銅在啤酒酵母菌中的吸附

銅在啤酒酵母菌中的吸附

啤酒酵母的功能生物材料可以用于去除或回收環(huán)境中的重金屬。由于來源廣泛、價格低廉，大量普通離子（k-、na-、ca2-、mg-2-和cl-）對吸收和吸收非常有效。它對去除水中的重金屬具有經(jīng)濟意義。啤酒酵母作為發(fā)酵的副產(chǎn)物,對重金屬有好的吸附作用?；瘜W修飾技術(shù)在表示官能團結(jié)合金屬的特征方面有很大的應(yīng)用價值。原子吸收光譜在測定重金屬時靈敏度高,測定方法簡單,紅外光譜在鑒定官能團存在與否及推斷重金屬的吸附機理等方面起重要作用。掃描電鏡技術(shù)可用于判斷表面的狀態(tài)及表面元素構(gòu)成。本文利用紅外光譜和掃描電鏡技術(shù)對酵母菌吸附Cu2+前后進行了表征和比較,測定了化學修飾后酵母菌對銅的吸附量,并初步探討了酵母菌吸附Cu2+的機理。1材料和方法1.1pe-1330ftirAAanalyst300型火焰原子吸收分光光度計(Perkin-Elmer),傅里葉-紅外光譜儀(PE-1710FTIR),掃描電子顯微鏡/X射線能量色散分析儀JEOL6335F-SEM/JEOL(JSM-5600-OXFORDEDS),SHZ-82型水浴恒溫振蕩器(江蘇太倉醫(yī)療器械廠),800型離心機(上海手術(shù)器械廠)。無水甲醇,濃鹽酸,甲醛,硝酸銅,丙酮等,均為分析純。1.2酵母菌的活性酸洗啤酒酵母:將啤酒酵母(取自奧克啤酒廠)經(jīng)4.5μm微孔濾膜抽濾,先用去離子水洗一次,然后用1%鹽酸溶液洗,再用去離子水洗去營養(yǎng)離子,于烘箱中60℃烘2h,取出放在冰箱中備用。丙酮處理酵母:將酸洗酵母菌用丙酮浸泡24h后,再用去離子水洗去丙酮,放于恒溫箱中60℃烘干。丙酮處理主要是溶解細胞內(nèi)的有機物質(zhì),獲得酵母菌的細胞壁。氫氧化鈉處理酵母:將酸洗酵母菌用0.1mol·L-1的NaOH浸泡酵母菌24h,再用去離子水洗去多余的NaOH,放于恒溫箱中60℃烘干。經(jīng)過NaOH處理后,可以使酵母菌上的酯基發(fā)生堿性水解,水解出羧基和羥基。羧基酯化:將酸洗過的酵母菌用甲醇和鹽酸進行酯化24h。再用去離子水洗掉未反應(yīng)完全的甲醇和鹽酸,放于恒溫箱中60℃烘干。處理過程中發(fā)生的化學反應(yīng)為R—COOH+CH3OH→H+RCOOCH3+H2O(1)R—CΟΟΗ+CΗ3ΟΗ→Η+RCΟΟCΗ3+Η2Ο(1)所以經(jīng)過酯化處理后,酵母菌細胞壁上的羧基將會減少,變?yōu)轷セ０被谆?把用去離子水洗過的酵母菌,用甲酸和甲醛浸泡攪拌24h,其反應(yīng)方程式為R—NH2+2HCOOH+2HCHO→R—N(CH3)2+2CO2+2H2O(2)R—ΝΗ2+2ΗCΟΟΗ+2ΗCΗΟ→R—Ν(CΗ3)2+2CΟ2+2Η2Ο(2)待反應(yīng)完全后,再用去離子水洗去過量的甲酸和甲醛。用此方法處理后,酵母菌上的—NH2被掩蓋,即2個H原子被2個—NH2取代。