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Mycobacterium phlei 菌对重金属Pb2 + ,Zn2 + ,Ni2 + ,Cu2 + 的吸附规律
2011-07-27
研究了Mycobacterium phlei 菌株分别对水相中重金属离子Pb2 + ,Zn2 + ,Ni2 + ,Cu2 + 的 吸附规律·结果表明,Mycobacterium phlei 菌株对水相中的这四种重金属离子均有一定的吸附作 用;吸附过程均在10 min 内就达到平衡; pH 对吸附过程影响较大, 在pH = 310 ~ 410 时, Mycobacterium phlei 菌对这四种金属离子吸附效果最好;温度升高对Pb2 + ,Ni2 + 和Cu2 + 的吸附过 程不利,但Mycobacterium phlei 菌对Zn2 + 的吸附则是一个吸热过程重金属离子在Mycob...
第 24卷 第 1期 2 0 0 3 年 1 月 东 北 大 学 学 报 ( 自 Journal of Northeastern University(Natural Science) 然 科 学 版 ) Vol124 ,No. 1 Jan. 2 0 0 3 文 章 编 号 : 100523026(2003) 0120091203 Mycobacterium phlei 菌 对 重 金 属 2 + 2 + 2 + 2 + Pb ,Zn ,Ni ,Cu 的 吸 附 规 律 朱 一 民 , 魏 德 洲 ( 东 北 大 学 资 源 与 土 木 工 程 学 院 , 辽 宁 沈 阳 110004) 2 + 2 + 2 + 2 + 摘 要 : 研 究 了 Mycobacterium phlei 菌 株 分 别 对 水 相 中 重 金 属 离 子 Pb ,Zn ,Ni ,Cu 的 吸 附 规 律 分结 果 表 明 ,Mycobacterium phlei 菌 株 对 水 相 中 的 这 四 种 重 金 属 离 子 均 有 一 定 的 吸 附 作 用 ;吸 附 过 程 均 在 10 min 内 就 达 到 平 衡 ; pH 对 吸 附 过 程 影 响 较 大 , 在 pH = 3102 +~ 410 时 , 2 + 2 + Mycobacterium phlei 菌 对 这 四 种 金 属 离 子 吸 附 效 果 最 好 ;温 度 升 高 对 Pb ,Ni 和 Cu 的 吸 附 过 2 + 程 不 利 ,但 Mycobacterium phlei 菌 对 Zn 的 吸 附 则 是 一 个 吸 热 过 程 重 金 属 离 子 在 Mycobacterium 2 + 2 + 2 + 2 + phlei 菌 上 的 吸 附 的 选 择 性 大 小 的 顺 序 为 :Pb > Zn > Cu > Ni 分 关 键 词 : Mycobacterium phlei 菌 株 ;微 生 物 吸 附 ;铅 离 子 ;锌 离 子 ;镍 离 子 ;铜 离 子 ;废 水 处 理 中 图 分 类 号 : X 172 文 献 标 识 码 : A 重 金 属 污 染 的 危 害 性 已 广 为 人 知 ,因 此 治 理 重 金 属 废 水 是 环 境 保 护 领 域 中 较 为 重 要 的 课 题 之 生 物 吸 附 法 去 除 子 溶 液 的 浓 度 ;用 EDTA 做 显 色 剂 ,在 720 和 610 nm 波 长 下 ,分 别 测 定 铜 离 子 和 镍 离 子 溶 液 的 浓 [ 10 ] 分 一 分近 年 来 ,一 种 新 兴 的 技 术 度 工 业 废 水 中 重 金 属 离 子 技 术 ,以 其 处 理 效 果 好 、与 环 境 友 好 而 为 人 们 所 关 注 分国 内 外 有 关 生 物 吸 附 重 金 属 离 子 的 研 究 报 道 很 多 ,所 涉 及 的 生 物 材 料 从 原 核 微 生 物 中 的 细 菌 、放 线 菌 ,真 核 微 生 物 中 的 113 吸 附 实 验 用 移 液 管 定 量 吸 取 已 知 金 属 离 子 浓 度 的 溶 液 于 250 ml 锥 形 瓶 中 ,加 入 定 量 的 细 菌 ,在 磁 力 搅 拌 器 上 或 空 气 浴 震 荡 器 中 进 行 吸 附 实 验 ;观 察 吸 附 前 后 溶 液 中 金 属 离 子 浓 度 的 变 化 分 [ 1~ 8 ] 酵 母 菌 、霉 菌 ,到 蛋 壳 膜 、植 物 材 料 分本 文 选 用 的 微 生 物 是 细 胞 表 面 带 负 电 荷 较 多 的 丝 状 原 核 114 金 属 离 子 去 除 率 Q = 100 自 ( c0 - c) / c0 ( %) , 其 中 , c0 为 吸 附 前 溶 液 中 的 金 属 离 子 浓 度 (mol/ L) , c 为 吸 附 后 溶 液 中 的 金 属 离 子 浓 度 (mol/ L) 分 Q [ 9 ] ;选 用 的 重 金 属 离 生 物 Mycobacterium phlei 菌 子 有 铅 、锌 、铜 和 镍 离 子 分 1 实 验 材 料 和 实 验 方 法 2 结 果 与 分 析 1 11   实 验 用 微 生 物 实 验 用 微 生 物 为 Mycobacterium phlei 菌 代 号 2 11   吸 附 等 温 线 和 最 大 吸 附 容 量 图 1 是 Mycobacterium phlei (M. p) 菌 株 在 p H 为 AS. 4. 