1 引言(Introduction)

贵金属包括金、银、钌、铑、钯、锇、铱、铂8种金属，因其在现代工业，如电子产品、催化剂等领域应用中的重要作用，也被誉为“现代工业生命的维他命”(陈艳等，2006).然而经过近300年的无节制开采，全球大部分贵金属矿产资源已经从地下转移到地上，并以废弃物的形态堆积在人们周围.贵金属废弃物主要来自电子废弃物、废弃催化剂及珠宝冶炼厂的废水、废渣等.据统计，1 t线路板中的金含量为450 g·t^-1，而普通金矿品味低至3 g·t^-1时仍具有开采价值，经选矿得到的金精矿金含量也仅有70 g·t^-1左右，特别是废旧线路板酸浸液或珠宝行业废水中金的含量高达990 mg·L^-1(Macaskie et al.，2007；Deplanche et al.，2008)，因此，贵金属废弃物也被称作“城市矿产”.随着金在工业、医药和纳米技术领域的广泛应用，金的需求量不断增加，从二次资源中回收贵金属金显得尤为重要(Natarajan et al.，2015).传统的回收金的物理、化学方法普遍存在效率低、成本高、工艺复杂、环境污染严重等问题(Huang et al.，2015)，因此，亟需寻求经济、高效、环境友好的回收金的方法.

近年来，微生物因具有菌种资源丰富、成本低廉、产率高、绿色环保等优点而受到越来越多的关注，被认为是极具发展潜力的回收技术(刘新星等，2015).据报道，不同种类的微生物，如脱硫弧菌(Creamer et al.，2006)、希瓦氏藻类(Konishi et al.，2006)、沙雷菌(De Corte et al.，2011)等可将溶液中的离子态的贵金属以单质态的纳米金回收，其回收过程包括生物吸附(Mack et al.，2007)和生物还原(Hennebel et al.，2009)两部分.吸附是回收发生的第一步，微生物表面含有大量氨基、羧基、羟基等官能团，可通过静电吸附、离子交换、络合和氧化还原作用为微生物吸附金属离子提供结合位点(Won et al.，2014).不同微生物由于其作用机制的差异可能显示出不同的吸附行为，如墨角藻生物吸附金时，pH=7的效果最佳，而枯草芽孢杆菌在pH为2~3时的吸附率最高(Ji et al.，2011).因此，有必要对生物吸附的机制进一步研究.同时，生物吸附过程受各种因素影响较大，探讨不同条件对吸附的影响将有助于达到最佳的吸附效果(Mack et al.，2007).此外，通过研究了解其动力学和热力学特性，找到限制吸附的关键步骤将有助于提高吸附的效果与速率，对于微生物回收贵金属具有重要意义.

希瓦氏菌属是一种常见的革兰氏阴性异化金属还原菌，由于其产能代谢和电子传递途径多样化，在生态修复方面显示出了良好的应用前景.研究表明，沙雷菌可用于Fe、Au、Pd等金属的还原(Suresh et al.，2011)，希瓦氏藻类在以氢气为电子供体的条件下可将金以纳米颗粒的形式回收(Konishi et al.，2007)，这显示了希瓦氏菌属作为回收贵金属的菌种资源的良好应用前景.鲍希瓦氏菌作为兼性厌氧还原菌，已报道可利用多种底物进行产电用于微生物燃料电池(朱能武等，2014)，而将其应用于贵金属的回收尚未有研究报道.

因此，本文选用鲍希瓦氏菌为吸附金离子的菌种资源，研究溶液pH值、生物量、金离子浓度、温度等因素对吸附的影响，并通过Langumir和Freundlich方程拟合吸附等温线，确立吸附动力学模型，计算热力学的基本参数.同时，通过红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)分析参与吸附过程的官能团，推断吸附发生的可能机制，以期为后续的调控、提高吸附效率提供科学基础.

