譚 榮，龔 杰，龔百川，李英朋，揭方慧，王忠兵，熊甘霖，朱新偉

(1.南昌航空大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330063；2.江西贛昌評價檢測技術(shù)咨詢有限公司，江西 南昌 330000；3.江西省地質(zhì)勘探研究院，江西 南昌 330000)

工業(yè)廢水尤其電鍍廢水中存在大量重金屬離子[1]，需要去除或回收后外排。傳統(tǒng)的從水溶液中去除重金屬離子的方法有一定局限性，如成本較高，能耗高，效率低，易產(chǎn)生有毒污泥造成二次污染[2]等。與之相比，微生物吸附技術(shù)具有環(huán)境友好、成本低、效率高、操作方便、金屬回收率高等優(yōu)點[3]。

近年來，用微生物技術(shù)從廢水中吸附去除重金屬離子受到了廣泛關(guān)注，相關(guān)研究較多，已篩選分離出多種功能菌株。常見的微生物有假單胞桿菌(Pseudomonassp.)[4]、藍(lán)細(xì)菌(Spirulina[5]、Anabaena[6]和Nostoc[7])、芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis[8]、Bacilluslicheniformis[9]和Bacillussubtilis[10])等。其中多種功能菌株對水體中重金屬離子有良好吸附性能：如假單胞菌MEW079，在最佳發(fā)酵培養(yǎng)條件下對100 mg/L銅離子的吸附率達(dá)95.87%[11]；金芽孢桿菌(Bacillus.thuringiensis016)對初始質(zhì)量濃度為100 mg/L鈾的吸附率接近100%，在將六價鉻有效還原為三價鉻的同時，對初始質(zhì)量濃度為25 mg/L的鉻的固定率達(dá)92%[12]；從電鍍廠廢水中篩選得到的耐銅質(zhì)量濃度高達(dá)400 mg/L的叢毛單胞菌(Comamonassp.E)，在最優(yōu)條件下對Cu2+的吸附量高達(dá)7.79 mg/g[13]。在目前已報道的功能菌中，Bacillus菌屬能有效吸附廢水中的重金屬離子，但利用Bacillussubtilis吸附銅離子的相關(guān)研究報道較少，其吸附機(jī)制有待深入探討。

試驗從電鍍廢水中篩選出一種耐Cu2+的微生物菌種——枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis-TR1)，研究了此菌種對Cu2+的吸附行為；借助FT-IR、XRD、SEM-EDS研究了吸附機(jī)制，以期為微生物法去除電鍍廢水中重金屬離子提供一種新型微生物吸附劑，同時更好地實現(xiàn)微生物吸附法吸附處理電鍍廢水及工業(yè)污泥。

1 試驗材料與方法

1.1 污泥來源

活性污泥：取自某污水處理廠曝氣池。

1.2 培養(yǎng)基的制備

LB培養(yǎng)基[14]：稱取10 g胰蛋白胨，5 g酵母提取物，10 g氯化鈉，1 000 mL超純水，用1 mol/L的NaOH和HCl溶液調(diào)pH至7.2～7.4，定容至設(shè)定體積后用高壓蒸汽滅菌鍋于121 ℃下滅菌20 min，冷卻備用。

固體LB培養(yǎng)基：在上述液體LB培養(yǎng)基配方基礎(chǔ)之上，再添加15 g瓊脂粉，定容至指定體積后用高壓蒸汽滅菌鍋于121 ℃下滅菌20 min，趁熱倒入無菌培養(yǎng)皿中，待其冷卻凝固。

