纳米Co3O4负载鞘氨醇单胞菌去除养殖海水中重金属离子的研究

纳米Co3O4负载鞘氨醇单胞菌去除养殖海水中重金属离子的研究摘要：以纳米ｃｏ３ｏ４负载鞘氨醇单胞菌（ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓｓｐ．xj2）制备复合生物吸附剂，对此吸附剂进行表征并考察了其吸附养殖海水中重金属离子的性能。利用合成的新型ｃｏ３ｏ４纳米材料吸附性能、再生性能好的优点去除养殖海水中重金属离子，吸附性能研究表明，纳米ｃｏ３ｏ４负载鞘氨醇单胞菌制备复合吸附剂进行海水中重金属离子动态吸附试验，当f值为１．２ｌ／ｈ、处理时间为9０～１3０ｍｉｎ，重金属离子去除率达到９０％以上，处理后水质达海水质量ⅰ类标准；连续出水ｃｏｄ值为2.5~３．２ｍｇ／ｌ，ｃｏｄ值去除率达８５％左右。关键词：纳米ｃｏ３ｏ４；复合生物吸附剂；重金属离子；动态吸附试验ｓｔｕｄｙｏｎｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｉｎｃｕｌｔｕｒｅｄｓｅａｗａｔｅｒｂｙｌｏａｄｉｎｇｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓｓｐ．ｏｎｎａｎｏｃｏ３ｏ４ｃｈｅｎｗｅｎ－ｂｉｎａ，ｂ，ｙｉｎｌｅｉｂ，ｘｕｘｉｎｇ－ｙｏｕｂ，ｍａｗｅｉ－ｘｉｎｇｂ（ａ．ｊｉａｎｇｓｕｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｍａｒｉｎｅｒｅｓｏｕｒｃｅｓ；ｂ．ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｈｕａｉｈａｉｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ２２２００５，ｊｉａｎｇｓｕ，ｃｈｉｎａ）ａｂｓｔｒａｃｔ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｉｏｓｏｒｂｅｎｔｏｆｎａｎｏｃｏ３ｏ４ｃａｒｒｙｉｎｇｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓｓｐ．ｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄ，ｔｈｅｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｉｏｓｏｒｂｅｎｔａｎｄｉｔｓｈｅａｖｙｍｅｔａｌｉｏｎｓａｄｓｏｒｂｉｎｇａｂｉｌｉｔｙｉｎａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅｓｅａｗａｔｅｒｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｆｌｏｗｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｒｅｍｏｖａｌｒａｔｉｏｃｏｕｌｄａｒｒｉｖｅｔｏ９０％ａｆｔｅｒ9０～１3０ｍｉｎｗｈｅｎｔｈｅｆｌｏｗｒａｔｅｗａｓ１．２ｌ／ｈ．ｔｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔｗａｔｅｒｍｅｔｔｈｅｌｅｖｅｌｉｏｆｓｅａｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｓｔａｎｄａｒｄ．ｔｈｅｃｏｄｖａｌｕｅａｆｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｗａｓ2.5~３．２ｍｇ／ｌ，ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｏａｒｅｍｏｖａｌｒａｔｉｏｏｆabout８５％.ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏｃｏ３ｏ４；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｉｏｓｏｒｂｅｎｔ；ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｉｏｎｓ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｆｌｏｗｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ海洋水域由于船舶海洋排污、倾废、事故泄油，大量陆地生活污水、工农业废污水直排，甚至一些未经任何处理的工业废料、生活垃圾倾海或填海等，使得大量的污染物质排向海洋，导致近海海域污染加剧，海水环境质量逐年下降。