胡学伟,李 姝,荣 烨,李 媛(.昆明理工大学环境科学与工程学院,云南 昆明 650500；.昆明理工大学现代农业工程学院,云南 昆明 650500)

不同EPS组成生物膜对Cu2+吸附的研究

胡学伟1*,李 姝1,荣 烨2,李 媛1(1.昆明理工大学环境科学与工程学院,云南 昆明 650500；2.昆明理工大学现代农业工程学院,云南 昆明 650500)

采用自行设计的反应器,通过调节培养液的配比对载体进行挂膜,得到蛋白质和多糖含量比分别为7:1、5:1和10:1的3种生物膜作为吸附剂,用其对Cu2+进行吸附试验,同时对吸附机理进行探讨.结果表明,培养8d后,生物膜可挂膜成熟,在C/N=12时,生物膜上的菌落数较C/N=4和C/N=37条件下多.PN/PS值越小,生物膜对铜的吸附量越高,EPS3对Cu2+的吸附量分别高出EPS17.37 %, EPS27.62%.在生物膜吸附Cu2+后,溶液中Ca2+、Mg2+、K+含量明显升高,表明离子交换对生物膜吸附Cu2+起主要作用,且Cu2+更易与Ca2+和Mg2+产生离子交换作用.当KNO3浓度在0.1～0.6mol/L之间,随着离子强度的增加,生物膜吸附Cu2+的量迅速减少,当KNO3浓度大于0.6mol/L时,生物膜对Cu2+吸附量的变化趋于平缓,说明生物膜对Cu2+的吸附同时包括离子交换吸附和化学吸附.

生物膜；胞外聚合物；碳氮比；铜

铜对低等生物和农作物毒性较大,其浓度达0.1～0.2mg/L时可使鱼类致死,过量的铜也会危害人体健康,但重金属在自然环境中不易降解,探寻高效易得的方法去除重金属是目前的研究热点[1-4].生物膜法是一种高效的污水处理方法,是利用附着生长在某些载体表面的微生物进行污水处理的方法.生物膜法具有产泥量少、生物膜相丰富、操作稳定等优点.生物膜是微生物的聚集地,它被微生物细胞和其胞外多聚物所填充,其内部被形成的空隙分割,孔隙中充满了营养底物或低浓度的胞外聚合物,空隙之间彼此相连通,构成“异质镶嵌”和“蘑菇或郁金香”模型,成为营养物质、信息传递等现象发生的场所[5-6].微生物的EPS主要成分是多糖、蛋白质、腐植酸等[7],其上含有大量的官能团,如羧基、氨基、羟基等,这使得生物膜吸附重金属具有可行性[8-9].实际工业废水都具有较高的盐度,多为多种金属离子的共存体系,因此,有必要确定离子强度的增加对吸附的影响,对设计高效的重金属废水处理系统有一定的帮助[10].本文研究了不同培养条件下,生物膜胞外聚合物的成分组成情况及其对 Cu2+吸附行为效果对比,并考察了在不同离子强度条件下,生物膜吸附Cu2+的规律研究,以期为应用生物膜处理铜污染废水处理提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验装置

采用自行设计、间歇运行方式的反应器对载体进行挂膜,其尺寸为长 440mm×宽 330mm×高240mm 的有机容器,有效容积为 34.85L.将150mm× 150mm的玻璃板用3%～5% HNO3浸泡24h后,用去离子水清洗2遍,置于钢架上采用排泥法挂膜.运行前,向3个相同的反应器中各自加入污泥浓度为3000mg/L、12L左右的污泥.

1.2 试验用水

试验采用人工配水,通过变化培养液中蔗糖和NH4Cl溶度改变水中C/N,具体组成如表1所示.运行参数为曝气 1h,间歇 2h,溶解氧量 3.8～5.0mg/L,温度为20.1～20.8 .℃

表1 污泥培养液成分Table 1 Composition of cultivated solution for sludge

1.3 生物膜挂膜效果评价

挂膜试验开始后,每隔1d观察1号反应器载体上生物膜的附着情况,通过肉眼观察、流水剪切和擦拭的方式,确认生物膜的牢固程度,并用体视显微镜(XTL-165Phoenix)观察生物膜挂膜变化过程.从试验的第5d开始,连续5d刮取不同反应器中载体上(1cm2)的生物膜,用灭菌水稀释至合适倍数后,涂布NBM培养基,30℃培养48h后进行菌落计数.NBM培养基成分为1L蒸馏水中亚硝酸钾1g、硫酸镁0.1g、硫酸亚铁0.1g,磷酸二氢钠 0.2g,磷酸氢二钾 0.5g,碳酸钙 1g,氯化钠25g,经120℃灭菌30min后备用[11].