1180 ,从 中 国 科 学 院 微 生 物 研 究 所 菌 种 保 存 中 心 购 买 分微 生 物 培 养 基 配 方 为 :牛 肉 膏 5 g , 蛋 白 胨 5 g ,氯 化 钠 3 g ,蒸 馏 水 1 000 ml ,p H = 710 = 410 时 ,对 铅 、锌 、铜 和 镍 离 子 的 吸 附 等 温 线 分从 图 中 可 以 看 出 ,细 菌 量 小 于 6 g 时 ,溶 液 中 金 属 离 2 + 子 去 除 率 增 加 较 快 ,特 别 是 Zn 离 子 其 金 属 离 子 ~ 712分在 型 号 为 HZQ2C 的 空 气 浴 震 荡 器 中 ,在 7 ℃ ,150 r/ min 的 震 荡 频 率 下 培 养 细 菌 7 d分细 菌 2 + 2 + 去 除 率 增 加 最 快 + 分数 据 显 示 : 对 Pb 、 Cu 和 3 2 Ni 离 子 ,其 金 属 离 子 去 除 率 与 细 胞 湿 重 基 本 成 正 比 ,用 数 学 式 可 表 示 为 计 量 方 法 采 用 离 心 分 离 后 细 胞 的 湿 重 分 1 12   金 属 离 子 分 析 Q = km 或 Q ∝ m 分 采 用 721 分 光 光 度 计 ,用 二 甲 酚 橙 做 显 色 剂 , 在 580 和 560 nm 波 长 下 ,分 别 测 定 铅 离 子 和 锌 离 其 中 , Q 为 金 属 离 子 去 除 率 ( %) ; m 为 细 菌 湿 重 收 稿 日 期 : 2002207224 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50174014) ;辽 宁 省 科 技 攻 关 项 目 (2001304024) 分 作 者 简 介 : 朱 一 民 (1964 - ) ,女 ,辽 宁 沈 阳 人 ,东 北 大 学 副 教 授 ,博 士 研 究 生 ; 魏 德 洲 (1956 - ) ,男 ,河 南 南 阳 人 ,东 北 大 学 教 授 ,博 士 生 导 师 分 9 2 东 北 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 24 卷 ( g) ; k 为 与 吸 附 剂 性 质 、溶 液 p H 值 等 有 关 的 常 213   溶 液 pH 值 对 吸 附 效 果 的 影 响 2 + 数 ,利 用 最 小 二 乘 法 对 数 据 拟 合 可 求 得 : k ( Pb ) 溶 液 的 p H 值 是 影 响 吸 附 过 程 的 一 个 重 要 因 素 ,由 图 3 可 以 看 出 :在 p H = 310~ 410 时 ,金 属 离 子 的 去 除 率 较 高 ;当 p H 值 继 续 升 高 时 ,金 属 离 子 的 去 除 率 降 低 分当 溶 液 呈 碱 性 时 ,金 属 离 子 的 去 除 率 又 开 始 升 高 分 6197 (g 1) ; k (Cu ) = 5120 (g - 1) ; k (Ni ) = - 2 + 2 + = - 1 2 + 3 128 (g ) ;而 对 Zn 离 子 ,当 细 菌 量 小 于 6 g 时 , 溶 液 中 金 属 离 子 去 除 率 增 加 最 快 ,同 样 利 用 最 小 2 + 离 二 乘 法 对 该 组 数 据 进 行 曲 线 拟 合 可 求 得 : Zn n 子 的 吸 附 等 温 线 拟 合 曲 线 方 程 为 Q = km ,其 中 , 2 + n = 216 , k (Zn ) = 0142分 图 3 pH对 金 属 离 子 吸 附 的 影 响 Fig. 3 Effect of pH on the biosorption 图 1 细 菌 对 金 属 离 子 吸 附 等 温 线 Fig. 1 Effect of M. p. amount on the biosorption efficiency 由 于 pH 值 影 响 细 胞 表 面 的 电 荷 ,进 而 影 响 细 胞 的 新 陈 代 谢 ,因 而 对 吸 附 过 程 影 响 较 大 分当 pH 值 很 低 ,如 为 2 左 右 时 ,溶 液 中 大 量 的 水 和 氢 离 子 可 能 会 与 金 属 离 子 竞 争 吸 附 活 性 位 点 ,并 使 菌 体 细 胞 壁 质 子 化 ,增 加 细 胞 表 面 的 静 电 斥 力 ,因 而 造 成 金 属 离 子 的 去 除 率 低 分随 着 pH 值 的 升 高 ,超 过 细 菌 表 面 的 等 电 点 ,细 胞 表 面 负 电 荷 量 增 加 ;同 时 细 胞 内 的 大 多 