尾矿藻表面磷调控及其强化固定重金属研究_夏令.pdf

收稿日期2020-05-25 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51604207） ； 国土资源部稀土稀有稀散矿产重点实验室开放基金项目 （编号 KLRM-KF201906） 。 作者简介夏令 （1987） ， 女， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 尾矿藻表面磷调控及其强化固定重金属研究 夏令 1， 2， 3 王芷芯 1， 2 黄容 1， 3 王朕 1， 21 （1. 矿物资源加工与环境湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430070； 2. 国土资源部稀土稀有稀散矿产重点实验室， 湖北 武汉 430070； 3. 武汉理工大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430070） 摘要从铅锌尾矿废弃地中分离纯化获得一株高重金属离子耐受性微藻 Didymogenes palatina XR， 通过改变 培养基中磷浓度调控细胞的表面含磷官能团， 获得高载磷微藻， 然后探究影响微藻固定重金属铅的能力及机理。 研究结果表明 在最优pH为6时， 高载磷活藻对金属离子铅的去除率最高， 达91.59； 在160 mg/L的磷浓度培养改 性的条件下， 活藻细胞对Pb2的最大吸附量最高， 达7.93 mg/g； 该磷改性条件下， 藻细胞表面磷基官能团和总官能 团含量最高， 且FT-IR分析表明含磷基团主导微藻对重金属离子的吸附。本研究表明不同磷浓度培养能调控微藻 表面载磷量并强化其对重金属的固定能力。 关键词铅锌尾矿磷微藻铅吸附 中图分类号X53文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -10-197-06 DOI10.19614/ki.jsks.202010025 Research on the Regulation of Phosphorus on the Surface of Tailing Algae and Its Ability to Strengthen Immobilizing Metals XIA Ling1， 2， 3WANG Zhixin1， 2HUANG Rong1， 3WANG Zhen1， 22 （1. Hubei Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment， Wuhan 430070， China； 2. Key Laboratory of Rare Mineral， Ministry of Land Resources， Wuhan 430070， China； 3. School of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China） AbstractDidymogenes palatina XR，a microalga with high tolerance of heavy metal ions， was isolated and purified from an abandoned mine of lead and zinc tailings． The high-phosphorous microalga was obtained by changing the phosphorus concentration in the culture medium． Regulate the surface phosphorous functional groups of the cells to investigate the ability and mechanism of the microalga immobilizing the lead． The results showed the optimal pH was 6，when the removal rate of lead ions was the highest reaching to 91．59． Under the condition of 160 mg/L phosphorus concentration culture modifica- tion，the maximum adsorption of Pb2by living algae cells was the highest，up to 7．93 mg/g，and the content of phosphorus and total functional groups on the surface of algal cells was the highest， and FT-IR analysis indicated that phosphorus groups on the surface of cells dominated the adsorption of heavy metal ions by microalgae． This study showed that different phospho- rus concentrations could regulate the phosphorus load on the surface of microalgae and enhance their ability to fix metals． Keywordslead and zinc tailings， phosphorus， microalgae， lead， adsorption 总第 532 期 2020 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 532 October2020 铅 （Pb2） 等重金属离子由于其毒性和难降解性 对人体健康和生态环境具有巨大危害 ［1-2］。