重金屬馴化培養(yǎng)基：稱取一定量二水氯化銅加入LB培養(yǎng)基中制備得到。

1.3 菌種篩選

取活性污泥于裝有無菌水的錐形瓶中，搖床搖勻后依次將其稀釋到10-3、10-4、10-5，備用。將LB固體培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中，冷卻固化，取10-3、10-4、10-5濃度的污泥懸液100 μL，用涂布法涂鋪在平板上，保持溫度恒定，35 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5～7 d；然后選擇培養(yǎng)皿上生長的單菌落，在同一培養(yǎng)基上劃線，重復(fù)純化多次，純化后的菌株放入4 ℃冰箱中備用。配制固體培養(yǎng)基時，在溶液中加入二水氯化銅，控制培養(yǎng)基中Cu2+質(zhì)量濃度為10 mg/L，并將選定的菌株接種到該培養(yǎng)基中。培養(yǎng)2～3 d后，選擇生長較好的菌株先接種至Cu2+質(zhì)量濃度為20 mg/L的LB固體培養(yǎng)基中再次培養(yǎng)馴化，以此類推，逐級提高培養(yǎng)基內(nèi)Cu2+質(zhì)量濃度后，將所需馴化菌株依次接種至對應(yīng)Cu2+質(zhì)量濃度的LB固體培養(yǎng)基內(nèi)，觀察其生長情況，并挑選出一株耐銅除銅能力優(yōu)良的菌種用于試驗[15-16]。

1.4 菌種鑒定

1.4.1 菌種的形態(tài)特征觀察

將菌液涂布于凝固后的LB固體培養(yǎng)基上，待菌體生長后采用掃描電鏡(SU1510)放大5 000倍觀察菌株的形態(tài)特征[17]。

1.4.2 16S rDNA測序

將細(xì)菌培養(yǎng)至對數(shù)生長期后，用Ezup柱式細(xì)菌基因組DNA抽提試劑盒提取出菌株的基因組DNA。PCR擴(kuò)增反應(yīng)DNA序列后對擴(kuò)增產(chǎn)物純化后送測序，將所測序列在NCBI官網(wǎng)進(jìn)行Blast比對，用軟件MEGA7.0構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹[18]。

1.5 單因素優(yōu)化

采用單因素試驗法考察反應(yīng)溫度、體系pH、菌體加入量、重金屬離子初始質(zhì)量濃度等因素對吸附Cu2+的影響[19]。

1.6 分析方法與計算

廢水中Cu2+質(zhì)量濃度采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定。Cu2+去除率及吸附量計算公式如下：

(1)

(2)

式中：r—Cu2+去除率，%；ρ0—廢水中初始Cu2+質(zhì)量濃度，mg/L；ρ1—吸附后廢水中Cu2+質(zhì)量濃度，mg/L；V0—吸附前廢水體積，L；V1—吸附后廢水體積，L；q—Cu2+吸附量，mg/g；V—溶液體積，L；m—吸附劑加入量，g。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 菌種鑒定

通過富集馴化及分離純化，篩選出一株對Cu2+具有較好吸附作用且能夠良好生長的菌株，命名為Bacillussubtilis-TR1。Bacillussubtilis-TR1革蘭氏染色呈紅色，為革蘭氏陽性菌。菌落形態(tài)為淡黃色，圓形，不透明，表面粗糙。掃描電鏡(5 000倍)圖片(圖1)清晰顯示其為桿狀，細(xì)胞表面圓滑豐滿，大小在1.5～2.0 μm之間，生長情況優(yōu)良。

圖1 菌株Bacillus subtilis-TR1的SEM照片

Bacillussubtilis-TR1的16Sr DNA序列比對結(jié)果顯示，其與芽胞菌屬細(xì)菌的同源性比較高。以MEGA 7.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，結(jié)果如圖2所示。進(jìn)化樹表明，該菌種與枯草芽孢桿菌BacillussubtilisNR的同源關(guān)系最近，由此判斷該菌種為枯草芽孢桿菌。

