苯胺黑藥高效降解菌(Bacillus vallismortis)胞外聚合物對Cu2+、Zn2+的去除研究.pdf

1、胞外聚合物是微生物產(chǎn)生的一種粘性物質(zhì)，其成分主要包括蛋白質(zhì)、多糖、核酸和脂類等，含有豐富的官能團(tuán)如羧基、氨基、羥基和羰基等，可以和水中的金屬元素（如銅、鉛、鋅等）進(jìn)行配位、鰲合，能夠捕捉和吸附水中的重金屬，本研究所用胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，簡稱EPS）從苯胺黑藥降解菌(Bacillusvallismortis)提取，為本實(shí)驗(yàn)室前期研究篩選的一種好氧異養(yǎng)菌，該菌保存在實(shí)驗(yàn)室中，經(jīng)活

2、化后使用。
　　采用掃描電鏡觀察Bacillus vallismortis形態(tài)，為保證不受其他化學(xué)物質(zhì)的影響，選擇三種物理法提取Bacillus vallismortis胞外聚合物，然后對吸附重金屬進(jìn)行單因素分析，分別改變pH、溫度、初始金屬離子濃度和吸附時(shí)間，用Langmuir吸附等溫模型和Freundlich吸附等溫模型進(jìn)行吸附效果擬合，結(jié)合擬一級動(dòng)力學(xué)方程和擬二級動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，用熱力學(xué)方程計(jì)算吸附過程的吉布斯自由

3、能、焓變和熵變，對吸附前后的胞外聚合物進(jìn)行紅外光譜分析，研究了共存離子對胞外聚合物吸附金屬離子的影響，其主要結(jié)果如下:
　　(1)經(jīng)過72 h活化后初始濃度為100 mg/L的苯胺黑藥濃度降至20.4 mg/L，降解率達(dá)到79.6％，Bacillus vallismortis對苯胺黑藥有優(yōu)異的降解性能，掃描電鏡結(jié)果顯示，Bacillus vallismortis呈短棒狀形態(tài)結(jié)構(gòu)，平均粒徑約649.7 nm，長度約1.67μm，以蛋

4、白質(zhì)和多糖濃度之和來表征胞外聚合物含量，準(zhǔn)確測定提取出的胞外聚合物蛋白質(zhì)和多糖濃度得知，熱提法比離心法和超聲波法效率要高，提取的EPS濃度為71.659 mg·L-1,而離心法和超聲波法提取的EPS濃度分布只有5.675 mg·L-1和41.303 mg·L-1。
　　(2)分別選取了pH、溫度、金屬離子初始濃度和吸附時(shí)間對Cu2+、Zn2+吸附效果的影響，pH變化范圍設(shè)定為3～9,在pH小于7時(shí)，隨之pH升高，去除率逐漸升高，由

5、最初的35％、20.3％升高至95％、52.5％，吸附量也由0.236 mg·mg-1、0.139 mg·mg-1升高至0.633 mg·mg-1、0.35 mg·mg-1,因?yàn)镋PS表面去質(zhì)子化且呈負(fù)電性，提供了更多的結(jié)合位點(diǎn)，當(dāng)pH繼續(xù)升高時(shí)，由于溶液偏堿性，Cu2+、Zn2+會與OH-結(jié)合生成沉淀，影響對胞外聚合物吸附性能的分析，溫度對胞外聚合物吸附Cu2+、Zn2+影響不大，當(dāng)溫度從20℃升高至60℃時(shí)，去除率和吸附量只有小范圍

6、的變化，Cu2+的去除率保持在89％左右，Zn2+的去除率保持在45％作用，說明溫度對苯胺黑藥降解菌胞外聚合物吸附重金屬影響不大。
　　(3)當(dāng)胞外聚合物吸附金屬離子至8 min左右去除率即達(dá)到最高，Cu2+的去除率為90.7％、Zn2+的去除率為52.3％，然后去除率和吸附量開始波動(dòng)變化，30 min左右即可達(dá)到吸附平衡狀態(tài)，吸附過程大概可以歸納為三個(gè)階段，快速吸附-慢速吸附-吸附平衡，采用擬一級動(dòng)力學(xué)方程和擬二級動(dòng)力學(xué)方程對吸

7、附過程擬合，比較Cu2+、Zn2+的相關(guān)系數(shù)R2,結(jié)果表明擬二級動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型能較好地?cái)M合動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。
　　(4)金屬離子初始濃度設(shè)定為5、10、15、20、25、30、40 mg·L-1,濃度越高，與吸附劑的接觸幾率也隨之增大，吸附材料所吸附的Cu2+、Zn2+的量也增多，吸附量隨之升高，Cu2+的吸附量由最初的0.3263 mg·mg-1增至1.907 mg·mg-1,Zn2+的吸附量從最初的0.281 mg·mg-1增至0.

8、504 mg·mg-1,根據(jù)吸附量與金屬離子濃度的關(guān)系可以繪制出吸附等溫線，采用常用的Langmuir等溫線和Freundlich等溫線進(jìn)行擬合，結(jié)果表明Cu2+的過程中Freundlich方程擬合效果較好，吸附Zn2+的過程中Langrnuir方程擬合效果較好，通過Langmuir方程計(jì)算得到Cu2+、Zn2+最大單分子層吸附量分別為2.155mg·mg-1、0.508mg·mg-1,選擇20、30、40℃測得的吸附量計(jì)算吸附熱力學(xué)相

9、關(guān)參數(shù)，Gibbs自由能變(△G)、焓變(△H)及熵變（△S），結(jié)果表明苯胺黑藥高效降解菌EPS吸附Cu2+、Zn2+的反應(yīng)是一個(gè)自發(fā)過程，且屬于吸熱反應(yīng)。
　　(5)對吸附金屬離子前后胞外聚合物進(jìn)行紅外光譜分析，吸附金屬離子后，一些官能團(tuán)的峰發(fā)生了漂移或者消失，EPS對Cu2+、Zn2+的吸附機(jī)理類似，主要起作用的官能團(tuán)是羥基、氨基、酰胺基團(tuán)、羧基和C-O-C基團(tuán)，共存離子實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明共存離子的存在會一定程度上影響EPS對目標(biāo)金