1.4 胞外聚合物提取方法及测定

将挂膜成熟的生物膜刮至250mL锥形瓶中,加入20mL1mol/L的NaOH并放入摇床进行振荡,其转速为150r/min,温度为4 .℃振荡3h后倒入离心管中并加入 30mL的 0.85%NaCl溶液,在6000g、4℃条件下离心20min后,用0.45µm的滤膜过滤得上清液,并测定滤液中蛋白质和多糖的含量,以蛋白质和多糖两者之和作为EPS的含量.蛋白质含量测定用 Folin-酚试剂法[12].多糖含量测定用苯酚-硫酸法[13].

1.5 吸附试验

试验前用5% HNO3浸泡烧杯24h,用去离子水清洗 2～3遍,将各反应器挂膜稳定后的生物膜取出放于10mg/L的Cu2+溶液中静态吸附1h后,用电感耦合等离子体发射光谱仪(PS1000Leeman Labs.美国)测定吸附前后溶液中Cu2+、Ca2+、Mg2+的浓度,用原子吸收光谱仪(AA240FS Varian美国)测定吸附前后溶液中 K+的浓度,按下式计算吸附量和去除率.

式中:q为生物膜单位吸附量,mg/g;C0为吸附前溶液中金属离子浓度,mg/L;C为吸附后溶液中金属离子浓度,mg/L;V为溶液的体积,L;m为生物膜的干重,g;Q为去除率,%.

1.6 离子强度试验

向一定体积的去离子水中加入 KNO3,使其溶度范围为 0.1～1mol/L,再加入一定体积的1000mg/LCu2+储备液,使其浓度为 0.2mmol/L,调节pH为5.0,并将1号反应器中的生物膜浸入烧杯中静态吸附1h后,用原子吸收光谱仪测定吸附前后溶液中Cu2+的含量.

2 结果与讨论

2.1 载体表面生物膜的生长变化

1号反应器中,生物膜在载体表面生长变化具体情况见图1.由图1知,第2d有少量的生物膜附着;第 4d,载体表面有突起,粗糙度增加;随培养时间的增加,载体表面凹凸不平,孔隙增多,说明载体上有大量生物膜附着;生长至第 8d,载体上的生物膜致密而厚实,清晰可见孔状结构.肉眼观察载体表面,挂膜后的第 2d,可见载体表面有少量淡黄色黏性物质附着,流水冲洗 1min 左右,黏性物质易脱落;第 4d,载体表面附着的黏性物质增多,流水冲洗1min后,有少量黏性物质残留;第6d,载体表面黏性物质颜色变深,厚度增加,有粘滑感,流水冲洗 1min 后有大量黏性物质残留在载体上,说明生物膜上有大量的EPS生产,对生物膜在载体上的附着起稳定作用;第 8d,载体已被灰褐色的物质完全覆盖,流水冲洗 2min后,黏性物质不易脱落,说明此时生物膜已在载体上完成不可逆附着的过程,挂膜成熟.

图1 生物膜生长变化过程Fig.1 The change of biofilm grouth process

2.2 生物膜的菌量

改变培养液中的 C,N时,会使生物膜 EPS分泌的量和微生物活性受到影响.从挂膜试验的第5d开始,刮取各个反应器中载体上1cm2的生物膜,用NBM 琼脂培养基涂布计数观察细菌数量.表 2数据说明,各反应器中生物膜上的细菌含量表现出比较明显的数量差异.1号生物膜上的细菌数量总体上高于2号和3号,说明在1号培养条件下有利于生物膜生长第 7d开始,各反应器中生物膜的细菌数量有所下降,以3号反应器数下降幅度最大,反映了在高浓度的蔗糖环境下对生物膜生长有不利的影响,反应器中的细菌难以附着到载体表面,只有在适宜的C/N范围内,才对生物膜的生长最为有利.