徐颖［１］在全国第二次海洋污染基线调查工作基础上，研究了连云港附近海域水环境质量，结果表明，连云港附近海域已受到重金属离子和有机物污染。其中ｐｂ２＋和ｈｇ２＋污染较重，海水ｃｏｄ值一般达到２０．０ｍｇ／ｌ以上，远超过中度污染海水水平（ｃｏｄ值≤５ｍｇ／ｌ），不能作为养殖海水使用。进入水体的重金属离子不易被微生物分解，它会通过生物富集和放大作用与水生生物体内酶的催化活性部位中的巯基结合形成难溶解的硫酸盐，抑制酶的活性，妨碍了机体的代谢作用，对水生生物易造成“三致”效应（致死、致畸、致突变）［２］。养殖水体中有机物质在微生物和温度作用下逐渐分解，并造成底层水温升高，水中溶解氧含量下降。在有机质的发酵、分解过程中产生ｃｏ２、沼气、有机酸、氨氮、亚硝酸盐等有害物质，还会滋生大量致病菌，导致水生动物致病或死亡［３］。从理论上讲，许多常规的物理、化学、生物的废水处理方法可以应用于养殖体系。例如通过沉积、砂滤、机械过滤等方法可以去除悬浮固体；通过嵌入式或流动式生物过滤器、旋转式的生物反应器和流体化反应床等，可使有机物发生氧化、硝化及去氮化作用等，从而降低水体中ｃｏｄ值及氮、磷浓度。但是这些处理方法有其自身的缺陷，产生大量的淤泥，能量消耗大，保留时间短等，因此并不一定适用于水产养殖废水的处理。最近几年，国内外研究人员研究开发了许多养殖废水处理方法。海洋底泥中的微生物长期处于高度贫营养和恶劣的环境，具有特殊的代谢调控机制以适应多变的环境（尤其是营养物缺乏的环境），能够高效调整自身的生长来抵抗不利的环境变化。并且对众多的底物，从多环芳烃类化合物、聚乙烯醇、稠环芳烃等高聚物到简单无机物氮，都具有独特的降解能力［４，５］，筛选出的菌种从生物活性、酶的结构特点等角度看，对多种重金属离子有较强的富集作用，也更适合对海洋重金属离子的净化应用［６］，这为海洋中微生物的综合利用提供了可能性［７，８］。纳米材料是粒径在１００ｎｍ以下的超微粉末，当物质颗粒被粉碎到大小为纳米量级（１～１００ｎｍ）时，随粒径变小而纳米材料的表面原子数、表面积、表面能和表面结合能迅速增大。由于表面原子周围缺少相邻的原子，具有不饱和性，易与其他原子相结合而稳定下来［９］，具有很强的吸附能力，可在较短时间内达到吸附平衡，是进行痕量元素分析的较为理想的分离富集材料［１０］。试验从连云港海域底泥中分离、筛选出对重金属离子有较强耐性的微生物，利用纳米材料对微生物进行固定化，应用于室内养殖海水中有机物、重金属离子污染的净化处理，类似的研究在国内外未见报道。因而，该研究对于保障海水养殖业健康发展，提高水产品质量，增加经济效益具有重要的现实意义。１材料与方法１．１主要仪器ｗｆｊ－７２００型可见分光光度计［尤尼柯（上海）仪器有限公司］；ｔｄｌ－４飞鸽系列离心机（上海安亭科学仪器厂）；ｓw－ｃｊ－１ｄ型无菌操作台（苏州净化设备有限公司）；ｐｈｓｊ－５型实验室ｐｈ计（上海树立仪器仪表有限公司）；ｓｈｐ－１８０生化培养箱（上海雷磁仪器厂）；ｈｚｑ－ｑｘ型全温振荡器（上海实验仪器总厂）；立式压力蒸汽灭菌器（哈尔滨东联电子技术开发有限公司）。１．２复合生物吸附剂的制备直接使用游离细胞，虽然具有传质性能好、反应迅速、接触面积大等优点，但是由于其密度小、颗粒直径小、强度低、易被水流冲走、利用率低下、固液分离困难、培养基的带入而引起二次污染等，难以直接用于实际生产。因此可以采用微生物细胞固定化技术，利用其生物离子交换树脂的作用，而且固定化细胞比离子交换更为经济，受ｃａ２＋、ｍｇ２＋、ｎａ＋和ｋ＋等离子的影响较小；也可以使用纳米材料负载微生物对其游离细胞进行固定化，可增加其化学稳定性和机械强度，减少吸附—解吸循环中的损耗。试验以合成的纳米ｃｏ３ｏ４负载鞘氨醇单胞菌（ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓｓｐ．ｘｊ２）。斜面活化（2次活化），转接一次做种子，再按照１０％的接种量来制备活体细胞，用２５０ｍｌ锥形瓶装约６０ｍｌ的菌液，在３７℃摇床中培养２４ｈ，然后往不同菌悬液中加入不同量的ｃｏ３ｏ４纳米材料，调节ｐｈ为５．５左右，磁力搅拌吸附３５ｍｉｎ，使用磁力进行固液分离，然后倾倒掉上清液，得到纳米ｃｏ３ｏ４负载菌的复合生物吸附剂，通过测定上清液的ｃｏｄ值来确定菌与纳米ｃｏ３ｏ４的最佳比例，试验结果表明复合生物吸附剂在磁场中能快速沉降，固液分离效果好。由表１可知，当菌体与纳米材料的质量比为５∶４时，上清液ｃｏｄ值很低，溶液清澈，在显微镜下可观察到游离菌明显少于未负载前。