2. 河南仰韶生化工程有限公司, 三门峡 472400;
3. 南京农业大学资源与环境学院, 南京 210095
2. Henan Yangshao Biochemical Engineering Co. Ltd., Sanmenxia 472400;
3. College of Resources and Environment, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095
随着人类社会的发展，工业化进程日益加快，环境污染也日趋严重。生命过程离不开水源，水体污染是环境污染中最为值得关注的一个方面，其主要污染物有无机金属离子和有机化合物，如染料分子[1]。染料广泛应用于多个领域，废水排放量非常巨大，且多数染料化学结构复杂、难降解、具有一定的生物毒性，所以染料废水的处理成为污水处理的难点之一[2]。目前已有较多的染料废水处理方法，但各有利弊。吸附法是极具应用潜力和前景的处理方法之一，具有吸附剂种类繁多、来源广泛、吸附效率高等明显的优势。常见的吸附剂包括农业废弃物、活性炭、合成材料、微生物菌体及餐厨垃圾等，但不同材料的吸附性能及行为都有较大的不同[3-4]。寻找新型、廉价和高效吸附剂具有一定的研究和应用价值。
糖化酶是食品级酶制剂，生产该酶的微生物主要是黑曲霉，发酵过程中会产生大量的菌体残渣[5]。已有的研究表明，黑曲霉菌渣(主要包括菌丝体和剩余培养基等)含有丰富的营养成分，多被用于动物饲料成分之一[6]。随着糖化酶提取工艺的改进，如在下游分离过程中添加一定量的珍珠岩、硅藻土等，黑曲霉菌渣的组成也随之发生较大的变化，其作为动物饲料来源的安全性和营养价值则受到了挑战。据了解，该工艺下，菌渣多采用随处堆放处理，其价值不能被充分开发出来。已有农户将未经任何处理的菌渣进行还田，却发现土壤的酸碱性也发生改变，对作物的生长和收成势造成了负面影响。据报道，目前微生物菌渣的处理方法主要有混合堆肥、焚烧、还田及进一步发酵处理等[7-9]。也有研究将微生物菌渣作为吸附剂用来去除水中的重金属及有机物[10-11]。为此，本研究将黑曲霉菌渣作为一种复合吸附剂，揭示其对染料的吸附性能，为菌渣的重新利用、寻找新型生物吸附剂及解决染料废水污染提供参考。
1 材料与方法 1.1 材料 1.1.1 吸附剂糖化酶由黑曲霉发酵生产，经过滤提取后的滤饼为黑曲霉菌渣(Aspergilus niger waste)，由河南仰韶生化工程有限公司提供。取发酵后新鲜的菌渣在蒸馏水中浸泡4 h后离心，去除菌渣表面粘附的蛋白等杂质，之后于60℃条件下烘干至恒重，室温下保存备用。用JW-BK100A型比表面及孔径分析仪对菌渣吸附剂的物理性质(比表面积、孔容和孔径)进行分析。菌渣中粗纤维(CC)、粗脂肪(CF)、粗蛋白(CP)、粗灰分(CA)的含量分别采用国标GB/T 6434-2006、GB/T 6433-2006、GB/T 6432-1994、GB/T 6438-2007进行测定。
1.1.2 染料臧红T臧红T购于国药集团化学试剂有限公司，50 mg/L的染料溶液用U-3600紫外-可见分光光度计(岛津公司，日本)进行全波长扫描，其最大吸收峰在554 nm处。配置染料溶液所用的水为通过Mili-Q纯化系统(重庆利迪水处理技术公司)制备的超纯水。在吸附实验中根据实验需要将染料配置成不同的浓度，制作染料溶液标准曲线。
1.1.3 主要仪器主要仪器有梅特勒电子分析天平、DHG-924OA型鼓风干燥箱(常州诺基仪器)、YF-118高速中药粉碎机(瑞安市永历制造)、恒温震荡水浴锅(江苏金怡仪器科技有限公司)、Hitachi SU8010扫描电镜、Nicolet iS10 FT-IR光谱仪(Thermo Fisher，美国)、JW-BK100A型比表面及孔径分析仪(北京精微高博科学技术有限公司)和INESA可见分光光度计(上海仪电分析仪器)。
1.2 方法 1.2.1 吸附实验染料吸附实验在250 mL三角瓶中并于震荡条件下(100 r/min)进行，内含50 mL染料溶液，吸附剂量、温度、染料浓度根据实验需要而调整。吸附后4 000 r/min离心5 min，取上清液根据标准方程测定染料浓度，然后计算染料去除率(公式1) 和菌渣的吸附容量(公式2)，其中Co为初始染料浓度(mg/L)，Ce为吸附后染料浓度(mg/L)，V是溶液体积(L)，W是吸附剂量(g)，qe是吸附容量(mg/g)。
(1)
(2)
其他实验条件不变(pH自然，吸附剂量2 g/L，温度室温，初始浓度50 mg/L)，考察不同吸附时间(0-10 h)对吸附的影响。将不同吸附时间下的吸附数据分别用Lagergren准一级(公式3) 和Ho’s准二级动力学方程(公式4) 进行拟合[12]，其中qe(mg/g)和qt(mg/g)分别是吸附平衡和吸附t时间下的吸附容量，K1为准一级动力学速率常数(min-1)，K2为准二级吸附速率常数(L/mg·min)。
