|
高吸附Pb2＋的异常威客汉姆酵母QF-1-1吸附Pb2＋特性及机理高吸附Pb2＋的异常威客汉姆酵母QF-1-1吸附Pb2＋特性及机理 李丽杰，贺银凤* （内蒙古农业大学食品科学与工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018） 摘 要：为开发新型重金属生物吸附剂，对一株高吸附Pb2+的异常威客汉姆酵母QF-1-1吸附Pb2+的特性和机理进行探讨。通过摇瓶法考察Pb2+溶液的初始pH值和质量浓度、菌体质量浓度、吸附时间对QF-1-1吸附Pb2+特性的影响。利用基团掩蔽实验、化学试剂处理实验、解吸附实验研究QF-1-1对Pb2+的吸附机理。结果表明，在Pb2+溶液初始pH 5.5、Pb2+溶液初始质量浓度100 mg/L、菌体质量浓度11 g/L、吸附时间140 min条件下，QF-1-1吸附效果较好，其中吸附量最大可达到7.29 mg/g，去除率达到97.89%。将QF-1-1羧基、氨基、磷酸基掩蔽处理后，其对Pb2+离子的去除率分别从92.61%下降到34.13%、38.69%和77.84%，各基团在吸附Pb2+过程中的贡献率分别是羧基＞氨基＞磷酸基。各种不同化学试剂处理后QF-1-1对Pb2+吸附能力表现不同，经酸处理后去除率降低，并且差异极显著（P＜0.01）。QF-1-1吸附Pb2+具有可逆性，可被0.1 mol/L HCl、15 mmol/L HNO3、1.0 mmol/L EDTA溶液洗脱，4 次洗脱后胞内Pb2+占吸附总量小于4.1%，因此推测其吸附机制主要是表面吸附。 关键词： 异常威客汉姆酵母；生物吸附；铅离子 随着经济与工业的迅速发展，农药的使用、铅冶炼企业的废物处理、含铅汽油燃烧后的汽车尾气、废铅蓄电池非法拆解等使铅污染日益加重，而铅污染会通过空气、水、土壤及农作物、食品等最终进入人体。铅对人体是多系统、多亲和性的毒物[1-2]，对人类健康构成了巨大威胁。 对于去除环境及食品中的铅污染问题，微生物吸附法因其具有无污染、成本低等优点已成为广泛认可的铅脱除方法。目前，对于这类微生物的研究主要集中在乳酸菌上。但已有研究发现，除乳酸菌外，酵母菌对重金属铅同样具有良好的吸附能力，并且有些酵母菌可以应用于食品发酵工业中。众多学者发现酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）对Pb2+、Cd2+、Cr2+、Hg2+等具备较高的吸附性能，在水溶液中对各离子的去除率可以达到90%以上[3-5]。Ilyas等[6]从工业废水中分离出的热带假丝酵母PS33培养8 d后，能从35 mmol/L含Pb2+培养基中除去87% Pb2+。本实验室自内蒙古包头重金属污染区土壤分离筛选到4 株高抗、高吸附性的异常威客汉姆酵母（Wickerhamomyces anomalus），其对Pb2+的耐受质量浓度在6 000～7 000 mg/L之间，去除率可达78.94%～91.67%，具备一定的研究应用潜力[7]。 随着研究的进展，人们发现酵母菌对重金属的吸附主要通过胞外结合的被动吸附和胞内主动累积2 个阶段。胞外吸附又包括表面络合、离子交换、无机微沉积、静电吸附、氧化还原和酶促以应等[8]。而胞内的主动累积可能涉及细胞壁外层与重金属结合的某些透膜酶、水解酶和多肽以及对重金属结合物进行区隔的一些转运系统[9]。由此可见，酵母菌吸附重金属机理较为复杂，并且不同酵母菌的吸附特性和吸附机理不尽相同。 本研究以前期筛选获得的一株高吸附铅的异常威客汉姆酵母为研究对象，对其Pb2+吸附特性及机制进行研究，结果为阐明酵母菌Pb2+吸附的机理提供依据。异常威客汉姆酵母作为产香酵母被广泛应用到白酒、葡萄酒、酱油、醋、面包等发酵食品和发酵饲料中，因此也可为此酵母菌能进一步应用于环境、食品、人体中去除Pb2+的应用研究提供一定的参考依据。 1 材料与方法1.1 材料与试剂W. anomalus QF-1-1分离自内蒙古包头土壤中，对重金属Pb2+具备较高的吸附能力，由内蒙古农业大学食品学院食品生物技术团队提供。 YPD液体培养基：2%葡萄糖、2%蛋白胨、1%酵母粉，pH 6.0（115 ℃，20 min）。 1.2 仪器与设备HF-SAFE 1500型生物安全柜 力康生物医疗科技控股有限公司；SX-500型全自动高压灭菌锅 日本Tomy Digital Biology公司；AAS990火焰原子吸收光谱仪北京普析通用公司；HZQ-C气浴恒温振荡器 常州金坛精达仪器制造有限公司；PB-10型数显酸度计 德国Sartorius公司；5810R型高速低温离心机 德国Eppendorf公司；CP224C型电子天平 奥豪斯仪器（上海）有限公司；LABCONCO冷冻干燥机 北京照生行仪器设备有限公司；单道移液枪 德国艾本德股份公司。 如果在没有端元光谱库的情况下，利用该模型进行混合像元分解，通常的做法是先估计出端元的个数，然后提取端元光谱，再结合高光谱遥感图像，进行基于最小二乘或其他方法的丰度估计[14]。然而，基于这种解混方法的思路，如果端元数目估计不准确，会给解混结果造成一定的影响。另外，由于同类地物端元存在光谱变异性，如果每种地物仅用一条标准的光谱定义也会造成结果不精确。为了解决上述问题，需要摆脱传统解混方法思路的束缚，寻找新的解混框架和模型，获取更精确的解混结果。随着端元光谱库的普及以及稀疏表示理论的发展，可以借助端元光谱库对高光谱遥感图像进行稀疏解混，具体介绍如下。 1.3 方法1.3.1 QF-1-1活化及供试菌液的制备 甘油保存的异常W. anomalus QF-1-1解冻后，取100 μL菌液（体积分数2%的接种量）接种于20 mL YPD培养基中，在恒温培养箱中振荡培养24 h（30 ℃，160 r/min），获得一代菌。之后按照相同接种量，将QF-1-1活化3 代。将活化好的3 代菌液离心（6 000 r/min，6 min，4 ℃）弃上清液，用超纯水洗涤菌体3 次（6 000 r/min，6 min，4 ℃）后制备成质量浓度0.3 g/mL的菌悬液用于后续实验。 1.3.2 QF-1-1对Pb2+的吸附 本研究采用摇瓶法，取20 mL待测Pb2+溶液置于50 mL三角瓶中，30 ℃水浴振荡箱保温1 h，加入供试菌液至要求的质量浓度，继续于水浴振荡箱中（30 ℃、160 r/min）振荡培养一定时间。