枯草芽孢杆菌对电镀废水中镉的吸附.pdf

第6 2 卷第3 期 2 010 年8 月 有色金属 N O l l f e n - 0 u BM e t a l s V 0 1 ．6 2 ，N o3 A u g ．201 0 枯草芽孢杆菌对电镀废水中镉的吸附 代淑娟1 ”，王玉娟3 ，魏德洲2 ，高淑玲2 1 ．河北理工大学资源与环境学院，河北唐山0 6 3 0 0 9 ； 2 ．东北大学资源与土木工程撑院，沈阳110 0 0 4 ； 3 ．烟台金建设计研究工程有限公司，山东烟台2 6 4 0 0 0 摘 要研究枯草芽胞杆菌对电镀废水中镉的吸附过程，探讨各种因素对吸附效果的影响。结果表明，p H 为8 、吸附剂用量 为l o g ／L 湿重 、搅拌转数为8 0 0 r ／r a i n 、吸附时问为I O m i n 的条件下，废水中镉的吸附率达9 3 ％以上。吸附镉后枯草芽胞杆菌细 胞膨大，色泽变亮，细胞之间相互粘连。C d 1 1 与细胞表面的钠进行了离子交换吸附。 关键词环境工程；电镀废水；生物吸附；枯草芽胞杆菌；镉 中圈分类号X 7 8 1 ．1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 3 0 1 5 6 0 4 电镀废水中含有大量的重金属，是严重危害环 境的工业废水之一。，其中废水成分复杂，除了含 C d 2 以外，还含有c u 2 ，P b 2 ，z n “。N i 2 等‘2 1 。 C d “对水体和土壤都会造成污染，进而对人体的健 康造成危害。4 ’。因此，如何处理含镉电镀废水引 起了高度重视。处理含镉废水的常用方法有沉淀 法、吸附法、漂白粉氧化法等旧。，但为了经济有效地 治理镉污染，一直致力于研究开发一种经济、实惠、 环保的方法。因而，微生物对重金属离子的良好吸 附性能才引起广泛关注”。 枯草芽胞杆菌 B a c i l l u ss u b t i l i s 属革兰氏染色 阳性产芽孢菌，广泛分布于自然界的一种需氧性细 菌∞。，因其在生长繁殖过程中，可产生能抑制某些 有害致病菌的活性物质，因而常用其制备益生菌用 于调整肠道菌群失调。同时，它也是食品中常见的 一种污染菌，在传统的发酵制品中污染几率更 大“1 。然而枯草芽孢杆菌作为微生物吸附剂处理 重金属废水的实例非常少。 选取枯草芽孢杆菌作为微生物吸附剂，研究了 溶液p H 值、搅拌转数、菌体用量、微生物吸附时间 对吸附效果的影响，并对吸附过程的作用机理进行 了初步探讨。 收稿日期2 0 0 8 0 7 1 6 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 1 7 4 0 1 4 ；辽宁省自然科 学基金项目 2 0 0 4 2 0 2 1 ；辽宁省科技计划项目 2 0 0 6 2 2 3 0 0 2 作者简介代淑娟 1 9 6 7 一 ，女，辽宁新民市人，教授级高级工程 师，博士，主要从事矿物加工及资源微生物技术等方面 的研究。 1实验方法 1 ．1 试验材料 试验用电镀废水取自某电镀厂含镉废水，密度 约1 k s ／m 3 ，p H 为7 ．5 ～8 ．2 ，其中镉、铅、锌、铬、钾、 钠、钙和镁含量分别为2 6 ，0 ．0 5 4 ，1 ．1 6 ，0 ．1 8 3 ，9 ．1 ， 3 3 8 ．1 ，2 2 ．8 ，2 0 ．3 m s ／L 。 枯草芽孢杆菌 B a c i l l u ss u b t i l i s 的培养基组成 为牛肉膏5 9 ，蛋白胨1 0 9 ，葡萄糖2 0 9 ，氯化钠5 9 ， 蒸馏水1 L ，p H 7 ．0 。在进行吸附试验前，将枯草芽 孢杆菌在3 0 ℃、1 6 0 r ／r a i n 的条件下，在H Z Q C 型 空气浴振荡器中培养2 4 h 。 1 ．2 吸附试验 用量筒量取一定量的电镀废水，置于烧杯中，加 入定量的枯草芽胞杆菌 湿重，1 5 0 0 0 r ／r a i n ，5 m i n ， 在磁力搅拌器上进行吸附试验，测定吸附前后溶液 中镉浓度的变化量。 1 ．3 金属离子分析 溶液中C d 2 的浓度采用A A 一6 3 0 0 原子吸收分 光光计进行测定。 1 ．4 镉离子吸附率 吸附试验完成后，将液体在型号为T G l 6 一W S 台式高速离心机上，以1 5 0 0 0 r ／m i n 离心分离5 m i n ， 使菌体分离开来，测出离心后溶液中镉离子的浓度， 用式Q 1 0 0X G o C ／C 。 ％ 计算镉的吸附率 Q ，其中c 。和c 分别为吸附前、后溶液中的c d “浓 度 m o l ／L 。 1 ．