白腐真菌表面鐵氧化物的形成及其對染料亞甲基藍的吸附

劉 潔, 李寧杰, 楊 銳, 楊 昆, 唐新媛

(桂林理工大學 a.環境科學與工程學院; b.廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室, 廣西 桂林 541006)

0 引 言

水中重金屬鐵的污染主要來自冶煉、 工業電鍍和選礦等。水中Fe3+濃度過高容易引起水質變黃, 嚴重時(Fe3+濃度超過1.0 mg/L)導致水發紅、 發黑, 散發出鐵腥味[1]。通常這類高含鐵酸性廢水的pH在2.6～3.7[2], 普通微生物難以生存。目前報道的嗜酸性微生物主要有鐵氧化鉤端螺旋菌、 氧化亞鐵硫桿菌、 氧化硫硫桿菌等[3-4], 可將Fe2+加速氧化為Fe3+[5]。

白腐真菌是一類對重金屬具有強耐受性的微生物, 其對重金屬Pb2+的吸附量可達到10～120 mg/g, 甚至更高[6]。白腐真菌對生長環境pH的適應能力也較強, 既可在pH低至3.6的酸性環境中生長[7], 亦能在弱堿性環境中馴化生長[8]。這說明白腐真菌很可能在高含鐵環境下存活。微生物的代謝產物會對鐵氧化物的自然形成過程產生影響[9], 姚婷等[10]的研究表明， 在微生物多糖蛋白質調控作用下鐵氧化物的生成過程會受到影響, 然而， 目前缺少白腐真菌生長代謝干預下鐵氧化物形成特征的相關研究。

白腐真菌會在培養過程中形成菌球[11], 這一特征有利于白腐真菌在廢水處理中的實際應用。而鐵氧化物具有較大的比表面積, 同樣也可作為吸附劑應用于廢水處理, 劉詩婷等[12]用鐵氧化物與腐殖酸聯合吸附污染物并取得了很好的效果。白腐真菌菌球上負載的鐵氧化物對環境污染物的吸附過程影響值得進一步研究。因此, 本文探討白腐真菌在較高含鐵環境下能夠在菌體表面形成鐵氧化物, 并對該鐵氧化物進行表征, 同時探究不同條件對亞甲基藍吸附作用的影響, 并結合動力學方程對該吸附作用進行分析。

1 材料與方法

1.1 實驗菌種及培養

所用菌種為黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)BKMF-1767(CCTCC AF96007)，使用微量元素液體培養基培養, 具體配制如下(L-1): 2 g KH2PO4、 0.1 g CaCl2、 0.5 g MgSO4、 0.115 g FeSO4·7H2O、 0.112 g MnSO4·H2O、 0.089 g ZnSO4·7H2O、 0.05 g CuSO4·5H2O、 0.001 g維生素B1、 0.206 g酒石酸銨、 10 g葡萄糖, 調節pH 4.5。培養液經121 ℃高溫蒸汽滅菌30 min后, 每200 mL接種2 mL孢子懸液, 孢子懸液在650 nm波長下吸光度為1[13-14], 向接種完畢的液體培養基中分別加入不同濃度的Fe3+(0、 69、 138、 207、 276 mg/L)溶液, 置于恒溫振蕩培養箱中培養7 d(30 ℃、 180 r/min)， 通過離心分離獲得菌球后用100 mL超純水清洗兩遍, 再用濾紙過濾得到洗凈的菌球, 最后用離心機8 000～10 000 r/min離心脫水得到濕菌球。

1.2 實驗試劑及儀器

KH2PO4、 CaCl2、 MgSO4、 FeSO4·7H2O、 MnSO4·H2O、 ZnSO4·7H2O、 CuSO4·5H2O、 氫氧化鈉、 硫酸銨、 FeCl3·6H2O均為西隴科學股份有限公司生產, 葡萄糖為上海阿拉丁生物科技有限公司生產, 維生素B1為國藥集團化學藥劑有限公司生產, 所用藥品均為分析純。