吸附结束后，吸附液离心（12 000 r/min，10 min）取上清液，用火焰原子吸收光谱仪测定Pb2+含量，计算酵母菌对Pb2+的去除率及吸附量。 1.3.3 各因素对QF-1-1吸附Pb2+的影响 1.3.3.1 pH值的影响 按照1.3.2节的实验操作，分别在吸附时间140 min，Pb2+溶液的初始质量浓度100 mg/L，菌体质量浓度11 g/L，Pb2+溶液的初始pH值为4、4.5、5、5.5、6条件下，计算酵母菌对Pb2+的去除率及吸附量。 1.3.3.2 Pb2+溶液初始质量浓度的影响 从2010年开始，因为农村改造工程自身的持续发展，试点范围也开始不断扩大到西部地区。我国的资金补助也在持续地提高，农户危房改造所得到的补贴金额也在不断提升。当前，我国各省市地区使用在农村危房改造的资金基本上都是与中央资金进行配套而形成的。省、市、县三级政府共同提供的补助资金也远远超出了中央所给予的补助资金，在当前农村危房进行改造过程中，地方政府投入了非常多的财政资金，并且将这些资金使用在农村危房的改造上，使当前我国农村危房改造获得了非常好的效果[2]。 按照1.3.2节的实验操作，分别在吸附时间140 min，Pb2+溶液的初始pH 5.5，菌体质量浓度11 g/L，Pb2+溶液的初始质量浓度为100、200、300、400、500 mg/L条件下，计算酵母菌对Pb2+的去除率及吸附量。 1.3.3.3 菌体质量浓度的影响 按照1.3.2节的实验操作，分别在吸附时间140 min，Pb2+溶液的初始pH 5.5，Pb2+溶液的初始质量浓度100 mg/L，菌体质量浓度为7、9、11、13、15 g/L条件下，计算酵母菌对Pb2+的去除率及吸附量。 1.3.3.4 吸附时间的影响 按照1.3.2节的实验操作，分别在菌体质量浓度11 g/L，Pb2+溶液的初始pH 5.5，Pb2+溶液的初始质量浓度100 mg/L，吸附时间为60、80、100、120、140、160 min条件下，计算酵母菌对Pb2+的去除率及吸附量。 1.3.4 表面基团掩蔽对QF-1-1吸附Pb2+的影响 食用油的质量安全受到很多因素的影响，因此我们应严格按照相关要求进行食用油的质量检测工作。目前，我国已经制定了统一的食用油检测标准，但在实际工作中还是会出现一些问题，所以监管部门要加强食用油的质量检测力度，一定要严格按照相关要求进行检测工作，结合实际需求落实好各项食品安全管理工作，提升食品的安全性。 为了探究QF-1-1表面基团在Pb2+吸附中发挥的作用，将活化3 代离心所得的湿菌体用不同的方式进行化学处理，使得菌体表面的羧基、氨基及磷酸基团被掩蔽，再进行吸附Pb2+的实验，通过测定掩蔽前后菌体吸附Pb2+的差异，评价不同基团在QF-1-1吸附Pb2+中的作用。 电力系统中存在的设备会对继电保护功能产生一定的影响，以电力系统中电压互感器为例，电压互感器对继电保护的各项功能产生的影响是很重要的。电压互感器在系统运行中具有相当高的使用频率，因此，在很多时候继电保护出现的故障都是电压互感器的原因造成的。比如在电压互感器中一旦产生二次回路短路的故障时，产生的短路电流是非常大的，对于装置的影响是非常大的，如果不及时进行处理，有可能会导致电压互感器被烧坏，从而使继电保护功能受到严重影响。 将1.3.1节活化3 代离心所得到的湿菌体加至盐酸浓度为0.1 mol/L的无水甲醇溶液中，调节其质量浓度为10 g/L（以菌体干质量计），30 ℃水浴振荡箱中160 r/min振荡24 h以掩蔽羧基[10]；加至甲醛-甲酸混合溶液（1∶2，V/V）中，调节其质量浓度为1 g/L，30 ℃水浴振荡箱中160 r/min振荡6 h以掩蔽氨基和羟基[11]；加至亚磷酸三乙酯（97%）-硝基甲烷混合溶液（1.25∶1，V/V）中，调节其质量浓度为1 g/L，30 ℃水浴振荡箱中160 r/min振荡6 h以掩蔽磷酸基团[12]。将以上处理的菌体用超纯水洗涤 3 次（6 000 r/min，6 min，4 ℃），按照1.3.1节进行供试菌液的制备，并按照1.3.3节得到的最佳条件进行Pb2+的吸附实验，以未经基团掩蔽处理的菌体做对照实验。 1.3.5 化学试剂处理对QF-1-1吸附Pb2+的影响 将1.3.1节离心所得到的湿菌体，分别加入到0.1 mol/L氨水、盐酸、硫酸、乙酸、乙醇、氯化钠、氢氧化钠中，使其质量浓度为2 g/L，于水浴振荡箱中（30 ℃、160 r/min）处理60 min，用超纯水洗涤3 次（6 000 r/min，6 min，4 ℃），而后用去离子水漂洗至pH值不再变化，收集湿菌体，制成0.30 g/mL的菌悬液[13-14]。按照1.3.2节的方法测定各种化学试剂处理后QF-1-1对Pb2+的吸附能力，以未经化学试剂处理的菌体做对照实验。 气袋由内、中、外三层组合而成，内层为聚酯纤维强化的合成橡胶，中层橡胶为单体合成橡胶，外层为耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀的三元乙丙橡胶（EPDM），其厚度根据不同挡水高度所需耐压而不同。气袋三边无缝，一边开口，开口处呈楔形，需承受较高的耐压。气袋底部设进排气嘴，可通过压缩机充气。充气后鼓起，驱动钢闸门起升。放气后钢闸门因自重而倒伏，完全覆盖气袋。挡水超过一定高度时需要双气袋。 1.3.6 QF-1-1对Pb2+吸附稳定性研究 前言:慢阻肺为慢性阻塞性肺疾病的简称,该疾病特点为不完全可逆气流受限,同时呈进行性加重趋势变化,属于一种肺部炎症反应[1]。患者在发病时,主要表现为咳嗽、咳痰、喘息或是呼吸困难等症状,严重者可并发呼吸衰竭。而本院为研究呼吸康复治疗对慢阻肺患者生活质量的影响,故选取了2016年12月—2017年12月本院收治的68例慢阻肺患者进行了对比研究,以期为临床治疗该疾病提供参考。 按照1.3.2节所述方法进行吸附实验，将铅溶液和菌体分开得到沉淀菌体，12 000 r/min离心10 min获得吸附完成后的菌体，计算菌体的Pb2+吸附量。分别加入与上清液等体积的超纯水、0.1 mmol/L和1.0 mmol/L的EDTA溶液以及1.5 mmol/L和15 mmol/L的HNO3、0.1 mol/L HCl、0.05 mol/L H2SO4、0.1 mol/L NaCl 8 种解吸附溶液[15-17]，于160 r/min，30 ℃振荡30 min后，12 000 r/min离心10 min获得上清液，利用获得的菌体重复上述处理过程3 次。用原子吸收光谱仪测定每次解吸后上清液中的Pb2+含量，按式（1）、（2）计算每种溶液的解吸率及菌体上未被洗脱的Pb2+占比： 
