文章编号：1004-0609(2010)04-0788-07

面包酵母菌在铅铜模拟废水中的吸附动力学

代群威^{1, 2}，董发勤¹，M. J. NOONAN³，张  伟¹

 (1. 西南科技大学 固体废物处理与资源化教育部重点实验室，绵阳 621010；

2. 西南科技大学 环境与资源学院，绵阳 621010；

3. 林肯大学 农业与生命科学系，新西兰 基督城8006)

摘  要：探讨模拟重金属Pb²⁺-Cu²⁺混合废水中面包酵母菌的动力学吸附行为和各离子间的点位竞争吸附过程。选择面包酵母菌为吸附剂，分别对不同的Pb²⁺-Cu²⁺废水进行动力学吸附分析和二级动力学模型计算，同时，也进行SEM/EDS分析。结果表明：在最初60 min时，酵母菌对Pb²⁺-Cu²⁺废水中离子已有较好的吸附效果，在整个动力学吸附过程中，酵母菌对废水中离子的吸附关系总是存在＞＞。二级动力学方程计算结果显示：在Cu²⁺竞争胁迫环境下，增大Cu²⁺的比例使酵母菌对Pb²⁺的吸附速率更快，也证明Pb²⁺在吸附点位竞争过程中的明显优势，EDS测试结果也证实这点。SEM分析发现：酵母菌吸附Cu²⁺和Pb²⁺后，菌体出现不规则变形并遭受一定的破坏，有内部物质外泄现象。酵母菌对Cu²⁺和Pb²⁺都有一个快速吸附过程，相对而言其对Pb²⁺的吸附更具优势。

关键词：环境保护；铅；铜；废水；面包酵母菌；生物吸附；动力学

中图分类号：X703　　     文献标志码：A

Biosorption kinetics of Baker’s yeast in lead and copper waste water

DAI Qun-wei^{1, 2}, DONG Fa-qin¹, M. J. NOONAN³, ZHANG Wei¹

 (1. Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Resource Recycle, Ministry of Education,

Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;

2. School of Environment and Resource, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;

3. Agriculture and Life Science Division, Lincoln University, Christchurch 8006, New Zealand)

Abstract: The kinetics biosorption behavior of Baker’s yeast in the simulation heavy metal waste water of Pb²⁺-Cu²⁺ was investigated. The autoclaved Baker’s yeast was chosen as a biosorbent, and then the kinetics biosorption process and second-kinetics model were analyzed, respectively. The results show that there is very good biosorption effect at first 60 min. At the same initial concentration for heavy metal ions, there are the relations: ＞＞. The second-kinetics biosorption model’s analysis shows that the biosorption speed to Pb²⁺ becomes rapid with the initial concentration of Cu²⁺ increasing, proving that there is obvious advantage to Pb²⁺ in the biosorption sites competition process. And the analysis results of EDS approve it also. The analysis of SEM shows that the Baker’s yeast cells are broken after the biosorption of Pb²⁺ and Cu²⁺ ions. The toxicity of heavy ions to yeast cells makes the cells distort and break. The cytoplasm leaks out from the yeast cells. The biosorption of baker’s yeast to Pb²⁺ and Cu²⁺ is a rapid and preferable process, and there is a more obvious advantage for Baker’s yeast to Pb²⁺ than Cu²⁺.

Key words: environmental protection; copper; lead; waste water; Baker’s yeast; biosorption; kinetics