1.3酵母菌的吸附量計算cu2+mq稱取一定質(zhì)量的酵母菌于50mL錐形瓶中,加入20mL不同濃度的Cu2+溶液,振蕩后取部分溶液離心,測定上清液中Cu2+的濃度,并依下式計算酵母菌的吸附量q=(c0V0?cV)×10?3/mq=(c0V0-cV)×10-3/m式中,c0為加入的Cu2+標準溶液的濃度(mg·L-1),V0為標準溶液的體積(mL),c為吸附達平衡后溶液中Cu2+的濃度(mg·L-1),V為進行吸附時溶液的體積(mL),m為發(fā)生吸附時酵母菌的質(zhì)量(g),q為吸附量(mg·g-1),即單位質(zhì)量的酵母菌吸附Cu2+的量。1.4光譜、標準曲線波長234.8nm,燈電流15mA,光譜通帶0.7nm,乙炔流量1.5L·min-1,空氣流量7.5L·min-1,線性范圍0.05～5.0mg·L-1。1.5量仿真分析分別對吸附Cu2+前后的酵母菌進行紅外光譜分析和掃描電鏡和X射線能量色散分析儀(SEM/EDS)。AAS(原子吸收光度法)用于測定吸附前后溶液中的Cu2+濃度,FTIR用于研究酵母菌表面的化學官能團,SEM/EDS用于測定酵母菌細胞表面形態(tài)和判斷細胞壁的元素構(gòu)成。2結(jié)果和討論2.1酵母復合菌對cu2+的吸附酵母菌能吸附重金屬離子,主要是因為其細胞壁上含有一些能結(jié)合金屬離子的基團,如羧基,羥基和氨基等。為了提高吸附效率和選擇性,鑒定吸附Cu2+的官能團非常重要。為了研究是哪些官能團參與了酵母菌的吸附,并進一步探討酵母菌對Cu2+的吸附機理,采用堿性水解、酯化、丙酮處理、掩蔽氨基等不同的化學方法對酵母菌進行了修飾處理,研究其對Cu2+的吸附作用,實驗結(jié)果見圖1。以酸化酵母菌對Cu2+的吸附量作為參照,由圖1發(fā)現(xiàn):(1)酵母菌經(jīng)丙酮處理后,吸附效果明顯提高。將酵母菌浸泡于丙酮中后,能對酵母菌的細胞壁濃縮提取,使得單位質(zhì)量的吸附劑中細胞壁的含量增高。而實驗結(jié)果表明吸附劑的吸附能力大大提高,說明了細胞壁對酵母菌吸附Cu2+起著重要的作用。(2)酵母菌用氫氧化鈉處理后,吸附量也是明顯增大。在堿性條件下,有機化合物中的酰胺鍵及酯鍵發(fā)生水解,水解出氨基、羥基和羧基等。酵母菌用氫氧化鈉處理后,吸附能力也大大提高了,說明經(jīng)堿處理后,細胞表面結(jié)合Cu2+的官能團或活性吸附點的數(shù)量增加。(3)將酵母菌進行酯化處理后,吸附量明顯下降。酵母菌細胞壁上的羧基將會被掩蔽,而酯對Cu2+的吸附能力遠小于羧基,因此引起吸附量降低,說明了羧基在酵母菌吸附Cu2+的過程中有著重要的作用。通過酸度對吸附的影響研究表明,pH小于3時,酵母菌對Cu2+的吸附量顯著降低,說明酸度低時,H+在與Cu2+競爭時占優(yōu)勢,引起吸附量下降。該結(jié)果說明酵母菌吸附Cu2+的機理之一為離子交換。但是在pH為1時(此時氨基將質(zhì)子化),盡管酵母菌的吸附量下降,但其吸附量不為零,說明Cu2+的吸附還有其他機理。(4)將酵母菌細胞壁上的氨基甲基化后,由反應(yīng)方程式(2)可以看到,酵母菌細胞壁上氨基(—NH2)中的兩個氫原子被甲基替代,使得酵母菌的吸附量也是明顯降低,吸附量與酯化后的相當。這就證明在酵母菌吸附Cu2+時,可能與氨基與絡(luò)合,參與了吸附過程。氨基上的氮原子有孤對電子,而過渡金屬離子如Cu2+有空軌道,能形成配位鍵,同時又是軟酸或交界酸,容易形成共價化合物,因此絡(luò)合作用也是酵母菌吸附Cu2+的機理之一。2.2啤酒酵母菌生物活性成分吸附Cu2+前后的酵母菌的紅外光譜圖如圖2所示。