(3)
(4)
用膜扩散模型(公式5) 和内扩散模型(公式6) 对吸附行为进行拟合，qe(mg/g)和qt(mg/g)分别是吸附平衡和吸附t时间下的吸附容量，K3为平衡速率常数(min-1)，K4为内扩散速率常数[mg/(g·min1/2)]，C为粒子扩散方程常数。
(5)
(6)
其他实验条件不变(pH自然，吸附剂量2 g/L，初始浓度50 mg/L，吸附时间4 h)，考察不同温度(20-60℃)对吸附的影响。根据公式(7) 和(8) 计算吸附过程的吉布斯自由能变化、熵变和焓变[12]，其中R为常数(8.314 3 J/(md·K)，T为开氏温度，qe(mg/g)和Ce(mg/L)分别是吸附平衡是的吸附容量和染料浓度。
(7)
(8)
其他实验条件不变(pH自然，吸附剂量2 g/L，温度室温，吸附时间4 h)，考察不同染料初始浓度(20-600 mg/L)对吸附的影响。将不同染料浓度下的吸附数据分别用Langmuir和Freundlich等温吸附方程进行拟合[12]。Langmuir线性方程如下(公式9)，其中Kα(L/mg)是吸附常数，qm(mg/g)是单层最大吸附容量，qe(mg/g)和Ce(mg/L)分别是吸附平衡是的吸附容量和染料浓度。
(9)
Freundlich线性方程如下(公式10)，其中KF是吸附容量(mg/g)，1/n为吸附常数。
(10)
用Hitachi SU8010扫描电镜对菌渣进行微观结构观察，加速电压为10 kV，工作距离8.1-8.7 mm。分别对染料吸附前后的菌渣进行红外光谱分析(FTIR)，设备为Nicolet iS10 FT-IR光谱仪(Thermo Fisher，美国)，扫描波长为4 000-400 cm-1。
2 结果 2.1 黑曲霉菌渣的物理化学特性及臧红T标准曲线对黑曲霉菌渣进行了电镜观察(图 1)，从中可以看出黑曲霉菌的球形菌丝体以及不同形状、大小的岩土。
|
| 图 1 黑曲霉菌渣（A）及其电镜照片（B） |
进一步分析了菌渣的化学组成，结果如图 2所示。该黑曲霉菌渣含量最高的是灰分(CA)，约70%；其次是粗蛋白(CP)，约16%；粗脂肪和粗纤维含量则相对较少。在实际生产过程中，为提高糖化酶提取效率，每升发酵液中分别加入了50 g珍珠岩和70 g硅藻土，因此与未添加珍珠岩和硅藻土的黑曲霉菌渣营养成分相比[6]，该菌渣中大部分成分为灰分。此外，物理性质分析表明黑曲霉菌渣的比表面积为1.923 m2/g，总孔容为0.022 cm3/g，平均孔径为39.404 nm。染料吸附前后的菌渣红外光谱图如图 2-B所示，菌渣的主要吸收峰出现在3 620 cm-1-3 284 cm-1、2 925 cm-1、1 649 cm-1、1 039 cm-1、787 cm-1和462 cm-1附近，分别对应O-H的伸缩振动、C-H伸缩振动、C=O伸缩振动、C-O-C弯曲振动、杂环芳烃(1 000 cm-1以下)；吸附后的谱峰在这些区域均发生明显变化，表明了化学基团的参与[13-14]。
|
| 图 2 黑曲霉菌渣中几种主要成分的相对含量 CA为粗灰分；CF为粗脂肪；CC为粗纤维；CP为粗蛋白；others为其他成分）（A）和染料吸附前后菌渣的红外光谱图（B） |
将50 mg/L的染料溶液用U-3600紫外-可见分光光度计(岛津公司，日本)进行全波长扫描，其最大吸收峰在554 nm处(图 3-A)，与孙哲等[15]的报道一致。染料溶液加入菌渣进行吸附24 h后，554 nm处的吸收峰明显降低，且在可见光范围内未发现新的吸收峰，说明菌渣可高效吸附臧红T，且不会在溶液中引入新的污染物。在吸附实验中根据实验需要将染料配置成不同的浓度，制作染料溶液标准曲线(图 3-B)。
|
| 图 3 臧红T化学结构及吸附前后的全波长扫描（室温下）（A）及标准曲线（B） |
图 4描述了时间对吸附的影响和两个动力学模型。由图可知，快速吸附发生在开始的30 min内，染料去除率可到达65%以上。1-2 h内的吸附逐渐缓慢，2 h以后则达到了吸附平衡，染料去除率和吸附容量均不再增加，推测属于膜扩散行为。通过动力学方程可以看出，准二级动力学方程(图 4-C)能更好的描述吸附过程(R2=0.999)，相关参数列于表 1。由准二级动力学方程计算出的qe(19.57 mg/g)与实验值(19.35 mg/g)也非常接近。准一级动力学认为物理吸附是限速步骤，准二级则将化学吸附描述为限速步骤。因此，菌渣吸附臧红T的过程属于化学吸附。
|
| 图 4 接触时间对吸附的影响（A）及动力学方程（B：准一级动力学；C：准二级动力学） |
