小球藻對水體污染物重金屬Cd的生物吸附研究

1、    小球藻對水體污染物重金屬cd的生物吸附研究    劉忠曉摘要：指出了藻類由于其特殊的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、較高的重金屬富集能力，是理想的生物吸附材料，適用于污染水體的生物修復(fù)。通過研究小球藻在一定重金屬離子濃度環(huán)境中在不同接觸時間下對重金屬cd的吸附情況進行了實驗，確定小球藻對cd的吸附能力；取自然污水，檢測對鎘的吸附，同時對小球藻重金屬生物吸附進行動力學(xué)分析。結(jié)果表明：在100 mg/l cd濃度下，小球藻對鎘的吸附主要在20 min內(nèi)完成，在吸附20 min時，對重金屬cd的吸附效率為86.6%。對自然污水中鎘吸附率最高達到75.8%、69.7%和71

2、.2%。同時對小球藻重金屬吸附的動力學(xué)進行了分析，結(jié)果證明都符合偽一階動力學(xué)方程。關(guān)鍵詞：小球藻；鎘；鉛；銅；吸附：x703：a：16749944（2017）180128031引言隨著工業(yè)化發(fā)展，人類向環(huán)境中排放的污染物重金屬逐漸增多，重金屬污染已成為全球性的環(huán)境污染問題，導(dǎo)致水生生物的生存受到嚴(yán)重威脅。同時重金屬污染物進入水體，參與復(fù)雜的水體生物地球化學(xué)循環(huán)，影響水生生態(tài)環(huán)境，給生態(tài)環(huán)境和人類帶來了極大的危害，限制了可持續(xù)發(fā)展1。如汞、鎘、鉛等會引起急性和慢性中毒，甚至產(chǎn)生致癌作用。目前治理水體重金屬污染，較常見的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法2，物理和化學(xué)方法雖然有效，但是成本高，操作復(fù)

3、雜，并容易造成二次污染。生物法指通過植物或微生物的凝集、吸附、累積等的方法得以去除，現(xiàn)國內(nèi)外廣泛開展藻類對重金屬的凈化效率影響3，藻類具有生長速度快，取材方便，吸附作用快等特點，對水體重金屬污染生物修復(fù)具有較好應(yīng)用前景。藻類細(xì)胞壁的化學(xué)組成成分在重金屬吸附功能上有明顯優(yōu)勢，細(xì)胞壁上的多糖、蛋白質(zhì)等多聚復(fù)合物有與金屬離子結(jié)合的官能團（如羧基、羥基、醛基等）4，5。小球藻（chlorella）為綠藻門小球藻屬普生性單細(xì)胞綠藻，是一種球形單細(xì)胞淡水藻類，直徑38 m，是地球上最早的生命之一。小球藻是一種高效的光合植物，以光合自養(yǎng)生長繁殖，分布極廣。本文以蛋白核小球藻為材料，研究了小球藻對重金屬鎘的吸

4、附作用及其吸附動力學(xué)，為開發(fā)處理水體重金屬污染的新型生物材料提供科學(xué)依據(jù)。2材料與方法2.1藻種與培養(yǎng)基藻種為：核小球藻（chlorella vulgaris），采用bristol培養(yǎng)基進行培養(yǎng)。2.2主要儀器和設(shè)備單人超凈工作臺（zhjh-c1109c）上海智誠分析儀器制造有限公司；多功能酶標(biāo)儀（bio-tek）；電子天平；立式不銹鋼蒸汽滅菌鍋（ldzx-50kbs），上海申安醫(yī)療器械廠；高速離心機；可調(diào)節(jié)烘箱；醫(yī)用冷藏箱（yc-300l），中科美菱；原子吸收分光光度儀，美國熱電。2.3實驗藥品硫酸鎘（cdso4·3h2o）。2.4實驗方法2.4.1鎘儲備液的配制準(zhǔn)確稱取cdso4

5、·3h2o，配制成鎘濃度為1000 mg/l的鎘儲備液，用0.22 m的濾膜過濾，根據(jù)試驗需要將儲備液進行稀釋。2.4.2吸附實驗取重金屬鎘的儲備液，稀釋為100 mg/l，取200 ml加入到500 ml錐形瓶中，紫外光下滅菌30 min，取一定濃度處于對數(shù)生長期的藻液，置于上述錐形瓶中，使藻液濃度為1.0×107cell/ml，調(diào)節(jié)ph值至7.0.將加有藻的含有鎘的三角錐形瓶放在恒溫冷凍振蕩器（速度為150 r/min）中培養(yǎng)，光照35004000lx和溫度25下進行實驗。吸附過程中，于5 min、10 min、20 min、30 min、60 min、120 min、

6、360 min取樣，高速離心（10000 r/min）分離1 min，留上清液，用原子吸收法測定鎘濃度。2.4.3標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制精密吸取鎘的母液各0.1 ml、0.2 ml、0.3 ml、0.4 ml、0.8 ml、1.0 ml、2.0 ml于100 ml容量瓶中，加水定容至刻度，搖勻，配成0、1、2、3、4、8、10、20g/l的系列標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液。分別取2 ml標(biāo)準(zhǔn)溶液，用原子吸收分光光度計，測定并記錄吸光度值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。2.4.4自然污水中，小球藻對重金屬鎘的吸附選取某熱電廠、煉油廠與機械加工廠的水樣，分別測定水中鎘的含量。分別取200 ml加入到500 ml錐形瓶中，每個污水樣設(shè)置3

