岩 石 矿 物 学 杂 志
ACTA PETROLOGICA ET MINERALOGICA
Vol.28,No.6:559～564
Nov.,2009
不同生长阶段氧化亚铁硫杆菌的Cu吸附研究
丁 雨1,陆现彩1,陆建军1,屠博文2,李 娟1,徐兆文1
(1.内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室,南京大学地球科学与工程学院,江苏南京 210093;
2.南京大学医学院,江苏南京 210093)
2+
摘 要:通过不同生长阶段的氧化亚铁硫杆菌对Cu2+的吸附实验研究,发现对数期和稳定期的氧化亚铁硫杆菌的
Cu2+吸附容量存在一定差别,对数生长期比稳定期的氧化亚铁硫杆菌吸附量略高。同时,Cu2+的吸附量与溶液的pH值之间存在显著的负相关关系,说明在吸附过程中,Cu2+与氧化亚铁硫杆菌的表面存在的化学基团发生了质子
交换反应。对数生长期的氧化亚铁硫杆菌和稳定期的氧化亚铁硫杆菌吸附过程均符合Freundlich吸附模型,表明氧化亚铁硫杆菌细胞的表面化学非均质性较强。不同生长阶段细菌的吸附性能差异可能与细胞表面的化学结构存在差异有关。
关键词:生长阶段;氧化亚铁硫杆菌;Cu2+;吸附作用
中图分类号:X172 文献标识码:A 文章编号:100026524(2009)0620559206
AnexperimentalstudyofCu2+adsorptiononAcidothiobacillusferrooxidansofdifferentgrowthstagesDINGYu1,LUXian2cai1,LUJian2jun1,TUBo2wen2,LIJuan1andXUZhao2wen1
(1.StateKeyLaboratoryforMineralDepositsResearch,SchoolofEarthSciencesandEngineering,NanjingUniversity,
Nanjing210093,China;2.MedicalSchool,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)
Abstract:Theadsorptionofheavymetalsonbacteriaisoftenemployedintheremediationofvariouscontaminations.Nevertheless,thedifferenceintheadsorptionbehaviorsofthebacteriaofdifferentgrowthstageshasnotyetbeensystematicallystudied.BasedontheadsorptionexperimentsofCu2+onAcidothiobacillusferrooxidansatdifferentgrowthstages,itisfoundthattheadsorptionca2pacityofthebacteriaatthelogarithmicstageisslightlyhigherthanthatofthestationarystage.TheadsorptiononthebacteriaatthelogarithmicstageandatthestationarystagecanbedescribedbyFreundlichequations,implyingitshighsurfaceheterogeneity.Inad2dition,anegativecorrelationbetweentheadsorptionamountofbacteriaandthepHofsolutioncanbeobserved.Therefore,thedis2placementreactionbetweenCu2+andsurfaceprotonofthebacteriamayconstitutetheadsorptionmechanism.Thechangesinsurfacechemistryofthebacteriaatdifferentgrowthstagesareconsideredtoberesponsibleforthedifferenceinadsorptionbehaviors.Keywords:growthstage;Acidothiobacillusferrooxidans;Cu2+;adsorption
随着工业废水的排放和矿山开采活动的增加,自然界中重金属离子的富集现象愈发明显,对自然生态及人类健康造成严重威胁(尹华等,2004)。研究表明,可溶态的重金属元素具有较高的迁移能力和生物毒性,所以通过生物技术降低重金属迁移能力和化学活性用以达到降低生物毒性,无疑对重金属污染环境的修复有着重要意义。在过去的20年里,国内