2 材料和方法(Materials and methods) 2.1 实验试剂

实验所用氯金酸、酵母提取物、蛋白胨、氯化钠、盐酸、氢氧化钠等购自阿拉丁试剂有限公司，均为分析纯.实验用水为去离子水，模拟金废水溶液采用去离子水将四水合氯金酸配制成2000 mg·L^-1的储备液.

2.2 菌种资源

所用菌种鲍希瓦氏菌(Shewanella haliotis，S.haliotis)是实验室前期从以红树林底泥启动的微生物燃料电池富集的阳极生物膜分离得到，已在中国菌种保藏中心保藏(CTCC No：M 2012444).将菌种接种到LB培养基中(5 g·L^-1 酵母提取物，10 g·L^-1 蛋白胨，10 g·L^-1 NaCl，pH约5.6)，在30 ℃培养40 h.培养至稳定期的细菌经8000 g离心5 min，用去离子水清洗3次后配成干重为10 g·L^-1的菌悬液备用.

2.3 吸附实验和Au³⁺的测定

取一定体积的Au³⁺溶液于50 mL洁净锥形瓶中，加入一定量菌悬液，置于恒温摇床中振荡(165 r·min^-1).溶液经离心5 min后，经0.22 μm的针孔滤膜过滤后，取上清液稀释适当倍数，采用火焰原子吸收收分光光度计(岛津-AA6880)测定溶液中剩余的Au³⁺浓度.实验中每组实验重复2次，Au³⁺在鲍希瓦氏菌上的吸附率Y和平衡吸附容量q_e(mg·g^-1)由式(1)和(2)计算得到.

(1)

(2)

式中，C₀和C_e分别为溶液中金离子的初始浓度和达到吸附平衡溶液中剩余Au³⁺的浓度(mg·L^-1)；C_b为鲍希瓦氏菌的干重浓度(g·L^-1).

pH对吸附的影响：控制菌量为2 g·L^-1，初始Au³⁺浓度为115 mg·L^-1，分别调节溶液pH为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0，在30 ℃振荡培养4 h后取样测上清液的金离子浓度.

生物量的影响：在pH为3.0的条件下，分别控制菌的浓度为0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0 g·L^-1，其他条件操作与pH实验一致.

初始Au³⁺浓度的影响：实际含金废水根据其来源不同，浓度在50~990 mg·L^-1之间，为了考查初始Au³⁺浓度对吸附的影响，在初始 pH为3的条件下，分别控制初始Au³⁺浓度为100、150、200、250、350、450、600、700 mg·L^-1，其他同pH实验条件一致.

温度和时间的影响：在初始pH为3时，分别在20、30、40、50 ℃的条件下于反应进行的2、5、10、20、30、60、90、120、150、180、240、360 min取样，其条件保持与pH实验相同.

2.4 吸附机理分析

微生物吸附吸附前后官能团的变化采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR，VERTEX 70)表征分析.有效官能团的元素结合状态采用X射线光电子能谱(XPS Axis UltraDLD，Kratos，England)分析，结合能以C_1S的自然碳的结合能进行校准，采用 XPSPEAK Version 4.1分峰软件对数据进行分峰拟合.样品表征前均经过真空冷冻干燥处理.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 吸附条件的影响 3.1.1 pH值对鲍希瓦氏菌吸附Au³⁺的影响

