不同EPS组成生物膜对Cu2吸附的研究胡学伟

中国环境科学2014,34(7)：1749~1753ChinaEnvironmentalScience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)摘要：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.关键词：生物膜；胞外聚合物；碳氮比；铜中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2014)07-1749-05TheresearchonbiofilmcomposedbydifferentEPStoadsorbCu2+.HUXue-wei1*,LIShu1,RONGYe2,LIYuan1(1.FacultyofEnvionmentalScienceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650500,China；2.FacultyofModernAgriculturalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650500,China).ChinaEnvironmentScience,2014,34(7)：1749~1753Abstract：Thebiofilmwereculturedinaself-designedreactorbyadjustingtheratioofnutrientsinordertoget3differentbiofilmsasadsorbentsforCu2+,inwhichtheproportionofproteinandpolysaccharidewere7:1,5:1and10:1respectively.Thispaperhadastudyontheadsorptionof3differentbilfilmstoCu2+.Besides,theadsorptionmechanismwasdiscussed.Theresultsshowedthatthebiofilmbecamematureafter8days.WhenthevalueofC/Nwas12,thebiofilmgrewbetterthanthatC/Nwas4and37,andthenumberofbacteriaonitwasmorethanthethenumberofbacteriaonC/N=4andC/N=37.PN/PSvaluewassmaller,andtheadsorptioncapacityofCu2+washigher.TheamountofCu2+adsorbedonEPS3ishigherthanEPS1(7.37%)andEPS2(7.62%).Cu2+wasabsorbedonthebiofilm,theconcentrationofCa2+,Mg2+,K+wassignificantlyincreasedinthesolution,demonstratingionexchangeplayamainroleduringtheadsorptionandCu2+prefertoexchangewithdivalentCa2+andMg2+.AstheconcentrationofKNO3wasfrom0.1to0.6mol/L,alongwiththeincreaseofionicstrength,theCu2+contentadsorbedonbiofilmdecreasedrapidly.However,theconcentrationofKNO3isgreaterthan0.6mol/L,thechangeofCu2+contentadsorbedbybiofilmtrendedtobegentle,thephenomenonshowedthatCu2+adsorptionmechanismincludeionexchangeandchemicaladsorption.Keywords：biofilm；extracellularpolymericsubstance；C/N；copper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].微生收稿日期：2013-10-10基金项目：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,[e-mail]1750中国环境科学34卷物的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Table1Compositionofcultivatedsolutionforsludge名称浓度(mg/L)蔗糖228.57(1号)/228.57(2号)/685.71(3号)NH4Cl68.57(1号)/205.71(2号)/68.57(3号)CaCl21MgSO45K2HPO423.12注:蔗糖投加量为228.57mg/L、NH4Cl68.57mg/L标为1,2、3如上,对应培养所得生物膜中提取的EPS分别为EPS1、EPS2和EPS31.3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(PS1000LeemanLabs.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(AA240FSVarian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.0()CCVqm−×=(1)00()100CCQC−×=(2)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7期胡学伟等：不同EPS组成生物膜对Cu2+吸附的研究1751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.a第2db第4dc第6dd第8d图1生物膜生长变化过程Fig.1Thechangeofbiofilmgrouthprocess2.2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