实验数据分别用膜扩散模型和内扩散模型进行了模拟，结果如图 5所示。通过相关系数的比较，发现膜扩散模型能更好的描述菌渣对染料臧红T的吸附。但二者模拟的相关系数均不是很高，可能菌株吸附臧红T的过程包含了膜扩散和内扩散。
|
| 图 5 菌渣吸附臧红T的膜扩散模型（A）和内扩散模型（B） |
考察了20-60℃范围内不同温度对吸附的影响并计算了不同温度下的反应吉布斯自由能，结果如图 6所示。菌渣对臧红T的吸附随着温度的升高而不断增加，从20-60℃，染料去除率几乎提高了30%，说明吸附过程为吸热过程。通常提高环境温度可以增加分子运动和吸附剂表面活力，进而促进吸附效率的提高[12]。在5个温度条件下，ΔG°均为负值，说明反应可自发进行。以温度为横坐标，ΔG°为纵坐标进行作图(图 6-B)，并根据公式计算出ΔS° =103.9 J/(mol·K)，ΔH°=29 734 J/mol，进一步表明吸附为吸热反应，实际工业废水中的热量则利用吸附的进行[4]。在多巴胺改性的沙棘合成材料(PDA@SBP)吸附水体中臧红T的实验中也得到了类似的热力学结果[14]。
|
| 图 6 不同温度对吸附的影响（A）及热力学方程（B） |
考察了不同染料初始浓度对染料去除率和吸附容量的影响，结果如图 7-A所示。随着染料浓度的增加，由于吸附位点逐渐被占据，从而去除率不断下降，而吸附容量则不断增大。在染料浓度20 mg/L时，去除率最高，达到84%；在染料浓度600 mg/L时，去除率约为46%，吸附容量约为137 mg/g。将实验数据分别用Langmuir和Freundlich等温吸附方程进行模拟，结果如图 7-B，7-C所示。在两个等温吸附模型中，Freundlich能更好的描述吸附过程(R2=0.99)，表明菌渣吸附剂表面有多个不同类型的吸附位点，吸附臧红T的过程为多分子层吸附。相关吸附参数经过计算列于表 2。由等温吸附方程和表 2可知，菌株对臧红T的最大单层吸附容量为166.67 mg/g，比海藻酸纤维对臧红T的吸附容量(约11 mg/g)高约15倍[15]。Mandal等[13]用聚丙烯酸钠和羧甲基纤维素钠合成水溶胶作为吸附剂去除水相中的臧红T，得到了最大吸附容量9.45 mg/g和去除率94.5%。Xu等[14]用多巴胺改性的沙棘合成材料(PDA@SBP)吸附水体中的臧红T发现，其最大吸附容量为54 mg/g。
|
| 图 7 不同染料浓度对吸附的影响 （A）及等温吸附方程 （B：Langmuir ；C ：Freundlich） |
其他实验条件不变(pH自然，初始浓度50 mg/L，吸附时间4 h，温度室温)，考察了不同吸附剂量(0.2-8 g/L)和氯化钠浓度(0-1 mol/L)对吸附的影响，结果如图 8。随着菌渣剂量的增加，溶液中臧红T的去除率不断提高，但吸附容量则明显下降，当吸附剂量超过3 g/L时，染料去除率增速则趋于缓慢[1]。当吸附剂量为8 g/L时，去除率最大为91%，此时的吸附容量仅为30 mg/g。溶液中未被吸附的染料分子(约10%)可能是解吸附过程造成的。在实际应用中，建议菌渣的使用量为2-4 g/L。该实验中，当吸附剂量为2 g/L时(其他条件同上)，低浓度的钠离子对菌渣去除水体中的臧红T具有明显的增强作用，当钠离子浓度为0.1 mol/L时染料去除率达到80%，是未添加钠离子时的3倍。但钠离子浓度进一步高于此浓度时，增强作用基本趋于平衡。
|
| 图 8 不同吸附剂量（A）及氯化钠浓度（B）对吸附的影响 |
该研究首次将工业发酵黑曲霉菌渣作为一种吸附剂并考察了其对染料臧红T的吸附效果。论文中使用的黑曲霉菌渣和已有报道的菌渣吸附剂有较大的不同，之前的研究多集中在利用单一的发酵菌体进行吸附[16-18]。该菌渣是一种包含黑曲霉菌体、珍珠岩和硅藻土等主要成分的复合吸附剂，研究表明这三种成分均具有较好的吸附能力[16]，因此和单一的发酵菌体相比具有独特的优势，尤其是处理含有多种污染物的废水时可能具有较好的净化效果。此外，染料溶液加入菌渣进行吸附后，染料的特征吸收峰明显降低甚至消失，并在可见光范围内未发现新的吸收峰，说明菌渣可高效吸附染料，且不会在溶液中引入新的污染物，这与植物性吸附剂材料相比同样具有优势[1, 4]。
黑曲霉菌渣对臧红T的吸附可用准二级动力学模型描述，准一级动力学模型则稍差，说明吸附过程包含了物理和化学吸附，以化学吸附为主要限速步骤。用海藻酸纤维、多巴胺改性的沙棘合成材料(PDA@SBP)等材料吸附水体中的臧红T也都可用准二级动力学模型准确地描述吸附臧红T[14, 15]，用黑曲霉菌粉吸附染料直接耐晒翠蓝199也同样符合准二级动力学模型[19]。温度是吸附反应的一个重要影响因素，因为多数工业废水排放时均含有一定的热量[4]。该实验中，菌株对染料的吸附随温度升高而增加，说明吸附为吸热反应，实际工业废水中的热量则利用吸附的进行，在一定程度上可减少操作费用的投入。