式中：Mi为吸附完成时菌体上Pb2+浓度；Mt为解吸溶液中Pb2+的浓度。 1.3.7 QF-1-1对Pb2+去除率和吸附量的计算 标准曲线的绘制：以硝酸铅绘制标准曲线，以Pb2+溶液的质量浓度（0～100 mg/L）为横坐标轴，火焰原子吸收分光光度计的吸光度为纵坐标轴，得到线性回归方程y=0.009 9x+0.01，R2=0.999 6。 鲁西化肥作为中国化肥行业的知名品牌，不仅始终致力于以雄厚实力、丰富产品服务中国农业，而且坚持国有大型企业的行业责任，与时俱进。在中国农业不断变革进步的历史性进程中，鲁西化肥在新型肥料和绿色发展中，也始终站在潮头。鲁西液体肥，就是鲁西化肥实力与精神的凝聚与写照。 根据样品测定得到的吸光度，代入线性回归方程求出Pb2+的含量，并利用式（3）、（4）计算吸附量（mg/g，以湿菌质量计算）和去除率： 
式中：mb为未接种QF-1-1处理溶液中的Pb2+含量/mg；mc为QF-1-1处理后溶液中的Pb2+含量/mg；md为QF-1-1的添加量/g。 1.4 数据处理每组实验重复3 次，利用SPSS 20.0进行单因素方差分析与显著性差异分析，数据结果以 ±s表示。图表利用Excel软件进行绘制，差异显著，P＜0.05。 2 结果与分析2.1 各因素对QF-1-1吸附Pb2+的影响结果2.1.1 Pb2+溶液初始pH值的影响  图1 pH值对QF-1-1吸附Pb2＋的影响
Fig. 1 Effect of pH value on QF-1-1 adsorption toward Pb2+
pH值在微生物吸附重金属的过程中起重要作用，它可以通过改变溶液中金属离子的溶解度、离子交换过程以及细胞壁上羧酸盐、磷酸盐、氨基和巯基官能团的电离状态影响吸附平衡时间和吸附能力[18]。具有活性的生物吸附基团接受或丧失质子的能力也主要取决于pH值[19]。由图1可知，随着pH值升高，QF-1-1对Pb2+的吸附量和去除率均呈上升趋势，变化趋势相同。当pH值低于4.5时，吸附量和去除率均较低，这可能是因为溶液中大量存在的水合H+会与Pb2+竞争QF-1-1细胞壁上吸附活性位点，并使菌体细胞壁质子化，增加细胞表面的静电斥力，使得吸附量较低。随着pH值的升高，吸附量急剧升高，并在pH 5.5时基本趋于稳定，此时吸附量为7.29 mg/g、去除率为97.89%，与pH 6时无显著性差异。原因是随着pH值的增加，羧基和氨基配体等官能团的去质子化使细胞表面将携带更多的负电荷，这有利于铅离子通过电化学吸引和吸附作用而结合在细胞表面[20-21]。 Xing Sicheng[22]、Al-Fakih[23]等研究也表明，由于在低pH值下Pb2+和带正电的生物质之间会存在静电排斥作用，微生物的铅累积能力会随着pH值的升高而增加。但当pH值高于6时，铅离子会沉淀。故选取pH 5.5进行后续实验，同时可以避免pH值过高导致OH-和Pb2+生成氢氧化铅沉淀，对吸附实验造成影响。 2.1.2 Pb2+溶液初始质量浓度的影响  图2 Pb2＋质量浓度对QF-1-1 吸附Pb2＋的影响
Fig. 2 Effect of initial Pb2+ concentration on QF-1-1 adsorption toward Pb2+
由图2可知，随着Pb2+溶液质量浓度的升高，QF-1-1对Pb2+吸附量和去除率均逐渐下降，在500 mg/mL时达到最低，去除率和吸附量分别为17.02%和4.16 mg/g。其原因可能是当Pb2+质量浓度为100 mg/L时，Pb2+的量与细胞表面的吸附位点趋于平衡，溶液中所有的Pb2+几乎全部被吸附，然而随着Pb2+质量浓度的升高，细胞表面对Pb2+吸附位点开始饱和，导致去除率和吸附量均逐渐下降[24-25]。因此后续实验选择Pb2+溶液质量浓度为100 mg/L。Pb2+溶液质量浓度对各种微生物吸附Pb2+的影响研究结果不尽相同，本研究与Gunjal[19]、Ma Yanyan[26]等的结论基本一致。而Li Xiaohui[18]和Wahab[21]等研究发现，随着Pb2+的初始质量浓度增加，木贼镰刀菌和荧蒽降解菌FA1对Pb2+去除率逐渐下降，但是吸附量却表现出持续增加或逐渐上升随后下降的趋势。说明不同微生物对Pb2+的吸附能力表现不同。 2.1.3 菌体质量浓度的影响  图3 QF-1-1菌体质量浓度对吸附Pb2＋的影响
Fig. 3 Effect of cell concentrations on Pb2+ absorption by QF-1-1
由图3可知，随着菌株QF-1-1质量浓度的增加，其对Pb2+的吸附量和去除率的影响不同。当菌体质量浓度小于11 g/L时，吸附量随着菌浓度的增加缓慢增加，去除率快速上升，由60.54%升至96.52%，并在菌体质量浓度11 g/L时吸附量达到最大值7.27 mg/g。而当菌体质量浓度大于11 g/L时，吸附量逐渐下降，去除率趋于平稳。这与诸多学者研究的绿色木霉对Ni2+、酿酒酵母对Cd2+、产碱菌属对Pb2+的吸附结果一致[4,27-28]。原因可能是当菌体质量浓度为11 g/L时，菌的吸附位点恰好和溶液中游离的Pb2+含量平衡，而随着菌浓度的增加，菌体表面的部分吸附位点未饱和，而此时对Pb2+的去除几乎完全，因此造成单位吸附位点吸附量降低。此外，菌体表面积的聚集或重叠以及对Pb2+的可用吸附位点的竞争对生物吸附效率产生不利影响，可能使一部分结合位点消失，从而出现吸附量下降、去除率基本不变的现象[29]。也可能是由于在高的菌体浓度下，会发生部分细胞聚集从而导致细胞壁的三维结构和以应基团（COO-和NH3+）之间的内部连接，从而减少了金属离子在菌体中的扩散和吸附结合位点的可及性[30]。 3）经费保障水平持续提高。2012年以来，国家财政性教育经费连续五年占GDP超过4%，其中一半以上用于义务教育，一半以上用于中西部。至2016年，中央财政累计投入1336亿元，带动地方投入2500亿元，其中52%用于义务教育。农村小学生均公用经费标准从10年前的10元提高到550元，初中由15元提高到750元。 2.1.4 吸附时间的影响 不确定型决策根据决策环境和决策者的需要不同，所依据的标准也不尽相同。一般有乐观、悲观、折衷主义准则等[12]。遵循悲观准则，到达正理想点的距离最远的加权偏差之和，构造求取权重指标的优化数学模型为：  图4 吸附时间对QF-1-1吸附Pb2＋的影响