實驗儀器: 紫外分光光度計、 電子天平、 酸度計、 離心機、 掃描電子顯微鏡、 470 FT-IR傅里葉變換紅外光譜儀等。

1.3 培養液中Fe3+濃度的測定

取1～7 d的培養液上清液, 酸化處理后經0.45 μm濾膜過濾后利用電感耦合等離子體發射光譜儀(美國)測定樣品中的Fe3+濃度A, 其計算公式為

Fe3+吸附量(mg)=(初始Fe3+濃度-A)×溶液體積。

1.4 菌球表面鐵氧化物的表征

采用JSM-6380LV掃描電鏡(SEM, 日本電子株式會社)和 IE350能譜掃描儀(EDS, 英國牛津儀器公司)對負載鐵氧化物前、 后的菌球表面形貌及元素組成進行分析, 并采用470 FT-IR紅外光譜儀(FTIR, 美國熱電尼高力公司)測定菌球表面官能團。

1.5 負載鐵氧化物的菌球對亞甲基藍的吸附

使用在初始Fe3+濃度分別為0、 69、 138、 207、 276 mg/L的實驗組中獲得的菌球研究其負載的鐵氧化物量、 初始亞甲基藍濃度(12.5、 16.67、 25、 35、 50、 75 mg/L)、 溫度(4、 20、 30、 40、 60 ℃)、 pH(2、 4、 6、 8、 10)等因素的影響。經預試驗確定最佳實驗條件, 除負載的鐵氧化物量的研究外, 其余3個影響因素均使用初始Fe3+濃度為207 mg/L培養獲得的濕菌球2 g, 吸附時間均設置為180 min, 溫度為20 ℃, 設置2組平行樣。

2 結果與討論

2.1 菌體培養過程中Fe3+吸附量變化

實驗過程中發現, 在高初始濃度Fe3+環境中, 白腐真菌均能正常生長, 并長成菌球。白腐真菌生長過程中菌體對Fe3+的吸附量的變化情況如圖1所示。不同初始Fe3+濃度實驗組中, 前3天菌體對Fe3+的吸附量呈增長趨勢, 第4天后基本達到平衡; 初始Fe3+濃度增高, 菌球吸附的Fe3+量越多。菌球生長過程中, 溶液中的pH一直維持在4.5左右, Fe3+濃度越高, 第7天溶液中的pH值降低至4.2。這說明在穩定的酸性條件下, 菌球表面鐵氧化物仍能穩定且較快形成。

圖1 白腐真菌菌球對Fe3+吸附量的變化

2.2 菌球表面鐵氧化物的表征

圖2 不同初始Fe3+濃度下白腐真菌菌球的FT-IR圖譜

2.3 SEM/EDS分析

未添加Fe3+組獲得的菌球與添加不同初始濃度Fe3+組得到的菌球的菌絲形態如圖3所示。可以看出， 未添加Fe3+的原始菌球表面光滑, 無明顯附著物, 而添加Fe3+菌球表面附著了較多球狀顆粒, 且高濃度的初始Fe3+濃度組中菌球表面球狀物負載更加密集, 覆蓋面更廣。這與EDS分析(表1)結果一致, 初始Fe3+濃度為276 mg/L組獲得的菌球表面鐵元素含量占比17.7%, 而添加168 mg/L Fe3+實驗組的菌球表面鐵元素含量占比4.92%。

表1 不同初始Fe3+濃度組中白腐真菌菌球的EDS分析

圖3 不同初始Fe3+濃度組中白腐真菌菌球的SEM圖像

2.4 負載鐵氧化物的菌球吸附亞甲基藍的影響因素

吸附量與吸附率的計算公式如下:

(1)

(2)

式中:q為吸附量(mg/g);C0為初始亞甲基藍的濃度(mg/L);Ce為反應平衡時亞甲基藍的濃度(mg/L);V為反應體系的體積(mL);m為白腐真菌菌球的干重(g);R為吸附率(%)。

4種因素影響負載鐵氧化物的菌球吸附亞甲基藍的結果如圖4所示。初始鐵氧化物濃度的影響結果如圖4a所示: 空白菌球對亞甲基藍的吸附率為24%, 而表面負載鐵氧化物的菌球對亞甲基藍的吸附率明顯增加, 并且隨著菌球表面負載鐵氧化物的量增多, 亞甲基藍的吸附率明顯增大, 最高可達50%。由于鐵氧化物具有較大的比表面積和較高的表面電荷, 有助于吸附的進行[18], 這說明菌球表面鐵氧化物有助于提高對亞甲基藍的吸附作用。