圖2 基于16S rDNA序列以鄰接法構(gòu)建的Bacillus subtilis-TR1系統(tǒng)發(fā)育樹

2.2 從廢水中吸附Cu2+

2.2.1 體系初始pH對吸附的影響

一般認(rèn)為，體系pH是影響生物吸附的最重要因素，尤其是以活細(xì)胞作吸附劑時。pH直接影響微生物菌體的活性，同時也影響溶液中離子的存在狀態(tài)[20-21]。在Cu2+質(zhì)量濃度50 mg/L、溫度30 ℃、菌體加入量3 g/L、振蕩速度150 r/min、菌體培養(yǎng)時間48 h條件下，調(diào)節(jié)體系初始pH在2.0～7.0之間，pH對細(xì)菌吸附Cu2+的影響試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 體系初始pH對細(xì)菌吸附Cu2+的影響

由圖3看出：體系初始pH為2.0～5.0時，Bacillussubtilis-TR1對Cu2+的吸附率隨pH升高而升高；pH>5.0時，Bacillussubtilis-TR1對Cu2+的吸附率隨pH升高而逐漸降低；pH=5.0時，吸附效率最高，達(dá)56.7%。pH過低，系統(tǒng)中的H+、H3O+會在細(xì)菌表面與金屬離子結(jié)合位點競爭，而結(jié)合位點的缺失會導(dǎo)致Cu2+不能有效被細(xì)菌吸附；而如果pH過高，則溶液中開始出現(xiàn)大量OH-，也會阻礙細(xì)菌吸附Cu2+，它會直接與Cu2+結(jié)合從而阻礙重金屬離子吸附到細(xì)菌表面[22]。因此，確定Bacillussubtilis-TR1吸附Cu2+的適宜體系pH=5.0。

2.2.2 初始Cu2+質(zhì)量濃度對吸附的影響

在體系初始pH=5.0、溫度30 ℃、菌體加入量3 g/L、振蕩速度150 r/min、菌體培養(yǎng)時間48 h條件下，初始Cu2+質(zhì)量濃度對細(xì)菌吸附Cu2+的影響試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 初始Cu2+質(zhì)量濃度對細(xì)菌吸附Cu2+的影響

由圖4看出，初始Cu2+質(zhì)量濃度對菌株Bacillussubtilis-TR1吸附Cu2+有明顯影響：初始Cu2+質(zhì)量濃度在20～140 mg/L范圍內(nèi)，Bacillussubtilis-TR1對Cu2+吸附率隨Cu2+初始質(zhì)量濃度升高呈下降趨勢。可能的原因與細(xì)菌吸附位點飽和有關(guān)[23]。在Bacillussubtilis-TR1加入量一定時，其提供的結(jié)合位點數(shù)也是一定的。Cu2+質(zhì)量濃度非常低時，結(jié)合位點數(shù)足夠，Cu2+很易被菌體吸附，此時菌株對Cu2+的吸附率較高；而隨Cu2+質(zhì)量濃度升高，溶液中Cu2+總量增大，相應(yīng)地，結(jié)合位點數(shù)沒有變化，導(dǎo)致Cu2+吸附率下降。綜合考慮，確定初始Cu2+質(zhì)量濃度以80 mg/L為宜。

2.2.3 溫度對吸附的影響

在Cu2+質(zhì)量濃度80 mg/L、體系pH=5.0、菌體加入量為3 g/L、振蕩速度150 r/min、菌體培養(yǎng)時間48 h條件下，溫度對細(xì)菌吸附Cu2+的影響試驗結(jié)果如圖5所示。可以看出：溫度在20～30 ℃范圍內(nèi)，隨反應(yīng)溫度升高，菌株Bacillussubtilis-TR1對Cu2+的吸附率緩慢升高；而溫度在30～40 ℃范圍內(nèi)，隨溫度升高，菌株Bacillussubtilis-TR1對Cu2+的吸附率呈緩慢下降趨勢。溫度對細(xì)菌的影響顯而易見，因為任何一種菌體都有最適宜的生長溫度范圍[24]。溫度過低會導(dǎo)致菌體生長代謝活動受到抑制，活性大幅下降；而溫度過高會導(dǎo)致細(xì)胞壁、蛋白質(zhì)等發(fā)生變異，活性消失，代謝發(fā)生障礙甚至死亡。綜合考慮，確定體系溫度以30 ℃最為適宜。