收稿日期:2009209201;修订日期:2009209229
基金项目:国家重点基础研究发展计划(2007CB815603)
外发展了利用细菌等微生物来处理被水体重金属污染的生物修复技术(王亚雄等,2001;周立祥等,2001;曹德菊等,
2004)。
细菌多为微小的生物体,其表面的细胞壁含有多种有机基团,会与环境中的重金属离子发生化学交换反应,表现为化学吸附作用。细胞壁的主要成分是肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和
),女,硕士研究生,地质微生物学专业;通讯作者:陆现彩,E2mail:xcljun@nju.edu.cn。作者简介:丁 雨(19852
岩 石 矿 物 学 杂 志 第28卷560
胞外多糖(Beveridge,1989),且羧基、磷酰基、羟基等带负电荷的化学基团丰富(Schultz2Lametal.,1996;Burnettetal.,
2007),因此,细菌往往表现出显著的亲金属特性(Feinetal.,1997,2001;Burnettetal.,2007)。细菌通过表面化学络合
的方式吸附并富集金属离子,能够显著影响流体环境中金属的活动性,甚至在细胞壁或细胞内外聚合物的诱导作用或模板作用下形成矿物沉淀,从而使重金属离子固定下来(谢先德等,2001),降低重金属的生理毒性(Yeeetal.,2002)。大量研究表明:微生物具有吸附能力强、耐环境冲击、可操作性强、降低二次污染等优越性(魏复盛,1993;Szeetal.,1996;刘月英等,2000;郭学军等,2002;徐永健等,2007),所以生物吸附法已经越来越多地被应用到治理重金属污染环境的问题中。
已有研究发现,不同的微生物类型具有不同的吸附选择性和吸附容量,同种微生物在不同的生长阶段也表现出不同的表面化学性质(Pandiripallyetal.,2002)。但是,不同生长阶段的微生物吸附重金属离子的差异却鲜有研究。氧化亚铁硫杆菌(Acidothiobacillusferrooxidans)为金属硫化物矿山环境中发现的最具有代表性的氧化细菌,常见于尾矿库表面和酸性矿山排水中,细菌的吸附作用对环境流体中重金属的活动性有着重要影响。本文选择对数生长期和稳定期两个生长阶段的氧化亚铁硫杆菌,开展了Cu2+的吸附实验,获得了Cu2+的吸附等温线,建立了吸附模型,初步探讨了不同生长图1 氧化亚铁硫杆菌的生长曲线图
Fig.1 GrowthcurveofAcidothiobacillusferrooxidans
分别为215、110和011g/L的CuSO4溶液备用。取8支试管,用移液枪移取不同体积的浓度为215、110和011g/L的
CuSO4溶液,配制[Cu2+]不等的8mL的溶液体系,然后每个
试管中加入2mL的菌液。待20min平衡后(丁雨等,
2007),倒入离心管中,以3500r/min的速度离心10min,收集上清液倒入试管中,分别稀释10倍或100倍后倒入容量管中保存待测定,测定无菌平衡溶液的pH值和Cu含量,以获得Cu2+的吸附等温线。
溶液的pH值测定为Zetasizernano附pH仪,具有Ag/
AgCl内标溶液,测量误差为0101。溶液的Cu含量分析在南
阶段细菌的吸附性能差异。1 实验材料与设计1.1 氧化亚铁硫杆菌
氧化亚铁硫杆菌(Acidothiobacillusferrooxidans,简称A.
f),化能自养,革兰氏阴性菌,好氧嗜酸。属于原核生物界,
京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成,所用仪器为电感耦合等离子体发射光谱(ICP2AES,JY38S型),功率0194W,频率40168MHz,焦距1m,实际分辨率01005
nm,波长范围165～800nm,检测下限0101～011μg/mL,精
密度RSD≤2%。
化能营养原核生物门,最适合生长的温度为30℃,pH值为
215,当培养基中pH值超过310时溶液会产生Fe3+的沉淀
2 吸附等温线和吸附模型
2.1 吸附等温线
不同生长阶段的氧化亚铁硫杆菌吸附Cu2+的吸附等温线如图2所示。图2显示,Cu2+的吸附量与初始浓度呈显著的正相关,随着Cu2+初始浓度的增加,氧化亚铁硫杆菌对其的吸附量也随之增加。这与多粘芽孢杆菌(Paenibacillus
polymyxa)吸附Cu
2+
物,覆盖到细菌表面影响A.f对各种形态的Fe2+的氧化。该菌常见于金属硫化物矿床和煤炭矿床的酸性矿坑水中,以
CO2为碳源
,NH4+
为氮源,通过氧化Fe
2+
、元素S以及还原
态的化合物等来获得生命过程中所需的能量。
使用的细菌分离纯化自安徽铜陵酸矿坑水。9K培养基,pH=210,分别经过湿热灭菌和过滤灭菌后在无菌操作台上接种氧化亚铁硫杆菌。然后放入30℃、150r/min的全温摇瓶箱中培养6d、10d后取出,分别对应的时期为细菌生长