从图 1a可以看出，pH对吸附的影响较大，Au³⁺的吸附率随pH的降低而逐渐增加.当pH为3时，吸附率达到最大值95.9%，继续降低pH至2，吸附率有轻微的降低.当溶液pH为8时，吸附率降低至63.5%，吸附率总体下降幅度为32.4%，这说明酸性条件更有利于鲍希瓦氏菌对Au³⁺的吸附.一般而言，溶液pH主要是通过影响细菌表面官能团的电性及金属在溶液中存在的形式来影响吸附行为(Ji et al.，2011).当溶液中pH较低时，细菌表面的官能团如氨基被质子化，带正电荷增加(杨亮等，2012)，同时，Au³⁺在溶液中主要以带负电荷的AuCl₄^-形式存在，通过静电作用可吸附Au³⁺.然而，当pH过低时，溶液中存在过量的Cl^-会与AuCl₄^-竞争吸附位点从而导致使吸附率降低(Sathishkumar et al.，2010)，pH为2时的吸附率略低于pH为3时也证明了上述观点.当pH值较高时，菌体表面带负电，对溶液中以阴离子形式存在的Au³⁺会有一定的静电排斥作用从而降低吸附率.鲍希瓦氏菌生物吸附贵金属Au³⁺过程显示出对pH的较大依赖性，最佳吸附pH为3，表示静电作用在生物吸附过程中起重要作用(Sun et al.，2015).

3.1.2 生物投加量对吸附的影响

不同生物量对金离子吸附的影响如图 1b所示.从图中可以看出，随着鲍希瓦氏菌投加量从0.25 g·L^-1增至3.0 g·L^-1时，吸附率从40.3%增加到99.4%，而吸附容量却随着生物量的增加而降低.在鲍希瓦氏菌的投加量低于2.0 g·L^-1时，随着菌用量的增加，吸附率迅速增加.这可能是因为随着微生物量的增加，可用于吸附Au³⁺的活性位点也随之增加(Wang et al.，2015)，因此，吸附率增加.而当生物用量较多时，由于溶液中总的Au³⁺量基本不变，单位微生物吸附容量会下降，综合吸附率及吸附容量，选择合适的生物投加量为2.0 g·L^-1.

3.1.3 初始Au³⁺浓度对吸附的影响

图 1c为30 ℃时平衡吸附容量与初始金离子浓度的关系曲线，可以看出，随着初始Au³⁺浓度的增加，吸附率明显降低，而平衡吸附容量q_e增加.当溶液中初始Au³⁺浓度为100 mg·L^-1时，吸附率为96.1%，平衡吸附容量为48.0 mg·g^-1.增加初始Au³⁺浓度为700 mg·L^-1时，吸附率仅为41.0%，平衡吸附容量增加至143.8 mg·g^-1.这是由于当溶液中Au³⁺浓度增加时，单位微生物表面的吸附活性位点将有更多的Au³⁺，从而使微生物的吸附容量增加.然而过高的Au³⁺浓度会导致其对吸附位点的竞争，因此，表现为吸附率的降低.

3.1.4 温度和时间对吸附的影响

如图 1d所示，温度的升高对吸附速率没有明显的促进作用，但其吸附率却随着温度的升高而增加，这可能是因为温度升高能有利于菌体表面活性位点的释放从而促进了吸附的进行(Chakravarty et al.，2012).在不同温度条件下，吸附能够较快完成.在反应进行10 min时，吸附率分别达到90.1%、92.5%、93.8%和91.8%.随后吸附率随时间的增加而缓慢上升，在4 h后基本达到平衡，50 ℃的吸附率基本达到100%.鲍希瓦氏菌在前10 min的快速吸附过程可能是因为在初始阶段，微生物表面含有大量的结合位点，因而Au³⁺可以在其表面快速扩散从而被吸附.另外，这个阶段中微生物与Au³⁺是通过静电作用相互接触，也能促使吸附在较短时间内完成.鲍希瓦氏菌的吸附行为与Vijayaraghavan(2011)报道的小叶喇叭藻对金的吸附行为相似，都是在较短时间内吸附大部分金离子，随后缓慢达到平衡.然而其吸附行为不同于棕色墨角藻(Mata et al.，2009)和黑曲霉菌(张金丽等，2013)，相比而言，鲍希瓦氏菌达到平衡的时间明显缩短，这可能是不同微生物的吸附作用机制不同导致的.上述提到的两种微生物在吸附过程中伴随有氧化还原反应，其由于涉及到化学反应因而吸附速率相对较慢，而鲍希瓦氏菌的吸附过程中，溶液没有变为紫色，说明吸附过程中Au³⁺的价态没有发生变化，可能主要是通过快速的静电作用进行吸附.