其主要来 源于采矿、 电池、 染料、 制造、 充电等工业的生产制 造， 低浓度的铅可导致许多严重的疾病， 如贫血、 高 血压、 肾病综合征和肝炎等 ［3-4］。吸附是去除重金属 的一个非常好的方法， 其中生物吸附因其价廉易得， 无二次污染等优势获得越来越多的重视。 生物吸附剂中， 微藻细胞壁上含有丰富的官能 团， 主要包括羟基、 羧基和氨基等， 具有很高的富集 重金属的能力 ［5］， 微藻具有繁殖快、 易培养、 可选择种 类多等特点， 具有广阔的应用前景。目前应用的微 藻吸附剂多是干燥或预处理的藻类生物质干物 197 金属矿山2020年第10期总第532期 质 ［6-7］。相比之下， 活藻吸附更具有优势， 首先， 活藻 在生长过程中， 可以同时去除重金属和过剩营养物 （硝酸盐和磷酸盐） ［8-9］； 此外， 活藻的胞内吸收和累 积作用， 可降低部分污染物如磷元素的残留 ［10］； 更 重要的是活藻吸附相较于死藻等生物吸附质， 省略 了干燥、 活化等加工步骤， 可以更好地应用于实际工 程中 ［11］。 活藻本身对重金属的吸附能力弱， 磷调控可以 增加微藻的耐受性， 强化重金属的固定能力， 因此本 实验通过改变培养基中的磷浓度对微藻进行改 性 ［12］。实验利用Zeta电位仪测定藻表面的负电性， 探究pH对藻类吸附重金属的影响 ［13］， 利用傅里叶红 外光谱法 （FT-IR） 对吸附前后的微藻进行表征， 判断 微藻表面官能团种类， 另外通过自动电位滴定仪测 定的数据， 模拟出微藻表面官能团的浓度， 以期获得 对吸附机理的深刻认知。 1试验材料与方法 1. 1试验材料 本研究采用的微藻Didymogenes palatina XR， 分 离自广东省韶关市凡口尾矿废弃地。经土壤分离纯 化后的藻种培养在 BG-11培养基中。1 L 的 BG-11 培养基中含有300 mg NaNO3， 36 mg CaCl2 2H2O， 6 mg 柠檬酸铵， 6 mg 柠檬酸铁铵， 1 mg EDTA， 2.86 mg H3BO3， 1.81 mg MnCl24H2O， 0.222 mg ZnSO47H2O， 0.39 mg NaMoO45H2O， 0.079 mg CuSO45H2O， 0.050 mg CoCl2 6H2O， 40 mg K2HPO4。 分离纯化出来的藻种在上述BG-11培养基中活 化3 d后接种到不同浓度磷培养基种。BG-11培养 基中磷浓度分别为 40 mg/L， 80 mg/L， 160 mg/L， 200 mg/L。每种磷浓度下的藻培养3组平行样。所有的 藻样置于恒温恒湿箱中进行培养， 以光照14 h、 黑暗10 h周期昼夜循环， 温度设置为25℃。培养在40 mg/L， 80 mg/L， 160 mg/L， 200 mg/L的活体微藻分别被命名为 B-40， B-80， B-160， B-200。 1. 2试验方法 吸附试验所用到的 Pb2溶液是通过稀释 1 000 mg/L 的 Pb （NO3） 2溶液得到的。将藻样置于有 2 mL Pb2溶液的带盖离心管中， 混匀后置于恒温摇床上振 荡， 温度设置在25℃， 转速为150 r/m。通过调节Pb2 溶液的初始pH为3、 4、 5、 6来探究pH对藻类吸附重 金属的影响。吸附等温线在 Pb2初始浓度为 2～20 mg/L下进行。 1. 3分析方法 1. 3. 1微藻生物量及磷浓度的测试 微藻的生物量浓度（BC， g/L）在波长范围450～ 680 nm内与光密度呈线性关系。实验选择680 nm的 光密度 （OD680） 来测量 Didymogenes palatina XR 的生 物量浓度， OD680与Didymogenes palatina XR在紫外分 光光度计下的生物量浓度的线性关系式 ［14］如下 BC 0．299OD680,R 2 0．999 8.（1） 实验采用钼锑比色法测定了培养基中的总磷， 紫外分光光度计波长设置为700 nm。 1. 3. 2Pb2生物吸附量的计算 用原子吸收光谱法 （ZEEnit700， Analyjena， Ger- many） 测定初始Pb2浓度及实验后上清液中的Pb2浓 度， 通过式 （2） 计算活藻对重金属离子的吸附量。 Qe VC0- Ce M ，（2） 式中， Qe为活藻对重金属离子的吸附量， mg/g； C0为重 金属溶液的初始浓度， mg/L； Ce为吸附完成后离心得 到的上清液中的重金属离子浓度， mg/L； M为用于吸 附的活藻质量， g； V为重金属溶液的体积， L。 1. 3. 