李江洪 李勇昊 劉文書 彭 念 李 倩 陳雨點(diǎn)

(1.重慶科技學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，重慶 401331；2.工業(yè)發(fā)酵微生物重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶科技學(xué)院)，重慶 401331)

0 前 言

近年來，隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，大量工業(yè)廢水被排放到江河中，這會(huì)造成嚴(yán)重的水體重金屬污染，部分重金屬隨著食物鏈進(jìn)入人體，將對人體健康造成嚴(yán)重危害[1]。其中重金屬Cd2+對人體神經(jīng)、肝臟和心肌等都有一定傷害，長期攝入會(huì)導(dǎo)致肝臟以及心肌衰竭等疾病[2]。因此，通過水處理去除水體中重金屬Cd2+成為亟需解決的問題。

重金屬水處理常用方法有化學(xué)沉淀法、吸附法、離子交換法、氧化還原法和電解法等。利用廉價(jià)易得的生物材料對Cd2+進(jìn)行吸附相對于其他方法更加經(jīng)濟(jì)和環(huán)保[3]。微藻是常見的生物吸附劑之一，藻類具有多孔結(jié)構(gòu)、合理排列的金屬離子結(jié)合位點(diǎn)以及大比表面積等特點(diǎn)，賦予了其良好的吸附重金屬的能力[4]。微藻作為新興的生物吸附劑具有廉價(jià)易得且吸附量大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛研究，但是不同微藻對Cd2+吸附率存在差異，目前研究主要集中在不同微藻對重金屬Cd2+的吸附量及吸附率[5-9]。橢圓球藻對重金屬Cd2+的吸附量和吸附率均比其他微藻高，但是橢圓球藻由于胞內(nèi)油脂含量高而被廣泛用于生物柴油的生產(chǎn)[10]。蛋白核小球藻已被衛(wèi)生部批準(zhǔn)為新資源食品，不產(chǎn)生二次污染，可作為生物吸附劑，高密度培養(yǎng)蛋白核小球藻技術(shù)成熟并可實(shí)現(xiàn)快速的遺傳轉(zhuǎn)化[11]，所以其具備用于水處理的潛力。姜晶等人用冷凍干燥后的蛋白核小球藻對Cd2+進(jìn)行吸附，最大吸附量為0.249 mmol/g[12]；Tangahu等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)小球藻與鈍頂螺旋藻比例為3∶1時(shí)可去除水中30.10%的Cd2+[13]。但是微藻細(xì)胞體積小、密度極低，吸附重金屬后需要采收處理的藻液量非常大，現(xiàn)有的離心和過濾等微藻采收技術(shù)將產(chǎn)生較高的采收成本。因此，實(shí)現(xiàn)低成本采收是利用微藻處理廢水必須解決的關(guān)鍵問題[14]。

常見的大分子聚合物絮凝劑有聚丙烯酰胺(C3H5NO)n、陽離子淀粉和殼聚糖等。(C3H5NO)n通過分子鏈中特有的—CONH2官能團(tuán)與懸浮物中膠粒發(fā)生去水化和吸附架橋作用而絮凝，但其具有一定毒性且分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易降解，容易造成水體的二次污染[15]。陽離子淀粉是一種環(huán)保絮凝劑，在預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)陽離子淀粉可絮凝蛋白核小球藻，但其絮凝結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，絮凝物在動(dòng)態(tài)條件下容易發(fā)生分散。殼聚糖是一種線性多聚糖，分子結(jié)構(gòu)中含有大量羥基(—OH)與氨基(—NH2)，所以殼聚糖能通過螯合、電中和以及吸附架橋等作用而產(chǎn)生良好的絮凝效果[16]。已有研究表明，當(dāng)殼聚糖質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，可使蛋白核小球藻絮凝率達(dá)98.10%[17]，但殼聚糖絮凝的蛋白核小球藻對重金屬Cd2+吸附性能的研究較少。本次研究分析了殼聚糖絮凝蛋白核小球藻的條件，并探究了絮凝后蛋白核小球藻對重金屬Cd2+的吸附性能。研究成果為利用蛋白核小球藻去除水體中重金屬提供了研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