数 酶 活 性 增 加 ,这 对 于 重 金 属 的 载 体 协 助 运 输 等 作 用 机 制 起 着 重 要 的 影 响 ,因 而 在 pH = 310~ 410 时 ,金 属 离 子 的 去 除 率 较 高 分当 pH 值 继 续 升 高 时 ,细 胞 表 面 的 金 属 离 子 易 于 生 成 氢 氧 化 物 微 沉 淀 沉 积 于 细 胞 表 面 ,影 响 细 胞 酶 等 载 体 的 协 助 运 输 作 用 ,从 而 造 成 金 属 离 子 去 除 率 的 下 降 分当 pH 值 为 碱 性 时 ,金 属 离 子 的 去 除 率 反 而 增 加 ,此 时 金 属 离 子 的 去 除 率 数 值 反 映 的 已 经 不 是 生 物 吸 附 过 当 细 胞 湿 重 大 于 6 g 以 后 ,金 属 离 子 去 除 率 增 加 缓 慢 ; 随 着 细 胞 湿 重 的 继 续 增 加 , 则 Q = Q ∞ ;由 图 中 数 据 可 以 得 出 反 映 最 大 吸 附 容 量 的 最 大 去 除 率 Q ∞ ,分 别 为 : Q ∞ ( Pb + ) = 2 数 据 210 %, Q ∞ ( Zn + ) = 3215 %; Q ∞ ( Cu2 + ) = 2 4 2 2 2 + 710 %; Q ∞ (Ni ) = 2213 %分 12   吸 附 过 程 动 力 学 图 2 考 察 的 是 M.p. 菌 株 对 这 4 种 离 子 吸 附 的 动 力 学 过 程 分实 验 结 果 显 示 :在 1min 之 内 ,吸 附 速 率 很 快 ;但 是 随 着 时 间 的 增 加 ,吸 附 速 率 降 低 分当 吸 附 时 间 为 5~ 10 min 时 ,金 属 离 子 去 除 率 增 加 幅 度 不 大 ,说 明 细 胞 上 被 吸 附 的 离 子 与 溶 液 中 的 重 金 属 离 子 已 达 平 衡 分吸 附 速 率 最 快 的 是 对 铅 离 子 的 吸 附 ,速 率 最 慢 的 是 对 镍 离 子 的 吸 附 分吸 附 速 率 在 某 种 程 度 上 反 映 了 吸 附 机 理 分细 菌 对 金 属 离 子 吸 附 是 一 个 物 理 化 学 反 应 共 同 作 用 的 结 果 ;物 理 吸 附 如 静 电 吸 附 ,反 应 速 率 一 般 都 很 快 ,吸 附 物 与 吸 附 剂 一 经 接 触 就 会 发 生 ,而 化 学 吸 附 如 表 面 络 合 和 酶 促 反 应 等 反 应 速 率 较 慢 分 程 了 ,而 是 溶 液 中 的 化 学 反 应 金 属 氢 氧 化 物 沉 淀 产 生 过 程 ,因 而 此 时 的 金 属 离 子 的 去 除 率 的 增 高 ,是 由 于 金 属 氢 氧 化 物 沉 淀 产 生 而 引 起 的 分 214 温 度 对 吸 附 过 程 的 影 响 图 4 是 在 金 属 离 子 浓 度 、吸 附 时 间 及 细 菌 生 物 量 一 定 的 条 件 下 ,改 变 吸 附 温 度 所 做 的 一 组 实 验 分实 验 结 果 表 明 ,随 着 温 度 的 升 高 ,M. p. 菌 对 铅 、铜 和 锌 离 子 的 吸 附 量 减 小 ;对 镍 离 子 的 吸 附 则 是 随 着 温 度 的 升 高 而 吸 附 量 增 加 分对 铅 、铜 和 锌 离 子 的 吸 附 温 度 最 好 在 15 ℃ ,对 镍 离 子 的 吸 附 则 采 用 45 ℃ 分 对 铅 、铜 和 锌 离 子 来 说 ,随 着 温 度 的 升 高 ,吸 附 量 减 小 ,说 明 温 度 对 吸 附 过 程 不 利 ,吸 附 过 程 是 一 个 放 热 过 程 ,Δ H < 0分很 容 易 从 热 力 学 公 式 : 图 2 生 物 吸 附 动 力 学 曲 线 Fig. 2 Biosorption rate of the M. p as function of time Δ G =Δ H - TΔ S 理 解 分就 吸 附 过 程 而 言 , 吸 附 过 2 + 2 + 2 + 2 + 第 1 期 朱 一 民 等 : Mycobacterium phlei 菌 对 重 金 属 Pb , Zn , Ni , Cu 的 吸 附 规 律 93 锌 、铜 和 镍 离 子 等 4 种 重 金 属 离 子 均 有 一 定 的 吸 附 作 用 ;吸 附 过 程 均 在 10 min 内 就 达 到 平 衡 分 ( 2) pH 对 吸 附 过 程 影 响 较 大 , 在 pH = 310~ 4 10 时 ,M. p. 菌 对 这 4 种 金 属 离 子 吸 附 效 果 最 好 分 2 + 2 + 2 + 3) 温 度 升 高 对 Pb ,Zn 和 Cu 的 吸 附 过 2 + 2 + 2 + ( 程 不 利 ,M. p. 菌 对 Pb ,Ni 和 Cu 的 吸 附 是 一 2 + 个 放 热 过 程 分但 M.p. 