修飾啤酒酵母菌吸附鈾的研究

修飾啤酒酵母菌吸附鈾的研究

生物吸附技術(shù)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，能源問(wèn)題越來(lái)越明顯，新能源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越緊迫。因此，我國(guó)大力發(fā)展了能源工業(yè)。鈾(uranium)是主要的核燃料,鈾礦開(kāi)采以及核能的利用過(guò)程是U在環(huán)境中富集并產(chǎn)生污染的重要途徑,且U主要通過(guò)生物圈進(jìn)入食物鏈,再進(jìn)入人體的肝臟、腎臟和骨骼,以化學(xué)毒性和內(nèi)照射兩種形式對(duì)人體造成損傷。研究表明,U污染已對(duì)人類(lèi)生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。因此,如何有效處理鈾,極力降低鈾的危害已成為研究熱點(diǎn)。由于鈾的傳統(tǒng)處理方法存在很多缺陷,生物吸附以其吸附來(lái)源豐富、操作簡(jiǎn)單、去除率高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。其中,啤酒廠廢菌體啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae,SC)是一種具有實(shí)用潛力的生物吸附劑,它可吸附多種重金屬離子和放射性核素U,且吸附效果不受其他離子及鹽度的影響。同時(shí),由于未處理的啤酒酵母細(xì)胞壁表面結(jié)構(gòu)疏松,機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)性能差等因素限制了其使用范圍。為了改善啤酒酵母細(xì)胞壁上的官能團(tuán)(如—COOH、—NH2、—SH、—OH)與鈾的結(jié)合力,一些學(xué)者對(duì)啤酒酵母進(jìn)行化學(xué)修飾以引入特殊官能團(tuán),從而促進(jìn)其吸附重金屬離子(如Hg2+、Cu2+等)的效能。鑒于鈾元素的復(fù)雜性、特殊性以及鈾吸附的影響因素多,修飾啤酒酵母在鈾吸附研究還不多,也不深入。本文通過(guò)甲醛交聯(lián)啤酒酵母,用胱氨酸接枝,再采用海藻酸鈉和明膠包埋固定化處理,制備了一種新型的生物吸附劑——修飾啤酒酵母菌(modificationSaccharomycescerevisiae,MSC)。同時(shí),本文研究了鈾在修飾啤酒酵母菌上的生物吸附動(dòng)力學(xué)特性,重點(diǎn)考察溶液的pH值、吸附時(shí)間等主要因素對(duì)修飾啤酒酵母菌吸附鈾的影響,建立了相應(yīng)的吸附動(dòng)力學(xué)模型。這對(duì)鈾礦冶廢水中低濃度鈾的處理、回收和控制具有重要意義。1實(shí)驗(yàn)部分1.1廢棄培養(yǎng)的方法本文所用的實(shí)驗(yàn)材料啤酒酵母是由湖南衡陽(yáng)燕京啤酒廠提供的廢棄菌絲體,實(shí)驗(yàn)用吸附水樣鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液采用文獻(xiàn)方法配制(根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要稀釋成對(duì)應(yīng)濃度),其他試劑均為分析純。1.2儀器、設(shè)備和儀器本文所用主要實(shí)驗(yàn)儀器有AL104電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)、CL-32L高壓蒸汽滅菌器(日本ALP公司)、PHS-3C型精密pH計(jì)(上海雷磁儀器廠)、SHA-B恒溫水浴搖床(常州國(guó)華電器有限公司)、9800型離心機(jī)(上海手術(shù)機(jī)械廠)、DF205電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京醫(yī)療設(shè)備二廠)、SHB-Ⅲ循環(huán)水式真空泵(西安太康生物科技有限公司)、78-1型磁力加熱攪拌器(上海南匯電訊器材廠)、IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀(日本島津公司)。