生物吸附水Pb机制^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}离子对胞外聚合物(EPS)的物质

文摘

重金属污染已经越来越多的关注的焦点,尤其是铅^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}在水环境中。吸附能力和机制的胞外聚合物(EPS)的物质根癌土壤杆菌F2三重金属进行了这项研究。的吸附效率94.67%,94.41%,和77.95%的人达到Pb^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}分别吸附在每股收益。吸附的实验数据可以由朗缪尔,弗伦德里希,Dubinin-Radushkevich等温线模型和pseudo-second-order动力学模型。模型参数分析了EPS的吸附效率,特别是对Pb^{2 +},化学吸收作用是吸附过程中病原的一步。羧基官能团的C = O和C-O-C糖衍生品的EPS在吸附过程中发挥了重要作用通过红外光谱来评判。此外,3 d-eem光谱表明,酪氨酸也协助EPS吸附三重金属。但EPS从应变F2几乎相同的吸附机制用于三种二价离子的重金属,铅的吸附效率差异^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}在每股收益可能每个重金属相关的固有特征。这项研究给了证据表明每股收益有很大的应用潜力的bioadsorbent治疗重金属污染。

1。介绍

重金属污染主要来源于造纸、冶炼、电镀等工业废水和农药和化肥的过度使用1]。重金属污染物可能对环境和人体健康有害,他们不容易被微生物降解。人摄入大量metal-contaminated水或食物在很长一段时间,然后他们将遭受各种疾病甚至癌症,如贫血、骨痛,和慢性呼吸道疾病的长期接触铅、镉和镍。一般来说,受污染的水通常包含不止一个重金属,如工业废水、城市污水和工业废水2- - - - - -4]。因此,探索有效的方法控制重金属污染和改善水环境,尤其是对铅、镉、镍,是必要的。

目前,最常用的重金属污染处理技术包括化学沉淀、离子交换、吸附、膜分离、氧化还原、电化学(5- - - - - -22]。在这些方法中,吸附是首选的简单,效率,灵活地设计、生产低浪费,环保特点对某些biosorbents [23]。最近,微生物胞外聚合物(EPS)的物质已经成为一个热门研究课题的有效治疗重金属污染因其安全、效率、能耗低,操作简单24- - - - - -30.]。

每股收益产生的根癌土壤杆菌F2是一个复杂的化合物与高分子量和用于吸附铅^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}污染物在这项研究。我们之前的研究集中在重金属和抗生素吸附bioflocculant MFX,这是一种EPS提取克雷伯氏菌sp。j - 1 (31日- - - - - -38]。结果显示每股收益作为水处理材料的巨大潜力和指导我们的后续研究。然而,每股收益产生的应变F2的主要成分是多糖,它不同于蛋白质的主要成分bioflocculant MFX j - 1产生的压力。为应用程序仍未知的潜力F2 EPS产生的压力。因此,它被用于吸附重金属污染物,和吸附机制是系统地研究通过定性和定量分析,从而提供了一个新的可用bioadsorbent水处理。

2。实验部分

2.1。菌株和试剂

根癌土壤杆菌F2孤立了我们组,现在存入中国普通微生物菌种保藏(CGMCC No。10131)。硝酸铅、氯化镉和硝酸镍从Sigma-Aldrich购买,圣路易斯,密苏里州,美国。媒介组件购买化学试剂国药控股有限公司,有限公司,上海,中国。超纯水与Milli-Q系统实验准备。所有化学品都是分析级。

2.2。EPS准备

F2菌株发酵应用准备EPS的文化。发酵培养基是由下列原料(g / L): glucose10, K₂HPO₄5、KH₂阿宝₄2、氯化钠0.1,MgSO₄•7 h₂0.5 0.5 0.2 O,酵母提取物,尿素调整pH值在7.2 - -7.5。F2菌株在发酵培养基获得precultured种子液,接种到发酵培养基,然后有5%由消毒发酵罐。有关文化参数设定为30°C, 150 rpm 24 h和L 2.5分钟¹。然后,最后发酵液体是离心机消除细菌,和预冷乙醇添加到残余上层清液收集白色的棉絮,然后透析24 h。絮体是由真空冷冻干燥得到干粉的EPS和溶解到超纯水之前使用。