5 扫描电子显微镜试祥的制备与测试方法 万方数据 第3 期代淑娟等枯草芽孢杆菌对电镀废水中镉的吸附 1 5 7 将培养2 4 h 的枯草芽胞杆菌，经离心分离、清 洗，用戊二醛固定、酒精脱水，干燥、喷金后在S S X 一 5 5 0 型扫描电子显微镜上观察枯草芽胞杆菌细胞的 显微图像及表面能量分析谱。 2 试验结果与讨论 2 ．1 p H 值对吸附效果的影响 p H 值对微生物生存有很重要的影响，有研究表 明，对重金属的吸附量随p H 值的升高而增大一““， 但金属吸附量与p H 值之间并不呈简单的线性关 系，通常有一最佳p H 值范围“。 在搅拌转数为8 0 0 r ／m i n 、吸附时间为1 0 m i n 、枯 草芽胞杆菌用量为1 0 9 ／L 湿重 的条件下，系统研 究了p H 值对吸附效果的影响，结果如图l 所示。 母 、 碍 蓬 督 图1p H 值对吸附效果的影响 F i g ．1 I n f l u e n c eo fp Hv a | u eo na d s o r p t i o nr e s u l t s 由图1 可见，随着p H 值的增大，吸附率逐渐增 加，在p H 为8 ．2 时，吸附率稍微降低，为9 2 ．8 9 ％。 当p H 为8 时，吸附率达到最大，为9 3 ．4 5 ％。因此， 吸附的适宜p H 值约为8 。 2 ．2 搅拌转数对吸附效果的影晌 在p H 值为8 、吸附时问为1 0 r a i n 、枯草芽孢杆 菌用量为1 0 9 ／L 湿重 的条件下，用枯草芽孢杆菌 对含镉电镀废水进行吸附试验，考察搅拌转数对吸 附效果的影响，试验结果如图2 所示。 由图2 可以看出，搅拌转数对微生物的吸附效 果有明显的影响。在搅拌转数为8 0 0 r ／r a i n 时，吸附 效果最好，吸附率达到9 3 ．4 4 ％。 2 ．3吸附时间对吸附效果的影响 在镉离子浓度2 6 m g ／L ，p H 值为8 ，搅拌转数为 8 0 0 r ／m i n ．枯草芽胞杆菌用量为1 0 m s ／L 湿重 的条 件下，考察吸附时间对吸附效果的影响。试验结果 如图3 所示。 母 、 瓣 釜 登 啦 、 静 莲 擎 图2 搅拌转数对吸附效果的影响 F i g ．2 I n f l u e n c eo fw h i s k i n gr e v o l u t i o n o na d s o r p t i o nr e s u l t s 图3 吸附时间对吸附效果的影响 F i g ．3 I n f l u e n c eo fa d s o r p t i o nt i m eo na d s o r p t i o nr e s u l t s 由图3 可知，枯草芽胞杆菌对电镀废水中镉的 吸附速度很快，且吸附率从总体看呈上升趋势，后来 趋于吸附平衡。5 m i n 后，吸附率已达到9 2 ．5 6 ％，到 1 0 r a i n 时，吸附率达到9 3 ．6 4 ％，吸附速度开始变慢， 再从时间段观察，吸附率有非常缓慢的增加，幅度相 对较小。因此，选定吸附时间为1 0 m i n 。 2 ．4 吸附剂用量对吸附效果的影响 在电镀废水p H 值为8 ，搅拌转数为8 0 0 r ／m i n ， 吸附时间为1 0 r a i n 的条件下，进行枯草芽胞杆菌对 废水的吸附试验，考察吸附剂用量对吸附效果的影 响。试验结果如图4 所示。 由图4 可见，随着枯草芽胞杆菌用量的增加，微 生物对废水中镉的吸附率呈上升趋势，直至达到吸 附平衡。从开始到吸附剂用量达到1 0 9 ／L 湿重 时，吸附率有明显的提高，达到最大为9 3 ．4 4 ％。此 后，吸附剂用量增加时，微生物对废水中镉的吸附率 增加缓慢。 万方数据 有色金 属 第6 2 卷 术 、 褥 釜 整 吸附剂用量“g L - q 图4吸附剂用量对吸附效果的影响 F i g ．4 I n f l u e n c eo fa d s o r b e n td o s a g eo na d s o r p t i o nr e s u l t s 2 ．5 枯草芽胞杆菌的扫描电子显微镜图像 枯草芽胞杆菌的扫描电子显微镜图像见图5 。 由图5 a 可以看出，枯草芽胞杆菌为长杆状， 长度大约为6 斗m ，粗约0 ．7 ～0 ．8 斗m ，以芽殖方式繁 殖，芽胞常存在于菌体中央或稍偏，芽胞形成后菌体 并没有膨大，自然状态下，分散，表面色泽也较暗淡。 由图5 b 可以看出，枯草芽胞杆菌吸附镉后， 细胞体略显膨大，表面色泽变亮，有研究表明引，溶 液中的重金属离子与细胞内的阳离子发生交换，使 大量金属离子聚集在细胞表面，其导电作用使吸附 后的细胞明显比吸附前明亮，清晰。由于在吸附过 程中，细胞分泌一些大分子物质，使部分细胞粘连， 致使细胞表面粗糙。 