冶金工业废水中含有大量的Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺和Cd²⁺等重金属类有害物质，其浓度通常接近200~500 mg/L，远远高于允许排放的标准，因此，寻求如何从工业废水中去除重金属离子成为一项重要的工作。传统的处理方法主要包括化学沉淀^[1]、离子交换^[2]、膜分  离^[3]、蒸发^[4]和电化学处理^[5]等。针对这些方法存在耗能高、效率低以及成本高等不足和日益严重的重金属污染现状，近年来一些国内外学者对不同生物吸附剂对废水中重金属的吸附效果和机理进行了相关探讨。目前，人们已经利用细菌、真菌和藻类等不同类型的微生物吸附剂对Cu²⁺、Pb²⁺、Cr⁶⁺和Zn²⁺等重金属离子的吸附条件、吸附效果和吸附机理进行了探讨^[6-10]。其中，利用微生物吸附剂对Pb²⁺和Cu²⁺进行吸附处理的研究有较多报道^[11-13]。酵母菌被广泛应用于食品和饮料工业，工业废弃酵母具有廉价、来源稳定、量大、易于获得和安全的特点，有利于生物吸附的工业化应用^[14-15]。目前，已有酵母菌对Pb²⁺和Cu²⁺的单离子和双离子的吸附研究^[15]。然而，目前有关多离子废水中不同重金属离子间复杂的相互竞争对于酵母菌及其它生物吸附剂的吸附过程的影响机理还不十分清楚，且研究者多集中探讨废水中其它离子对某单一离子的吸附性能的影响，忽略了生物吸附剂对多离子废水中离子总吸附能力的变化情况的研究。

本文作者选择灭活面包酵母菌作为吸附剂，对含Pb²⁺-Cu²⁺废水的吸附动力学过程进行探讨，研究两种离子相互作用的同时，将两种离子单独或共同存在时酵母菌的总体吸附能力进行对比，进一步探讨面包酵母菌对Pb²⁺和Cu²⁺的吸附能力及其对重金属的总体吸附能力，为研究多离子废水复杂的生物吸附机理提供参考，也为进一步研究更为复杂液相中酵母菌的吸附行为和实际应用提供参考。

1  实验

1.1  材料的准备

面包酵母菌(碧琪食品出口有限公司生产(瑞士))在0.15 MPa、125 ℃下灭活20 min，然后在干燥箱中于60 ℃下干燥24 h，取出装瓶并放入干燥皿中备用。Cu(NO₃)₂和Pb(NO₃)₂为分析纯。

1.2  实验方法

分别称取一定量的Cu(NO₃)₂、Pb(NO₃)₂溶解于无菌水中，配制成10.0 mmol/L的Cu²⁺溶液和10.0 mmol/L的Pb²⁺溶液。实验时将两种离子溶液分别依次梯度稀释或按要求配比后稀释，获得所需相应的单离子废水和Cu²⁺-Pb²⁺的双离子废水。pH值用0.5 mol/L的HNO₃和NaOH调节，为减少外加阳离子对吸附过程的影响，在pH调节过程中，尽量只用HNO₃缓慢调节。

实验选用面包酵母菌的初始浓度为4.0 g/L，溶液初始pH为4.5，吸附温度为30 ℃，振荡速度为150 r/min，平衡吸附时间为1 440 min。实验时，根据已配制好的重金属离子废水，分别将一定量面包酵母菌加入装有100 mL实验所需溶液的250 mL锥形瓶中，放入振荡器中振荡，每次取样2 mL，取出后在盖玻片上滴加混合液样品制备SEM测试样；剩余样品立即在  4 000 r/min、4 ℃条件下离心8 min，取上清液适当稀释，并按样品体积比例的1%添加浓硝酸后于4 ℃下保存为AAS试样，待测；所得沉淀用无菌蒸馏水反复洗涤并离心3次后收集，在45 ℃下烘干24 h作为EDS试样。

实验中重金属离子的质量浓度用AAS测定，换算成摩尔浓度后，酵母菌的吸附量和吸附效率用下式表示：

1.3  主要仪器和设备

主要仪器和设备有AA700型原子吸收光谱仪(AAS，美国)，LEO S440型扫描电子显微镜(SEM，英国)，X射线能谱联用仪(EDS，美国)和Lab-Line型振荡器(美国)，Varifuge 3.0R型离心机(德国)。

