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苯胺黑药高效降解菌(Bacillus vallismortis)胞外聚合物去除重金属的研究

环境科学学报 2016年第12期36卷 4367-4375页

作者：董明宋卫锋程亚杰广东工业大学环境科学与工程学院广州510006

微生物胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)在废水中重金属的吸附去除过程中起着非常重要的作用.苯胺黑药高效降解菌(Bacillus vallismortis)对苯胺黑药有良好的降解能力,但对其吸附重金属的性能研究还不充分.因此,本... 详细信息

微生物胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)在废水中重金属的吸附去除过程中起着非常重要的作用.苯胺黑药高效降解菌(Bacillus vallismortis)对苯胺黑药有良好的降解能力,但对其吸附重金属的性能研究还不充分.因此,本文采用3种方法提取苯胺黑药高效降解菌的EPS,主要考察了p H、温度、底物浓度和时间对重金属去除效果的影响.结果表明,热提法提取的效率较高;p H对金属离子吸附影响很大,当p H<7时,随着p H变大吸附量逐渐升高,而温度对吸附量影响不大.EPS对Cu^(2+)、Zn^(2+)的去除为快速表面吸附过程,在第8 min时对Cu^(2+)、Zn^(2+)的去除率分别达到了90.7%、52.3%,EPS对Cu^(2+)、Zn^(2+)的吸附表观上符合拟二级动力学规律.在单一体系中,根据Langmuir方程计算出EPS对Cu^(2+)的最大吸附量为2.155 mg·mg-1,对Zn^(2+)的最大吸附量为0.508 mg·mg-1;Cu^(2+)吸附过程与Freundlich方程拟合效果较好,Zn^(2+)吸附过程与Langmuir方程拟合效果较好.红外光谱分析结果表明,EPS表面的羟基、氨基、酰胺基团、羧基和C—O—C基团都参与了吸附,且Cu^(2+)和Zn^(2+)的吸附位点基本一致,本文的研究结果对工程实践具有一定的理论指导意义.

关键词：苯胺黑药高效降解菌胞外聚合物 Cu^2+ Zn^2+:吸附

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苯胺黑药高效降解菌（Bacillus vallismortis）胞外聚合物对Cu2+、Zn2+的去除研究

苯胺黑药高效降解菌（Bacillus vallismortis）胞外聚合物对Cu2+...

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作者：董明广东工业大学

学位级别：硕士

胞外聚合物是微生物产生的一种粘性物质,其成分主要包括蛋白质、多糖、核酸和脂类等,含有丰富的官能团如羧基、氨基、羟基和羰基等,可以和水中的金属元素(如铜、铅、锌等)进行配位、鳌合,能够捕捉和吸附水中的重金属,本研究所用胞外聚合... 详细信息

