自然水体生物膜有机组分对铅、镉吸附特征研究

【摘要】：在水环境中，污染物的迁移、转化及其最终归宿可能受到污染物同生物膜的相互吸附作用，以及生物膜再移动作用的强烈影响。相关研究已经确认生物膜上有机质对于水中重金属的迁移转化有着重要作用。 生物膜上的有机物主要是微生物及其分泌的胞外聚合物。由于胞外聚合物中存在着大量的阴离子基团（羧基、羟基、硫酸根），生物体细胞壁表面的一些具有络和、配位能力的集团也存在着如羧基、羟基等，这些基团通过与所吸附的金属离子形成离子或共价键来达到吸附金属离子的目的。与此同时，金属有可能通过沉降或晶体化学作用沉积于细胞表面，某些难溶性金属也可能被胞外分泌物或细胞壁的腔洞捕获而沉积。 由于在自然水体中培养生物膜的约束条件比较多，而且季节性比较强，所以本文对生物膜上的优势菌种与天然水中的优势菌种做了比较，天然水直接培养纯化出的优势菌种替代生物膜上的优势菌种来进行实验。 本实验采用涂布分离法对自然水体中的菌种进行分离，将接种后的培养基平板移入恒温培养箱中在28~30℃培养2~3 d，直到培养基表面观察到菌落。用接种针以无菌操作挑取欲纯化的菌落，在制作好的固体培养基上逐级画线，移入恒温培养箱内在28~30℃培养，约1~2 d后，生长的菌落即为纯化后的优势菌种。 自然水体生物膜用载玻片作为基质来培养。将经过6：1（v/v）H2O:HNO3溶液中浸泡处理24 h的载玻片（50mm×75mm×1 mm） WP=69 放在聚丙烯架上固定，将架子放置在湖水中水面下30cm处，培养3周。聚丙烯架在水面下保持水平状态，使全部载玻片周围环境条件基本相同。 通过目测，可以确认生物膜中的优势菌落和水体的优势菌落为同种菌落，对纯化后的菌落进行了革蓝氏染色和单染色实验，进一步确定了水体优势菌种的可替代性。 为将水体的优势菌落扩大培养，挑取少量水体优势菌种于液体培养基中，放入恒温振荡培养箱中在28~30℃振荡培养，待其溶液比较浑浊时，每天上下午各取样测其光密度（570 nm 紫外分光光度计），在光密度较大时取出。将扩大培养后的培养液装入透析袋中，密闭后置于盛有二次去离子水的烧杯中，借助于磁力搅拌，对培养液进行透析以除去其中的糖类。每间隔1 h换一次水，直到检测不出葡萄糖为止。 透析后的悬浊液主要为菌体细胞及其胞外聚合物，将其在17000 r·min-1下离心20 min，上清液用0.45μm醋酸纤维素滤膜过滤2～3次，取过滤后的胞外聚合物溶液在冻干机内冻干后称重，于1000ml容量瓶中定容使其最后浓度为63 mg/L，即为所需的胞外聚合物溶液。离心后离心管底部物质即为所需的菌体活细胞。取部分将其冻干即为实验所需的微生物死体细胞。 为考察生物膜各有机组分吸附铅、镉的特征，需要对其吸附条件（吸附时间、初始pH值、温度）进行优化。结果表明：随着吸附时间的延长，各有机组分对铅、镉的吸附量都逐渐加大，其中胞外聚合物、微生物死体细胞和活体细胞分别在6 h、2 h和1 h达到吸附平衡；在pH值为6时，各有机组分对铅、镉的吸附量都能达到最大值，并且在pH值大于6以后，对铅、镉的吸附量变化 WP=70 不明显；温度对各有机组分吸附铅、镉的影响不大，因此，考虑到实验操作的方便，选择25℃为实验条件。 分别取20 mL胞外聚合物，密封于透析袋中，置于200 mL含有7种不同铅浓度（1-7 mg·L-1）和镉浓度（0.2-2 mg·L-1）的吸附液中吸附6 h，进行胞外聚合物对铅、镉的吸附热力学实验；取5 mL含有7种不同铅浓度（1-7 mg·L-1）和镉浓度（0.2-2 mg·L-1）的吸附液于试管中，分别加入活细胞和死细胞，振荡吸附1 h或2 h进行吸附实验。吸附均在25±1℃下进行，吸附液初始pH值用HNO3或NaOH调节为6.0±0.1。吸附平衡后，用FAAS或GFAAS测定平衡溶液中的铅、镉浓度，实验所得数据分别用Freundlich和Langmuir方程进行拟合分析。 结果表明，Freundlich和Langmuir方程均可以很好的描述生物膜各有机组分对铅、镉的吸附热力学过程，各有机组分对铅的最大吸附量均大于镉的最大吸附量，并且KPbKCd，可见，各组分对铅的吸附能力均高于镉，对铅的吸附容易达到饱和。当有共存离子存在时，镉对各有机组分吸附铅均有明显的抑制作用，而铅对各组分吸附镉的影响不大。对动力学的研究表明，生物膜胞外聚合物和菌体细胞在不同的pH值及温度下对铅、镉的吸附过程都属于一级动力学反应。 对于铅来说，三种吸附剂的吸附能力为胞外聚合物菌体活细胞菌体死细胞，但差别不大；而对于镉则是菌体活细胞菌体死细胞胞外聚合物。