表2 生物膜的菌量计数(×106cfu/cm2)Table 2 Count results of bacteria in biofilm

2.3 EPS性质对比

不同的 C/N比对微生物的胞外聚合物有一定的影响,表现在胞外多糖和蛋白质的含量不同

[14].生物膜反应器的培养液配比见表 l,通过调节蔗糖和NH4Cl的浓度,使之C/N=12,该条件下培养的生物膜中提取出的胞外聚合物记为 EPSl,它的蛋白质(PN)和多糖(PS)之比约为 PN/PS= 7:l.C/N=4时.该条件下培养的活性污泥中提取出的胞外聚合物记为EPS2,它的PN/PS=10:1.C/N= 37时,该条件下培养生物膜中提取出的胞外聚合物记为EPS3,它的为PN/PS=5:l.由此可看出,在投加NH4Cl较多的2号反应器中,其生物膜胞外聚合物中的蛋白质含量也较高,为 PN/PS=10,这是因为N元素是合成蛋白质的必要元素,随着氮元素的增加,生物膜在形成过程中能合成较多的蛋白质.在投加蔗糖较多的3号反应器中,其生物膜胞外聚合物中的多糖含量比其他反应器中的多糖含量高.

2.4 不同组成EPS吸附Cu2+效果对比

Cu2+溶液初始 pH值用 1mol/L HNO3和1mol/L NaOH调节值pH=5.0,3种EPS对Cu2+的吸附量以及溶液中Ca2+、Mg2+和K+的吸附量和去除率如表3所示.

表3 不同组成EPS对Cu2+的吸附量和去除率Table 3 Different composition of EPS on the adsorption of Cu2+and removal rate

对比3种EPS对Cu2+的吸附结果发现,随着C/N的升高,PN/PS的比值反而下降.高 C/N下,微生物可以利用多余的碳合成的细胞的胞外多糖,使得多糖含量升高,PN/PS比值下降[15].EPS3对 Cu2+的吸附量高出 EPS17.37%,高出 EPS27.62%,各 EPS所含 PN/PS比值的大小顺序EPS3>EPS1>EPS2.上述趋势表明,PN/PS值越小,EPS对 Cu2+的吸附量越高.但是,对 Cu2+的去除率却不遵循此规律,以EPS1对Cu2+的去除率效果最好,并未严格地随PN/PS比值的上升或下降.综合比较吸附量和去除率,EPS1具有较好的应用性.对比3个反应器中的EPS量可发现,随C/N的增大,EPS含量呈先增大后降低的趋势,C/N为12时,EPS含量最高达到了32.85mg.

产生上述现象可能与 EPS上的吸附位点的数量和活性大小有关,高C/N的条件下,宜于生物膜EPS多糖的形成,低C/N的条件下,宜于生物膜胞外蛋白的形成,EPS对Cu2+进行吸附时,Cu2+可能首先占据多糖中活性吸附点,饱和后再与蛋白质中活性吸附点位结合.另外,去除率的大小与生物膜量有关.高C/N的条件下,形成的生物膜薄而小,生物膜量少;低 C/N的条件下,形成的生物膜厚而多,生物膜量多,这使得EPS对Cu2+的去除率只有在适合的C/N条件下,才有较高的去除率.因此,在实际的重金属废水处理中,可以通过调节培养液中的碳氮比,使生物膜对重金属的去除率效果达到最优.

由表3还可看出,在生物膜吸附Cu2+过程中,吸附后的溶液中Ca2+、Mg2+和K+含量增加,表明了在生物膜吸附 Cu2+过程中有离子析出,其中又以Ca2+析出量最多,在EPS1、EPS2和EPS3的溶液中分别增加了5.28倍、8.74倍和2.98倍,说明Cu离子更易与 Ca2+和Mg2+产生离子交换,主要是因为生物膜表面的吸附位点对二价离子的亲和力更大.Ca2+、Mg2+和K+在吸附后溶液中的含量之和分别占3种不同生物膜中 Cu2+的吸附量的83.64%、92.50%和86.59%,这说明了离子交换作用在生物膜吸附Cu2+的过程中起主导作用[16].李国新等[17]在研究轮叶黑藻对铅的吸附特征中发现,铅离子因产生离子交换而被吸附且其更易与Ca2+和Mg2+发生离子交换作用,与本文所得的研究结果相似.薛培英等[18]研究黑藻吸附Cu2+的结果表明,黑藻吸附 Cu2+的机制除离子交换作用外,还有静电吸附和表面基团等的共同作用来去除Cu2+.

