兩株乳酸菌對鉛的吸附作用

徐 穎XU Ying 李 潔 賀丹丹 - 呂嘉櫪 -

(陜西科技大學食品與生物工程學院，陜西 西安 710021)

近年來，重金屬污染引起的食品安全問題已成為人們廣泛關注的熱點，食品中重金屬主要來源于工業“三廢”和生活垃圾等污染，受污染食品主要包括糧食、果蔬和水產品等。2013年，中國受重金屬污染的耕地面積近2.0×107hm2，約占耕地總面積的20%，被重金屬污染的糧食多達1.20×107t，合計損失至少200億元[1]，解決重金屬污染的問題非常迫切。但重金屬污染具有分布范圍廣、不可降解、治理難度大、危害程度深等特點，傳統去除方法主要有物理和化學修復法，包括反滲透法、萃取法、活性炭吸附法、過濾法、化學沉淀法、絮凝法和離子交換法[2-3]。這些方法存在著一些缺點，如儀器設備昂貴、無法實現自動監控、試劑和能源損耗巨大、各種廢棄物的產生造成二次污染等，而且這些方法用于治理低濃度廢水時效果不好，不能使金屬濃度降到排放標準以下。微生物吸附法是一種新興的高效、環保、經濟的重金屬污染治理方法，乳酸菌通過菌體表面吸附和體內蓄積作用可有效清除有毒重金屬，如干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)DSM20011[4]、鼠李糖乳桿菌(Lactobacillusrhamnosus)GG[5]、糞腸球菌(Enterococcusfaecium)M74[6]、羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)Pb71-1[7]、植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)CCFM8661[8]、德氏乳桿菌(Lactobacillusdelbrueckii)KLDS1.0207[9]等。乳酸菌作為潛在的重金屬生物清除劑具有較高的研究與應用價值。

但關于去除重金屬活性乳酸菌的篩選、去除機制和應用方面的研究較少。本研究擬通過分析乳酸菌對鉛的吸附作用，判斷乳酸菌對鉛的耐受性及吸附程度，利用熱力學模型和動力學模型對乳酸菌結合鉛離子的過程進行模擬，研究乳酸菌對鉛的吸附能力，為利用乳酸菌清除食品中重金屬研究與應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

雙歧桿菌(Bifidobacteria，BB)、鼠李糖乳桿菌(Lactobacillusrhamnosus，LR)：由陜西科技大學微生物實驗室提供；

MRS培養基：北京奧博星生物技術有限責任公司；

其他試劑均為分析純。

1.2 儀器

恒溫振蕩搖瓶柜：HYG-A型，蘇州培英實驗設備有限公司；

分光光度計：722E型，上海光譜儀器有限公司；

壓蓋型冷凍干燥機：SCIENTZ-18N型，新芝凍干設備公司。

1.3 方法

1.3.1 乳酸菌的耐鉛試驗 在無菌條件下，配制1 g/L鉛離子溶液，用該鉛離子溶液溶解MRS肉湯培養基，分別得到含50，150，500 mg/L鉛離子的MRS液體培養基。將培養到第三代至對數期的菌液用生理鹽水稀釋，調整OD600 nm為0.60，即得到種子液，按照2%接種量接種于上述含鉛MRS液體培養基中，在37 ℃條件下進行培養，分別在0，2，4，6，8，12，16，20，24 h時取樣，進行乳酸菌計數，以確定乳酸菌對不同濃度鉛離子的耐受力[10]。

1.3.2 鉛含量的測定 二硫腙比色法[11]。

1.3.3 乳酸菌對鉛的吸附特性 取菌液0.2 mL接種到MRS培養基中，于37 ℃培養18 h，4 000 r/min離心20 min，棄上清液，濕菌備用。

(1) pH值對吸附的影響：將50 mg/L鉛離子溶液分裝至錐形瓶中，每瓶20 mL，用0.1 mol/L鹽酸或氫氧化鈉調節pH至2，3，4，5，6，7，加入濕菌體，使其濃度為1 g/L，并在30 ℃、150 r/min的搖床中吸附1 h，將溶液以8 000 r/min 離心10 min，測定上清液中的鉛含量。按式(1)計算菌體對鉛的吸附量。

(1)

式中：

q——菌體吸附量，mg/g；

C0——初始鉛離子濃度，mg/L；

C1——平衡液中鉛離子濃度，mg/L；

V——鉛離子溶液的體積，L；

m——濕菌體的質量，g。

(2) 初始鉛離子濃度對吸附的影響：鉛離子溶液濃度分別為25，50，75，100，150，300，500 mg/L，pH調為 6，其他操作與1.3.3(1)相同。