蛋白核小球藻購于中國科學(xué)院武漢水生生物所；殼聚糖(脫乙酰度90%)購于上海源葉生物科技有限公司；BG11培養(yǎng)基(HB8793)購于青島高科技工業(yè)園海博生物技術(shù)有限公司，用于蛋白核小球藻的培養(yǎng)；異養(yǎng)培養(yǎng)基為在BG11培養(yǎng)基基礎(chǔ)上加入一定量的葡萄糖(20 g/L)和酵母粉(2 g/L)；CdCl2、HCl、NaOH等試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 制備蛋白核小球藻藻粉

利用劃線法將蛋白核小球藻接種至異養(yǎng)BG11培養(yǎng)基，在溫度為28 ℃條件下培養(yǎng)2 d，選取單克隆藻株用于后續(xù)研究。將活化后的單克隆藻株按接種量的5%接種至50 mL異養(yǎng)BG11液體培養(yǎng)基，在溫度為28 ℃、搖床轉(zhuǎn)速為180 r/min的條件下培養(yǎng)4 d；在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的條件下離心5 min收集蛋白核小球藻；在溫度為60 ℃的干燥箱中烘干12 h，將干燥后的蛋白核小球藻藻粉裝入100 mL離心管中，并在常溫條件下保存。

1.2.2 殼聚糖濃度對蛋白核小球藻絮凝的影響

將殼聚糖溶于0.1%的稀鹽酸中，配制成質(zhì)量濃度為20 mg/L的殼聚糖溶液。在10支試管中分別加入5 mL質(zhì)量濃度為1 500.00 mg/L的蛋白核小球藻溶液與5 μL質(zhì)量濃度為5 000.00 mg/L的CdCl2溶液(CdCl2溶液最終質(zhì)量濃度為5.0 mg/L)，在10支試管中分別加入0、30、40、50、60、70、80、90、100、120 μL配制的殼聚糖溶液，觀察溶液絮凝效果。

1.2.3 pH值對蛋白核小球藻絮凝的影響

在7根試管中分別加入5 mL質(zhì)量濃度為1 500.00 mg/L的蛋白核小球藻溶液與5 μL質(zhì)量濃度為5 000.00 mg/L的CdCl2溶液(CdCl2溶液最終質(zhì)量濃度為5.0 mg/L)，用HCl或者NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH，使得溶液pH分別為4、5、6、7、8、9、10，最后在試管中分別加入80 μL質(zhì)量溶度為20 mg/L的殼聚糖溶液，觀察蛋白核小球藻絮凝效果。

1.2.4 絮凝蛋白核小球藻對重金屬Cd2+吸附曲線

以蛋白核小球藻作為吸附劑，其質(zhì)量濃度為1 500.32 mg/L；以殼聚糖為吸附劑，其質(zhì)量濃度為1 500.32 mg/L；以絮凝蛋白核小球藻為吸附劑，蛋白核小球藻質(zhì)量濃度為1 500.00 g/L、絮凝劑殼聚糖質(zhì)量濃度為0.32 mg/L。分別取配置的吸附劑30 mL 置于50 mL的離心管中，在CdCl2溶液初始質(zhì)量濃度為4.6 mg/L、pH為6、溫度為28 ℃、轉(zhuǎn)速為150 r/min條件下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，吸附完成后，用火焰原子吸收光譜儀(TAS-986)對溶液中Cd2+質(zhì)量濃度進(jìn)行測定，吸附劑對Cd2+吸附量如式(1)所示：

(1)

式中：Q為吸附劑對Cd2+的吸附量，mg/g；c0、ce分別為吸附前后溶液中的Cd2+質(zhì)量濃度，mg/L；V為CdCl2溶液的體積，mL；m為吸附劑的用量，mg。