7、個平行，取一定濃度處于對數(shù)生長期的藻液，置于上述錐形瓶中，使藻液濃度為1.0×107cells/ml，調(diào)節(jié)ph值至7.0.將加有藻的含有鎘的三角錐形瓶放在恒溫冷凍振蕩器（速度為150 r/min）中培養(yǎng)，光照35004000lx和溫度25下進行實驗。2 h后取樣，離心，之后取上清液，測上清液中鎘的含量。2.4.5鎘離子質(zhì)量濃度檢測方法及去除率的計算樣品處理：吸取2 ml藻液倒入離心管中，離心，吸取上清液，利用原子吸收分光光度計檢測其濃度值。樣品中鎘離子質(zhì)量濃度測定：取1 ml水樣進行測定。去除率r計算：r=（po-pt）/po×100%式中：po表示金屬離子的初始質(zhì)量濃度；

8、pt表示金屬離子的初始質(zhì)量濃度。2.4.6動力學(xué)研究動力學(xué)試驗采用200 ml的濃度為100 mg/l的鎘、汞溶液，對樣品在不同吸附時間后的吸附量進行分析，采用傳統(tǒng)的速率表達式計算速率常數(shù)，公式如下：qt=（c0-ct）×v/m式中：qt表示在t時刻的吸附容量（mg/g）；endprintc0表示初始金屬濃度（mg/l）；ct表示在t時刻溶液中的金屬離子濃度（mg/l）；v表示溶液體積（l）；m表示小球藻的質(zhì)量（g）。3實驗結(jié)果3.1小球藻對鎘離子的吸附從圖1可以直觀的看出，小球藻對鎘離子的吸附隨時間變化規(guī)律，隨著培養(yǎng)時間增長，小球藻對鎘的吸附表現(xiàn)出吸附-解吸附-吸附交替的規(guī)律，在6

9、 h后，呈現(xiàn)平衡。在培養(yǎng)生長20 min內(nèi)，鎘離子的濃度下降較快，之后隨著培養(yǎng)時間的延長，鎘離子濃度有所回升，在6 h后，鎘離子濃度趨于平穩(wěn)。在20 min時，小球藻對重金屬鎘的吸附率達到86.6%，在6 h達到平衡后，吸附率達到91.9%.實驗表明，小球藻對重金屬鎘有快速的吸附能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境重金屬污染的生物修復(fù)。3.2自然污水中小球藻對重金屬鎘的吸附選取的某熱電廠、煉油廠與機械加工廠的污水，采樣后，對其鎘濃度進行了測定，測定結(jié)果見表1，在這兩處污水中，小球藻對重金屬鎘的吸附情況見圖2，本次研究得知，在污水中，吸附效率最低分別為75.8%、69.7%和71.2%。3.3動力學(xué)分析在一系列

10、處理中，采用偽一階、偽二階和elovich動力學(xué)模型進行動力學(xué)分析：6qt=qe-qe exp（-k1t）t/qt=（1/k2q2e）+（t/qe）qt=in（）/+ in（t）式中：qe：在吸附平衡時吸附的重金屬的量（mg/g）；qt：在t時間時吸附的重金屬的量mg/g）；k1：偽一級反應(yīng)速率常數(shù)；k2：偽二級反應(yīng)常數(shù)；：初始吸附速率常數(shù)；：解吸速率常數(shù)。對鎘的吸附取得的數(shù)據(jù)用偽一階、偽二階和elovich動力學(xué)模型進行擬合。非線性回歸軟件（polymath）用來確定模型參數(shù)合相關(guān)統(tǒng)計指標(biāo)如相關(guān)系數(shù)和均方誤差。表2列出了在鎘濃度為100 mg/l中吸附至平衡的吸附動力學(xué)的關(guān)鍵參數(shù)。從表中可以

11、得出，偽一階動力學(xué)方程比elovich模型更加符合小球藻的生物吸附。4結(jié)論通過以上分析和實驗數(shù)據(jù)表明，小球藻對重金屬鎘具有生物吸附能力，可達到對重金屬鎘的快速吸附。在20 min時達到較大的吸附，在360 min時達到吸附平衡，即小球藻對重金屬鎘的吸附過程經(jīng)歷了細(xì)胞表面的快速吸附以及內(nèi)部的緩慢吸附兩個過程。藻類吸附重金屬可在細(xì)胞表面通過多重途徑，如通過與細(xì)胞壁上的多糖進行離子交換7，隨著培養(yǎng)時間的延長，吸附率逐漸穩(wěn)定，細(xì)胞表面吸附的重金屬向細(xì)胞內(nèi)部緩慢遷移，稱為主動運輸或生物積累8，在本次研究中，吸附20分鐘時，吸附效率達到86.6%，達到吸附平衡后，吸附效率達到91.9%。實驗證明，小球藻對

12、重金屬鎘有較強的吸附效率。本次實驗研究，選取的某熱電廠、煉油廠及機械加工廠三處的污水，小球藻對鎘的吸附效率分別達到75.8%、69.7%和71.2%，吸附率稍有下降。在污水中，除了鎘離子，還有其它的重金屬離子，形成競爭吸附，造成對鎘離子的吸附量的下降。通過實驗，小球藻不僅在試驗條件下有較高的吸附效率，在自然污水同樣具有較好的吸附效率，藻類對污水的重金屬污染的生物修復(fù)有極大的應(yīng)用潛能。同時，動力學(xué)研究，為獲得工業(yè)規(guī)模批次的最佳操作條件的吸附過程提供了基礎(chǔ)。參考文獻：1李永華，王五一，楊林生，等. 汞的環(huán)境生物地球化學(xué)研究進展j.地理科學(xué)進展，2004，23（6）：3340.2鄭彤，杜兆林，賀玉強

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