在等温吸附模型中，Freundlich比Langmuir能更好的描述吸附过程，表明菌渣吸附剂表面有多个不同类型的吸附位点，吸附臧红T的过程为多分子层吸附，这可能是由于菌渣是一种复合材料，各个材料均表现出了吸附特征。工业印染废水中除了含有高浓度的染料分子外，还含有少量的金属离子，金属离子对吸附可能产生一定的抑制作用[12]。但该实验中，低浓度的钠离子对菌渣去除水体中的臧红T具有明显的增强作用，当钠离子浓度为0.1 mol/L时染料去除率是未添加钠离子时的3倍，这进一步说明了工业发酵黑曲霉菌渣在实际印染废水处理中的潜在应用价值。
4 结论菌渣添加量( < 4 g/L)对溶液中臧红T的去除率具有较大影响，去除率最高可达到91%。通过Langmuir方程计算，单层最大吸附容量为166.67 mg/g。Freundlich可以较好地描述吸附行为，说明菌渣吸附臧红T属于多分子层吸附。吸附可在2 h达到吸附平衡，吸附过程符合准二级动力学方程。温度的增加可促进菌渣对染料的吸附，且吸附是一个自发的吸热反应。低浓度的钠离子( < 0.1 mol/L)对菌渣吸附臧红T具有增强作用。实验结果表明发酵生产糖化酶后的黑曲霉菌渣可以作为一种有效的生物吸附剂用于去除水体中的染料分子，其对染料的吸附包括菌体、珍珠岩和硅藻土等成分的联合吸附作用。
| [1] | 陈春强, 吴娟, 邬欣慧, 等. 水热氢氧化钾改性花生壳对染料的吸附性能[J]. 农业环境科学学报, 2016, 35(11): 2224–2230. DOI:10.11654/jaes.2016-0784 |
| [2] | 任南琪, 周显娇, 郭婉茜, 等. 染料废水处理技术研究进展[J]. 化工学报, 2013, 64(1): 84–89. |
| [3] | Hameed BH. Spent tea leaves:A new non-conventional and low-cost adsorbent for removal of basic dye from aqueous solutions[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 161 (2-3): 753–759. DOI:10.1016/j.jhazmat.2008.04.019 |
| [4] | Afroze S, Sen TK, Ang M, et al. Adsorption of methylene blue dye from aqueous solution by novel biomass Eucalyptus sheathiana bark:equilibrium, kinetics, thermodynamics and mechanism[J]. Desalination and Water Treatment, 2016, 57 (13): 5858–5878. DOI:10.1080/19443994.2015.1004115 |
| [5] | 梁锐君, 何翠红, 许少玉, 等. 黑曲霉菌渣在鸡鸭饲料中的利用研究[J]. 饲料研究, 2012, 4(1): 52–53. |
| [6] | 陈秀龙, 蔡冠杰, 覃新导, 等. 黑曲霉菌渣资源化再利用途径分析[J]. 热带农业科学, 2011, 31(6): 24–27. |
| [7] | 刘晓梅, 邹亚杰, 胡清秀, 等. 菌株纤维素降解菌的筛选与鉴定[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(7): 1384–1391. DOI:10.11654/jaes.2015.07.022 |
| [8] | 李再兴, 田宝阔, 左剑恶, 等. 抗生素菌株处理处置技术进展[J]. 环境工程, 2012, 30(2): 72–75. |
| [9] | Zhang Z, Zhao J, Yu C, et al. Evaluation of aerobic co-composting of penicillin fermentation fungi residue with pig manure on penicillin degradation, microbial population dynamics and composting maturity[J]. Bioresource Technology, 2015, 198 : 403–409. DOI:10.1016/j.biortech.2015.09.005 |
| [10] | 张金丽, 孙道华, 景孝廉, 等. Au(Ⅲ)离子在黑曲霉菌上的吸附热力学和动力学特性[J]. 化工学报, 2013, 64(4): 1281–1292. |