3吸附等温线模型 实验使用 Langmuir模型 （式（3） ） 、 Freundlich 模 型 （式 （4） ） 和Temkin模型 （式 （5） ） 对测得的活藻吸附 量数据进行了模拟， 计算式如下 Qe QmKLCe M ，（3） Qe KfgCn c， （4） Qe A BglnCe，（5） 式中， Qm为活藻吸附重金属离子的最大吸附量， mg/g； KL、 Kf、 A、 B分别为Langmuir、 Freundlich和Tem- kin常数； n是吸附强度的平衡常数。 1. 3. 4pH对微藻吸附实验的影响 通过 Zeta 电位仪 （Malvern Zetasizer Nano ZS90） 测定在 pH 变化的条件下微藻细胞表面的负电性。 利用 Medusa软件模拟出不同 pH 条件下金属 Pb2在 环境中的存在形式。 1. 3. 5藻表面特性的表征 利用傅里叶红外光谱法 （FT-IR） 在波长为400～ 4 000 cm-1的条件下测定出微藻表面官能团的特征 峰， 并通过光谱分析探究微藻表面结合金属离子的 特异性官能团种类。使用自动电位滴定仪测定微藻 细胞表面的结合位点， 并利用ProtoFit软件计算表面 官能团浓度。 2试验结果与讨论 2. 1藻细胞载磷改性 微藻 Didymogenes palatina XR 在不同磷浓度下 培养的生长曲线如图1所示。藻类生长的4个时期包 括延滞期、 对数增长期、 稳定期及衰亡期 ［15］。由图1 198 夏令等 尾矿藻表面磷调控及其强化固定重金属研究2020年第10期 可知， 0～2 d时该藻生长缓慢； 在第2 d后藻类生物量 迅速增加， 说明细胞进入对数增长期； 至第6 d时藻类 生物量增长趋缓， 生长进入稳定期； 在第8 d达到最大 生物量后进入衰亡期。微藻在第8 d的平均生物量最 大， 故采用第8 d的微藻细胞进行吸附实验。 微藻在不同磷浓度培养条件下生长至第8 d时 的生物量及其对培养液中磷的去除率如表 1所示。 随着培养基磷浓度的增加， 微藻生物量有所提高， 而 B-200的生物量明显低于其他条件下生长的微藻， 说 明过高磷浓度会抑制微藻生长。本实验中最适宜微 藻生长的磷浓度为160 mg/L。此外， 研究分析了藻细 胞对培养基中磷元素的去除率， 去除率超过90， 说 明活藻细胞可以应用于治理环境磷污染。 2. 2不同表面载磷微藻对Pb2的吸附 2. 2. 1pH影响 图2 （a） 为不同pH下微藻对Pb2的去除率。由图 2 （a） 可以得知， 随着pH的增大， 各种改性藻体对金属 离子的去除率均有提高， 特别是在 pH由 3上升至 4 时， 去除率有显著提升， 而在不同pH下， B-160的去 除效果始终最为优异。 图2 （b） 显示不同载磷微藻的Zeta电位。不难发 现， 在pH为2～10的范围内， 细胞表面负电性随pH的 升高而增强。Pb2在测试范围内始终以二价阳离子 形式存在， 藻细胞表面负电性越大， 对金属离子的静 电吸引力也越大， 因此随pH的增大， 细胞的吸附能 力也会增强。图中细胞表面的负电荷数在pH4时 有一个明显的拐点， 在这之后细胞表面的负电性变 化趋缓， 这解释了活藻细胞在pH＞4后吸附量增加缓 慢的原因。此外， 在较低pH的情况下， 细胞壁表面 的官能团容易质子化， 造成金属阳离子与氢离子 （H） 的竞争吸附， 导致细胞表面可供金属离子吸附 的结合位点减少， 从而降低了微藻细胞的吸附能 力 ［16］。不同pH下Pb2在环境中的分布情况如图3所 示， 在pH＞6时会形成Pb （OH） 2沉淀。由于金属盐的 沉淀形式难以被活藻细胞吸附 ［17］， 并且在pH＞6后， 藻细胞表面的负电性几乎不变。故本实验通过研究 pH 对微藻吸附 Pb2的影响， 藻体吸附 Pb2的最适宜 pH为6。 199 金属矿山2020年第10期总第532期 2. 2. 2吸附等温线 目前常见的吸附等温线主要包括 Langmuir、 Freundlich和Temkin模型 ［18］。实验研究了在初始Pb2 浓度不同的条件下微藻的吸附能力， 其关系如图 4 （a） 所示。本实验将所得数据使用Langmuir、 Freun- dlich 和 Temkin 模型进行拟合， 其中 Fitted Langmuir 是将非线性形式的Langmuir吸附等温线转化为线性 形式， 目的是为了更好地估算参数。拟合后的Pb2吸 附等温线分别如图4 （b） ～ （d） 所示。 藻吸附Pb2的等温线拟合参数总结于表2之中。 通过表2可以看出， Langmuir的参数R2较Freundlich、 Temkin的总体要更高一些， 说明重金属离子铅在细 胞表面的吸附主要为单层吸附。同时， 通过Freun- dlich 模拟参数中的n＞1可以看出， 藻与Pb2的结合效 果良好。并且， Temkin模型中的参数 B＜8说明在吸 附过程中存在着重金属离子通过微弱的范德华力相 互作用于微藻上 ［18-19］。 Langmuir模拟显示， B-160对Pb2的饱和吸附量 最大， 为7.93 mg/g。不同磷浓度下培养的藻对Pb2的 吸附能力为B-160＞B-200＞B-80＞B-40， 显然， 通过磷 改性后的藻细胞其吸附能力明显高于正常磷浓度下 生长的B-40， 研究表明磷基基团与重金属离子有着 较强的结合能力， 而磷改性后微藻表面的磷基官能 团增加。 2. 3吸附机理 2. 3. 1FT-IR 为了研究微藻表面所含有的官能团种类及其行 为变化 ［20］， 本实验利用红外光谱法对吸附Pb2前后的 B-160进行表征。B-160吸附Pb2前后的FT-IR谱图 如图5 （a） 所示， 图5 （b） 为局部区域的放大图。