1.2.5 pH對重金屬Cd2+吸附效率的影響

在4支50 mL離心管中分別加入30 mL質(zhì)量濃度為1 500.00 mg/L的蛋白核小球藻溶液，并用HCl或者NaOH調(diào)節(jié)使溶液pH分別為4、5、6、7，再分別加入質(zhì)量濃度為20 mg/L的殼聚糖溶液480 μL。在溫度為28 ℃、轉(zhuǎn)速為150 r/min的條件下對CdCl2溶液進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)(CaCl2初始質(zhì)量濃度為4.6 mg/L)，用火焰原子吸收光譜儀測定Cd2+濃度，吸附量按式(1)計(jì)算。絮凝蛋白核小球藻對Cd2+有較強(qiáng)的吸附作用，為了進(jìn)一步探究溶液pH對Cd2+吸附效果的影響，將Cd2+初始質(zhì)量濃度調(diào)整為6.2 mg/L，觀察不同pH條件下溶液絮凝效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖濃度對蛋白核小球藻絮凝的影響

梯度添加殼聚糖溶液，觀察蛋白核小球藻的絮凝狀態(tài)，確定殼聚糖絮凝蛋白核小球藻的最佳濃度，結(jié)果如圖1所示。當(dāng)殼聚糖添加量小于80 μL時(shí)，蛋白核小球藻的絮凝效果隨著殼聚糖濃度增加而增強(qiáng)，但當(dāng)殼聚糖添加量超過80 μL時(shí)，絮凝效果隨著殼聚糖濃度的增大而減弱。這是因?yàn)闅ぞ厶堑男跄芰εc其吸附架橋作用的強(qiáng)弱密切相關(guān)，當(dāng)殼聚糖濃度逐漸增大時(shí)，殼聚糖與蛋白核小球藻的結(jié)合位點(diǎn)增多，吸附架橋作用增強(qiáng)，蛋白核小球藻絮凝效果不斷增強(qiáng)。但當(dāng)殼聚糖達(dá)到一定濃度后，殼聚糖表面吸附了大量的蛋白核小球藻，阻止了殼聚糖架橋結(jié)構(gòu)的形成，吸附架橋作用的減弱導(dǎo)致絮凝效果下降[16]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在蛋白核小球藻溶液中添加80 μL殼聚糖溶液，即在蛋白核小球藻溶液中添加0.021%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))殼聚糖時(shí)絮凝效果最佳，后續(xù)研究中選用該比例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 添加不同濃度殼聚糖的蛋白核小球藻絮凝效果

2.2 pH對蛋白核小球藻絮凝效果的影響

調(diào)節(jié)蛋白核小球藻與殼聚糖絮凝液的pH，觀察其絮凝情況，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)pH≤7時(shí)，絮凝效果隨著pH的增加而增強(qiáng)；當(dāng)pH≥8時(shí)，絮凝效果隨著pH的增加而減弱。在絮凝時(shí)間為2 min、pH為7的條件下，溶液最先出現(xiàn)明顯沉淀(見圖2 a)。當(dāng)絮凝時(shí)間達(dá)到20 min時(shí)，絮凝沉降效果普遍提升，pH為4～7時(shí)絮凝效果無明顯差異(見圖2 b)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，殼聚糖在酸性條件下均可以有效絮凝蛋白核小球藻，但是當(dāng)溶液pH≥8時(shí)絮凝沉降效果較差。分析其原因可能是溶液pH改變了殼聚糖的表面電荷，從而影響了其絮凝蛋白核小球藻的效果。當(dāng)溶液pH呈酸性時(shí)，殼聚糖表面基團(tuán)質(zhì)子化帶正電荷；當(dāng)溶液pH提高至接近中性時(shí)，殼聚糖基團(tuán)質(zhì)子化減弱，殼聚糖與蛋白核小球藻電中和作用增強(qiáng)，絮凝效果增強(qiáng)；當(dāng)溶液pH呈堿性時(shí)，殼聚糖表面基團(tuán)去質(zhì)子化帶有負(fù)電荷，與蛋白核小球藻表面的負(fù)電荷相斥，所以其絮凝效果減弱甚至不能產(chǎn)生絮凝[18]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)pH=7時(shí)，絮凝所需時(shí)間最短且絮凝效果最佳。但是在實(shí)際應(yīng)用中，若含有Cd2+的溶液pH<7時(shí)，在利用絮凝蛋白核小球藻吸附Cd2+的過程中不必特意調(diào)整pH為7，只需增加絮凝時(shí)間即可；但當(dāng)含有Cd2+的溶液pH>7時(shí)，則需要調(diào)整pH為7時(shí)才能有效吸附溶液中的重金屬Cd2+。

