泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑對(duì)水體中錳離子吸附特性的研究

姜莉莉，朱寶偉，趙金香，劉鳳翊，楊 薇，李昌麗，付曉偉，張京京，劉 莉，王嘉熙，安書(shū)慧，孫新宇，李思佳，羅仕平，程澤韡，鄂嬌嬌

(1.營(yíng)口理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程系,遼寧 營(yíng)口 115000;2.營(yíng)口市鲅魚(yú)圈區(qū)財(cái)政局，遼寧 營(yíng)口 115000)

1 引言

錳是地殼的主要構(gòu)成成分，水環(huán)境中的錳主要是由于自然過(guò)程存在于水的供應(yīng)中[1]。人類(lèi)伐木、挖礦等活動(dòng)以及試劑、農(nóng)藥、化肥等大量使用均加劇了錳離子對(duì)水體的污染，對(duì)人類(lèi)健康造成極大的威脅，也對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。因此，降低水體中錳離子含量是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外降低水體中錳離子技術(shù)主要包括物理法、化學(xué)法和生物法?；瘜W(xué)法需要添加化學(xué)試劑不僅增加了生產(chǎn)成本，而且對(duì)水產(chǎn)品的生長(zhǎng)具有一定的影響[4]。物理法主要利用多孔性固體吸附劑，其原理簡(jiǎn)單，操作方便，但是由于其再生程序復(fù)雜，費(fèi)用高，廣泛應(yīng)用受到限制[5]。生物法對(duì)環(huán)境友好，通過(guò)在水體中培養(yǎng)有益微生物有助于降低有害離子的含量、凈化水質(zhì)，但該處理過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)[6]。因此，開(kāi)發(fā)一種具有成本低、效益高、不給環(huán)境造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)的錳離子處理方法具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

泥炭是在過(guò)度潮濕和通氣不良的沼澤地里堆積下來(lái)的植物殘?bào)w，通過(guò)不同程度的分解和腐爛所形成的褐色、棕色或黑色的沉積物[7]。泥炭一般具有質(zhì)地松軟、相對(duì)密度小、吸水性強(qiáng)、富含有機(jī)質(zhì)和腐植酸等特點(diǎn)，其對(duì)水中的溶解物質(zhì)，如金屬離子、極性有機(jī)分子，都具有良好的吸附性能[8]。擬青霉菌屬于內(nèi)寄生性真菌，是一些植物寄生線蟲(chóng)的重要天敵，具有繁殖快速、生命力強(qiáng)、安全無(wú)毒等特點(diǎn)，在冬蟲(chóng)夏草中也有報(bào)道，可以產(chǎn)生腺苷[9]；并且該菌對(duì)水體中重金屬鎘離子具有一定吸附作用[10]。本論文將從富里酸溶液中篩選的擬青霉菌(PaecilomycesHGX-1)接種到提取富里酸后的廢棄泥炭中進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵制備泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑，通過(guò)復(fù)合制劑的用量、吸附時(shí)間、溶液pH值、錳離子初始濃度等因素來(lái)探究該復(fù)合制劑對(duì)水體中錳離子的吸附性能，以期為水體中錳離子的去除提供參考。

2 材料與方法

2.1 試劑

鹽酸、氫氧化鈉、硝酸錳、硝酸均為分析純。廢棄泥炭：營(yíng)口理工學(xué)院化學(xué)與材料工程系應(yīng)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)室自制。

2.2 儀器

JY系列電子天平、CTH1650 臺(tái)式高速離心機(jī)：上海方瑞儀器有限公司、SPX-250B-D 型振蕩培養(yǎng)箱：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司、4530F型火焰原子吸收分光光度計(jì)：上海儀電分析儀器有限公司、XCA-8000I型電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海比朗儀器有限公司。

2.3 培養(yǎng)基與菌種

PAD培養(yǎng)基：土豆200g、紅糖20g、瓊脂15～20g、水1000mL。瓊脂：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司、紅糖：廣西上上糖業(yè)有限公司。

擬青霉菌(PaecilomycesHGX-1)：營(yíng)口理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系生物工程實(shí)驗(yàn)室分離篩選。

2.4 泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的制備

2.4.1 菌種活化

將4℃冰箱保存的菌種接種于滅菌的固體土豆培養(yǎng)基上，并將培養(yǎng)皿置于恒溫培養(yǎng)箱中，30℃培養(yǎng)48h進(jìn)行菌種的活化。