2  结果与分析

2.1  Cu²⁺初始浓度对酵母菌吸附动力学的影响

图1所示为Pb²⁺-Cu²⁺废水中Pb²⁺的初始浓度为2.0 mmol/L情况下，Cu²⁺的初始浓度对酵母菌吸附Cu²⁺和Pb²⁺的影响。由图1(a)可看出，在整个吸附过程中，酵母菌对Cu²⁺的单位吸附量基本上是随着Cu²⁺初始浓度的增加而增大；且在吸附反应初期，随着吸附反应的进行，酵母菌对Cu²⁺的单位吸附量有一个快速增加过程，并在吸附进行到60 min时，达到最大。而随着吸附时间的继续延长，酵母菌对Cu²⁺的吸附量出现了下降，且这种变化随着Cu²⁺初始浓度的提高而表现得尤为明显。例如，当Cu²⁺的初始浓度为4.0 mmol/L时，吸附进行到60 min时的吸附量和吸附效率分别为0.221 mmol/g和20.14%；当吸附进行到1 440 min时，吸附量和吸附效率分别为0.137 mmol/g和12.51%。在吸附进行到1 440 min，Cu²⁺初始浓度为0.5、1.0、2.0和4.0 mmol/L时，酵母菌对Cu²⁺的吸附量分别为60 min时的1.23、0.80、0.72和0.62倍。由图1(b)可以看出，对于Pb²⁺吸附，随着废水中Cu²⁺初始浓度的增加，其对酵母菌吸附Pb²⁺的抑制作用逐渐增强。当吸附反应进行1 440 min时，吸附动力学达到平衡，q_t分别为0.243、0.203、0.182和0.141 mmol/g，吸附效率分别为54.79%、45.79%、41.05%和31.90%。

图1  Cu²⁺的初始浓度对酵母菌吸附Cu²⁺和Pb²⁺的影响

Fig.1  Effects of initial concentration of Cu²⁺ on biosorption of Cu²⁺ (a) and Pb²⁺ (b) by Baker’s yeast

2.2  Pb²⁺的初始浓度对酵母菌吸附动力学的影响

图2所示为Pb²⁺-Cu²⁺废水中Cu²⁺的初始浓度为2.0 mmol/L情况下，Pb²⁺的初始浓度对酵母菌吸附Pb²⁺和Cu²⁺的影响。由图2(a)可看出，酵母菌对Pb²⁺的吸附随着其初始浓度的增加而增大，且在1 440 min时达到吸附最大值，此时不同Pb²⁺初始浓度下的q_t分别为0.048、0.114和0.182 mmol/g，吸附效率分别为43.46%、45.56%和41.05%。由图2(b)可看出，在不同Pb²⁺初始浓度下，酵母菌对Cu²⁺的吸附在不同Pb²⁺的初始浓度下，分别在480、300和180 min后出现了降低现象，说明在双离子废水中，Cu²⁺与Pb²⁺的点位竞争过程中Pb²⁺更占优势。在经过初期点位占据后，Pb²⁺逐渐替代掉已在酵母菌上占据点位的Cu²⁺，使得部分Cu²⁺重新游离到溶液中。随着Pb²⁺初始浓度的增加，废水中参与对Cu²⁺点位竞争的Pb²⁺数量增大，使得Pb²⁺的竞争优势更能快速表现出来，从而使得酵母菌对Cu²⁺的最大吸附量出现的时间逐渐缩短。

图2  Pb²⁺的初始浓度对酵母菌吸附Pb²⁺和Cu²⁺的影响

Fig.2  Effects of initial concentration of Pb²⁺ on biosorption of Pb²⁺ (a) and Cu²⁺ (b) by Baker’s yeast

2.3  废水总离子的动力学分析

图3所示为Pb²⁺-Cu²⁺废水中总离子浓度分别为1.0和2.0 mmol/L时酵母菌的离子吸附与Pb²⁺和Cu²⁺单离子废水初始离子浓度分别为1.0 mmol/L和2.0 mmol/L时的对比情况。由图3可看出，两种情况下的吸附反应在1 440 min时基本达到平衡，且在整个吸附动力学过程中都存在＞＞。当各废水总离子浓度为1.0 mmol/L时，酵母菌在Pb²⁺单离子废水的吸附在480 min时已基本达到平衡；而在Cu²⁺单离子废水和Pb²⁺-Cu²⁺双离子废水中，在吸附进行480 min后，酵母菌的吸附能力还有明显增加。此现象在各废水总离子浓度为2.0 mmol/L的情况下表现不明显，可能是由于在高离子浓度情况下，废水中离子数量相对于点位数量的比值较大，离子占据吸附点位的速度加快而使基本吸附平衡的时间缩短。