、矽藻菌(Schizomerisleibleinii)吸附
Fe2+、Pb2+和Cd2+离子以及根霉(Rhizopusarrhizus)吸附Zn2+的实验(;zeretal.,1999)相似,即提高环境流体中的重
的对数生长期、稳定期(图1),分离出的细菌放入冰箱待用。金属浓度与生物量的比率能够增加生物体的吸附(吸收)量。利用显微镜计数法,此时这两个生长阶段细菌的菌液浓度分Giles等(1960)根据稀溶液条件下固体材料吸附金属离别为6124×107个/mL和618×107个/mL。
子的吸附等温线斜率将等温线细分为S型、L型、H型和C型
4类,对数生长期和稳定期的氧化亚铁硫杆菌吸附Cu2+的吸
1.2 吸附实验
用电子天平分别称量917666、319068和013904g的Cu2
SO4・5H2O,使用1000mL的容量瓶,用去离子水配制了[Cu2+]
附等温线为S型等温线。S型等温线是起始阶段斜率较小,并凸向浓度轴的曲线。即起始时,溶液中Cu2+浓度较小时吸
第6期 丁 雨等:不同生长阶段氧化亚铁硫杆菌的Cu2+吸附研究 561
图2 对数生长期和稳定期氧化亚铁硫杆菌对Cu2+
的吸附等温线
Fig.2 AdsorptionisothermofCu2+onAcidothiobacillusferrooxidansinlogarithmicphaseandstationaryphase
图3 氧化亚铁硫杆菌吸附Cu2+的Langmuir模型拟合
Fig.3 LangmuirfittingofCu2+adsorptionon
Acidothiobacillusferrooxidans
附现象并不明显,当随着Cu2+浓度增加时吸附等温线有一较快速升高的区域,此时是由于被吸附Cu2+大量被氧化亚铁硫杆菌表面吸引所造成的。
2.2 吸附模型分析
固体物质自稀溶液中的吸附常用Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型描述,通过模型分析可了解吸附质在特定吸附剂上的吸附行为。
Langmuir吸附模型假定吸附是单分子层的,体相溶液和吸附层均可视为理想溶液,即吸附质分子之间不存在任何形式的相互作用。自稀溶液吸附的Langmuir等温式有多种形式,其中之一为方程式(1): 1Q
=a
1C
+b (1)图4 氧化亚铁硫杆菌吸附Cu2+的Freundlich模型拟合
Fig.4 FreundlichfittingofCu2+adsorptionon
Acidothiobacillusferrooxidans
式中:Q为吸附量,C为吸附平衡时的溶液浓度,a、b均为常数,用作图法或线性最小二乘法均可以求出。
Freundlich吸附模型描述的是非均质固体表面的吸附行
为。若固体表面是不均匀的,交换吸附平衡常数将与表面覆盖度有关,即b与覆盖度θ有关,从而可导出Freundlich等温式如方程式(2):
n2=aC
s
Cu2+浓度下,由于吸附位被占用的较少,表面化学的非均质
性并不显著,在一定程度上可用Langmuir吸附模型描述;而在相对高浓度的溶液中则有多种类型的吸附位,Freundlich吸附模型更为适宜。这一特征与StreptomycescoelicolorA3细菌吸附Cu2+和Ni2+(Ozturketal.,2004)以及Aeromonas
caviae细菌、Spirulina菌吸附Cd
2+
1/n
(2)
式中:ns2为饱和吸附量,C0为初始浓度,又有ns2=
V(C0-C)
,V、m在本次实验中均为常数,故有m
a/nV1 ln(C0-C)=C+ln (3)
n
m
1
的实验(Loukidouetal.,
2005;Doshietal.,2007)类似。在吸附量较低的情况下,细
菌表面的吸附可以看成单层吸附,为化学吸附的常见形式
(Loukidouetal.,2005),吸附位的差异不明显;但随着吸附
式中a、n为常数,可根据吸附等温线数据拟合获得。
图3、图4分别为Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型模拟不同生长阶段的氧化亚铁硫杆菌吸附Cu2+的拟合结果。可见,这两种吸附模型对对数生长期的吸附数据有较好的拟合结果,信度系数分别为0172和0191。这表明两种模型均能在一定程度上反映对数生长期的细菌的表面吸附行为,但是Freundlich吸附模型拟合的信度更高。即在极低
量的增加,细菌表面的不同化学基团先后发生吸附作用,则表现为更显著的非均值特征。鉴于Freundlich吸附模型拟合的信度系数明显高于Langmuir吸附模型,说明在对数生长期时,细菌表面是不均匀的,产生在细菌表面的交换吸附与细菌表面的覆盖度有关。根据Langmuir吸附模型计算,每个对数期氧化亚铁硫杆菌细胞吸附Cu2+的最大吸附容量为9124×
