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烟曲霉胞外聚合物与水中重金属Cu~(2+)Cd~(2+)和Pb~(2+)的相互作用及机理

银玉容  
【摘要】:胞外聚合物(Extacellular Polymeric Substances, EPS)是一定环境条件下由细菌、真菌、藻类细胞分泌的高分子聚合物,对重金属具有良好的吸附效果。研究证明真菌菌体对重金属具有良好的吸附性,真菌易得易培养,可作为良好的生物吸附材料。细胞壁是生物吸附过程中金属离子的主要富集场所,真菌细胞壁上的附着物质,主要为胞外聚合物,占总附着物质含量的75%左右。一直以来,人们的研究主要集中在活性污泥EPS及细菌EPS方面,而较少涉及真菌EPS。但不同来源的EPS具有不同的结构和组分,其对重金属的吸附能力和作用机理不同。为此,本文以课题组筛选的烟曲霉菌株为研究对象,研究了不同提取方法对烟曲霉EPS组分的影响规律,分析了其主要成分及含量,采用极谱法测定其络合容量、结合位点数和条件稳定常数;通过批式实验确定了其吸附重金属(Cu~(2+)、Cd~(2+))的影响因素及最佳吸附条件,并考察了解吸性能。同时,利用红外光谱、X射线能量散射光谱探讨了EPS吸附去除金属离子Cu~(2+)、Cd~(2+)的过程机理。 通过比较分析H_2SO_4法、NaOH法、EDTA法和离子交换法(CER法)提取EPS的成分得出离子交换法提取的烟曲霉EPS多糖含量较高,对细胞破坏程度较小。确定了优化的CER法提取烟曲霉EPS的条件为:树脂投加量为70g g~(-1)、振荡速度为200r min~(-1)、振荡时间2h、液相pH6-8。提取的烟曲霉EPS用截留分子量为3500Da的透析袋透析纯化,纯化后EPS中多糖、蛋白质、核酸和脂类的含量分别为392±8、17.6±2、18.3±2、25.7±2.8mg g~(-1)DWEPS。 用微分脉冲极谱DPP(Differential Pulse Polarography)法得到了不同pH下Cu~(2+)、Cd~(2+)和Pb~(2+)的滴定曲线。结果表明在pH值4.0-7.0范围内烟曲霉EPS结合Cu~(2+)和Cd2离子能力随着pH值的增加而增加,Pb~(2+)在pH6.0和7.0时与EPS反应产生白色凝胶状沉淀物。EPS对不同金属离子的结合能力也有差异,EPS对Cu~(2+)、Cd~(2+)和Pb~(2+)结合能力排序为Cu~(2+)Pb~(2+) Cd~(2+)。并用Ruzic方法对Cu~(2+)、Cd~(2+)和Pb~(2+)的滴定曲线进行拟合,得到m/(CM-m)对m的Ruzic拟合曲线,拟合的结果与DPP法是一致的。 以提纯的烟曲霉EPS为吸附剂,考察了pH值、EPS投加量、吸附时间、温度、盐度及共存离子等对EPS吸附水中Cu~(2+)、Cd~(2+)的影响规律、热力学及动力学吸附特征,结果表明,pH值、EPS浓度、金属离子的初始浓度、NaCl浓度及共存离子对EPS吸附Cu~(2+)、Cd~(2+)有明显影响。在pH7.0、温度25℃、Cu~(2+)和Cd~(2+)初始浓度5mg L~(-1)和7mg L~(-1), EPS投加量为135mg L~(-1)时,Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附去除率分别为90.6%和96.7%。EPS对Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附过程均可分为快速吸附--慢速吸附--吸附平衡三个阶段,达到吸附平衡的时间为3h,Freundlich和Langmuir吸附模型均能较好地拟合烟曲霉EPS对Cu~(2+)和Cd~(2+)的等温吸附实验数据,由Langmuir吸附模型得到的EPS对Cu~(2+)和Cd~(2+)的的最大吸附容量分别为40mg g~(-1)和85.5mg g~(-1)。Freundlich常数n值分别为4.04和3.59。烟曲霉EPS对Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附为一个吸热的自发过程。烟曲霉EPS的吸附动力学符合拟二级动力学模型。 探讨了烟曲霉EPS中Cu~(2+)、Cd~(2+)的解吸性能。结果表明,pH对解吸烟曲霉EPS上的Cu~(2+)、Cd~(2+)的影响非常明显。随着pH的降低解吸率升高,最大解吸率都超过90%,确定解吸的最佳pH为1.0。而NaCl对解吸烟曲霉EPS上的Cu~(2+)、Cd~(2+)的效果不佳,NaCl浓度达到2.0mM时,Cu~(2+)和Cd~(2+)的解吸率分别只达到50.3%和53.8%。 红外光谱(FTIR)分析表明,烟曲霉EPS吸附Cu~(2+)、Cd~(2+)过程中多聚糖中的羟基、羧基和C-O-C等是起作用的主要官能团。X射线能量散射光谱(EDX)分析表明EPS主要元素包括C和O,还含有P、S、K、Ca、Mg、Al和Na等元素,当EPS与Cu~(2+)离子作用后,EPS中Ca、Mg元素峰消失;与Cd~(2+)作用后,EPS中Ca元素峰明显减弱,Mg元素峰消失。同时分别在8keV和3.1keV处出现了Cu、Cd元素峰,在吸附过程中Ca、Mg被Cd~(2+)、Cu~(2+)交换下来,说明离子交换是EPS吸附Cd~(2+)、Cu~(2+)的机理之一。烟曲霉EPS与金属离子相互作用的机理还包括络合作用和静电作用,是几种机理共同作用的结果,而以络合作用为主。


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