图3  废水中总离子的吸附动力学分析

Fig.3  Biosorption kinetics analysis of Baker’s yeast to total ions: (a) c₀=1.0 mmol/L; (b) c₀=2.0 mmol/L

另外可以看出，在整个动力学吸附过程中，Pb²⁺-Cu²⁺废水离子吸附总量总是处于Pb²⁺和Cu²⁺的单离子废水离子吸附量之间，表明废水中Cu²⁺的加入对Pb²⁺的吸附存在严重影响，不仅降低了Pb²⁺的吸附量，也同时降低了整体离子吸附量。由此可以认为，酵母菌对重金属离子吸附的选择能力是Pb²⁺大于Cu²⁺。

式(1)和(2)为离子络合反应，式(3)为离子交换反应。在双离子废水中吸附的最初阶段，菌体吸附点位相对充足，两种离子优先直接与菌体吸附点位进行络合作用。当反应进行到一定时间后，吸附点位已被离子大量占据，点位数相对不足。在这种情况下，点位竞争能力强的离子开始显示优势，一定程度上交换部分其它已吸附离子，继续缓慢占据点位，而同时也导致其它离子吸附量的相对降低。因此，对于多离子废水，并不是吸附反应进行的时间越长，效果越好。例如，在实验设定不同初始浓度下，对于总浓度为2.0 mmol/L的Pb²⁺-Cu²⁺废水中酵母菌对Cu²⁺的吸附在60 min能达到较好的吸附效果，而随着吸附时间的延长，酵母菌对Pb²⁺吸附量增加的同时使其对Cu²⁺的吸附量有所降低。在实际工程应用过程中，我们可以用分步吸附法进行处理，先在短时间内优先对Cu²⁺进行吸附处理，然后在用酵母菌对剩余离子进行再处理。

2.4  二级动力学过程分析

动力学研究是工艺设计的基础，并有助于探讨吸附机理。生物吸附重金属离子的过程，其线性相关强于一级速率方程的，常常用准二级速率方程来描述：

以上公式中：k₂为速率常数，g/(mg?min)；q_e为平衡吸附剂单位质量的金属离子吸附量，mg/g；q_t为t时刻吸附剂的单位质量的金属离子吸附量，mg/g；h为吸附初始速率，mg/(g?min)。

表1所列为Pb²⁺-Cu²⁺废水中酵母菌二级动力学模型的计算结果。由表1可以看出，废水中酵母菌的动力学二级吸附模型计算结果中R达0.994，表明其拟合效果都比较好，说明反应过程中限速步骤是化学吸附过程^[16-17]。对不同Pb²⁺-Cu²⁺废水中酵母菌吸附Cu²⁺的模拟计算结果显示，除了废水中Cu²⁺初始浓度为0.5 mmol/L以外，其他几种初始浓度下所计算的K₂和h都出现负值现象，这表明酵母菌对废水中Cu²⁺的吸附在这几种Cu²⁺的初始浓度下在整个废水吸附平衡前就已经达到最大值，并在此后，吸附量出现下降，从而使得其计算结果出现负值。这也与图1(a)和图2(b)的结果一致。因此，对于Pb²⁺-Cu²⁺废水，对Cu²⁺的处理要比对Pb²⁺的处理速度快，也就是对Cu²⁺的处理不宜与对Pb²⁺的处理一样具有较长的时间。对于Pb²⁺，在Pb²⁺初始浓度为0.5 mmol/L的废水中，随着Cu²⁺初始浓度的增加，在酵母菌对废水中Pb²⁺的吸附过程中，K₂和h逐渐增大，表明在Cu²⁺竞争胁迫环境下，Cu²⁺的比例增大使酵母菌对Pb²⁺的吸附速率显得更快，也证明了Pb²⁺在吸附点位竞争中的明显优势。