3结论 N e wS a m p l b lJ j 【瞄kJ a 麟一 [ k e V ] a 一桔覃芽孢杆菌； b 一吸附镉后的枯草芽孢杆菌 图5枯草芽孢杆菌吸附镉前后的微观形貌 F i g ．5 M i c r o c o s m i cc o n f i g u r a t i o no fB a c i l l u s S u b t i l i sb e f o r ea n da f t e rb i o s o r p t i o n 2 ．6 枯草芽胞杆菌的能量分析谱 枯草芽胞杆菌的能量分析谱见图6 ，吸附前后 微生物吸附剂表面元素含量见表1 。 由图6 a 和图6 b 可知，未吸附镉的枯草芽 胞杆菌，细胞表面含有C ，N ，O ，P ，S ，N a 等元素，且 C ，O ，N ，P 的峰均较强。吸附镉后，出现了镉峰。由 表1 可以看出，N a 的含量减少，表明在此吸附过程 中，有离子交换吸附存在。由于C ，N ，O ，S ，P 的含 量均有变化，推测有络合4 “5 j 、载体跨膜运输6 1 等 作用存在，使细胞质从细胞膜中流出，致使吸附后枯 草芽胞杆菌的形体膨大。 表1吸附前后微生物吸附剂表面元素含量／％ T a b l e1M i c r o b i a la b s o r b e n ts u r f a c ee l e n l e n t a 】c o n t e n t ／％ 元素CNOSPN aC d 吸附前4 8 ．5 6 21 9 ．5 7 82 3 ．2 4 7 0 ．8 8 04 ．9 3 52 ．7 9 8一 吸附后3 8 ．9 3 03 2 ．9 4 42 1 ．1 7 00 ．9 5 23 ．3 6 92 ．1 4 20 ．4 9 3 8 0 0 Ⅸ耵 兰 84 0 0 L J 2 0 0 0 N e wS a m p lb l j kP 翻 b 鼯 I 晕吾 2468】01 21 4 [ k e v ] a 一枯草芽孢杆菌； b 一吸附镉后的枯草芽孢杆菌 图6 枯草芽孢杆菌吸附镉前后的表面能量分析谱 F i g ．6E n e r g ys p e c t r u mo fB a c i l l u ss u b t i l i sa f t e ra d s o r b i n gC d I I 枯草芽胞杆菌对电镀废水中的镉有吸附作用。 最佳吸附条件是p H 值为8 ，搅拌转数为8 0 0 r ／m i n ， 吸附时间为1 0 m i n ，吸附剂用量为l O g ／L 湿重 ，吸 附率可到9 3 ％以上。微生物吸附剂对电镀废水的 作用存在着离子交换、络合、载体跨膜运输等物理化 学过程。 万方数据 第3 期代淑娟等枯草芽孢杆菌对电镀废水中镉的吸附 1 5 9 参考文献 [ 1 ] 曾睿，王熙．生物法处理电镀废水技术的研究进展[ J ] ．涂料涂装与电镀，2 0 0 6 ，4 3 3 8 4 1 ． [ 2 ] 曹利军，王华东．土壤作物系统镉污染及其防治[ J ] ．环境污染与防治，1 9 9 6 ，1 8 5 2 5 2 6 ． [ 3 ] 袁一傲．镉对人体健康影响及中毒诊断[ J ] ．环境保护科学，1 9 9 2 ，1 8 1 8 1 5 ． [ 4 ] 赵永红，成先雄，邱廷省．啤酒酵母对镉离子的吸附及镉离子的解吸[ J ] ．金属矿山，2 0 0 7 ， 4 7 4 7 7 ． [ 5 ] 秦玉春，关晓辉。魏德洲，等．浮游球衣菌的分离及其对铅离子的吸附性能[ J ] ．东北大学学报 自然科学版 ，2 0 0 5 ，2 6 7 6 8 7 6 9 0 ． [ 6 ] C h e nT i a ny o u ，D o n gS i g u o ，Y u a nP e i n a ，e ta 1 ．I n h i b i t i o no ft h eg r o w t ho fs i xe n t e r i cb a c t e r i ab yB a c i l l u ss u b t i l i sB S - 3 [ J ] ． C h i n e s eJ o u r n a lo fM i e r o e e o l o g y ，2 0 0 5 ，1 7 1 1 0 1 2 ． [ 7 ] Z e n gQ i n gM e i ，X i eH u iM i n g ，P a nJ i a n ，e ta 1 ．