圖5 溫度對細(xì)菌吸附Cu2+的影響

2.2.4 菌體加入量對吸附的影響

生物體加入量在很大程度上影響對Cu2+的吸附。在Cu2+質(zhì)量濃度80 mg/L、體系pH=5.0、溫度30 ℃、振蕩速度150 r/min、菌體培養(yǎng)時間48 h條件下，菌體加入量對細(xì)菌吸附Cu2+的影響試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 菌體加入量對細(xì)菌吸附Cu2+的影響

由圖6看出：隨菌體加入量增大，Cu2+吸附率逐漸升高；但很明顯，菌體加入量達(dá)3 g/L時，Cu2+吸附率達(dá)最大，之后緩慢下降。綜合考慮，確定菌體加入量以3 g/L為宜。

生物體加入量增大，最直觀的表現(xiàn)是吸附結(jié)合位點增多[25]；但隨菌體有效結(jié)合位點逐漸被金屬離子及其他基團(tuán)占據(jù)，并最終達(dá)到飽和，之后對金屬離子的吸附量便呈下降趨勢[20]。因此，菌體加入量在一定范圍內(nèi)效果才好。

2.2.5 菌體培養(yǎng)時間對吸附效果的影響

菌體培養(yǎng)時間不宜過長。培養(yǎng)基的營養(yǎng)有限，而菌體無限繁殖，培養(yǎng)時間過長會使菌體死亡代謝產(chǎn)物堆積，菌液雜質(zhì)增多，純度下降，對菌體的吸附效果產(chǎn)生直接影響[26]。在Cu2+質(zhì)量濃度80 mg/L、體系pH=5.0、菌體加入量為3 g/L、溫度30 ℃、振蕩速度150 r/min條件下，菌體培養(yǎng)時間對細(xì)菌吸附Cu2+的影響試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 菌體培養(yǎng)時間對細(xì)菌吸附Cu2+的影響

由圖7看出：菌體培養(yǎng)48 h后達(dá)到對數(shù)增長期，代謝功能達(dá)到鼎盛，表面成分也比其他生長階段多許多，對Cu2+的吸附率達(dá)最高，為58.6%；進(jìn)入穩(wěn)定期后，對Cu2+的吸附率逐漸平穩(wěn)。綜合考慮，確定菌體培養(yǎng)時間以48 h為宜。

2.3 吸附機(jī)制探討

圖8 菌株吸附Cu2+前、后的FT-IR譜線(a)和XRD譜線(b)

2.4 微觀形貌變化

吸附前、后菌株Bacillussubtilis-TR1的SEM-EDS能譜如圖9所示?？梢钥闯觯胶缶w中檢測出Cu2+，表明菌體對Cu2+有吸附能力。

a—吸附前，SEM;b—吸附前，EDS;C—吸附后，SEM;d—吸附后，EDS。

3 結(jié)論

從電鍍污泥中分離篩選得到的菌株對Cu2+有較高的吸附性能，分析其形態(tài)特征并結(jié)合16S rDNA測序和比對，確定此菌株為芽孢桿菌屬中的枯草芽孢桿菌，命名為Bacillussubtilis-TR1。該菌株對Cu2+有較好的吸附效果，適宜條件(pH=5.0，初始Cu2+質(zhì)量濃度80 mg/L，溫度30 ℃，菌體加入3 g/L，菌種培養(yǎng)時間48 h)下對Cu2+的吸附量為4.02 mg/g，去除率為62.4%。

該菌株對Cu2+的吸附主要是通過其表面功能基團(tuán)和靜電引力，誘導(dǎo)廢水中Cu2+發(fā)生遷移和離子交換，并與表面功能基團(tuán)結(jié)合形成配合物，配合物為為典型非晶相結(jié)構(gòu)。此功能菌可用于電鍍污泥源頭減量，并吸附去除廢水中重金屬離子。