太湖藍藻多糖應用于重金屬離子吸附

黃依佳，吳劍榮，朱 莉，詹曉北

(江南大學生物工程學院糖化學與生物技術教育部重點實驗室，江蘇無錫214122)

藍藻水華是世界上普遍存在的環境問題，其中微囊藻是一種常見藍藻，其產生的藍藻毒素危害人類和動物的健康[1-2]。藍藻是以菌落的形式或聚集體趨向于飄浮，成長后期藍藻細胞破裂釋放藍藻毒素，嚴重影響湖泊、河水的質量[3]。藍藻含有豐富的蛋白、色素和多糖，具有潛在應用價值[4]，例如，藍藻可以制造成生物塑料，還用于堆肥做肥料或發酵產沼氣。其他藻類應用中，螺旋藻藻藍蛋白已用于化妝品商業生產[5]，藻類多糖具有抗氧化[6]、抗病毒[7]、抗腫瘤[8]和吸附重金屬[9-10]等作用。目前打撈藍藻成為治理太湖主要手段，但是打撈藍藻的資源化利用成為瓶頸，如何較高附加值利用打撈藍藻成為關鍵問題。藍藻蛋白質經過水解可以制成富營養多肽、氨基酸混合液，用于飼料[11]或微生物營養[4]，而藍藻多糖的資源化利用研究相對比較少。

鉛、鎘等重金屬污染是工業生產過程中排入水體或土壤的，這會造成環境問題[12]。一般用吸附法治理鉛、鎘等重金屬污染，傳統吸附劑主要包括活性炭、硅藻土和殼聚糖等，這些吸附劑的吸附時間長且平衡吸附容量僅為8～10 mg/g，同時價格昂貴[13]。鑒于成本和環境治理綜合考慮，可以使用環境友好的天然吸附劑來吸附鉛、鎘等重金屬，例如植物細胞壁中的纖維素、半纖維素、果膠和木質素作為主要成分作為可重金屬再生的吸附劑[14]。另外，許多生物吸附劑如細菌、酵母和真菌也可用于重金屬的去除[15]。微生物多糖作為新型吸附劑，優點是多糖官能團的吸附位點和離子之間的相互作用[16]，能很好地吸附金屬離子。

本研究旨在采用超聲波輔助熱水浸提的方法提取藍藻多糖，然后將其應用于重金屬離子吸附測試，以期綜合利用大量打撈的藍藻資源，并將藍藻多糖應用于重金屬吸附中。

1 材料與方法

1.1 材料

藍藻粉，無錫德林海公司；其余所用試劑均為市售分析純。

1.2 儀器與設備

SpectrAA-220/220Z型原子吸收分光光度計，美國瓦里安公司；傅里葉變換紅外光譜儀，美國尼高力儀器公司(NEXUS)。

1.3 方法

1.3.1 藍藻多糖的提取

稱取干燥藍藻粉末以液料比30∶ 1 mL/g加入水中，超聲處理30 min(400 W、20 kHz)，再在60 ℃、100 r/min條件下振蕩3 h，然后于8 000 r/min離心10 min，沉淀經相同體積水浸提1次，離心后合并上清即為多糖提取液。上清液中加入5倍體積的95%乙醇，4 ℃靜置過夜后沉淀即為藍藻粗多糖，烘干稱質量。

1.3.2 藍藻多糖對水溶液中重金屬離子Pb2+和Cd2+的吸附

在1 L燒杯中裝入1 000 mL質量濃度為500 mg/L的Pb2+和Cd2+溶液，然后精確稱取80.0 mg藍藻多糖復溶成20 mL多糖溶液，裝入經過預處理的透析袋中，透析袋兩端用封口夾夾好后放入裝有Pb2+和Cd2+溶液的燒杯中，在室溫下置于磁力攪拌器上以120 r/min的速度進行攪拌。