2.4.2 搖瓶培養(yǎng)

將裝有100mL土豆液體培養(yǎng)基的250mL三角瓶用紗布和牛皮紙封口，115℃下滅菌30min，冷卻后接入活化菌種，30℃、200r/min培養(yǎng)48h。

2.4.3 泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的制備

稱(chēng)量30mg廢棄泥炭放置于培養(yǎng)皿中，取搖瓶培養(yǎng)的擬青霉菌9mL接種在該泥炭中，并置于恒溫培養(yǎng)箱中，30℃培養(yǎng)5d，每天攪拌均勻。

2.5 泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑對(duì)錳離子的吸附實(shí)驗(yàn)

2.5.1 錳離子標(biāo)準(zhǔn)曲線

分別準(zhǔn)確量取1000mg/L的錳離子標(biāo)準(zhǔn)溶液100uL、200uL、300uL、400uL、500uL于50mL容量瓶中，加入1mL濃硝酸進(jìn)行酸化，然后，加入超純水至刻度線，搖勻，可得到2.00～10.00mg/L系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。利用火焰原子吸收分光光度計(jì)繪制錳離子的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.5.2 泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑投放量對(duì)錳離子的吸附實(shí)驗(yàn)

分別量取25mg/L的標(biāo)準(zhǔn)Mn(Ⅱ)溶液50mL于6個(gè)250mL錐形瓶中，泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的投放量分別為3g/L、5g/L、7g/L、9g/L、12g/L、15g/L，封口防揮發(fā)，于30℃、200rpm振蕩30min后，利用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定吸附后溶液中錳離子濃度，結(jié)果為3次測(cè)量結(jié)果的平均值，確定泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的最佳投放量。

2.5.3 泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的吸附時(shí)間對(duì)錳離子的吸附實(shí)驗(yàn)

分別量取25mg/L的標(biāo)準(zhǔn)Mn(Ⅱ)溶液50mL于6個(gè)250mL錐形瓶中，加入最佳投放量的復(fù)合制劑，封口防揮發(fā)，于30℃、200rpm條件下分別振蕩15，20，25，30，35，40min后，利用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定吸附后溶液中錳離子濃度，結(jié)果為3次測(cè)量結(jié)果的平均值，確定泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的最佳吸附時(shí)間。

2.5.4 溶液pH值對(duì)泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑吸附作用的影響實(shí)驗(yàn)

分別量取25mg/L的標(biāo)準(zhǔn)Mn(Ⅱ)溶液50mL于6個(gè)250mL錐形瓶中，用NaOH溶液和HCl溶液調(diào)節(jié)溶液pH值為3、4、5、6、8、9，加入最佳投放量的復(fù)合制劑，封口防揮發(fā)。于30℃、200rpm振蕩最佳時(shí)間后，利用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定吸附后溶液中錳離子濃度，結(jié)果為3次測(cè)量結(jié)果的平均值，確定泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的最佳吸附pH值。

2.5.5 錳離子初始濃度對(duì)泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑吸附作用的影響實(shí)驗(yàn)

分別取10，20，30，40，50，60mg/L的標(biāo)準(zhǔn)Mn(Ⅱ)溶液50mL于6個(gè)250mL錐形瓶中，加入最佳投放量的復(fù)合制劑，調(diào)節(jié)溶液pH值為最佳，封口防揮發(fā)，于30℃、200r/min振蕩最佳時(shí)間后，利用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定吸附后溶液中錳離子濃度，結(jié)果為3次測(cè)量結(jié)果的平均值，確定泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的最佳吸附錳離子初始濃度。

2.6 去除率E的計(jì)算方法

E=(C0-Ct)/C0

式中，C0為初始錳離子溶液質(zhì)量濃度，mg/L； Ct為t時(shí)刻錳離子溶液質(zhì)量濃度，mg/L。

3 結(jié)果與討論

3.1 泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的投放量對(duì)錳離子吸附作用的影響

泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的投放量對(duì)錳離子吸附作用的影響如圖1所示，在30℃、200r/min振蕩30min的條件下，錳離子的剩余濃度隨著復(fù)合制劑投放量的增加而減少，當(dāng)投放量增加到9g/L時(shí)，錳離子的剩余濃度基本不再減小。當(dāng)復(fù)合制劑的投放量從3g/L增加到9g/L時(shí)，Mn(Ⅱ)去除率從32.14%增加到78.99%，再繼續(xù)增加復(fù)合制劑投放量時(shí)，Mn(Ⅱ)去除率變化不明顯。