E f f e c to fU l t r a H i g hP r e s s u r eP r o c e s s i n g U H P P o nt h eM i c r o s t r u c t u r eo f B a c i l l u ss u b t i l i s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fH i g hP r e s s u r eP h y s i c s ，2 0 0 6 ，2 0 1 8 3 8 7 ． [ 8 ] H a oL i n h u a ，S u nP e i x i a n g ，J i a n gZ h e n b o ，e ta 1 ．L i q u i dF e r m e n t a t i o nC o n d i t i o n so fB a c i l l u ss u b t i l i s [ J ] ．J o u r n a lo fS h a n g h a i J i a o t o n gU n i v e r s i t y A g r i c u l t u r a lS c i e n c e ，2 00 6 ，2 4 4 3 8 0 3 8 5 ． [ 9 ] B r a d yD ，D u n c a nJR ．B i o a e c u m u l a t i o no fm e t a lc a t i o n sb yS a e c h a r o m y e e sc e r e v i s i a e [ J ] ．A p p lM i c r o b i oB i o t e e h n o l ，1 9 9 4 ，4 1 1 4 9 1 5 4 ． [ 1 0 ] K a p o o rA ，V i r a r a g h a v a nT ．F u n g a lb i o s o r p t i o n - - a na l t e r n a t i v et r e a t m e n to p t i o nf o rh e a v ym e t a lb e a t i n gw a s t e w a t e r s ar e v i e w [ J ] ．B i o r e s o u r e eB i o t e c h n o l o g y ，1 9 9 5 ，5 3 1 9 5 2 0 6 ． [ 11 ] Y uQ i m i n g ，K a e w s a r nP a i r a t ．B i n a r ya d s o r p t i o no fc o p p e ra n dc a d m i u mf r o ma q u e o u ss o l u t i o nb yb i o m a s so fm a r i n ea l g a D u r v i l l a e ap o t a t o r u m [ J ] ．S e p a r a t i o nS c iT e e h n o l ，1 9 9 9 ，3 4 8 1 5 9 5 1 6 0 5 ． [ 1 2 ] 刘恒，王建龙，文湘华．啤酒酵母吸附重金属离子铅的研究[ J ] ．环境科学研究，2 0 0 2 ，1 5 2 2 6 2 9 ． [ 1 3 ] 何宝燕，尹华，彭辉，等．酵母菌吸附重金属铬的生理代谢机理及细胞形貌分析[ J ] ．环境科学，2 0 0 7 ，2 8 1 1 9 4 一1 9 8 ． [ 1 4 ] K a p o o rA n o o p ，V i r a r a g h a v a nT ．H e a v ym e t a lb i o s o r p t i o ns i t e si nA s p e r g i l l u sn i g e r [ J ] ．B i o r e s o u r c eT e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，6 1 3 2 2 l 一2 2 7 ． [ 15 ] Z o u b o u l i sAL ，L o u k i d o uMX ，M a t i s KA ．B i o s o r p t i o no ft o x i cm e t a l sf r o ma q u e o u ss o l u t i o n sb yb a c t e r i as t r a i n si s o l a t e d f r n m m e t a l p o l l u t e ds o i l s [ J ] ．P r o c e s sB i o c h e m i s t r y ，2 0 0 4 ，3 9 8 9 0 9 9 1 6 ． [ 1 6 ] T e w a r iN e e t u ，V a s u d e v a nP ，G u h aBK ．