吸附3 h后取出透析袋，放入裝有去離子水的燒杯中進行攪拌透析，以去除未被藍藻多糖結合的Pb2+和Cd2+，期間每隔2 h換1次去離子水，10 h后取出透析袋，將透析袋內的溶液倒入到25 mL的容量瓶中定容，將定容后的溶液進行消解。用同等體積的去離子水代替藍藻多糖溶液，其他條件不變，作為空白實驗，各實驗分別進行3次平行實驗。平衡吸附量Q的計算具體見式(1)。

(1)

式中：ρf為吸附后透析袋內的重金屬質量濃度，mg/L；ρ0為吸附鉛透析袋內的重金屬濃度，mg/L；V為透析袋內總體積，mL；m為裝入透析袋內的藍藻多糖的質量，mg。

1.3.3 重金屬含量測定

采用原子分光光度計測量Pb2+和Cd2+的濃度，重金屬含量檢測方法參照貢小清等[17]所述方法。

1.3.4 等溫吸附模型

等溫吸附模型通過考察吸附劑的吸附能力，采用熱力學模型擬合后可通過相關方程參數分析其熱力學吸附機制,常用Langmuir和Freundlich等溫吸附方程對吸附等溫線進行擬合[18]。

Langmuir吸附等溫式最初用來描述理想均勻基質表面的單分子層氣固吸附，現也已多用于固液吸附過程，其模型方程見式(2)。

Ce/Qe=1/kLQm+Ce/Qm

(2)

式中：kL為Langmuir等溫吸附平衡常數，L/mg；Qm為飽和吸附量，mg/g；Ce為平衡質量濃度，mg/mL；Qe為平衡吸附量，mg/g。分別以Ce、Ce/Qe為橫、縱軸，線性擬合得直線方程，通過方程的斜率1/Qm以及截距1/kLQm，分別計算出Qm和kL。

Freundlich熱力學模型為經驗模型，假定吸附發生于非均勻基質表面，且為多分子層吸附，適用濃度范圍廣，其模型方程見式(3)。

lgQe=lgkF+1/nlgCe

(3)

式中：kF、n為Freundlich等溫方程參數。分別以lgCe、lgQe為橫縱軸，線性擬合得直線方程，通過方程的斜率1/n以及截距lgkF，分別計算出n和kF。

1.3.5 紅外光譜分析

取凍干的多糖樣品和吸附重金屬鉛和鎘后的多糖樣品1～2 mg分別與溴化鉀按1∶ 200的比例研磨，壓片后檢測利用紅外光譜在4 000～4 00 cm-1范圍內進行檢測。

2 結果與討論

2.1 藍藻多糖的提取結果

熱水提取法常用于天然多糖的提取，另外在熱水浸提的同時，采用一些輔助方法(如超聲波處理)可以有效提高多糖的得率[19-20]。考察藍藻多糖提取條件，結果見圖1。

圖1 不同條件對藍藻粗多糖提取率的影響Fig.1 Effects of different conditions on isolation of Cyanobacteria polysaccharide

由圖1可知：隨著料液比由10∶ 1提高至40∶ 1，藍藻多糖得率由6.5%提高至最高21.5%，藍藻胞外多糖存在于莢膜或黏液層，液料比的增加可以加速胞外多糖的流出[21]。較高溫度可以促使細胞上多糖釋放或溶出，隨著溫度升高多糖得率增加，在溫度為80 ℃時多糖得率達到25.1%；當溫度高于80 ℃則多糖得率降低，可能是因為高溫下多糖與其他物質反應，使溶出多糖減少。另外，隨著提取時間的增加，多糖得率升高，但超過5 h后不再增加。最終確定藍藻多糖提取條件為料液比40∶ 1 mL/g、浸提溫度80 ℃下提取5 h。

2.2 藍藻多糖投加量對Pb2+和Cd2+吸附的影響

藍藻多糖主要存在于細胞外部，在水體中能使藍細菌聚集成團。由于藍藻多糖結構上含有大量羥基和羧基，因此能夠與水體中金屬離子發生相互作用。為了測試提取的藍藻多糖是否具有應用于吸附重金屬的潛力，將藍藻多糖裝入透析袋后置于重金屬溶液中進行吸附實驗。考察不同藍藻多糖的投加量對重金屬離子Pb2+和Cd2+吸附的影響，結果如圖2所示。