Fig. 4 Effect of adsorption time on Pb2+ adsorption by QF-1-1
由图4可知，QF-1-1对Pb2+去除率和吸附量变化趋势相同，在吸附时间为60 min时，去除率已经达到50.89%，完成吸附过程的一半，说明该菌株对重金属Pb2+大部分的吸附在短时间内即可完成，是一个较为快速的过程。该吸附过程主要是菌体细胞表面的吸附作用，可能是重金属离子通过表面络合、静电吸附、离子交换或者与细胞壁上的某些官能团结合[31]。该吸附过程取决于细胞表面上官能团的可用性和金属离子的性质[21]。随着时间进一步延长，吸附量和去除率继续呈现上升趋势，但增加缓慢，在140 min时去除率和吸附量已经基本趋于稳定，去除率和吸附量分别为95.44%和7.10 mg/g，与160 min无显著差异。推测原因可能是随着细胞的通透性改变和离子交换等作用，重金属离子通过无机微沉淀、氧化还原作用等进一步进入细胞质壁间，所以吸附过程逐渐减缓，直至表面结合位点饱和并达到平衡[27-28]。 由于研究范围较大，辐射距离较长，整段天际线所包含的构成要素数量及形式过多。因此以道路分隔及既有街区为基础，将整段天际线较为均匀地划分为7段样本，每段长度约500～700m。一方面控制样本尺度以便于受访人在之后的调查问卷中进行评价判断，另一方面增加样本数量为后续天际线评价定量化、规律化的探讨提供了基础。 2.2 QF-1-1菌体表面基团对Pb2+吸附能力的比较 图5 掩蔽菌体表面基团对菌株QF-1-1吸附Pb2＋的影响
Fig. 5 Effect of chemical treatment of different functional groups on the cell surface on Pb2+ adsorption by QF-1-1
据报道，羧基、氨基及磷酸基团这3 个官能团的螯合活性，是所有细菌与Pb2+结合的原因[22]。由图5可知，与未处理的菌体比较，经基团掩蔽后的菌株QF-1-1的去除率及吸附量都显著下降。其中经羧基、氨基、磷酸基掩蔽后的菌株QF-1-1的去除率从92.61%分别下降到34.13%、38.69%、77.84%，差异极显著（P＜0.01）。说明3 种基团在菌株QF-1-1吸附Pb2+过程中均发挥了很重要的作用，贡献率为羧基＞氨基＞磷酸基，而其中羧基和氨基的贡献率没有显著性差异（P＞0.05）。韩润平等[32]也发现啤酒酵母的羧基酯化后，其吸附能力下降35%。Salah[3]和邵昭[33]等证实酵母中存在的羧基，氨基和磷酸基是金属离子的主要生物吸附位点。Gazem等[34]对曲霉菌吸附Cu2+、Pb2+的研究也得到了类似的结论，说明在微生物吸附重金属的过程中，起主要作用的官能团是一致的。 2.3 化学试剂处理对QF-1-1吸附Pb2+的影响 图6 化学试剂处理对菌株QF-1-1吸附效果的影响
Fig. 6 Effect of different chemical treatments on Pb2+ adsorption by QF-1-1
由图6可知，与对照相比，经氨水、氢氧化钠及乙醇处理后，菌株QF-1-1的去除率及吸附量均有所升高，去除率从93.76%分别上升到94.58%、98.24%和93.83%，但是差异不显著（P＞0.05）。其原因是氨水和氢氧化钠提供了—OH，改变了菌株QF-1-1表面的某些化学性质，使菌体的电位电负性增加，造成菌体表面具有更多的负电荷活性基团，如羧基、氨基等，使其更易接受Pb2+而使去除率升高。邵昭[33]和Gazem等[34]通过对酵母菌和曲霉菌的研究得到了类似的结果。乙醇使吸附能力提高可能是因为乙醇使蛋白质变性，破坏细胞结构，造成细胞壁表面的官能团暴露[13]。 与对照相比，经盐酸、硫酸及乙酸处理后，QF-1-1对Pb2+的去除率及吸附量均大幅降低，差异极显著（P＜0.01）。其中经盐酸处理后的去除率最低，从93.76%下降到54.20%。其原因可能是酸使QF-1-1表面具有一定的H+而呈现正电性，与Pb2+相斥，从而使去除率降低。而氯化钠处理后，QF-1-1的去除率从93.76%下降到68.25%，差异极显著（P＜0.01），原因是正离子Na+与Pb2+相斥，从而使Pb2+去除率降低。Li Chunsheng等[35]研究发现鲁氏酵母对Cd2+和Pb2+的去除率和吸附量均随着NaCl浓度的增加明显降低，而酿酒酵母对Cd2+的吸附表现与鲁氏酵母相同，对Pb2+的吸附量却呈现先增加后减低的趋势。 Ma Ning等[36]研究表明，在6 mg/L和20 mg/L Cd2+2 种质量浓度下，随着NaCl浓度的提高，毕赤酵母对Cd2+的吸附量逐渐下降，但酿酒酵母对Cd2+的吸附量却随着NaCl浓度的提高呈现先升高后降低的趋势。在去除率方面，在2 种Cd2+浓度下，毕赤酵母对Cd2+去除率均呈现上升趋势，但酿酒酵母对Cd2+去除率影响不大。以上结论表明，NaCl对酵母菌吸附重金属的影响与酵母菌的种类、是否在培养基中、NaCl的浓度、重金属种类及浓度均有密切关系。 2.4 QF-1-1对Pb2+的吸附稳定性 图7 QF-1-1吸附Pb2＋后解吸附实验结果
Fig. 7 Desorption of adsorbed Pb2+ from QF-1-1
由图7可知，8 种洗脱剂中超纯水和0.1 mol/L NaCl几乎无洗脱作用，0.1 mol/L HCl、15 mmol/L HNO3、1.0 mmol/L EDTA第1次洗脱率已达到80%以上，经4 次洗脱后，菌体内只有不到4.1%的Pb2+。1.5 mmol/L HNO3、0.05 mol/L H2SO4洗脱能力在8 种洗脱剂中居中。酸型解吸液中含有大量的H+，可竞争Pb2+结合位点，从而可使吸附的Pb2+解吸[37]。不同酸解吸效果不同，原因可能是Pb2+被解吸下来后与硝酸根结合形成易溶于水、溶于酸的PbNO3，与Cl-形成易溶于酸的PbCl2，而Pb2SO4只能溶于浓硫酸和碱性条件下微溶于水，因此，HNO3的解吸能力最好，HCl次之，H2SO4最差。而EDTA与金属离子螯合作用强，很容易将Pb2+从细胞表面解吸下来。Yeşim等[38]也证明HNO3是比CaCl2和蒸馏水更有效的洗脱剂，并且0.05 mol/L的硝酸可有效地解吸生物吸附的金属离子[3]。