2.3。批量吸附实验

股票的解决方案(100毫克L¹)的铅^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}是由溶解硝酸铅、氯化镉和镍硝酸盐在超纯水。工作解决方案通过适当稀释股票的解决方案与超纯水和pH值调整使用1摩尔L¹HNO₃或氢氧化钠。在每一批吸附实验中,0.2,0.7,和0.8 g L¹吸附剂是Pb的添加到20毫升^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}水溶液(20毫克L¹,pH值6.0)和搅了0 - 70分钟30°C。吸附后,初始浓度和残余离子在水溶液中然后用电感耦合等离子体光学发射光谱法(ICP-OES;最适条件5300 DV、PE、美国)的检出限10μg L¹。所有样品都过滤了0.45μ测量之前m醋酸纤维素纤维。吸附效率(η)和吸附容量(问_e)的铅^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}每股收益计算如下: 在哪里C₀和C_e初始和重金属离子的平衡浓度,分别(mg L¹),V是溶液体积(L),米是使用数量的EPS (g),平均值记录与标准偏差在±1.3%,由于没有显示和误差的大小是小于符号用来绘制图形。

2.4。吸附等温线和动力学

弗朗缪尔,Dubinin-Radushkevich等温线模型被用来确定吸附平衡在20°C, 30°C,分别和40°C。探讨吸附等温线,重金属离子的初始浓度范围在5-50 mg L¹和其他条件符合上述批量吸附实验。对EPS重金属离子的吸附动力学实验,分析了实验数据符合一级和pseudo-second-order动力学模型。吸附时间是在2.5 -70分钟,其他参数与上述相同的批处理吸附实验。所有模型和关键参数如表所示1。

2.5。吸附机制的特征

EPS重金属离子的吸附机理和特点分析了吸附前后使用傅里叶变换红外光谱(FTIR),ζ潜力分析和三维荧光分光光度法(3 d-eem)检查EPS和铅之间的交互^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +},分别。EPS加载Pb^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}样品收集在最佳实验条件下,然后冲洗去除重金属离子自由使用超纯水。每股收益(Pb之前和之后^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}加载)被真空冷冻干燥处理。的光谱范围400 - 4000厘米¹通过红外光谱谱仪记录使用溴化钾片技术。的ζ潜在的系统的整个过程和zeta计测量设备。3 d-eem应用研究活性成分吸附前后的变化通过三维荧光光谱仪(FP6500、JASCO、日本)。发射光谱的扫描参数设置为220 - 450 1 nm增量通过改变激发波长220 - 650纳米的5 nm增量。一个空白的解决方案(Milli-Q水)减去从样本。

3所示。结果与讨论

3.1。吸附重金属对EPS的效率

图1显示了吸附效率和ζ潜在的每股收益在不同的金属离子吸附时间。吸附效率迅速增加在最初5分钟,逐渐增加直到达到吸附饱和近20分钟吸附效率最高的94.67%,94.41%,77.95%,铅^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}每股收益。因此,每股收益表现出优越的吸附效率为目标污染物,尤其是铅^{2 +}和Cd^{2 +}。然而,对镍的吸附效率^{2 +}在EPS显然不是理想如铅^{2 +}和Cd^{2 +},所以仍然需要进一步吸附机制来解释吸附的区别。ζ潜力分析是用来分析吸附反应的稳定性随着不同的时间前后Pb^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}吸附在每股收益。见图1 (b),ζ反应系统的潜力在Pb添加EPS后迅速下降^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}并达成稳定在-37.90,-34.9,和-31.2 mV。随后,ζ潜在的保持稳定以及提高吸附效率,从而表明整个吸附反应过程是稳定的。带负电荷的EPS有利于其带正电荷的重金属吸附,所以这对Pb表现出优越的吸附效率^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}。

3.2。等温线模型

3.2.1之上。朗缪尔吸附等温式模型

的拟合结果Pb的朗缪尔吸附等温线^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}在EPS 20°C, 30°C,和40°C所示的数据2(一个)- - - - - -2 (c)。结果表明,R²都大于0.90,表明铅^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}吸附在EPS可以安装好朗缪尔吸附等温式模型。铅的吸附过程的数据^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}在EPS满意地安装到朗缪尔模型在一个水生系统 ,表明单层吸附可能存在31日]。模型参数如表所示2,在这问_米逐渐减少,b温度增加而增加,表明吸附过程的放热特性。

3.2.2。弗伦德里希吸附等温线模型

弗伦德里希等温线模型的拟合结果如图2 (d)- - - - - -2 (f),并给出了模型参数表3。结果表明,铅的吸附^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}每股收益也与弗伦德里希等温线模型一致 。随着温度的逐渐增加,逐渐减少K_FPb的^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}吸附在EPS表明,吸附反应是放热39]。 表示良好的吸附铅的能力^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}每股收益(31日,37]。