啤酒酵母直徑1～5μm,長度5～30μm,其細胞壁含有葡聚糖、甘露醇糖、蛋白質(zhì)及脂類。啤酒酵母還含有幾丁質(zhì)(N-乙酰葡萄糖胺,以1,4葡萄糖苷鍵連接的多聚體)。由圖2可以看出其紅外光譜圖非常復雜,說明了酵母菌組成的復雜性。在整個波數(shù)范圍內(nèi)均有明顯的吸收,使得某些峰未能表現(xiàn)出來,一些不太靈敏的吸收峰被掩蓋。酵母菌的紅外光譜圖主要由幾丁質(zhì)(Chitin)的羥基和仲胺(RNHCOCH3)中N—H的伸縮振動峰(3391cm-1)、蛋白質(zhì)的特征吸收峰(1652,1539,1237cm-1),甲基和亞甲基的吸收峰(2926,1456cm-1)啤酒酵母中的RNA,DNA或細胞壁中存在的碳水化合物或醇中的C—O伸縮振動峰(1073cm-1)組成。研究表明,酵母菌經(jīng)酯化后,酯羰基(1744cm-1)和甲氧基(1454cm-1)的吸收程度增加,在1400cm-1處的吸收減小,說明用鹽酸-甲醇處理酵母菌發(fā)生了羧基的酯化反應(yīng)。紅外光譜分析可用于確定生物吸附的官能團,酵母菌吸附Cu2+后,羧基的C—O伸縮振動峰發(fā)生位移,由1405cm-1移至1383cm-1,強度減弱。這種位移歸屬于與羧基陰離子結(jié)合的陽離子的不同。羥基或氨基的伸縮振動峰由3392cm-1移至3404cm-1,相對于1652cm-1處的蛋白質(zhì)的特征峰強度,吸咐Cu2+后3404cm-1處的吸收強度增加,可能是由于部分羥基或氨基參與了吸附,使得形成的氫鍵部分斷開,引起伸縮振動最大峰位移。這2種位移說明在吸附重金屬離子時,羥基,氨基和羧基參與了吸附作用。蛋白質(zhì)的2個強吸收峰(1652,1539cm-1)及碳水化合物的某些吸收峰,在吸附Cu2+前后其相對強度幾乎未受影響,表明吸附Cu2+后酵母菌的主要成份和結(jié)構(gòu)仍保持完整。2.3酵母菌表面元素圖3為吸附Cu2+前后酵母菌的SEM,圖4為吸附Cu2+后酵母菌的EDS圖。由圖3看出,酵母菌表面不平整,表面積較大,可以作為吸附劑。比較吸附Cu2+前后的SEM,兩者無明顯區(qū)別,可能是因為酵母菌的吸附量不大,沒有引起酵母菌表面發(fā)生明顯的狀態(tài)改變。Raize研究海洋藻類對金屬離子的吸附時,通過SEM發(fā)現(xiàn)吸附重金屬離子后,藻類細胞萎縮,邊緣拉直,原因可能是由于藻類細胞的吸附能力較大。由圖4看出,酵母菌表面主要組成元素為碳氧鎂(EDS僅測定原子序數(shù)大于11的元素)。盡管酵母菌經(jīng)過了酸洗,但由圖4看出,其表面仍有Mg存在,說明Mg作為酵母菌生長所需的營養(yǎng)元素,一部分作為酶或其他組成的組成部分,使得酸洗并不能將這部分Mg洗出。EDS分析表明,酵母菌表面結(jié)合有少量的Cu,這與表1中酵母菌對Cu2+的吸附量較小的結(jié)果一致。2.4氧漂后細胞的性質(zhì)和性質(zhì)分子推動cu2+的發(fā)揮微生物結(jié)構(gòu)的復雜性致使其有多種吸附Cu2+的途徑。死體生物材料吸附重金屬的機理包括沉淀,物理吸附,離子交換和絡(luò)合作用。死細胞結(jié)合Cu2+主要由生物材料上的基團,尤其是占細胞干重比例較大的細胞壁上的官能團的作用。掩蔽羧基和氨基均使得生物吸附量顯著下降,說明氨基和羧基在酵母菌吸附Cu2+時起著重要作用。離子強度和