圖2 藍藻多糖投加量對Pb2+、Cd2+吸附的影響Fig.2 Effects of Cyanobacteria polysaccharide addition on adsorption of Pb2+ and Cd2+

由圖2可知：隨著藍藻多糖投加量的增加，Pb2+和Cd2+的吸附效率也增加。當多糖投加量從20 mg增加到100 mg時，Pb2+的吸附效率增加了44.7%；當多糖投加量從20 mg增加到150 mg時，Cd2+的吸附效率增加了38.5%。當多糖投加量超過150 mg時，Pb2+和Cd2+的吸附效率基本持平。多糖投加量提高會增加吸附基團數量，使重金屬吸附效率提高；但在固定體積的透析袋內，金屬離子通過滲透進入膜內與多糖相互作用，當藍藻多糖過量時，一方面多糖之間相互作用可能抑制與重金屬結合，另一方面金屬離子進入多聚糖核心需要更大濃度梯度差[22]。吸附劑用量的進一步增加導致吸附能力下降，這可能導致溶液中金屬離子在表面多糖吸附位點的聚集，降低整體吸附表面積[23]。活性炭吸附能力強，吸附Cd2+吸附容量僅為8.45 mg/g，且價格昂貴，很難達到工業要求，應用受到限制[24]；殼聚糖在酸性條件下易發生質子化，吸附效果沒有生物吸附效果好，在pH為5、25 ℃條件下，Cd2+的吸附容量僅達到9.1 mg/g[25]。

2.3 吸附時間對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的影響

在pH為7.0、25 ℃條件下進行，多糖投加量為80 mg，Pb2+和Cd2+的質量濃度都為500 mg/mL，考察藍藻多糖對吸附Pb2+和Cd2+的平衡吸附量，結果如圖3所示。

圖3 吸附時間對多糖吸附Pb2+、Cd2+的影響Fig.3 Effects of treating time on adsorption of Pb2+ and Cd2+ by Cyanobacteria polysaccharide

由圖3可以看出，重金屬吸附過程經歷快速吸附、緩慢吸附和平衡3個階段。在0～150 min時為多糖吸附的快速階段，Pb2+的平衡吸附量從36.2 mg/g上升到54.9 mg/g，而Cd2+的平衡吸附量從17.5 mg/g上升到30.6 mg/g；后面的60 min為緩慢吸附階段，3 h之后基本持平，Pb2+和Cd2+的平衡吸附量分別為57.2和36.2 mg/g。在重金屬吸附過程中，藍藻多糖的吸附位點隨著時間的延長逐漸減少，由快速吸附逐漸變為緩慢吸附，最后達到吸附平衡[26]。天然沸石已成功運用到廢水中取出重金屬，平衡吸附時間需要達到3 h以上[13]。硅藻土是一種良好的吸附劑，但吸附時間需要8 h以上[27]。

2.4 溶液pH對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的影響

溶液的pH是影響金屬性質的重要因素，同時，pH能影響多糖基團的解離，考察pH對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的影響，結果如圖4所示。

由圖4可知：在pH為2～3時，藍藻多糖對鉛、鎘的吸附量都較低。隨著pH的增加，藍藻多糖對鉛、鎘的吸附量明顯增加，鉛的吸附量從pH為3時的平衡吸附量38.4 mg/g上升到pH為7時的67.9 mg/g，而鎘的吸附量從25.0 mg/g上升到35.7 mg/g。可能是多糖結構上H+從官能團解吸，因此吸附劑表面帶更多負電荷，從而增加金屬離子對多糖自由部位的吸引力，導致高吸附能力[23]。當pH為8時，藍藻多糖對Pb2+的吸附量為55.0 mg/g，下降了12.9 mg/g，是因為在堿性條件下，產生了Pb(OH)2沉淀，使藍藻多糖的吸附位點減少。藍藻多糖結構上含有羧基和羥基基團，在酸性條件下，溶液中的H+與金屬離子存在排斥力，使得藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的吸附量減少[22]。