菌 对 Ni 的 吸 附 则 是 一 个 吸 热 过 程 分 ( 图 4 温 度 对 金 属 离 子 微 生 物 吸 附 的 影 响 Fig. 4 Effect of temperature on the biosorption 4) 重 金 属 离 子 在 M. p. 菌 上 的 吸 附 的 选 择 性 2 + 2 + 2 + 2 + 大 小 的 顺 序 为 :Pb > Zn > Cu > Ni 分 程 是 自 发 的 ,Δ G 小 于 零 ;而 溶 液 中 游 离 的 金 属 离 子 被 吸 附 后 ,其 混 乱 度 必 然 减 小 ,故 Δ S 也 小 于 参 考 文 献 : 零 ,因 而 Δ H 一 定 小 于 零 分但 是 对 镍 离 子 的 吸 附 , 温 度 升 高 ,吸 附 量 也 增 加 ,温 度 对 吸 附 过 程 有 利 , [ 1 ] Volesky B. Detoxification of metal2bearing effluents: biosorption for the next century[J ]. Hydrometallugy , 2000 ,59(2 - 3) :203 - 216. Δ H > 0分这 个 现 象 单 从 吸 附 过 程 本 身 就 不 好 理 解 了 ,这 也 是 作 者 下 一 步 进 行 生 物 吸 附 机 理 研 究 所 要 解 决 的 问 题 分M. p. 对 金 属 离 子 的 吸 附 涉 及 细 胞 表 面 结 构 及 细 胞 的 的 新 陈 代 谢 过 程 因 而 也 就 与 普 通 吸 附 过 程 不 同 ,有 着 其 特 殊 性 分从 生 物 吸 附 角 度 看 ,温 度 影 响 着 细 胞 酶 的 活 性 ;M. p. 菌 属 放 线 菌 亚 纲 ,其 适 宜 生 长 温 度 为 28~ 40 ℃ ,在 这 个 温 度 下 ,细 胞 内 各 物 质 的 氧 化 还 原 反 应 、合 成 反 应 ,以 及 分 解 反 应 等 进 行 得 最 快 ,M. p. 菌 对 重 金 属 离 子 的 细 胞 内 扩 散 和 酶 促 反 应 等 进 行 得 最 好 分生 物 吸 附 是 在 细 胞 表 面 进 行 的 各 种 物 理 化 学 反 应 ,如 表 面 络 合 、离 子 交 换 、静 电 吸 附 、氧 化 还 原 、酶 促 机 理 [ 2 ] Lee HS , Volesky B. Evaluation of aluminum and copper biosorption in a two2metal system using algal biosorbent [J ]. Environment Science , 1999 ,2 (2) :149 - 158. [ 3 ] Groudev S N , Bratcova S G, Komnitsas K. Treatment of waters polluted with radioactive elements and heavy metals by means of a laboratory passive system [ J ]. Materials Engineering , 1999 ,12 (3) :261 - 270. 4 ] Wiliams C J ,Aderhold D , Edyvean R G J. Comparison between biosorbents for the removal of metal ions from aqueous solutions [ [ [ [ [ J ]. Water Research , 1998 ,32(1) :216 - 224. 5 ] Figueira M M , Volesky B , Ciminelli V S T. Biosorption of metals in brown seaweed biomass [ J ]. Water Research , 2 000 ,34 (1) :196 - 204. 6 ] Tsezos M. Biosorption of metals: The experience accumulated and the outlook for technology development [ J ]. Hydrometallurgy , 2001 ,(59) :241 - 243. 7 ] 刘 瑞 霞 ,潘 建 华 ,汤 鸿 宵 分 Cu( Ⅱ ) 离 子 在 Micrococcus luteus 细 菌 上 的 吸 附 机 理 [J ]分 环 境 化 学 , 2002 ,21 (1) ,50 - 55分 Liu R X , Pan J H , Tang H X. Biosorption mechanism of ( [ 8 ] 和 微 沉 积 等 共 同 作 用 的 结 果 分但 是 生 物 种 类 的 Cu ( Ⅱ ) on micrococcus luteus biomass [J ]. Environental Chemistry , 2002 ,21 (1) :50 - 55. ) 8 ] 刘 刚 ,李 清 彪 分 重 金 属 生 物 吸 附 的 基 础 和 过 程 研 究 [J ]分 水 不 同 ,金 属 离 子 的 不 同 ,起 主 导 作 用 的 机 理 也 会 不 同 分实 验 结 果 暗 示 ,M. p. 