本研究结果与高雁斐[17]和Gunjal[19]等结论一致。但与Yin Ruijie等[16]对植物乳杆菌CCFM8661吸附Pb2+后的解吸情况稍有差异，植物乳杆菌CCFM8661对Pb2+总洗脱率小于QF-1-1。可以推测QF-1-1对Pb2+主要是胞外吸附，是铅离子与细胞表面的物质如羟基、羧基等官能团或者胞外分泌物发生的化学结合作用。 商业银行的发展使审计工作的覆盖面更加宽广，让审计的内容更加丰富复杂，也使得审计所需要的条件更加专业。但目前我国国有商业银行在审计方法和技术严重落后于审计工作的发展趋势，对于营业网点的审计还停留在抽查这种缺少客观性的手段上，且结果的得出很大程度源自于审计人员的经验和个人判断，这是很难满足现如今高速发展的经济的需要。随着金融数据的日渐庞大，审计内容的不断复杂，如果不对审计技术加以革新，商业银行的发展势必会被落后的审计技术拖慢脚步。 3 结 论本研究结果揭示异常W. anomalus QF-1-1菌株体外吸附Pb2+的机理。首先考察了吸附条件对QF-1-1吸附Pb2+的影响，结果表明，当Pb2+溶液的初始pH 5.5、Pb2+溶液的初始质量浓度100 mg/L、菌体质量浓度11 g/L、吸附时间140 min时吸附效果较好，吸附量最大为7.29 mg/g，去除率为97.89%。基团掩蔽实验结果发现，羧基、氨基、磷酸基3 种基团在菌株QF-1-1吸附Pb2+过程中均发挥了重要的作用，贡献率为羧基＞氨基＞磷酸基。化学试剂处理实验结果表明，经碱处理后，菌株QF-1-1对Pb2+的去除率及吸附量均有所升高，但是差异不显著（P＞0.05）。经酸处理后去除率及吸附量均大幅降低，差异极显著（P＜0.01），表明电荷性质的改变对Pb2+吸附有重大的影响。QF-1-1对Pb2+吸附稳定性实验表明，0.1 mol/L HCl、15 mmol/L HNO3、1.0 mmol/L EDTA解吸能力最强，经4 次洗脱后进入菌体内的Pb2+小于4.1%。初步断定，QF-1-1对Pb2+的吸附机理主要是表面吸附。本研究初步阐明了异常威客汉姆酵母QF-1-1吸附Pb2+的作用过程，为此酵母菌能进一步应用于环境、食品、人体中去除Pb2+的应用提供一定的参考依据。 开设《职业生涯规划》《大学生职业素养培养》等相关专业课程，加强教学内容的实践性，创新教学方法、培养模式，构建“三个课堂”育人模式，打造一个“全员、全过程、全方位”的学生职业素养培养体系，职业素养的培养是润物细无声的，也是无处不在的，目的是在学生的日常生活、学习和实践中注重培养职业素养，让学生多种途径接受培养教育，提高思想意识，逐步养成行为习惯。学校更应注重课程结构，更新教学内容，完善教学方法，加强实习阶段的职业素养培养考评和反馈，践行全方位立体化的职业素养培养新模式。 参考文献： [1] 赵静, 孙海娟, 冯叙桥. 食品中重金属铅污染状况及其检测技术研究进展[J]. 食品与发酵工业, 2014, 40(9): 122-127. DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.2014.09.005. [2] 李倩, 周志俊, 张玉彬. 铅对机体免疫系统的毒作用及其机制的研究进展[J]. 环境与职业医学, 2016, 33(5): 523-527. DOI:10.13213/j.cnki.jeom.2016.15503. [3] SALAH N F, ANEES A K. Biosorption of heavy metals from aqueous solutions by Saccharomyces cerevisiae[J]. International Journal of Industrial Chemistry, 2015, 6(2): 119-130. DOI:10.1007/s40090-015-0038-8. [4] MANAL T E S. The use of Saccharomyces cerevisiae for removing cadmium (II) from aqueous waste solutions[J]. African Journal of Microbiology Research, 2012, 6(41): 6900-6910. DOI:10.5897/AJMR12.613. [5] 朱一民, 苏秀娟, 魏德洲, 等. 沉淀酵母菌对Pb(II)的吸附机理研究[J]. 安全与环境学报, 2006, 6(6): 63-66. DOI:10.3969/j.issn.1009-6094.2006.06.017. [6] ILYAS S, REHMAN A, ILYAS Q. Heavy metals induced oxidative stress in multi-metal tolerant yeast, Candida sp. PS33 and its capability to uptake heavy metals from wastewater[J]. Pakistan Journal of Zoology, 2017, 49(3): 769-775. DOI:10.17582/journal.pjz/2017.49.3.769.775. [7] 刘亚东. 高通量筛选耐受和吸附Pb2+的潜在益生酵母菌及特性研究[D]. 呼和浩特: 内蒙古农业大学, 2018: 36-39. [8] 陈亚刚, 陈雪梅, 张玉刚, 等. 微生物抗重金属的生理机制[J].生物技术通报, 2009, 25(10): 60-64. DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2009.10.012. [9] 李丽杰, 贺敏, 贺银凤, 等. 酵母菌对重金属的吸附与抗性和解毒重金属的胞内分子机制研究进展[J]. 食品科学, 2019, 40(3): 330-337.