2.5 离子强度对生物膜吸附铜的影响

试验表明,溶液中离子浓度大小对生物膜吸附 Cu2+有一定的影响,为进一步揭示生物膜吸附Cu2+特征点,考察 1号反应器中的生物膜在不同离子强度下对吸附Cu2+的影响,结果见图2.

从图 2中可以看出,当 KNO3浓度在 0.1～0.6mol/L之间,随着离子强度的增加,生物膜吸附Cu2+的量迅速减少,当 KNO3浓度大于 0.6mol/L时,生物膜对Cu2+吸附量的变化趋于平缓.这可能和电介质离子与吸附质之间的离子交换竞争有关.当溶液中KNO3浓度较低时,生物膜上有较多的吸附位点供 Cu2+占据,随着 KNO3浓度的增加,Cu2+与生物膜之间的静电作用减弱,疏水作用增强[19],此时 K+会占据生物膜表面的负电荷位点,使得生物膜对Cu2+的吸附量降低并趋于平缓,此时表明离子交换吸附位点吸附阳离子已经饱和,Cu2+已经达到由共价键或配位键的起主要作用化学吸附控制阶段.

图2 离子强度对生物膜吸附Cu2+的影响Fig.2 The influence of ionic strength for the absorption of Cu2+by biofilm

3 结论

3.1 通过调节营养液的配比,使反应器中的碳氮比发生改变, 在C/N为12的条件下,生物膜上的菌量最多,挂膜8d可达成熟状态.

3.2 高C/N条件下,生物膜细菌数量相对应地会减少,不利于生物膜的生长.随着 C/N 的升高,PN/PS的比值反而下降;PN/PS值越小,生物膜对Cu2+的吸附量越高.但生物膜对Cu2+的去除率却不遵循此规律,以EPS1对Cu2+的去除效率最高,并未严格随PN/PS比值的上升或下降.

3.3 在生物膜吸附 Cu2+的过程中,离子交换作用是主要的吸附机理且Cu2+更易与Ca2+和Mg2+产生离子交换.增加离子强度,生物膜对Cu2+的吸附表现为抑制作用.

[1] 曾阿研,颜昌宙,金相灿,等.金鱼藻对 Cu2+的生物吸附特征 [J].中国环境科学, 2005,25(6):691-694.

[2] Yin Yurong, Hu Yongyou, Xiong Fen. Sorption of Cu (Ⅱ) and Cd (Ⅱ) by extracelluar polymeric substances (EPS) from Aspergillus fumigates [J]. International Biodeterioration and Biodegradation, 2011,65(7):1012-1018.

[3] Zhang Daoyong, Lee Duu-Jong, Pan Xiangliang. Fluorescent quenching for biof i lm extracellular polymeric substances (EPS) bound with Cu (II) [J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2012,43(3):450-454.

[4] 谢德华,施 周,陈世洋.水中污染物对阳离子交换膜分离去除Cu2+的影响 [J]. 中国环境科学, 2012,32(3):440-446.

[5] Wimpennya Julian, Manzb Werner, Szewzyk Ulrich. Heterogeneity in biofilm [J]. FEMS Microbiology Reviews, 2000, 24(5):661-671.

[6] 温沁雪,施汉昌,陈志强.生物膜微环境和传质现象研究进展 [J].环境污染治理技术与设备, 2006,7(6):1-5.

[7] Wei Xing, Fang Linchuan, Cai Peng, et al. Influence of extracellular polymeric substances (EPS) on Cd adsorption by bacteria [J]. Environmental Pollution, 2011,159(5):1369-1374.

[8] Fang Linchuan, Huang Qiaoyun, Wei Xing, et al. Microcalorimetric and potentiometric titration studies on the adsorption of copper by extracellular polymeric substance (EPS), minerals and their composites [J]. Bioresource Technology, 2010,101(15):5774-5779.

