]：

式中：[ Me ]0和[ Me ]t分別為重金屬離子起始濃度和t時(shí)刻濃度，mmol?L-1；M 為吸附體系中 的LIBMOs 含量，g?L-1。重金屬離子濃度用電感耦合等離子發(fā)射光譜法（ICP-AES）（Prodigy，Leeman Labs）測(cè)定。

用Langmuir 模型（公式2）和Freundlich 模型（公式3）擬合LIBMOs 吸附重金屬離子的等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]：

LIBMOs吸附重金屬離子的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（公式4）和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（公式5）進(jìn)行擬合[2]。

式中：qt為t 時(shí)間重金屬離子的吸附量，mmol?g-1；k1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附的速率常數(shù)，min-1；k2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附的速率常數(shù)，mmol?g-1?min-1。

采用軟件Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 LIBMOs制備效果評(píng)估

添 加LS 和NaOH-LS 培 養(yǎng)14 d 后，CP133 合 成BMOs的總量差別不大，如圖1所示。推測(cè)BMOs固定化的過(guò)程為：CP133 首先附著在絲瓜絡(luò)表面并逐漸形成芽孢，芽孢氧化生成的BMOs 被固定在絲瓜絡(luò)表面和分散到溶液中，最終兩種狀態(tài)的BMOs 達(dá)到平衡。NaOH-LS 體系固定BMOs 的比例[(固定化BMOs) ∕(固定化BMOs+游離BMOs)]和數(shù)量均高于LS 體系，培養(yǎng)14 d 后分別為79.66%（2.43 mmol?g-1）和49.39%（1.46 mmol?g-1）。這可能是因?yàn)镹aOH 預(yù)處理在不破壞絲瓜絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，有效地去除了表面憎水性組分（膠質(zhì)和蠟質(zhì)等），增加了絲瓜絡(luò)的親水性，易于CP133芽孢的附著和BMOs的固定[28]。

2.2 LIBMOs表面性質(zhì)分析

錳氧化細(xì)菌CP133未添加MnCl2的芽孢形態(tài)如圖2A 所示，形成的BMOs 大量附著在芽孢表面（圖2B）。天然絲瓜絡(luò)中有大量螺旋狀纖維管束結(jié)構(gòu)分布，且纖維表面被豐富的木質(zhì)素層覆蓋，結(jié)構(gòu)粗糙。經(jīng)過(guò)NaOH 預(yù)處理，部分木質(zhì)素和半纖維素被去除，橫截面密集分布的微小孔洞暴露出來(lái)（圖2C），可能使絲瓜絡(luò)的比表面積增大。經(jīng)過(guò)與CP133 共培養(yǎng)，NaOH預(yù)處理的絲瓜絡(luò)表面可見(jiàn)密布的CP133芽孢和BMOs（圖2D），表明該絲瓜絡(luò)樣品對(duì)CP133和BMOs的固定化效果良好。

絲瓜絡(luò)固定BMOs 前后的FTIR 圖譜如圖3 所示。參考相關(guān)文獻(xiàn)[2，29-30]，確定了絲瓜絡(luò)的紅外光譜特征峰及峰的歸屬，詳見(jiàn)表1。絲瓜絡(luò)在3 289 cm-1的寬大吸收峰表征羥基（—OH）的伸縮振動(dòng)，在2 919 cm-1有對(duì)應(yīng)的亞甲基（—CH2）反對(duì)稱伸縮振動(dòng)。NaOH 預(yù)處理后，分子內(nèi)氫鍵使—OH 吸收峰伸縮振動(dòng)向低波數(shù)方向移動(dòng)。兩種類型絲瓜絡(luò)接種CP133 后，—CH2的吸收峰基本消失，表明纖維素內(nèi)部部分氫鍵斷裂，其內(nèi)聚力減小。1 735 cm-1吸收峰表征半纖維素中乙?；螋然腃==O 伸縮振動(dòng)，間接表示半纖維素的分布。該峰的強(qiáng)弱一般可以表征木質(zhì)素與半纖維素連接的強(qiáng)弱。1 629 cm-1和1 509 cm-1的吸收峰表征苯環(huán)骨架的伸縮振動(dòng)和變形振動(dòng)，表征纖維素的分布。NaOH 預(yù)處理或接種CP133 后，1 735、1 629、1 509 cm-1和1 023 cm-1吸收峰消失或減弱，表明木質(zhì)素結(jié)構(gòu)受到破壞。推測(cè)表面裸露的羥基、胺基、羰基等基團(tuán)更有利于固定CP133和BMOs顆粒。