表1  Pb²⁺-Cu²⁺废水中酵母菌二级动力学模型的计算结果

Table 1  Calculation results of second-kinetics biosorption model to different waste waters of Pb²⁺-Cu²⁺

2.5  SEM和EDS分析

图4所示为面包酵母菌与Pb²⁺-Cu²⁺双离子废水中重金属离子作用前、后的SEM像。由图4可以看出，作用前，面包酵母菌表面光滑，菌体上有少量细小黏附物(见图4(a))；作用1 440 min后，菌体表面覆盖的黏附物大大增加，菌体出现不规则变形，也发现菌体外有大量片状、网状物质(见图4(b))。这是否为菌体细胞破裂后，残余细胞壁和内部物质外泄并与Cu²⁺和Pb²⁺等离子形成的络合物质，还需进一步研究，这有可能是造成菌体表面黏附物增多的原因之一。由此可以看出，在酵母菌对重金属离子吸附过程中，菌体同时也遭受一定程度的破坏。

图5所示为在不同离子废水中酵母菌吸附24 h后的EDS分析。由图5(a)和(b)可年看出，在面包酵母菌分别吸附Cu²⁺和Pb²⁺后，出现明显的Cu²⁺和Pb²⁺的吸收峰。由图5(c)可以看出，在该废水中，Pb²⁺和Cu²⁺的吸收峰高都有降低，特别是Cu²⁺的降低更为明显。由于Pb²⁺的加入，酵母菌吸附到菌体上的Cu²⁺和Pb²⁺都明显没有单离子废水中的多，进一步说明在实验浓度下，Pb²⁺与Cu²⁺相互都有明显的抑制作用，且Pb²⁺和Cu²⁺在吸附点位竞争过程中，前者占优势，这也与前面动力学分析中已有结论相符。

图4  Pb²⁺-Cu²⁺废水中酵母菌吸附前和吸附1 440 min后的SEM像

Fig.4  SEM images of Baker’s yeast in waste water of Pb²⁺-Cu²⁺ before adsorption (a) and after absorption for 1 440 min (b)

图5  不同离子废水中酵母菌吸附24 h后的EDS分析

Fig.5  EDS analyses of Baker’s yeast after absorption for 24 h in different ions systems: (a) Cu²⁺; (b) Pb²⁺; (c) Pb²⁺-Cu²⁺

3  结论

1) 在整个动力学吸附过程中，最初60 min时，酵母菌对各离子的吸附已经达到较好的吸附效果，酵母菌对不同离子废水的吸附关系存在＞＞，表明废水中Cu²⁺的加入对于Pb²⁺的吸附存在严重影响，不仅降低了Pb²⁺的吸附量，也同时降低了整体离子的吸附量。

2) 二级动力学方程计算结果显示，随着Cu²⁺浓度的增加，酵母菌对Pb²⁺的吸附速率常数K₂与h逐渐增大，说明在Cu²⁺竞争胁迫环境下，Cu²⁺的比例增大使酵母菌对Pb²⁺的吸附速率显得更快，也证明Pb²⁺在吸附点位竞争过程中有明显优势，EDS测试结果也证实了这点。

3) SEM分析发现，酵母菌吸附Cu²⁺和Pb²⁺后，菌体出现不规则变形并遭受一定的破坏，菌体外有大量片状、网状物质，这也可能是造成菌体表面黏附物增多的原因之一。

4) 酵母菌对Cu²⁺和Pb²⁺都有一个快速吸附过程，相对而言其对Pb²⁺的吸附更具优势。

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(编辑  李艳红)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(10776027)；科技部欧盟国际合作专项资助项目(06zg0101)

收稿日期：2009-04-14；修订日期：2009-07-13

通信作者：董发勤，教授，博士；电话：0816-6089013；E-mail：fqdong@swust.edu.cn