[9] 罗丽卉,谢翼飞,李旭东.生物硫铁复合材料处理含铜废水及机理研究 [J]. 中国环境科学, 2012,32(2):249-253.

[10] Martin T K. Tsui, Cheung K C, Nora F Y. Tam, et al. A comparative study on metal sorption by brown seaweed [J]. Chemosphere, 2006,65(1):51-57.

[11] 张 正,王印庚,曹 磊,等.海水循环水养殖系统生物膜快速挂膜试验 [J]. 农业工程学报, 2012,28(15):1157-162.

[12] R. Bura,M. Cheung,B. Liao, et al. Composition of extracellular polymers substances in the activated sludge floc matrix [J]. Water Science and Technology, 1998,37(4-5):325-333.

[13] Michel DuBois, Gilles K A., Hamilton J K, et al. Fred Smith. Colorimetric method for determination of sugars and related substances [J]. Analytical Chemistry, 1956,28(3):350-356.

[14] 陈 晨,马邕文,万金泉,等.C/N比对厌氧颗粒污泥生理生化的影响 [J]. 中国环境科学, 2012,32(3):478-484.

[15] Ye Fenxia, Ye Yangfang, Li Ying. Effect of C/N ratio on extracellular polymeric substances (EPS) and physicochemical properties of activated sludge fl ocs [J]. Journal of Hazardous Materials, 2011,188(1-3):37-43.

[16] 丁腾达,倪婉敏,张建英.硅藻重金属污染生态学研究进展 [J].应用生态学报, 2012,23(3):857-866.

[17] 李国新,张丹丹,颜昌宙,等.轮叶黑藻对铅的吸附特征及生物吸附机理研究 [J]. 中国环境科学, 2011,31(8):1327-1333.

[18] 薛培英,李庆召,颜昌宙,等.黑藻吸附Cu2+机制研究 [J]. 环境科学, 2011,32(6):1614-1619.

[19] 吴志坚,刘海宁,张慧芳.离子强度对吸附影响机理的研究进展[J]. 环境化学, 2010,29(6):997-1003.

The research on biofilm composed by different EPS to adsorb Cu2+.

HU Xue-wei1*, LI Shu1, RONG Ye2, LI Yuan1

(1.Faculty of Envionmental Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China；2.Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China). China Environment Science, 2014,34(7)：1749～1753

The biofilm were cultured in a self-designed reactor by adjusting the ratio of nutrients in order to get 3different biofilms as adsorbents for Cu2+, in which the proportion of protein and polysaccharide were 7:1, 5:1and 10:1respectively. This paper had a study on the adsorption of 3different bilfilms to Cu2+. Besides, the adsorption mechanism was discussed. The results showed that the biofilm became mature after 8days. When the value of C/N was 12, the biofilm grew better than that C/N was 4and 37, and the number of bacteria on it was more than the the number of bacteria on C/N =4and C/N=37. PN/PS value was smaller, and the adsorption capacity of Cu2+was higher. The amount of Cu2+adsorbed on EPS3is higher than EPS1(7.37%) and EPS2(7.62%). Cu2+was absorbed on the biofilm, the concentration of Ca2+, Mg2+, K+was significantly increased in the solution, demonstrating ion exchange play a main role during the adsorption and Cu2+prefer to exchange with divalent Ca2+and Mg2+. As the concentration of KNO3was from 0.1to 0.6mol/L, along with the increase of ionic strength, the Cu2+content adsorbed on biofilm decreased rapidly. However, the concentration of KNO3is greater than 0.6mol/L, the change of Cu2+content adsorbed by biofilm trended to be gentle, the phenomenon showed that Cu2+adsorption mechanism include ion exchange and chemical adsorption.

biofilm；extracellular polymeric substance；C/N；copper

X703

A

1000-6923(2014)07-1749-05

胡学伟(1979-),男,河南洛阳人,副教授,博士,主要研究方向为水污染控制及资源化利用.

2013-10-10

国家自然科学基金(51178208,51368024);云南省教育厅重点项目(2013Z123);昆明理工大学分析测试基金(20140549);云铜校企合作项目(2013YT02)

* 责任作者, 副教授, huxuewei.env@gmail.com