2.3 LIBMOs吸附重金屬的性能

表1 絲瓜絡(luò)紅外光譜的吸收峰及主要?dú)w屬Table 1 FTIR absorption peaks of loofah sponge and main assignments

表3 總結(jié)了文獻(xiàn)報(bào)道的絲瓜絡(luò)相關(guān)吸附劑對(duì)不同重金屬離子的吸附量，包括天然絲瓜絡(luò)、改性絲瓜絡(luò)和絲瓜絡(luò)固定微生物吸附劑。與文獻(xiàn)報(bào)道的吸附量相比，本文所用的LIBMOs 對(duì)幾種重金屬的吸附量有一定優(yōu)勢(shì)，這主要?dú)w因于BMOs 對(duì)重金屬離子的高吸附量。文獻(xiàn)報(bào)道的絲瓜絡(luò)相關(guān)吸附劑對(duì)重金屬離子的吸附多符合Langmuir 模型。在本文中Langmuir和Freundlich 模型對(duì)LIBMOs 吸附Pb2+和Cd2+的數(shù)據(jù)擬合相關(guān)性系數(shù)均較高（R2>0.95），表明LIBMOs 對(duì)Pb2+和Cd2+有更大的吸附潛力，可能同時(shí)存在外表面吸附、內(nèi)表面吸附和同晶置換[31-32]。

表2 LIBMOs對(duì)重金屬離子的吸附等溫線擬合參數(shù)Table 2 Adsorption isotherm parameters of heavy metals on LIBMOs

當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到60 min 時(shí)，LIBMOs 對(duì)幾種重金屬離子的吸附速率均趨于平緩，吸附90 min時(shí)均達(dá)到吸附平衡（圖5）。這是由于在吸附初始階段重金屬吸附于LIBMOs 表面的過(guò)程較快且效果明顯。隨著吸附時(shí)間延長(zhǎng)，傳質(zhì)動(dòng)力減小，金屬離子開(kāi)始滲透到LIBMOs 的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)中，吸附位點(diǎn)與重金屬離子的接觸時(shí)間延長(zhǎng)，吸附過(guò)程趨于緩慢。

用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合的吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。結(jié)果表明，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型均較好地?cái)M合4 種重金屬離子的吸附過(guò)程（R2>0.95）。同時(shí)，Pb2+、Cd2+和Zn2+的吸附過(guò)程也符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（R2>0.95），表明LIBMOs 吸附3 種重金屬離子的過(guò)程（包括液膜擴(kuò)散、表面吸附和顆粒內(nèi)擴(kuò)散）存在相似性；Cu2+吸附于LIBMOs 的過(guò)程更符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，表明其僅在初始階段的快速吸附過(guò)程與另外3 種重金屬離子相似，而在進(jìn)入LIBMOs 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的吸附過(guò)程可能有其自身特點(diǎn)。另外，Cu2+作為重要的輔因子參與絲瓜絡(luò)表面CP133 芽孢氧化錳的過(guò)程[9-11]，這也會(huì)增加Cu2+吸附過(guò)程的復(fù)雜性。

3 結(jié)論

（1）利用錳氧化細(xì)菌將生物氧化錳成功固定于NaOH 預(yù)處理的絲瓜絡(luò)表面，制成植物-微生物復(fù)合吸附劑LIBMOs。

（2）將LIBMOs 用于吸附溶液中重金屬離子Pb2+、Cd2+、Zn2+和Cu2+，其理論飽和吸附量與其他絲瓜絡(luò)吸附劑相比有一定優(yōu)勢(shì)。其中LIBMOs 對(duì)Pb2+和Cd2+的吸附行為同時(shí)符合Langmuir 和Freundlich 等溫吸附模型，表明LIBMOs 對(duì)這2 種重金屬離子有較強(qiáng)的吸附潛力。

（3）LIBMOs環(huán)境友好且成本低廉，在水環(huán)境重金屬離子去除應(yīng)用中有較好的前景。

表3 絲瓜絡(luò)相關(guān)生物吸附劑對(duì)重金屬離子的吸附量Table 3 Comparison of adsorption capacities of heavy metal ions by loofah sponge-related sorbents

表4 LIBMOs吸附重金屬離子的動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)Table 4 Kinetic parameters for the adsorption of heavy metal ions onto LIBMOs