1.3msc的制備將從啤酒廠采樣回來(lái)的啤酒酵母廢棄菌絲體進(jìn)行高壓蒸汽滅菌15min,經(jīng)離心15min(8000r·min-1)收集菌體,并用蒸餾水洗滌,而后再離心,再洗滌,置冰箱(4℃)中冷凍得到啤酒酵母菌體。稱(chēng)取1.2g啤酒酵母菌體加入到10ml185g·L-1的甲醛溶液和24ml0.12mol·L-1鹽酸溶液中,溫和混合0.5h,室溫下放置1h,然后用濾紙過(guò)濾菌體,用50ml蒸餾水洗滌后,得到甲醛交聯(lián)啤酒酵母菌濕潤(rùn)體。取0.5g甲醛交聯(lián)啤酒酵母菌濕潤(rùn)體于100ml的錐形瓶中,再將0.2g胱氨酸溶于1mol·L-1的NaOH溶液后加入錐形瓶中,加入80ml蒸餾水,溫和混合0.5h,再將錐形瓶于恒溫水浴搖床內(nèi)(20℃)振蕩反應(yīng)12h,得到胱氨酸接枝啤酒酵母菌。稱(chēng)取2g海藻酸鈉和1g明膠于燒杯中,加入100ml蒸餾水加熱、攪拌使其溶解,得到淺黃色黏稠的溶膠。將此液倒入胱氨酸接枝啤酒酵母菌中,攪拌,使胱氨酸接枝啤酒酵母菌均勻懸浮于溶膠中,然后將懸浮液逐滴加入到0.1mol·L-1CaCl2溶液中,得直徑為3～4mm的小球,收集后,用蒸餾水洗滌,瀝干,得到MSC。為了比較SC與MSC對(duì)鈾的吸附效果,本文將吸附前后的SC與MSC在60℃烘干,并且與KBr以1∶100的比例制成壓片,分別用紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定,觀察其紅外光譜圖。1.4鈾的吸附及去除率測(cè)定配制一定濃度的鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液50ml置于150ml的錐形瓶中,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,加入一定量的吸附劑(SC、MSC),調(diào)節(jié)pH值,置于恒溫水浴搖床內(nèi)(30℃)進(jìn)行恒溫振蕩吸附,反應(yīng)后在8000r·min-1離心分離5～10min,取上清液,用三氯化鈦還原/釩酸銨氧化滴定法測(cè)定鈾的剩余濃度,并根據(jù)吸附前后溶液中鈾的濃度計(jì)算吸附劑的單位吸附量q(mg·g-1)和鈾的去除率p。吸附劑對(duì)鈾的單位吸附量q按照式(1)計(jì)算q=C0?CeWV(1)q=C0-CeWV(1)式中q為吸附量,mg;C0為吸附前鈾的質(zhì)量濃度,mg·L-1;Ce為吸附平衡時(shí)鈾的質(zhì)量濃度,mg·L-1;V為吸附液的體積,ml。2結(jié)果與討論2.1msc與鈾的生物吸附圖1為SC和MSC吸附鈾前后的紅外光譜圖,從圖中可以看出,兩種吸附劑在對(duì)鈾進(jìn)行吸附后,在817cm-1和810cm-1處出現(xiàn)了鈾酰離子的伸縮振動(dòng)峰,表明SC和MSC對(duì)鈾發(fā)生了吸附作用。由于SC和MSC結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在整個(gè)波數(shù)范圍內(nèi)均有明顯的吸收,這樣就使得某些峰未能表現(xiàn)出來(lái),一些不太靈敏的吸收峰被掩蓋。按照文獻(xiàn)對(duì)吸收光譜進(jìn)行歸屬,對(duì)于MSC,在3397cm-1處附近有一個(gè)較寬的峰,可歸結(jié)為胱氨酸修飾時(shí)仲酰胺上的—NH2伸縮振動(dòng)時(shí)引起的?！狾H出現(xiàn)的范圍是在3200～3500cm-1之間,因此在3397cm-1處觀察到的峰可能是—NH2和—OH的峰,2934cm-1處的峰為—CH3、—CH2的—CH不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰。另外,MSC吸附鈾前后的紅外光譜中蛋白質(zhì)的特征吸收峰1438cm-1和1355cm-1處羧根離子的吸收峰都發(fā)生了偏移,且細(xì)胞壁中碳水化合物的C—O伸縮振動(dòng)峰由1077cm-1移至1209cm-1,表明這些基團(tuán)在吸附鈾過(guò)程中參與了吸附作用。比較SC吸附鈾前后的紅外光譜中蛋白質(zhì)的特征吸收峰,發(fā)現(xiàn)1348cm-1和1652cm-1峰在吸附前后基本無(wú)明顯變化,而1213cm-1峰消失了,在1301cm-1出現(xiàn)了新的峰,表明蛋白質(zhì)參與了鈾的生物吸附。