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20180827-282. [10] AYKIN-BURNS N, LAEGELER A, KELLOGG G, et al. Oxidative effects of lead in young and adult fisher 344 rats[J]. Archives of Environmental Contamination and Toxicology, 2003, 44(3): 417-420.DOI:10.1007/s00244-002-2023-4. [11] DAS S K, DAS A R, GUHA A K. A study on the adsorption mechanism of mercury on Aspergillus versicolor biomass[J].Environmental Science & Technology, 2007, 41(24): 8281-8287.DOI:10.1021/es070814g. [12] SHETH P, BASUROY S, LI C Y, et al. Role of phosphatidylinositol 3-kinase in oxidative stress-induced disruption of tight junctions[J].Journal of Biological Chemistry, 2003, 278(49): 49239-49245.DOI:10.1074/jbc.M305654200. [13] 张云松, 王仁国, 陈沿利, 等. 乙醇和氢氧化钠预处理对面包酵母菌吸附Cu2+的影响[J]. 环境化学, 2008, 27(2): 206-209. DOI:10.3321/j.issn:0254-6108.2008.02.016. [14] 张峰, 尹华, 秦华明, 等. 酱油曲霉对水中微量Cd2+的吸附[J]. 环境化学, 2012, 31(4): 464-469. [15] TEEMU H, SEPPO S, JUSSI M, et al. Reversible surface binding of cadmium and lead by lactic acid and bifidobacteria[J]. International Journal of Food Microbiology, 2008, 125(2): 170-175. DOI:10.1016/j.ijfoodmicro.2008.03.041. [16] YIN R J, ZHAI Q X, YU L L, et al. The binding characters study of lead removal by Lactobacillus plantarum CCFM8661[J]. European Food Research and Technology, 2016, 242(10): 1621-1629.DOI:10.1007/s00217-016-2661-9. [17] 高雁斐, 满兆红, 都启晶, 等. 嗜铅益生菌JT1菌株可逆性表面吸附铅的研究[J]. 中国食品学报, 2017, 17(8): 34-40. DOI:10.16429/j.1009-7848.2017.08.005. [18] LI X H, XU H X, GAO B, et al. Efficient biosorption of Pb (II)from aqueous solutions by a PAH-degrading strain Herbaspirillum chlorophenolicum FA1[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2018, 57(25): 64-71. DOI:10.1016/j.jiec.2017.08.008. [19] GUNJAL A B, KAPADNIS B P, PAWAR N J. Potential of live biomass of Aspergillus spp. in biosorption of heavy metals from aqueous solutions[J]. Journal of Solid Waste Technology and Management, 2017, 43(3): 216-225. DOI:10.5276/JSWTM.2017.216. [20] DAS D, CHAKRABORTY S, BHATTACHARJEE C. Biosorption of lead ions (Pb2+) from simulated wastewater using residual biomass of microalgae[J]. Desalination and Water Treatment, 2015, 57(10): 1-11.DOI:10.1080/19443994.2014.994105. [21] WAHAB A A. Factors affecting toxic lead (II) ion bioremediation by Fusarium equiseti isolated from the mangrove soil environment of southeast Borneo[J]. Malaysian Journal of Microbiology, 2015, 11:215-222. DOI:10.1070/QE1982v012n03ABEH012190. [22] XING S C, CHEN J Y, LV N, et al. Biosorption of lead (Pb2+) by the vegetative and decay cells and spores of Bacillus coagulans R11 isolated from lead mine soil[J]. Chemosphere, 2018, 211: 804-816.DOI:10.1016/j.chemosphere.2018.08.005. [23] AL-FAKIH A. Biosorption of lead and cobalt ions[M]//Bioremediation of heavy metals from aqueous solutions by some fungi. Saarbrücken: Lambert Academic Publishing, 2012: 23-212. [24] VIJAYARAGHAVAN K, YUN Y S. Bacterial biosorbents and biosorption[J]. Biotechnology Advances, 2008, 26(3): 266-291.DOI:10.1016/j.biotechadv.2008.02.002. [25] PUNDI R, CHARY G H V C, DASTIDAR M G. Application of Taguchi method for optimizing the process parameters for the removal of copper and nickel by growing Aspergillus sp.