１．３试验方法以连云港赣榆县某养殖场海水为样品，分别测定此海水样重金属离子ni2+、hg2+、pb2+、zn2+和ｃｏｄ值的初始浓度。动态吸附试验装置如图１。取２．０ｌ已知重金属离子浓度的海水于反应器中，加入一定量的复合生物吸附剂，调节溶液ｐｈ，搅拌６０ｍｉｎ，打开进样阀连续运行，每隔一定时间在出水口处取样，测定吸附后溶液中重金属离子浓度，计算重金属离子的去除率。２结果与分析２．１条件试验２．１．１时间对重金属离子吸附效果的影响取一定量的海水，室温，控制海水流量为１．０ｌ／ｈ，菌含量５００ｍｇ／ｌ，纳米ｃｏ３ｏ４４００ｍｇ／ｌ，结果见图２。从图２可以看出，前６０ｍｉｎ吸附速度较快，６０～１００ｍｉｎ吸附速度相对减慢。这主要是由于起初纳米材料和菌体内部积累的重金属离子的浓度较低，体系对zn2+的吸附在很短时间内完成，可能主要是由于细菌的代谢产物的作用和菌体、纳米材料的表面吸附作用，而通过参与代谢过程的重金属离子是非常少的。随着时间的推移，吸附体系胞内重金属离子的浓度增大以及生物吸附剂的聚集而导致一部分吸附位点被掩盖，使吸附速率减小；当吸附时间达到１００ｍｉｎ时，吸附基本达到饱和，图中曲线将会出现平台的趋势。并且对重金属离子的去除率都可以达到９５％以上，达到海水质量ⅰ类标准。２．１．２流量对重金属离子吸附效果的影响室温，菌含量５００ｍｇ／ｌ，纳米ｃｏ３ｏ４４００ｍｇ／ｌ，取一定量海水控制不同流量（ｆ）考察其对重金属离子吸附效果的影响，结果如表２所示。由表２可知，在不同ｆ值情况下，对重金属离子的去除率在１５０ｍｉｎ左右基本都可以达到８０％，在１１０ｍｉｎ可以达到９０％。ｆ值为１．２ｌ／ｈ，处理时间为９０～１３０ｍｉｎ时去除率达到９０％以上，处理海水质量达到了海水质量ⅰ类标准。此后去除率缓慢下降。如果ｆ值过大，运行时间太短，吸附过程还没有达到平衡就开始出水，导致去除率迅速下降；原因可能是在反应器运行初期阶段复合生物吸附剂表面有大量吸附位点，重金属离子极易吸附到材料表面上，去除效果最好；反应器运行一段时间后，材料上吸附位点减少，但是由于材料的吸附量较大，可以连续处理大量的海水，去除率下降缓慢。ｆ值过小，运行时间太长，可能会有一部分复合生物吸附剂随出水流失，导致重金属离子去除率略有下降。ｆ值为１．８ｌ／ｈ，第８次取样，运行时间为１１０ｍｉｎ时重金属离子去除率降至８０％以下；ｆ为０．８ｌ／ｈ，第１０次取样，运行１００ｍｉｎ时重金属离子去除率降至８５％以下；ｆ为１．２ｌ／ｈ、处理时间为１１０ｍｉｎ时，连续取样处理前１２次重金属离子去除率均可以达到９０％以上，并且去除率下降缓慢，吸附剂可重复使用７次以上。因此在处理海水重金属离子过程中ｆ值控制为１．２ｌ／ｈ，处理时间为１１０ｍｉｎ。２．１．３复合生物吸附剂的可再生性用５００ｍｌ０．２0ｍｏｌ／ｌ、１０００ｍｌ０．１0ｍｏｌ／ｌ、２０００ｍｌ０．０５ｍｏｌ／ｌｅｄｔａ对失效的复合生物吸附剂进行再生１ｈ，再生液重复使用。然后用再生后的复合吸附剂进行吸附试验，室温条件，ｆ值为１．２ｌ／ｈ，时间１００ｍｉｎ，通过吸附剂再生后的单位吸附量ｑ计算再生率ｕ（％），考察再生液浓度对吸附剂再生效果的影响。由表３可知，再生液ｅｄｔａ浓度对再生效果影响不大，从操作方便的角度考虑，选用５００ｍｌ０．２0ｍｏｌ／ｌｅｄｔａ对复合生物吸附剂进行再生。复合生物吸附剂经３次再生后，对重金属离子ni2+、hg2+、pb2+、zn2+去除率可以达到９２％，第４次再生后可以达到８５％，第５次再生后吸附剂对重金属离子去除效果较差。如果更换再生液进行再生，吸附剂仍具有较好的吸附性能，故每再生４次后重新更换再生液。连续测定吸附后出水的ｃｏｄ值都为２．５～３．２ｍｇ／ｌ，对海水ｃｏｄ值的去除率可以达到８５％左右。２．２不同吸附剂对养殖海水中重金属离子处理效果比较分别利用海藻酸钠固定化鞘氨醇单胞菌、纳米材料ｃｏ３ｏ４、纳米ｃｏ３ｏ４负载鞘氨醇单胞菌作为处理后1、2、3处理含重金属离子的养殖海水，结果比较见表４、５，可以看到，连云港海水水质都属于ⅲ到ⅳ类的标准，不能作为水产养殖区和海洋渔业水域。通过试验研究，使用海藻酸钠固定化鞘氨醇单胞菌对重金属离子吸附净化后，海水水质标准可以达到ｉｉ类标准，纳米材料ｃｏ３ｏ４达到ｉ、ｉｉ类标准，纳米ｃｏ３ｏ４负载鞘氨醇单胞菌处理效果最好，水质全部达到ｉ类标准。３结论利用ｃｏ３ｏ４负载鞘氨醇单胞菌进行海水中重金属离子的动态吸附试验，当流速ｆ值为１．２ｌ／ｈ，处理时间为9０～１3０ｍｉｎ时，对ｈｇ２＋、ｎｉ２＋、ｐｂ２＋、ｚｎ２＋的去除率均达到９０％以上，达到海水质量ⅰ类标准。连续测定吸附后出水的ｃｏ