| [11] | Wang BE, Hu YY. Bioaccumulation versus adsorption of reactive dye by immobilized growing Aspergillus fumigatus beads[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 157 (1): 1–7. DOI:10.1016/j.jhazmat.2007.12.069 |
| [12] | Park D, Yun YS, Park JM. The past, present, and future trends of biosorption[J]. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 2010, 15 (1): 86–102. DOI:10.1007/s12257-009-0199-4 |
| [13] | Mandal B, Ray SK. Removal of safranine T and brilliant cresyl blue dyes from water by carboxy methyl cellulose incorporated acrylic hydrogels:Isotherms, kinetics and thermodynamic study[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2016, 60 : 313–327. DOI:10.1016/j.jtice.2015.10.021 |
| [14] | Xu X, Bai B, Wang H, et al. Enhanced adsorptive removal of Safranine T from aqueous solutions by waste sea buckthorn branch powder modified with dopamine:Kinetics, equilibrium, and thermodynamics[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2015, 87 : 23–31. DOI:10.1016/j.jpcs.2015.07.022 |
| [15] | 孙哲, 全凤玉, 徐文, 等. 海藻酸纤维对臧红T的吸附动力学研究[J]. 广州化工, 2012, 40(3): 7–10. |
| [16] | Binupriya AR, Sathishkumar M, Swaminathan K, et al. Comparative studies on removal of Congo red by native and modified mycelial pellets of Trametes versicolor in various reactor modes[J]. Bioresource Technology, 2008, 99 (5): 1080–1088. DOI:10.1016/j.biortech.2007.02.022 |
| [17] | Hajahmadi Z, Younesi H, Bahramifar N, et al. Multicomponent isotherm for biosorption of Zn(Ⅱ), CO(Ⅱ)and Cd(Ⅱ)from ternary mixture onto pretreated dried Aspergillus niger biomass[J]. Water Resources and Industry, 2015, 11 : 71–80. DOI:10.1016/j.wri.2015.07.003 |
| [18] | Rostami K, Joodaki MR. Some studies of cadmium adsorption using Aspergillus niger, Penicillium austurianum, employing an airlift fermenter[J]. Chemical Engineering Journal, 2002, 89 (1-3): 239–252. DOI:10.1016/S1385-8947(02)00131-6 |
| [19] | 施建臣, 孟雪娇, 郑天凌, 等. 黑曲霉菌粉对直接耐晒翠蓝199的吸附反应动力学研究[J]. 厦门大学学报:自然科学版, 2013, 52(6): 830–834. |