從SC和MSC蛋白質(zhì)的特征吸收峰來(lái)看,在吸附鈾前后都未發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)變化,說(shuō)明SC和MSC的主要成分和結(jié)構(gòu)仍然保持完整。2.2sc和msc對(duì)鈾離子的吸附機(jī)理研究表明,溶液的pH值是影響生物吸附的一個(gè)重要的因素,它不僅影響金屬的形態(tài)和金屬離子的結(jié)合位點(diǎn),而且還影響生物吸附劑表面功能團(tuán)的結(jié)構(gòu)與性能。本實(shí)驗(yàn)在鈾濃度為200mg·L-1,吸附劑用量為1g,吸附時(shí)間為1.5h,pH值在3.0～8.0范圍內(nèi)的條件下,考察pH值對(duì)鈾的吸附容量影響曲線,結(jié)果見(jiàn)圖2。由于生物體是通過(guò)細(xì)胞壁將重金屬吸附于其細(xì)胞表面。啤酒酵母菌細(xì)胞壁主要由各種多糖構(gòu)成,呈多層微纖維結(jié)構(gòu),這些多糖中的N、O、S等原子都可以提供孤對(duì)電子以—COOH、—NH2、—SH、—OH等官能團(tuán)與金屬離子配位,而這些官能團(tuán)吸附重金屬的過(guò)程受溶液pH值的影響。當(dāng)pH值較低時(shí),吸附劑表面吸附位點(diǎn)被水合氫離子(H3O+)占據(jù),阻礙了金屬離子與表面官能團(tuán)的相互作用。當(dāng)pH值較高時(shí),溶解的CO2-3和HCO-3有所增加,與鈾形成了較為穩(wěn)定的配合物,因而減少了鈾離子的吸附。這是由于鈾在不同的酸度環(huán)境下,存在的狀態(tài)不同,吸附效果也不同。當(dāng)鈾以UO2+2、UO2(OH)+、(UO2)2(OH)2+2等形式存在時(shí),吸附效果最好,此時(shí),pH值一般在6.0左右。由圖2可以看出,SC和MSC吸附鈾的最佳酸度為pH=6.0。對(duì)于一般低濃度含鈾水體,其pH值在5～6之間,因此采用SC和MSC吸附鈾時(shí)不需調(diào)節(jié)酸度。2.3啤酒酵母的細(xì)胞與鈾的復(fù)合作用圖3為吸附時(shí)間對(duì)鈾的吸附效果的影響。由圖3中可以看出SC和MSC對(duì)鈾的吸附是較為快速的吸附過(guò)程,在1h內(nèi)基本完成了80%的吸附量,在1.5h左右均可達(dá)到吸附平衡。這主要是由于SC和MSC細(xì)胞的表面吸附作用,這種作用的特點(diǎn)是快速、可逆,不依賴(lài)于能量代謝。啤酒酵母的細(xì)胞壁85%都是葡聚糖和甘露聚糖,側(cè)鏈上連有蛋白質(zhì)和磷酸酯,它們中的氨基和磷酸基能吸附鈾;而且,與磷酸酯結(jié)合形成的磷甘露聚糖的磷酸二酯鍵可能帶有負(fù)電荷,造成啤酒酵母細(xì)胞壁帶負(fù)電荷,也能吸附鈾。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出,MSC比SC具有更大的吸附量,主要是在MSC中引入了胱氨酸,使得MSC表面結(jié)合鈾的位點(diǎn)增多,同時(shí)甲醛的交聯(lián),海藻酸鈉和明膠對(duì)其的固定化,都使MSC機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性能大大增大,使得水溶液中鈾能夠更好地接近MSC表面結(jié)合鈾的吸附位點(diǎn),從而增大了對(duì)鈾的吸附量。2.4級(jí)吸附速率和k1吸附動(dòng)力學(xué)是用來(lái)描述吸附劑對(duì)金屬離子的吸附速率,該速率決定了吸附的平衡時(shí)間。為進(jìn)一步研究SC和MSC吸附鈾的動(dòng)力學(xué)特性,本文采用準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)吸附過(guò)程進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果見(jiàn)表1和圖4。準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的表達(dá)式和線性形式為dqtdt=K1(qe?qt)(2)dqtdt=Κ1(qe-qt)(2)lg(qe?qt)=lgqe?K12.303t(3)lg(qe-qt)=lgqe-Κ12.303t(3)式中K1為準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù),min-1;qe、qt分別為平衡吸附量和t時(shí)刻的吸附量,mg·g-1。