(3) 初始濕菌添加量對吸附的影響：向20 mL、50 mg/L鉛離子溶液中加入濕菌體，使其濃度分別為1，2，3，4，5，6，7 g/L，pH調為 6，其他操作與1.3.3(1)相同。

1.3.4 吸附熱力學試驗 配制10，20，30，40，50 mg/L鉛離子溶液，pH調為6。將收集到的菌體分別置于不同鉛離子濃度溶液中，使菌體濃度達到1 g/L(濕菌體重)，37 ℃條件下振蕩吸附1 h，8 000 r/min離心10 min，取上清測鉛離子濃度。按式(1)計算吸附量。

1.3.5 吸附動力學試驗 選取pH值為6，初始鉛離子濃度為50 mg/L，濕菌體濃度為1 g/L來探究鉛吸附的動力學規律。30 ℃，150 r/min分別培養5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60 min后取出，將溶液以8 000 r/min離心10 min，測定上清液中的鉛含量[12]35-36。按式(1)計算吸附量。

1.3.6 熱力學分析

(1) Langmuir模型分析：該模型假設吸附劑表面的吸附位點是均勻的，金屬吸附于表面單分子層，每個吸附位點對應一個金屬離子，是以化學吸附為主的，吸附和解吸是動態平衡。Langmuir 模型見式(2)。

(2)

式中：

qe——平衡時菌體吸附量，mg/g；

qm——最大吸附量，mg/g；

Ce——平衡液中鉛離子濃度，mg/L；

b——吸附系數，L/mg。

(2) Freundlich模型分析：該模型假設的是吸附發生在非均勻介質表面，Freundlich模型見式(3)。

(3)

式中：

qe——平衡時菌體吸附量，mg/g；

Ce——平衡液中鉛離子濃度，mg/L；

k——吸附平衡常數。

(3) Langmuir-Freundlich模型分析：Langmuir-Freundl-ich模型見式(4)。

(4)

式中：

qe——平衡時菌體吸附量，mg/g；

Ce——平衡液中鉛離子濃度，mg/L；

k——吸附平衡常數；

b——不均勻吸附常數。

1.3.7 動力學分析

(1) 準一級動力學模型分析：準一級動力學模型見式(5)。

(5)

式中：

qe——平衡時菌體吸附量，mg/g；

qt——t時刻菌體吸附量，mg/g；

k1——吸附平衡常數。

(2) 準二級動力學模型分析：準二級動力學模型見式(6)。

(6)

式中：

qe——平衡時菌體吸附量，mg/g；

qt——t時刻菌體吸附量，mg/g；

k2——吸附平衡常數。

2 結果分析

2.1 乳酸菌對鉛的耐受性

如圖1所示，鉛離子濃度由50 mg/L增加到500 mg/L，雙歧桿菌和鼠李糖桿菌的生長雖然受到一定抑制，但仍能生長。如當鉛離子濃度為50 mg/L時，培養24 h其生物量分別為對照的71.4%和64.3%。當鉛離子濃度達到500 mg/L時，培養24 h其生物量分別為對照的35.7%和21.4%。根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，Ⅴ類水中鉛的含量要求<0.1 mg/L，可見50 mg/L這個濃度較大，這兩株菌的耐鉛能力較好，以此濃度進行后續試驗。

2.2 乳酸菌對鉛的吸附特性

2.2.1 pH值對吸附的影響 初始pH值對雙歧桿菌和鼠李糖乳桿菌吸附鉛能力的影響見圖2。鉛溶液初始pH值由2增加到7，雙歧桿菌對鉛離子吸附量由45.25 mg/g增加到48.67 mg/g，鼠李糖乳桿菌對鉛離子吸附量由43.67 mg/g增加到44.71 mg/g。在pH為6～7時達到最大吸附值。初始pH值是影響微生物吸附重金屬的重要因素之一。pH值影響菌體表面官能團(氨基、羧基、磷酸基)的活力及鉛離子對結合位點的競爭力。當溶液pH值很低時，[H3O]+會占據生物細胞表面大量的活性吸附位點，阻止陽離子與這些吸附位點的結合，因此過酸的環境導致微生物對鉛離子的排斥力越大，吸附量下降。隨著溶液中pH值的升高，細胞表面暴露出更多的負電荷，有利于鉛接觸并吸附在細胞表面活性位點上。當pH值過高，達到鉛離子的溶度積Ksp值后，會生成氫氧化鉛沉淀，無法體現生物吸附作用對鉛的去除效果，因此本試驗不考慮pH值超過7的吸附情況。