[J]. Water Resources and Industry, 2018, 20: 83-92. DOI:10.1016/j.wri.2016.05.001. [26] MA Y Y, WANG P F, WANG C. Isolation and characterization of Pb-resistant strains and the removal of Pb(II)[J]. Fresenius Resenius Environmental Bulletin, 2015, 24(3B): 1150-1157. [27] SUJATHA P, KALARANI V, KUMAR B N. Effective biosorption of nickel(II) from aqueous solutions using trichoderma viride[J]. Journal of Chemistry, 2013(2013): 1-7. DOI:10.1155/2013/716098. [28] JIN Y, YU S, TENG C Y. Biosorption characteristic of Alcaligenes sp.BAPb.1 for removal of lead (II) from aqueous solution[J]. 3 Biotech,2017, 7: 123-127. DOI:10.1007/s13205-017-0721-x. [29] EI-SAYED M T. Removal of lead (II) by Saccharomyces cerevisiae AUMC 3875[J]. Annals of Microbiology, 2013, 63(4): 1459-1470.DOI:10.1007/s13213-013-0609-x. [30] ARAN I, PISSOPA. Zinc biosorption from aqueous solution by a halotolerant cyanobacterium Aphanothece halophytica[J]. Current Microbiology, 2002, 45(4): 261-264. DOI:10.1007/s00284-002-3747-0. [31] 王泽煌, 王蒙, 蔡昆争, 等. 细菌对重金属吸附和解毒机制的研究进展[J]. 生物技术通报, 2016, 32(12): 13-18. DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.12.003. [32] 韩润平, 李建军, 杨贯羽, 等. 化学修饰与酵母菌对铅离子的吸附研究[J]. 郑州大学学报(理学版), 2000, 32(3): 72. DOI:10.3969/j.issn.1671-6841.2000.03.018. [33] 邵昭. 酵母菌对重金属离子的吸附研究[D]. 沈阳: 沈阳理工大学,2015: 38-42. [34] GAZEM M A H, NAZARETH S. Sorption of lead and copper from an aqueous phase system by marine-derived Aspergillus species[J].Annals of Microbiology, 2013, 63(2): 503-511. DOI:10.1007/s13213-012-0495-7. [35] LI C S, XU Y, JIANG W, et al. Effect of NaCl on the heavy metal tolerance and bioaccumulation of Zygosaccharomyces rouxii and Saccharomyces cerevisiae[J]. Bioresource Technology, 2013, 143: 46-52. DOI:10.1016/j.biortech.2013.05.114. [36] MA N, LI C S, DONG X Y, et al. Different effects of sodium chloride preincubation on cadmium tolerance of Pichia kudriavzevii and Saccharomyces cerevisiae[J]. Journal of Basic Microbiology, 2015, 55:1002-1012. DOI:10.1002/jobm.201400847. [37] 张梦梅, 刘书亮. 乳酸菌吸附重金属影响因素、机理及应用研究进展[J]. 食品科学, 2018, 39(15): 316-322. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201815046. [38] YEŞIM S, AKTAY Y. Mass transfer and equilibrium studies for the sorption of chromium ions on to chitin[J]. Process Biochemistry, 2000,36(1/2): 157-173. DOI:10.1016/S0032-9592(00)00200-4.
Adsorption Characteristics and Mechanism of Pb2+ by Wickerhamomyces anomalus QF-1-1, with High Pb2+ Adsorption Capacity LI Lijie, HE Yinfeng*