胞外聚合物是微生物产生的一种粘性物质,其成分主要包括蛋白质、多糖、核酸和脂类等,含有丰富的官能团如羧基、氨基、羟基和羰基等,可以和水中的金属元素(如铜、铅、锌等)进行配位、鳌合,能够捕捉和吸附水中的重金属,本研究所用胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,简称EPS)从苯胺黑药降解菌(Bacillus vallismortis)提取,为本实验室前期研究筛选的一种好氧异养菌,该菌保存在实验室中,经活化后使用。采用扫描电镜观察Bacillus vallismortis形态,为保证不受其他化学物质的影响,选择三种物理法提取Bacillus vallismortis胞外聚合物,然后对吸附重金属进行单因素分析,分别改变pH、温度、初始金属离子浓度和吸附时间,用Langmuir吸附等温模型和Freundlich吸附等温模型进行吸附效果拟合,结合拟一级动力学方程和拟二级动力学方程进行动力学分析,用热力学方程计算吸附过程的吉布斯自由能、焓变和熵变,对吸附前后的胞外聚合物进行红外光谱分析,研究了共存离子对胞外聚合物吸附金属离子的影响,其主要结果如下：(1)经过72 h活化后初始浓度为100 mg/L的苯胺黑药浓度降至20.4 mg/L,降解率达到79.6%,Bacillus vallismortis对苯胺黑药有优异的降解性能,扫描电镜结果显示,Bacillus vallismortis呈短棒状形态结构,平均粒径约649.7 nm,长度约1.67μm,以蛋白质和多糖浓度之和来表征胞外聚合物含量,准确测定提取出的胞外聚合物蛋白质和多糖浓度得知,热提法比离心法和超声波法效率要高,提取的EPS浓度为71.659 mg·L-1,而离心法和超声波法提取的EPS浓度分布只有5.675 mg·L-1和41.303 mg·L-1。(2)分别选取了pH、温度、金属离子初始浓度和吸附时间对Cu2+、Zn2+吸附效果的影响,pH变化范围设定为3-9,在pH小于7时,随之pH升高,去除率逐渐升高,由最初的35%、20.3%升高至95%、52.5%,吸附量也由0.236 mg·mg-1、0.139 mg·mg-1升高至0.633 mg·mg-1、0.35 mg·mg-1,因为EPS表面去质子化且呈负电性,提供了更多的结合位点,当pH继续升高时,由于溶液偏碱性,Cu2+、Zn2+会与OH-结合生成沉淀,影响对胞外聚合物吸附性能的分析,温度对胞外聚合物吸附Cu2+、Zn2+影响不大,当温度从20℃升高至60℃时,去除率和吸附量只有小范围的变化,Cu2+的去除率保持在89%左右,Zn2+的去除率保持在45%作用,说明温度对苯胺黑药降解菌胞外聚合物吸附重金属影响不大。(3)当胞外聚合物吸附金属离子至8 min左右去除率即达到最高,Cu2+的去除率为90.7%、Zn2+的去除率为52.3%,然后去除率和吸附量开始波动变化,30 min左右即可达到吸附平衡状态,吸附过程大概可以归纳为三个阶段,快速吸附-慢速吸附-吸附平衡,采用拟一级动力学方程和拟二级动力学方程对吸附过程拟合,比较Cu2+、Zn2+的相关系数R2,结果表明拟二级动力学反应模型能较好地拟合动力学数据。(4)金属离子初始浓度设定为5、10、15、20、25、30、40 mg·L-1,浓度越高,与吸附剂的接触几率也随之增大,吸附材料所吸附的Cu2+、Zn2+的量也增多,吸附量随之升高,Cu2+的吸附量由最初的0.3263 mg·mg-1增至1.907 mg·mg-1, Zn2+的吸附量从最初的0.281 mg·mg-1增至0.504 mg`mg-1,根据吸附量与金属离子浓度的关系可以绘制出吸附等温线,采用常用的Langmuir等温线和Freundlich等温线进行拟合,结果表明Cu2+的过程中Freundlich方程拟合效果较好,吸附Zn2+的过程中Langmuir方程拟合效果较好,通过Langmuir方程计算得到Cu2+、Zn2+最大单分子层吸附量分别为2.155mg·mg-1、0.508mg·mg-1选择20、30、40℃测得的吸附量计算吸附热力学相关参数,Gibbs自由能变(△G)、焓变(△H)及熵变(△S),结果表明苯胺黑药高效降解菌EPS吸附Cu2+、Zn2+的反应是一个自发过程,且属于吸热反应。(5)对吸附金属离子前后胞外聚合物进行红外光谱分析,吸附金属离子后,一些官能团的峰发生了漂移或者消失,EPS对Cu2+、Zn2+的吸附机理类似,主要起作用的官能团是羟基、氨基、酰胺基团、羧基和C-O-C基团,共存离子实验结果表明共存离子的存在会一定程度上影响EPS对目标金属离子的吸附,Zn2+共存时,Cu2+的去除率较单独存在时下降了0.979%-5.08%,而当有Cu2+共存时,

关键词：苯胺黑药高效降解菌胞外聚合物 Cu2+ Zn2+ 吸附

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