圖2 不同pH條件下蛋白核小球藻絮凝效果

2.3 絮凝蛋白核小球藻對重金屬Cd2+的吸附曲線

為探究絮凝后的蛋白核小球藻對Cd2+吸附效果影響，分別以蛋白核小球藻、殼聚糖以及絮凝蛋白核小球藻為吸附劑對Cd2+進(jìn)行吸附對比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。當(dāng)吸附時(shí)間為3 h時(shí)，殼聚糖對Cd2+吸附量為2.46 mg/g，吸附率為80.39%，隨后吸附量下降至2.39 mg/g。這是由于殼聚糖作為天然高分子化合物，鏈段中含有的—NH2和—OH活性基團(tuán)，可與重金屬離子形成配位化合物，因此對Cd2+有吸附作用，但是殼聚糖對Cd2+的吸附不穩(wěn)定，受環(huán)境影響較大[19]。當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到7 h時(shí)，蛋白核小球藻與絮凝蛋白核小球藻對Cd2+吸附量達(dá)到最大，吸附量分別為2.30 mg/g與2.44 mg/g，吸附率分別為76.70%與79.74%，絮凝蛋白核小球藻最大吸附量略高于蛋白核小球藻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，絮凝蛋白核小球藻對Cd2+吸附性能無顯著性影響，但是可以大幅度降低后續(xù)采收成本，具備良好的商業(yè)化前景。

圖3 蛋白核小球藻、殼聚糖、絮凝蛋白核小球藻的Cd2+吸附曲線

2.4 pH值對Cd2+吸附效果的影響

進(jìn)一步探討pH值對絮凝蛋白核小球藻吸附Cd2+效果的影響，根據(jù)2.2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了保證殼聚糖絮凝蛋白核小球藻的效率，本章節(jié)只探討較好絮凝效果前提下的pH對Cd2+的吸附效果(pH取4、5、6、7)的影響，結(jié)果如圖4所示。pH對Cd2+吸附效果的影響與對絮凝影響趨勢一致。當(dāng)溶液pH=7時(shí)殼聚糖絮凝蛋白核小球藻的效率最高、絮凝蛋白核小球藻對Cd2+的吸附效最大。這是由于隨著溶液pH值的逐漸升高，絮凝蛋白核小球藻表面更多基團(tuán)形成去質(zhì)子化狀態(tài)，有更多基團(tuán)可與Cd2+結(jié)合，絮凝蛋白核小球藻對Cd2+最大吸附量為4.06 mg/g，吸附率達(dá)到98.00%。

圖4 不同pH條件下絮凝蛋白核小球藻的Cd2+吸附曲線

3 結(jié) 語

本次研究對殼聚糖絮凝蛋白核小球藻的條件進(jìn)行了優(yōu)化，并對絮凝蛋白核小球藻吸附重金屬Cd2+的影響進(jìn)行了探討。當(dāng)?shù)鞍缀诵∏蛟迦芤褐刑砑淤|(zhì)量濃度百分比為0.021%的殼聚糖且pH為7時(shí)，微藻絮凝效果達(dá)到最佳。絮凝蛋白核小球藻吸附Cd2+的效率略高于蛋白核小球藻，但是無顯著性差異，絮凝蛋白核小球藻對重金屬Cd2+最大吸附量為2.44 mg/g。當(dāng)pH為7時(shí)，絮凝蛋白核小球?qū)d2+吸附率最高，達(dá)到98.00%，吸附量為4.06 mg/g。蛋白核小球藻在絮凝的同時(shí)保證了較高的重金屬吸附率，其結(jié)果為利用蛋白核小球藻進(jìn)行廉價(jià)高效水處理重金屬提供了一定的理論依據(jù)。