3.2 鲍希瓦氏菌吸附Au³⁺的等温线模型

将30 ℃、不同初始Au³⁺浓度下的平衡吸附容量对溶液中剩余Au³⁺浓度(c_e)作图，分别利用Langumir 方程(3)和Freundlich方程(4)对实验数据进行拟合，拟合曲线如图 2所示，拟合参数见表 1.

(3)

(4)

式中，q_e为鲍希瓦氏菌对金的平衡吸附容量(mg·g^-1)；c_e为吸附平衡时溶液中残留Au³⁺浓度(mg·L^-1)；K_L为Langumir等温方程常数(L·mg^-1)；q_m为理论最大吸附容量(mg·g^-1)；K_F(L·g^-1)和n分别为Freundlich等温方程常数.

从表 1可以看出，Langumir和Freundlich方程拟合度(R²)分别为0.905和0.954，因此，Freundlich方程更适合于描述Au³⁺在鲍希瓦氏菌上的等温吸附过程.可以推断鲍希瓦氏菌生物吸附不是单一的化学吸附，可能存在多种吸附形式(Lin et al.，2013).Freundlich拟合的参数1/n的值在0~1之间，表明吸附是容易进行的.R_L(R_L=1/(1+ K_LC₀))随着Au³⁺浓度的增加而减小，说明提高初始Au³⁺浓度更有利于吸附，这与金离子浓度增加，菌的吸附容量增加的实验结果一致.通过Langumir方程模拟计算所得的金的吸附容量为147.8 mg·g^-1，与实验所测值143.8 mg·g^-1较为接近.在实际的贵金属回收过程中，吸附容量和吸附速率通常是比较重要的考虑因素.从这两个角度而言，本文中鲍希瓦氏菌对Au³⁺的吸附容量为143.8 mg·g^-1，高于已报道的马尾藻(32.94 mg·g^-1)和棒状杆菌(108.8 mg·g^-1)等的吸附容量(Sathishkumar et al.，2010; Kwak et al.，2010)；同时其吸附速率快，在反应进行的10 min内即能吸附溶液中几乎90%以上的Au³⁺，因此，鲍希瓦氏菌可作为一种有效回收贵金属金的菌种资源.

3.3 鲍希瓦氏菌吸附Au³⁺的动力学特征

为了进一步了解鲍希瓦氏菌吸附Au³⁺的行为，采用准一级动力学方程(式(5))、准二级动力学方程(式(6))、Elovich方程(式(7))及颗粒内扩散方程(式(8))对图 1d中的吸附数据进行拟合，得到的动力学基本参数见表 2和表 3.

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，q_e为吸附平衡时的吸附容量(mg·g^-1)；k₁为一级动力学吸附速率常数(min^-1)；k₂为二级动力学速率常数(g·mg^-1·min^-1)；t为取样时间(min)；α、β为Elvoich方程常数；k_i为颗粒内扩散方程常数(mg·g^-1·min^-1/2);C为方程截距，无量纲.

由表 2的数据可知，鲍希瓦氏菌吸附Au³⁺的吸附动力学过程与准一级和准二级方程都较好地吻合，拟合度R²值均较高.然而相比较而言，拟二级动力学回归方程得到的吸附理论容量与实验测得的吸附容量更加接近，说明拟二级动力学方程更适合描述Au³⁺在鲍希瓦氏菌上的吸附动力学.一般情况下，准一级动力学方程更适合描述吸附的初始阶段(Greluk et al.，2010)，本实验拟合的准一级动力学方程拟合度较高可能是因为鲍希瓦氏菌在上述吸附中是一个快速的过程.