在溶液中錳離子的量一定的條件下，復(fù)合制劑投放量的增大，必然提供更多錳離子與復(fù)合制劑結(jié)合的機(jī)會(huì)，促進(jìn)溶液中錳離子的吸附，去除率上升；當(dāng)復(fù)合制劑投放量增加到一定程度時(shí)，溶液中錳離子幾乎已經(jīng)被吸附完畢，此時(shí)再增加投放量，效果不明顯。為了避免因泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑投放量不足造成吸附效果不理想，以及投放過(guò)量造成材料浪費(fèi)，因此，確定最佳投放量為9g/L。

圖1 投放量對(duì)錳離子吸附作用的影響

3.2 泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的吸附時(shí)間對(duì)錳離子吸附作用的影響

泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑的吸附時(shí)間對(duì)錳離子吸附作用的影響如圖2所示，在30℃、200r/min、復(fù)合制劑投放量為9g/L條件下，溶液中錳離子的剩余濃度隨著吸附時(shí)間的增大而減少，當(dāng)吸附時(shí)間增加到35min時(shí)，錳離子剩余濃度基本不再減少。當(dāng)吸附時(shí)間從15min增加到35min時(shí)，Mn(Ⅱ)去除率從32.72%增加到78.49%，再繼續(xù)延長(zhǎng)吸附時(shí)間Mn(Ⅱ)去除率變化不明顯。分析原因可能是由于經(jīng)過(guò)一段時(shí)間吸附后復(fù)合制劑表面的活性吸附部位與溶液中錳離子結(jié)合并達(dá)到飽和。因此，最佳吸附時(shí)間為35min。

圖2 吸附時(shí)間對(duì)錳離子吸附作用的影響

3.3 溶液pH值對(duì)泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑吸附作用的影響

溶液pH值對(duì)泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑吸附作用的影響如圖3所示，在30℃、200r/min、復(fù)合制劑投放量9g/L、吸附35min條件下，當(dāng)溶液pH從3增加到6時(shí)溶液中錳離子的剩余濃度逐漸減少，Mn(Ⅱ)去除率從44.29%增加到80.26%，再繼續(xù)提高溶液pH值錳離子的剩余濃度又逐漸增加。分析原因可能是由于pH值較低時(shí)溶液中的H+與錳離子存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，阻礙復(fù)合制劑與錳離子結(jié)合[11]。當(dāng)pH值較高時(shí)，錳離子與溶液中的OH-形成氫氧化物沉淀從而影響吸附效果[12]。因此，最佳溶液pH值為6。

圖3 pH值對(duì)錳離子吸附作用的影響

3.4 錳離子初始濃度對(duì)泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑吸附作用的影響

錳離子初始濃度對(duì)泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑吸附作用的影響如表1所示，在30℃、200r/min、復(fù)合制劑投放量9g/L、吸附35min、溶液pH=6的條件下，當(dāng)溶液初始濃度逐漸增加時(shí)錳離子去除率逐漸下降，當(dāng)初始濃度為10mg/L時(shí)去除率最高為88.44%。在低質(zhì)量濃度條件下，溶液中錳離子量較少，有足夠多的吸附位點(diǎn)來(lái)結(jié)合錳離子，所以溶液中游離的錳離子可以較多的被復(fù)合制劑吸附；隨著溶液中錳離子的質(zhì)量濃度加大，吸附位點(diǎn)達(dá)到飽和，不能吸附更多的錳離子，造成去除率下降。因此，較為適宜的錳離子初始質(zhì)量濃度為10mg/L。

表1 溶液初始濃度對(duì)錳離子吸附作用的影響

4 結(jié)論

本文以提取富里酸后的廢棄泥炭為材料，通過(guò)接種擬青霉菌制備成泥炭擬青霉菌復(fù)合制劑，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶、降低微生物培養(yǎng)成本的目的，該復(fù)合制劑對(duì)錳離子具有優(yōu)良的吸附效果，在30℃、溶液pH值為6、錳離子初始濃度為10μg/L，投加量為9g/L時(shí)，復(fù)合制劑對(duì)錳離子的吸附作用最佳，去除率可達(dá)到88.44%。