对 镍 离 子 的 吸 附 机 理 与 对 铅 、铜 和 锌 离 子 的 吸 附 机 理 不 同 分M. p. 对 镍 离 子 的 吸 附 可 能 更 接 近 酶 促 机 理 及 细 胞 内 载 体 传 输 过 程 ,这 只 是 一 个 假 设 ,还 需 要 进 一 步 实 验 测 试 来 证 实 分 [ 处 理 技 术 , 2002 ,28 (1) :17 - 21分 ( Liu G, Li Q B. Advances in the researchs on biosorption fundamentals and biosorption process [ J ]. Technology of Water Treat ment , 2002 ,28 (1) :17 - 21. ) 9 ] Aldrich A , Feng D. Removal of heavy metals from wastewater effluents by boisorptive flotation [J ]. Materials Engineering , 2000 ,(4) :1129 - 1138. [ [ 10 ] 蒲 希 毕 R分 EDTA 及 同 类 化 合 物 的 分 析 应 用 [ M ]分 赵 亢 臣 ,译 分 北 京 :地 质 出 版 社 Pusibi R. The analytical application of ED TA and the , 1982. 172 - 198分 3 结 论 ( same series of compounds[ M]. Zhao K C ,translate. Beijing : Geology Publishing House , 1982. 172 - 198. ) ( 1) Mycobacterium phlei 菌 株 对 水 溶 液 中 铅 、 2 + Biosorption of Myc2o+bacterium phlei to the Heavy Metal Ions Pb , 2 + 2 + Zn ,Ni and Cu ( ZHU Yi2min , W EI De2zhou School of Resourses & Civil Engineering , Northeastern University , Shenyang 110004 , China. Correspondent : Zhu Yimin , E2 mail : yimin0508 @yahoo. com) Abstract : The biosorption of Mycobacterium phlei to the heavy metals such as lead ions , zinc ions ,nickel ions and copper ions was studied. The results show that the biosorbent has a certain adsorbing effect on the heavy metal ions of lead , zinc ,nickel , and copper. The adsorbing equilibriums of Mycobacterium phlei to the ions can be reached within 10 minutes. ThepH value of the solution has a great effect on the adsorption. When pH is in the range of 310~ 410 , Mycobacterium phlei shows the best adsorbing effect to the above four kinds of heavy metal ions. High temperature is not beneficial to the biosorption of lead , nickel , and copper ions but of zinc ion. The sequence of selectivity of Mycobacterium phlei to the heavy metal ions is lead ,zinc , copper and last nickel. Key words : Mycobacterium phlei ; biosorption ; lead ions ; zinc ions ; nickel ions ; copper ions ; wastewater treatment ( Received July 24 , 2002)
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