隨著初始亞甲基藍濃度的升高, 菌球表面鐵氧化物吸附亞甲基藍的效率明顯下降(圖4b), 這可能是由于菌體表面鐵氧化物的量有限, 吸附位點逐漸達到飽和， 但吸附量隨亞甲基藍的濃度升高而不斷增加。

反應體系的酸堿度影響(圖4c)表明, 當溶液pH為2時, 亞甲基藍去除效果最差, 一方面可能是因為溶液中存在大量的H+, 與亞甲基藍發生競爭吸附[19]； 另一方面, 此時會有Fe3+析出, 菌球表面的鐵氧化物含量減少。當pH升高到4～8時, 亞甲基藍吸附率升高, 且維持較穩定的水平。當pH為10時, 吸附率最大， 為50.29%。可見, 在堿性條件下更有利于負載鐵氧化物的菌球對亞甲基藍的吸附, 劉文莉等[20]的研究表明, pH與鐵氧化物吸附能力成正相關。但隨初始pH值的增加, 材料對亞甲基藍的脫色效果影響不是非常的顯著, 即克服了一般的吸附劑使用pH值范圍窄的缺點, 在pH值4～10的范圍內均對亞甲基藍具有很好的脫色效果[21]。而鄒玉春等[22]的研究表明, 在pH較低的情況下, 白腐真菌和染料形成的體系較為穩定, 與本實驗研究的結果不一致。而印染廢水多具有強堿性等特點[23], 說明實驗組中使用的負載鐵氧化物的菌球可能更適用于印染廢水的處理。

溫度影響的試驗結果(圖4d)表明, 隨著溫度的升高， 吸附率先升高后下降, 在溫度為20 ℃時, 吸附率達到最高值39.92%。可見高溫不利于對亞甲基藍的吸附, 由此可以推測負載鐵氧化物的菌球吸附亞甲基藍可能是一個放熱過程, 而在4～40 ℃時, 吸附效果仍能有保障, 說明負載了鐵氧化物的菌球對亞甲基藍的吸附能在自然水溫下進行。

圖4 初始鐵氧化物濃度(a)、 亞甲基藍初始濃度(b)、 溶液pH(c)和反應溫度(d)對負載鐵氧化物的白腐真菌菌球吸附亞甲基藍作用的影響

2.5 吸附動力學研究

采用吸附動力學方程對負載鐵氧化物的菌球吸附亞甲基藍的作用進行了描述。將測得的數據代入準一級動力學和準二級動力學方程中, 得到擬合方程[24]。

ln(qe-qt)=lnqe-k1t;

(3)

(4)

式中:qe為吸附平衡時的吸附量(mg/g);qt為t時刻的吸附量(mg/g);k1為準一級動力學吸附速率常數(min-1);k2為準二級動力學吸附速率常數(g/(min·mg))。

由圖5可以看出, 對亞甲基藍初始濃度相同的吸附動力學模型進行擬合, 表面負載鐵氧化物的白腐真菌菌球吸附亞甲基藍過程更適合用準二級動力學模型來描述, 吸附質與吸附劑之間電子交換化學反應過程為主要的控速過程[25], 可以推測菌球對亞甲基藍的吸附過程以化學作用為主導[26]。

圖5 準一級(a)和準二級(b)動力學方程擬合模型

3 結 論

(1)在高濃度Fe3+環境中白腐真菌能正常生長, 并在菌體表面形成大量含α-FeOOH、β-FeOOH 等的鐵氧化物;

(2)菌球上負載的鐵氧化物能提高菌球整體對染料亞甲基藍的吸附效果, 其吸附過程受鐵氧化物負載量的影響, 負載量越高, 對亞甲基藍的吸附效果越好;

(3)負載鐵氧化物的菌球在pH 4～10范圍內、 自然水溫條件下對亞甲基藍有較好的吸附;

(4)負載鐵氧化物的菌球對亞甲基藍的吸附過程更適合用準二級動力學模型來描述。