2.2.2 初始鉛離子濃度對吸附的影響 由圖3可知，當鉛離子濃度在25～500 mg/L時，隨著鉛離子濃度的增加，雙歧桿菌對鉛離子的吸附量由24.29 mg/g增加到109.57 mg/g，鼠李糖乳桿菌對鉛離子吸附量由21.86 mg/g增加到112.71 mg/g。但當鉛離子濃度超過100 mg/L時，吸附量基本保持不變。可能是鉛離子超過菌體的結合位點，達到菌體的吸附極限，因此吸附量基本不變。

2.2.3 初始濕菌量對吸附的影響 由圖4可知，在20 mL、50 mg/L 鉛離子溶液中，初始濕菌量由0.02 g增加到0.14 g，雙歧桿菌和鼠李糖桿乳桿菌對鉛的吸附量分別由48.75，49.36 mg/g降低到45.08，43.85 mg/g。原因可能是初始濕菌量過高時，菌體會相互吸附成團，造成結合位點減少，進而吸附率降低[13]；菌體向細胞外分泌酸性物質，會改變吸附體系pH值，從而改變菌體表面的物化性質，并進一步減弱菌體對鉛的吸附能力。這與嗜麥芽窄食單胞菌對銅、鎘的吸附特性[14]以及嗜酸乳桿菌和羅伊氏乳桿菌對銅結合性能[15]相一致。

圖1 兩株乳酸菌在含鉛培養基中的生長曲線Figure 1 Growth curves of two strains of Lactobacillus in lead-containing medium

圖2 初始pH值對兩株乳酸菌吸附鉛能力的影響Figure 2 Effect of initial pH on adsorption of lead in two strains of Lactobacillus

圖3 初始鉛離子濃度對兩株乳酸菌吸附鉛能力的影響Figure 3 Effect of lead ion concentration on adsorption of lead in two strains of Lactobacillus

圖4 初始濕菌添加量對兩株乳酸菌吸附鉛能力的影響Figure 4 Effect of initial wet bacteria weight on adsorption of lead in two strains of Lactobacillus

2.3 熱力學分析

將Langmuir公式[式(2)]變形，以1/qe為縱坐標，1/ce為橫坐標，作圖擬合得出雙歧桿菌qmax為42.86 mg/g，b為0.086，R2為0.972 9，但擬合結果和實際值48.76 mg/g相差較大；鼠李糖乳桿菌qmax為43.31 mg/g，b為0.085，R2為0.975 8，擬合結果和實際值48.14 mg/g相差也較大。說明兩株菌吸附鉛過程中的吸附位點是不均勻的，也不是單分子層吸附。

將Freundlich公式[式(3)]變形，以lnqe為縱坐標，lnce為橫坐標，作圖擬合得出雙歧桿菌k為2.473，n為0.398，R2為0.837 4；鼠李糖乳桿菌k為2.364，n為0.406，R2為0.838 4。

2.4 動力學模型分析

將準一級模型[見式(5)]和準二級模型[見式(6)]作圖擬合得出，準一級模型適合吸附過程的前30 min，而不適合整個吸附過程，這主要是由于微生物對重金屬的吸附屬于被動吸收[17]，而不是主動運輸，因此吸附速度較快。前30 min的擬合相關系數R2分別達0.892 7和0.879 0。準二級動力學模型中，兩株菌的R2均為0.999 8，說明準二級動力學模型比準一級動力學模型更適合表征菌體吸附鉛離子的過程，且該過程不是單純的物理吸附，存在其他的離子交換、化學沉淀等現象。乳酸菌細胞壁上有帶大量負電荷官能團的肽聚糖和磷壁酸聚合物，因此它們有很強的吸收金屬陽離子的能力。Teemu 等[18]研究發現帶有負電荷的磷酰基、羧基具有結合鉛、鎘離子的能力。此外，許多乳酸桿菌中的表面蛋白質以 S-layer 蛋白質[12]19為主，其官能團一般帶負電荷，可以與陽離子發生沉淀。

3 結論

本試驗對雙歧桿菌和鼠李糖乳桿菌耐鉛能力和吸附鉛的特性進行研究，初始鉛離子濃度為50 mg/L條件下其吸附鉛的最佳條件：pH值6，初始濕菌量1 g/L，此時兩株菌對鉛的吸附率分別為97.44%和96.87%；Langmuir-Freundlich模型比Langmuir模型和Freundlich模型更適合兩株菌結合鉛離子的過程，準二級動力學模型比準一級動力學模型更適合，說明兩株菌與鉛的作用包括物理吸附和化學吸附。

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