用Elovich和颗粒内扩散方程方程进一步分析Au³⁺的吸附行为.从表 2可见，Elvoich方程拟合度要明显低于准二级动力学方程，因此，Elvoich方程不适宜描述Au³⁺在鲍希瓦氏菌上的吸附过程.由表 2内扩散方程参数可见，方程截距C比较大，表明q_t-t^1/2不会经过原点，因此，内扩散不是决定吸附速率的关键步骤.大多数吸附受外扩散、内扩散及吸附物与活性位点相互作用3部分的相互影响.由于吸附是在摇床振荡条件下进行的，因此，可以排除外扩散对吸附速率的影响.由此可判断，Au³⁺与微生物表面吸附位点之间的相互作用可能是限制吸附的关键步骤.

3.4 鲍希瓦菌吸附Au³⁺的热力学特征

吸附过程的自由能可根据式(9)计算得到：

(9)

式中，R为大气常数，取值为8.314 J·mol^-1·K^-1，T为吸附温度(K)，k_L(q_e/c_e)为分布系数.

熵变和焓变分别可通过范特霍夫方程(10)拟合直线的斜率和截距计算得到：

(10)

不同温度条件下计算所得的ΔG⁰分别为-4.945、-5.834、-8.976、-14.039 kJ·mol^-1，均为负值.自由能的绝对值随着温度的增加有增大趋势，这说明Au³⁺在鲍希瓦氏菌上的吸附具有高度自发性，且随着温度升高吸附自发趋势增大.不同温度下的吸附自由能在-20~0 kJ·mol^-1的范围，表明静电作用在吸附过程中起主要作用(Ji et al.，2011)，与前面的推断一致.

将k_L对温度1/T作图，得到的线性回归方程如图 3所示.直线的斜率和截距计算ΔH⁰和ΔS⁰，结果如表 3所示.焓变ΔH⁰为78.629 kJ·mol^-1>0，说明Au³⁺在鲍希瓦氏菌上的吸附是吸热反应.这与前面提到的Au³⁺在鲍希瓦氏菌上的平衡吸附容量随温度升高而增大的现象一致.计算得到的吸附的熵变为298.813 J·mol^-1·K^-1，说明鲍希瓦氏菌对Au³⁺的吸附过程中微生物与溶液界面的自由能增加.

3.5 吸附机理分析

通过对红外光谱的分析，可以判断在吸附过程中发生变化的官能团.对鲍希瓦氏菌生物吸附Au³⁺前后的FT-IR谱图(图 4)进行分析，对比吸附前后峰值的变化，可以发现位于3301 cm^-1的吸收峰在反应完成后迁移至3290 cm^-1处，3301 cm^-1处显示的是氨基和羟基伸缩振动的重叠吸收带，这种变化表明可能是金离子与菌体之间的氨基或羟基发生了配位作用导致峰位的偏移.反应后由—C=O伸缩振动和—N—H变形振动引起的吸收峰分别从1655 cm^-1和1537 cm^-1处移至1656和1538 cm^-1处，且峰强度有明显减弱，位于1378 cm^-1处的谱带在反应后红移至1385cm^-1处，说明羧基可能参与了吸附过程.菌体反应前后的变化意味着在吸附过程中羧基、羟基、氨基等官能团可能起主要作用.