S t u d yo nb i o s o r p t i o no fC r Ⅵ b yM u c o r h i e a l i s [ J ] ．B i o c h e m i c a lE n g i n e e r i n g J o u r n a l ，2 0 0 5 ，2 3 2 1 8 5 1 9 2 ． B i o s o r p t i o no fC a d m i u mf r o mC a d m i u m c o n t a i n i n gE l e c t r o p l a t i n gW a s t e w a t e rb yB a c i l l u ss u b t i l i s D A IS h u - j u a n l 一，W A N GY u - j u a n 3 ．W E ID e ．z h o u 2 ，G A OS h u ．1 i n 9 2 1 ．C o l l e g eo fR e s o u r c e s ＆E n v i r o n m e n t ，H e b e iP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，T a n g s h a n0 6 3 0 0 9 ，H e b e i ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo f R e s o u r c e sa n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 0 0 4 ，C h i n a ； 3 ．Y a n t a iJ i n j i a nD e s i g na n dR e s e a r c hE n g i n e e r i n gL i m i t e dC o m p a n y ，Y a n t a i2 6 4 0 0 0 ，S h a n d o n g ，C h i n a A b s t r a c t T h eb i o s o r p t i o no fc a d m i u mf r o m c a d m i u m c o n t a i n i n ge l e e t r o p l a t i n g w a s t e w a t e r b y B a c i l l u ss u b t i l i si s i n v e s t i g a t e d ，a n dt h ee f f e c t so fs o m ee x p e r i m e n tf a c t o r sa r ed i s c u s s e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea d s o r p t i o nr a t e a c h i e v e da b o v e9 3 ％w i t ht h eo p t i m a lc o n d i t i o nt h a tp Hi s8 ，t h eb a c t e r i aw i t hb i o m a s so fB a c i l l u ss u b t i l i si s10 9 ／L w e tw e i g h t ，w h i s k i n gr e v o l u t i o ni s8 0 0 r ／m i n ，a n da d s o r p t i o nt i m ei sl O m i n ．T h eT h eB a c i l l u ss u b t i l i sh a v e e x p a n d e d ，h a v eb r i g h t e rc o l o r ，a n dh a v es o m ec o n g l u t i n a t i o n sa m o n gc e l l s a f t e ra d s o r p t i o n ．T h ec a d m i u mh a s e x c h a n g e dw i t hN aO i lt h es u r f a c eo fc e l l ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；e l e c t r o p l a t i n gw a s t e w a t e r b i o s o r p t i o n ；B a c i l l u ss u b t i l i s ；c a d m i u m 万方数据