準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的表達(dá)式和線性形式為dqtdt=K2(qe?qt)2(4)dqtdt=Κ2(qe-qt)2(4)tqt=1(K2qt)2+tqe(5)tqt=1(Κ2qt)2+tqe(5)式中K2為準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù),g·mg-1·min-1。由表1和圖4可知,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)SC和MSC吸附鈾過(guò)程的擬合好于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,而準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型假定速率控制步驟是化學(xué)吸附,且主要因SC和MSC吸附劑表面官能團(tuán)的化學(xué)作用所致。因此準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型在擬合SC和MSC吸附鈾的過(guò)程更有優(yōu)越性,說(shuō)明SC和MSC對(duì)鈾的吸附是一個(gè)有化學(xué)作用的過(guò)程。同時(shí),比較SC和MSC的K值大小,無(wú)論是準(zhǔn)一級(jí)還是準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,SC的K值都比MSC大,這表明SC吸附鈾達(dá)到平衡所需要的時(shí)間比MSC所需要的時(shí)間短,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3)是一致的。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是在MSC中引入了胱氨酸,海藻酸鈉和明膠載體阻礙了MSC與鈾的直接作用,減慢了傳輸速率,從而增加了達(dá)到平衡所需的時(shí)間。2.5u3000鈾的等溫線模型吸附等溫線用來(lái)描述吸附劑對(duì)金屬離子的吸附機(jī)理。本文采用常用的Langmuir和Freundlich吸附等溫線來(lái)擬合SC和MSC對(duì)鈾的等溫吸附過(guò)程。擬合結(jié)果見(jiàn)表2和圖5。Langmuir等溫線模型Ceqe=1KLq∞+Ceq∞(6)Ceqe=1ΚLq∞+Ceq∞(6)Freundlich等溫線模型lgqe=lgKf+1nlgCe(7)lgqe=lgΚf+1nlgCe(7)式中Ce為吸附平衡時(shí)鈾的質(zhì)量濃度,mg·L-1;qe為平衡吸附容量,mg·g-1;KL為吸附系數(shù),L·mg-1;q∞為飽和吸附量,mg·g-1;Kf為吸附系數(shù),mg·g-1;n為量度吸附強(qiáng)度的常數(shù)。表2和圖5結(jié)果表明Langmuir和Freundlich等溫線模型均能較好地?cái)M合SC和MSC對(duì)鈾的吸附,體現(xiàn)了單層覆蓋(Langmuir等溫線模型)與多層吸附(Freundlich等溫線模型)相結(jié)合的吸附模式。從相關(guān)系數(shù)R2看,Freundlich等溫線擬合得更好,且在Freundlich等溫線模型中,SC和MSC的1/n值均小于0.5,說(shuō)明SC和MSC對(duì)鈾的吸附是自發(fā)的,也對(duì)吸附過(guò)程非常有利。3sc和msc對(duì)鈾的吸附(1)紅外分析表明,化學(xué)修飾后的MSC細(xì)胞表面含有大量基團(tuán),這些基團(tuán)都參與了對(duì)鈾的吸附作用。而且當(dāng)鈾被吸附到MSC細(xì)胞表面時(shí),細(xì)胞壁上的—COOH、—NH2、—SH、—OH等基團(tuán)發(fā)生了配位絡(luò)合反應(yīng)并使表面基團(tuán)發(fā)生變化,但MSC的主要成分和結(jié)構(gòu)仍然保持完整。(2)SC和MSC吸附鈾達(dá)到最大吸附量時(shí)的pH