为了进一步明晰在吸附过程中官能团的作用，采用X射线电子能谱对微生物吸附前后的碳元素和氮元素进行分析(图 5).对碳元素分峰如图 5a所示，鲍希瓦氏菌中的碳元素主要是来自细胞表面的蛋白质、糖类、脂类等物质，以3种形式存在.其中，位于284.6 eV处是—C—C和—C—H的键能，285.7 eV和287.3 eV分别对应的是—COOH和—C—OH的结合能(Das et al.，2012).吸附完成后，—COOH的峰面积和—C—OH的峰面积占总峰面积的百分比分别从反应前的27.5%和19.3%下降为24.7%和18.3%，这种变化说明微生物中的羧基和羟基官能团可能在吸附过程中与Au³⁺发生配位作用，然而其与Au³⁺的具体结合方式尚不清楚.对氮元素进行分峰后，发现其结合能位于399.1 eV和400.7 eV，分别对应的是—NH₂官能团和质子化的—NH₃⁺官能团的键能(Luo et al.，2014).吸附反应完成后，可看出—NH₂的峰面积明显减弱，而—NH₃⁺的峰面积增强，从反应前的13.5%增加至反应后的24.9%.这种变化说明在吸附过程中，鲍希瓦氏菌表面的—NH₂得到质子变为—NH₃⁺，然后通过静电作用与带负电的AuCl₄^-结合，与前面讨论的pH对吸附影响时的推断相符合.吸附前后，氨基官能团峰面积的变化程度明显大于其他两种官能团，这可能是氨基在吸附中起更为重要的作用.

结合吸附过程对pH的较强依赖性、吸附动力学、热力学及FT-IR和XPS分析结果可以推断，鲍希瓦氏菌对Au³⁺吸附主要是由微生物表面官能团的静电作用驱使，其吸附的机理如下：

(11)

(12)

(13)

由上述分析可知，细菌表面的氨基官能团通过质子化提供生物吸附的结合位点，在吸附中起重要作用.在实际废水中，通常含有其他贵金属如铂、钯、银等，其他常规金属如铜、镍、铅等，常规阴离子如Cl^-、F^-、SO₄^2-、CN^-、I^-、Br^-等.这些离子的存在，尤其是以阴离子形式存在的，会与Au³⁺竞争吸附活性位点，可能对Au³⁺的吸附产生不同程度的影响.在下一步的研究中，需要进一步考虑复杂体系条件下这些共存离子对鲍希瓦氏菌吸附Au³⁺的影响.从提高微生物吸附能力的角度，有学者提出微生物表面的有效官能团数量是决定其吸附容量的决定因素(Won et al.，2014).Das等(2010)通过用聚乙烯亚胺修饰微生物引进了大量—NH₂官能团，从而极大地提高了贵金属Pt和Pd的吸附容量.也有研究表明，在将细胞表面的羧基酯化后提高了Au³⁺的吸附容量(Lin et al.，2013).显然，对于不同微生物，各种官能团作用大小有差异.本研究结果确定了质子化的—NH₃⁺在吸附过程中起主要作用，因此，后续研究可利用带正电的富含氨基官能团的高分子化合物，如聚乙烯亚胺(PEI)、聚丙烯胺盐酸盐(PAH)等来修饰带负电的鲍希瓦氏菌，增加细菌表面氨基官能团的数量，以此提高鲍希瓦氏菌吸附Au³⁺的吸附容量，这对于鲍希瓦氏菌的实际应用具有重要意义.

4 结论(Conclusions)

1)鲍希瓦氏菌对Au³⁺的吸附有较大的pH依赖性，当初始Au³⁺浓度为115 mg·L^-1，最佳pH为3，最佳生物用量为2 g·L^-1时，吸附率达到95.9%.温度升高可使菌体表面释放更多的活性位点从而促进了吸附的进行.

2)30 ℃时，Freundlich方程能更好地拟合等温吸附过程，最大吸附容量为143.8 mg·g^-1.Au³⁺在鲍希瓦氏菌上的吸附可用拟二级动力学方程描述.结合颗粒内扩散方程结果分析，金离子与微生物表面吸附位点之间的相互作用可能是限制吸附的关键步骤.热力学分析表明，鲍希瓦氏菌生物吸附Au³⁺是个自发的吸热和熵增过程.

3)FTIR和XPS分析结果表明，鲍希瓦氏菌表面的羧基、氨基、羟基等官能团可能在吸附过程中起主要作用，其中，质子化的氨基作用机理主要是静电吸附.