(College of Food Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China) Abstract: To develop a new biosorbent for the removal of heavy metals, we studied the adsorption characteristics and mechanism of Pb2+ by Wickerhamomyces anomalus QF-1-1, with high Pb2+ adsorption capacity. The shaking fl ask method was used to investigate the effects of initial Pb2+ concentration, initial pH value, microbial cell concentration and adsorption time on Pb2+ adsorption by this strain. The adsorption mechanism was studied by group making, chemical treatment and desorption experiments. The results showed that the optimum conditions for obtaining maximum adsorption capacity of 7.29 mg/g and Pb2+ removal rate of 97.89% were found to be pH 5.5, initial Pb2+ concentration 100 mg/L, yeast cell concentration 11 g/L, and absorption time 140 min. After making the -COOH, -NH2 and -PO3 groups on the cell surface,the removal rate of Pb2+ by QF-1-1 decreased from 92.61% to 34.13%、38.69%、77.84%, respectively. Therefore, in terms of decreasing contribution to Pb2+ adsorption, the three groups could be ranked in the following order: -COOH > -NH2 >-PO3. Different chemical treatments had different effects on the Pb2+ adsorption capacity of QF-1-1, which significantly decreased after acid treatment (P < 0.01). The Pb2+ adsorption process was reversible and the adsorbed Pb2+ could be eluted by 0.1 mol/L HCl, 15 mmol/L HNO3, and 1.0 mmol/L ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). The remaining intracellular Pb2+ accounted for less than 4.1% of the total adsorption amount after 4 times elution. Surface adsorption might be the main factor for the removal of Pb2+ by QF-1-1. Keywords: Wickerhamomyces anomalus; biosorption; lead ions
收稿日期：2019-10-31 基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（2017MS0324）；内蒙古自治区科技成果转化项目（CGZH2018145） *通信作者简介：贺银凤（1959—）（ORCID: 0000-0002-9762-1641），女，教授，博士，研究方向为食品生物技术。E-mail: heyinf6468@163.comDOI:10.7506/spkx1002-6630-20191031-349 中图分类号：TS201.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2020）10-0152-07 引文格式： 李丽杰, 贺银凤. 高吸附Pb2+的异常威客汉姆酵母QF-1-1吸附Pb2+特性及机理[J]. 食品科学, 2020, 41(10): 152-158.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20191031-349. http://www.spkx.net.cn汪尔玺同学被提名最多次，得到的桂圆最多。我看到其他同学有点小嫉妒的表情，就顺势教育大家：吃亏是福，平时做在别人看来是很吃亏的事情，其实是在为自己积福。你的付出无须立刻寻求回报，其他人会看到、感受到的，日后总会在生活中以某种方式来回报你。 LI Lijie, HE Yinfeng. Adsorption characteristics and mechanism of Pb2+ by Wickerhamomyces anomalus QF-1-1, with high Pb2+ adsorption capacity[J]. Food Science, 2020, 41(10): 152-158. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20191031-349. http://www.spkx.net.cn
| 
|Archiver|手机版|小黑屋|www.openhelp100.com
( 冀ICP备19026749号-1 )
发表于 2021-2-10 10:46:48