岩 石 矿 物 学 杂 志 第28卷562
10-14
mg,这一吸附量实际上低于Cu2+初始浓度为215g/L渡族金属阳离子具有很高的络合能力。当细菌吸附Cu2+的时候,细菌的表面发生的离子交换为:羧基、磷酰基、羟基等各有机基团中—COOH、—POH、—OH所含的H+与Cu2+发生离子交换,H+被置换释出,这也是随着吸附量增加pH值下降的重要原因。Cu2+与细胞表面的基团结合为化学吸附行为,所以认为氧化亚铁硫杆菌吸附Cu2+属于离子交换型化学吸附。由于细胞表面的化学基团数量丰富、类型复杂,所以吸附行为并不能简单描述为单层吸附模式,这就与无论在对数生长期还是稳定期氧化亚铁硫杆菌对Cu2+的吸附模型更加符合Freundlich吸附模型相吻合。细菌对Cu2+吸附是一个相对较快的过程,大部分细菌可在1h内达到吸附平衡(黄富荣等,2004;席宇等,2005;康铸慧等,2006;丁雨等,2007),说明细菌对Cu2+的吸附以速率较快的化学反应吸附为主,即以表面活性基团和Cu2+的络合为主。
2R—COOH0+Cu2+←→(R—COO)2Cu+2H+2R—POH0+Cu2+←→(R—PO)2Cu+2H+2R—OH0+Cu2+←→(R—O)2Cu+2H+
时的吸附量,从另外一个侧面也说明了该生长阶段细菌的吸附行为不完全是Langmuir型吸附,更加符合Freundlich吸附模型。
而稳定期的氧化亚铁硫杆菌对于Langmuir吸附模型和
Freundlich吸附模型两种吸附模型的拟合信度系数为0154和0172,所以同样,稳定期的氧化亚铁硫杆菌的吸附模型明显更
加符合Freundlich吸附模型,说明在细菌的生长过程中,细菌表面的化学基团发生了变化,与对数期相比,细菌表面的化学非均质性增强。在细菌吸附金属离子的过程中,多种化学位均发生吸附作用,吸附行为更为复杂。细胞表面结构和重金属表面吸附(或化学络合)之间的对应关系还有待进一步研究。
3 吸附机理讨论
图5展示了在两个生长阶段菌液的pH值与Cu2+吸附量之间的关系,随着吸附量的增加,菌液的pH值从415左右下降至312左右,说明随着细菌表面与Cu2+结合,溶液中的
[H+]增加。在低pH值条件下,大量H+的存在与金属离子
微生物生长不同阶段表现出的吸附行为差异,说明不同生长阶段细菌的表面具有种类不同或数量不等的各类基团,这对微生物吸附重金属离子有着重要的影响。尤其是当细菌生长到稳定期阶段时,细胞表面的化学非均质性增强,吸附行为偏离Langmuir吸附模型,尽管吸附容量并没有升高,但发生表面吸附的化学基团却更为复杂。二者表面化学的差异,可能不仅仅与细胞壁结构发生变化有关,更可能与细菌胞外聚合物更为发育、菌液中代谢产物增加有着密切的联系,因为随着细菌的生长,胞外聚合物的量会有所增加,化学组成也会发生一定的变化(林娟等,2007)。当然,不同阶段细菌吸附行为的差异还可能与细胞的生物活性变化、发生细菌吸收和重金属离子局部矿化等现象有关,有些生物化学过程与细菌的生长阶段也有着密切的联系(高健伟等,2006)。
竞争吸附位点,使得吸附量较小。随着溶液中金属离子含量的升高,吸附量显著增加,溶液的pH值也相应下降。二者之间的负相关关系说明溶液的pH值对重金属活动性和生物吸附的行为有着不容忽视的联系,溶液中的[H+]可能是影响生物吸附的关键因素(王立娜等,2009)。两个生长阶段的细菌在吸附行为与溶液pH值之间的关系略有差异。在吸附量相同时稳定期氧化亚铁硫杆菌的溶液pH值明显小于对数生长期。
4 结论
(1)对数生长期和稳定期的氧化亚铁硫杆菌吸附Cu2+
的吸附等温线为S型等温线。两个不同生长阶段的氧化亚铁硫杆菌对Cu2+的吸附存在差别。对数生长期的氧化亚铁硫杆菌和稳定期的氧化亚铁硫杆菌均较符合Freundlich吸附模型,表明其表面化学特征具有非均质性。
(2)Cu2+在两个生长阶段细菌表面的吸附均可解释为离
图5 Cu
2+
子交换化学吸附,氧化亚铁硫杆菌的表面化学基团的多样性
吸附量与pH值之间的关系
2+
是细菌表现出显著的表面化学非均质性的原因,而在不同生长阶段,细菌细胞壁的结构和胞外聚合物的发育状况均有变化,所以随着细菌的生长,其对Cu2+的吸附行为存在差异。
References
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Fig.5 VariationofCuadsorptioninrelation
topHofthesolution
一般来说,细菌表面的化学特征和被吸附的金属离子的特征是影响吸附作用的重要因素。阳离子的离子半径和带电荷量决定吸附能力的强弱(Maieretal.,2004),Cu2+作为过
第6期 丁 雨等:不同生长阶段氧化亚铁硫杆菌的Cu2+吸附研究 563
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