3.2.3。Dubinin-Radushkevich吸附等温线模型

模型是用来判断吸附过程完成的物理或化学反应40]。Dubinin-Radushkevich的模型参数可以用来解释吸附过程 。Dubinin-Radushkevich模型的拟合结果和参数在20°C, 30°C, 40°C给出数据2 (g)- - - - - -2(我)和表4,分别。基于Dubinin-Radushkevich模型,物理吸附是由于范德华力被认为是值低于8 kJ摩尔¹化学吸附,而通常涉及离子交换的评判分裂到8 - 16个kJ值摩尔¹(41]。Pb值^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}吸附在EPS在8 kJ摩尔之间¹和16 kJ摩尔¹分别表明吸附过程主要完成化学吸附。上述分析表明,Pb的吸附过程^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}朗缪尔EPS能好上,弗伦德里希,Dubinin-Radushkevich等温线模型( ),显示多个吸附机制所涉及的复杂的吸附过程,特别是化学吸附与离子交换有关。

3.3。动力学模型

准一和二阶动力学模型应用到合适的吸附行为的数据。然而,符合一级动力学模型不能有效地吸附过程 (数据没有显示)。pseudo-second-order动力学模型通常是用来澄清在吸附过程中限制步骤。模型被用来分析吸附过程和机制通过定量方法在本研究中。pseudo-second-order动力学模型的拟合结果如图2 (j)- - - - - -2(左),并给出了模型参数表5。 表明吸附过程可以更好的安装pseudo-second-order动力学模型。结果表明,化学吸附在吸附过程中病原反应步骤(24]。

表观活化能(Ea从反应速率计算)根据阿伦尼乌斯公式pseudo-second-order动力学。物理吸附,吸附过程Ea是有些人kJ摩尔¹和化学吸附时Ea40 - 800 kJ摩尔吗¹(32,42]。的EaPb值^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}吸附在每股收益分别为709.27,660.44和472.23 kJ摩尔¹分别指示化学吸附过程。

3.4。吸附机制

多项研究表明,污染物吸附的官能团是一个关键因素在每股收益。EPS吸附前后的红外光谱Pb^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}如图3观察到,一些山峰,包括地,C = O - h,碳氮,C-O-C,切断EPS (32,33]。如图3峰值强度的明显变化,C = O的羧基和C-O-C乐队糖衍生品在重金属吸附后观察。这一发现可能解释为多糖为主要成分的EPS在吸附过程中扮演了关键角色。

3 d-eem频谱展出 和 可能是芳香族氨基酸色氨酸和酪氨酸的蛋白质像物质(43]。图4显示他们的EPS吸收铅后荧光强度减弱^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +},显示不同级别的淬火。酪氨酸蛋白的荧光强度在EPS显示相对更明显淬火后吸收铅^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}。结果显示蛋白质像物质EPS的酪氨酸也发挥了一些作用对重金属吸附。一个可能的解释是,多糖的主要成分是每股收益产生的应变F2 (44],而低蛋白质含量在EPS导致轻微改变重金属的吸附。

总之,每股收益从应变F2几乎相同的吸附机制用于三种二价重金属离子。铅的吸附效率差异^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}在每股收益可能相关的固有特点每个重金属,这值得深入调查通过定量结构活性关系(构象)。C = O的明显变化的羧基和C-O-C乐队糖衍生产品通过红外光谱可以支持的角度,EPS的多糖为主要成分的吸附过程中扮演了关键角色Pb^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}离子。此外,弱者淬火EPS通过3中酪氨酸的蛋白质像物质变化d-eem也观察到后吸收重金属,这可能表明蛋白质像物质EPS在重金属吸附也协助。目前,每股收益被报道用于某人(V)还原和吸附,这是增强通过nZVI涂料(45]。因此,我们将考虑采用EPS从应变F2 redox-adsorption的其他物质,如高氯酸盐和钒酸(46,47),在未来的工作。

4所示。结论

每股收益从根癌土壤杆菌F2展出Pb的有效吸附效率^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +},特别是对铅^{2 +}。但EPS从应变F2几乎相同的吸附机制用于三种二价离子的重金属,铅的吸附效率差异^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}在每股收益可能每个重金属相关的固有特征。热力学和动力学分析显示的放热特性吸附过程中,吸附剂的吸附能力和化学吸附的关键作用。Pb展示的吸附机制^{2 +}、Cd^{2 +},倪^{2 +}吸附在每股收益主要是归因于C = O的官能团的羧基和C-O-C糖衍生品。在某种程度上,氨基酸蛋白质像物质EPS在重金属吸附也协助。每股收益从应变F2 bioadsorbent治疗有很大的应用潜力的重金属离子污染水生系统。

数据可用性

可用数据可以通过联系相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有实际或潜在的经济利益竞争。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(51608154),该基金会杰出青年人才在黑龙江省高等教育,中国(unpysct - 2017211),该基金会为哈尔滨商业大学杰出的年轻人才,中国(18 xn026),和哈尔滨商业大学博士的早期发展计划,中国(2016 bs15)。

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