圖4 pH對多糖吸附Pb2+、Cd2+的影響Fig.4 Effects of pH on adsorption of Pb2+ and Cd2+ by Cyanobacteria polysaccharide

2.5 溫度對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的影響

隨著溫度的變化，藍藻多糖的平衡吸附量也逐漸變化，進一步考察溫度對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的影響，pH 7.0、多糖投加量80 mg、吸附時間3 h，結果如圖5所示。

圖5 溫度對藍藻多糖吸附Pb2+、Cd2+的影響Fig.5 Effects of temperature on adsorption of Pb2+ and Cd2+ by Cyanobacteria polysaccharide

由圖5可知：隨著溫度的升高，Pb2+和Cd2+的吸附速率增大，溫度從10 ℃上升到50 ℃，Pb2+的吸附量從42.0 mg/g上升到78.3 mg/g，而Cd2+的吸附量從18.3 mg/g上升到49.7 mg/g。其中，從10 ℃上升到30 ℃，吸附速率快，Pb2+的吸附速率提高了28.8 mg/g，Cd2+的吸附速率提高了23.7 mg/g；從30 ℃上升到50 ℃時，吸附速率變慢，Pb2+的吸附速率僅增加7.5 mg/g，Cd2+的吸附速率也僅增加了7.8 mg/g。這是因為隨著溫度的升高，分子間運動加快，加速藍藻多糖與Pb2+和Cd2+吸附位點的接觸，Pb2+和Cd2+的吸附效率變高；當溫度過高時，吸附效率并沒有明顯的增加[23]。從節約能源角度考慮，重金屬吸附適合于25 ℃下操作。

2.6 藍藻多糖對重金屬Pb2+和Cd2+的等溫吸附模型

對藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+的吸附等溫線進行Langmuir模型和Freundlich模型線性擬合，相關參數及線性擬合方程結果如表1和表2所示。

由表1和表2可知：在不同溫度下，Langmuir模型和Freundlich模型擬合方程R2均大于0.95，表明兩種模型均適用于描述藍藻多糖吸附Pb2+和Cd2+動力學過程。Langmuir模型所示的最大吸附量Qm與實際實驗所得吸附量基本相近，Freundlich模型的參數n>1，表明該吸附過程為可行型吸附[28]。

表1 在不同吸附熱力學模型下的相關參數

表2 在不同吸附熱力學模型下線性擬合方程式

2.7 藍藻多糖吸附重金屬Pb2+和Cd2+的機制

圖6 藍藻多糖原樣和吸附Pb2+、Cd2+后藍藻多糖的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectra of polysaccharides and that loaded with Pb2+and Cd2+

3 結論

在本文的研究中，建立并優化了藍藻多糖的熱水浸提方法，最終藍藻多糖的最高得率達到25.1%，該提取方法的建立，為高效獲得成本低廉的多糖產品提供了可靠方法和途徑。

為了解藍藻多糖的應用價值，本研究主要關注藍藻多糖作為重金屬離子吸附劑，應用于含有重金屬離子污水的處理。因此考察并優化藍藻多糖對Pb2+和Cd2+兩種重金屬離子的吸附條件。最終，經優化多糖投放量、吸附溫度、吸附pH和吸附時間等條件，發現藍藻多糖對Pb2+和Cd2+的最高吸附量分別達到62.34 mg/g和46.55 mg/g。相比目前應用較多的活性炭、殼聚糖等吸附劑，藍藻多糖的吸附能力更強且受吸附條件的影響較小，顯示了藍藻多糖作為重金屬吸附劑的應用價值和潛力。本文研究的結果，為實現綜合處理太湖藍藻及其他湖泊藍藻并最終提高藍藻的經濟價值提供了有益的思路。