吸附 前后振动峰的变化被列于表3之中。 峰值为 3 300.87 cm-1代表的是羟基 ［21］。2 800～ 3 000 cm-1波段的峰值是脂肪族官能团CH和CH2［22］， 峰值为1 659.34 cm-1的官能团与共轭醛/酰胺弯曲蛋 白中的＞CO有关， 出现在1 547.16 cm-1处的峰值为 缩氨酸基团 CN。吸附前后峰值在 1 456.52 cm-1处 200 2020年第10期夏令等 尾矿藻表面磷调控及其强化固定重金属研究 的波动是由于羧酸类的CO在参与吸附反应时发生 共轭效应所导致的， 在3 300.87 cm-1处的波动说明羟 基参与了吸附过程 ［23］。此外， 峰值为1 253.12 cm-1所 表征的PO基团只有在含磷培养基中生长的微生物 细胞壁上出现， 吸附前后峰值的变化说明PO基团 在吸附过程中拉伸振动， 对藻吸附具有特殊意 义 ［24］。峰值为 1 153.89 cm-1 的是 C-O-C基团， 峰值 为1 080.14 cm-1的基团主要是 P-O-C基团 ［23］。特别 值得注意的是峰值为879.25 cm-1的特征峰在吸附前 十分明显， 而吸附后变得平滑， 处在该值的特征峰 主要为磷酸盐或磷基基团 ［25］， 这一变化说明金属离 子与官能团有很强的结合能力， 导致吸附后官能团 的掩蔽。该变化说明磷基基团参与吸附反应。通 过分析峰值的变化， 确定微藻在吸附 Pb2过程中主 要起作用的官能团包括 OH、 CO、 CH、 CH2、 PO、 PO3-4、 PO4， 其中磷基基团 PO4、 PO 和磷酸盐 （PO3-4） 均只出现在含磷培养基中培养的微藻表面， 对提高 吸附能力具有重要意义 ［24］。 2. 3. 2电位滴定 经自动电位滴定仪测定的酸碱滴定数据通过 ProtoFit软件模拟汇总于表4中。文献表明， 羧基、 羟 基、 氨基、 磷基基团的pKa值分别为3～6， 8～12， 氨基 的pKa值为8.6～9.0， 磷基基团的pKa值为5.6～7.2 ［26］， 本实验中得到的pK1、 pK2、 pK3、 pK4分别对应羧基、 磷 基、 氨基和羟基官能团。由表4可以得知， 不同培养 条件下微藻的磷基官能团浓度存在显著差异， 特别 是 B-160 的磷酸化官能团， 其浓度最高， 达到 3.25 mol/kg， 并且官能团总数的提高也是吸附能力增强 的关键， 由表4可以看出， B-160所具有的官能团总 数最多。此外， 根据上述FT-IR的结果可知， 磷基官 能团在吸附前后特征峰变化最大， 这充分说明了磷 基官能团在微藻吸附重金属离子的过程中起着主要 作用。 3结论 （1） 提高培养基中的磷浓度有助于提高微藻的 生物量， 本实验中最适磷浓度为160 mg/L， 生长第8 d 的生物量可达1 117.26 mg/L。 （2） 在最适pH6条件下， 高载磷藻B-160对Pb2 的去除率最高， 达到91.59。 （3） 含磷基团参与并主导微藻对Pb2的吸附， 磷 能调控改性微藻表面磷， 强化微藻对金属离子的吸 附能力。在160 mg/L的磷浓度改性的条件下， 藻对 Pb2的最大吸附量最高， 达到7.93 mg/g。 201 参 考 文 献 LEONG Y K，CHANG J S． Bioremediation of heavy metals using microalgaeRecent advances and mechanisms ［J］ ．Bioresource Tech- nology， 2020， 303 12886． FAN H L，MA X Z，ZHOU S F，et al． Highly efficient removal of heavy metal ions by carboxymethyl cellulose-immobilized Fe3O4 nanoparticles prepared via high-gravity technology［J］ ． Carbohy- drate Polymers， 2019， 213 39-49． HU L H，YANG Z P，CUI L M，et al． Fabrication of hyper- branched polyamine functionalized graphene for high-efficiency re- moval of Pb2and methylene blue ［J］ ． Chemical Engineering Jour- nal， 2016， 287 545-556． YAO S H，ZHANG J J，SHEN D K，et al． Removal of Pb2from water by the activated carbon modified by nitric acid under micro- wave heating ［J］ ． Colloid and Interface Science，2016，463 118- 127． 王碧荷， 王蕾， 贾元铭， 等 ． 微藻生物富集重金属的研究进展 ［J］ ． 环境工程， 2017， 35 （8） 67-71． WANG Bihe，WANG Lei，JIA Yuanming，et al． Research prog- ress in heavy metal 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