文|认知百事

编辑|认知百事

前言

重金属被认为是最为危险的污染物之一，对生命和生态平衡构成了严重的威胁，重金属对生物系统产生的有害影响是复杂的，通常取决于它们的化学形式、溶解度以及浓度，这些因素决定了它们对生物体的可用性。

现代采矿和冶金行业的趋势之一是减少废物的产生，因为其对环境造成负面影响，古巴拥有世界上最大的红土镍和钴矿床之一，位于恐鸟地区，通过酸压技术对红土矿物进行工业加工会产生大量的液体废物，称为废液。

这种废液含有有毒金属，如钴，锌和铜，已经进行了不同的研究，以寻找处理这种废物的替代方案，索萨等人采用的化学程序，WL对铜、锌、钴和镍的金属回收率良好，然而由于这些方法使用化学试剂和选择性化学沉淀，需要特定的温度和振荡条件。

生物吸附剂制备

因此需要环保且具有成本效益的技术，以帮助最大限度地减少这种残留物的有害影响，如今纳米颗粒在重金属吸附中的应用引起了当代的兴趣，此外天然生物吸附剂，如枝灰或来自锯末的活性炭，也是有希望的替代品，可同时去除重金属离子。

粘质沙雷氏菌菌株16是从位于恐鸟的蛇纹石沉积物中分离出来的，属于哈瓦那大学生物系收集的微生物之一。

通过在液体培养基中培养，以不同的时间间隔在150 C下孵育，直到细胞达到接近0.6的OD值，然后在10,000rpm，10分钟和4 C下离心，以收获细胞，细胞随后用无菌蒸馏水洗涤，并在60 C的烘箱中进行干热干燥，最后将干燥的生物质手动粉碎，并储存在干燥器中，直至需要使用。

批量生物吸附实验

在生物吸附实验中，使用先前定义的生物质浓度为0.6 g ，温度为30 C，pH为4.5，接触时间为2小时，并在120rpm的旋转振动台上进行振荡实验结束后，通过以8,000rpm离心10分钟来收集生物质并确定剩余的重金属浓度。

其中q表示生物吸附容量，以每克生物质吸附的金属毫克数表示；V表示音量；Ci和Cf分别是初始和最终金属浓度；X0是初始生物量浓度，使用方差分析比较每种金属获得的q平均值。

使用CoSO4、镍镰酸、铜索4·0.5小时2O和ZnSO4制备重金属溶液，根据液体废液的化学成分，选择所采用的金属浓度，包括钴25毫克升^-1、镍15毫克升^-1、锌15毫克升^-1和铜9毫克升-1。

这些金属浓度值也用于制备双金属和多金属溶液，具体而言，使用双金属溶液[Ni（II）（25 ppm）+ Co（II）（2 ppm）]和多金属溶液[Ni（II）（25 ppm）+ Co（II）（2 ppm）+ Cu（II）（9 ppm）+ Zn（II）（15 ppm）]。

傅里叶变换红外光谱

使用FTIR-8400S光谱仪（岛津株式会社，日本京都）采集红外吸收光谱，数据采集通过透射模式进行，背景减法使用空气，制备的不含任何吸附金属的粘质链球菌生物质用作阴性对照，光谱在20 cm^-1处进行了1 s的扫描后进行了收集。

在有效体积为1 mL的750 L生物反应器中，使用单金属和多金属系统进行放大工艺。将含有金属溶液的玻璃反应器放置在加热板上，以保持温度恒定在30 C，使用pH电极和温度控制，并与万用表耦合，用于监测pH和温度。

所有获得的信息都存储在数据收集系统中，以便进行进一步分析。在生物质与山梨酸盐接触的不同时间采集样品，通过离心分离细菌生物量，并使用ICP-OES（电感耦合等离子体发射光谱仪）测定上清液中残留的重金属浓度。

重金属在单金属、双金属和多金属溶液中的生物吸附

粘质链球菌菌株16在单金属、双金属和多金属溶液存在下的金属去除能力，在单金属溶液中，获得了最高的q值钴、镍、铜和锌，比较生物质在不同山梨酸盐存在下的金属生物吸附性能应该在类似的条件下进行，包括初始浓度。

比较不同的山梨酸盐，因为只设计了一种WL溶解，呈现出不同浓度的金属离子，预计生物吸附能力的表现将是，因为使用的浓度值为这种行为表明，在使用的实验条件下，生物吸附剂对Zn离子的亲和力可能更高。

在单金属体系中，Co、Ni和Zn的生物吸附能力比双金属和多金属溶液中高两到三倍。这可能是由于这些金属之间竞争生物吸附剂上的结合位点所导致的，这一发现在使用其他细菌生物质作为生物吸附剂的研究中也得到了证实。

在存在其他重金属如Cu（II）和Ni（II）时，它们的生物吸附率非常低，在两种金属存在的情况下，短尾单胞菌的Ni（II）和Cu（II）的生物吸附能力比单金属溶液中低。

当存在其他金属阳离子时，可以用于单一金属的有效结合位点会减少，这取决于每种金属的浓度以及其特定特性，例如离子半径和共价指数，具有非常相似的离子半径，然而这些离子的生物吸附能力与其共价指数相关，并按以下顺序降低：Cu> Zn> Co> Ni。

使用单金属或多金属溶液的Cu离子的生物吸附容量（q）值之间存在微小差异，这可能与生物质对该特定离子的特定结合特性有关，在其他竞争金属阳离子的存在下，该特性不会降低，并且与本研究中使用的其他离子相比，该离子的共价指数是相关的。

在接触不同金属溶液后，获得的生物量与阴性对照之间的差异，这些差异表现为条带的拉伸和/或位移，这与我们的预期相符，因为金属阳离子与粘质链球菌外部结构的生物分子中存在的不同官能团之间可能存在相互作用，包括革兰氏阴性细胞壁和膜细胞。

在我们获得的振动带中，与羟基、羰基、羧基、酰胺、咪唑、磷酸盐和磷酸二酯基团对应的振动带被确定为微生物生物吸附过程中负责的主要官能团，这一结论在文献的不同研究中得到证实。

在与Co离子溶液接触后，负载金属生物质与阴性对照之间的差异较为显著。与阴性对照相比，对应于羰基、羧基和羟基的振动带以及酰胺I和II带在负载Co生物质的光谱中存在主要差异，而在负载Ni、Cu和Zn生物质的光谱中则不存在这种差异。

镍和钴使用0.1 mol/L HCl溶液作为淋洗剂对Ni（II）和Co（II）离子进行解吸测试的结果，在负载金属的生物质与70.85 mol/L HCl溶液接触的前5分钟内，超过0%的Co（II）离子和1%的Ni（II）离子被解吸。

在10分钟内，两种金属的90%以上被回收，解吸效率高于使用HNO3和H2SO4解液的测试。在较长的接触时间下，解吸效率没有显著增加，这些结果与其他文献报道的不同微生物生物吸附剂对Cd、Cu、Pb、Ni、Co和Zn的回收结果一致这。

使用单金属和多金属溶液扩大生物吸附过程

通常，反应器规模的生物吸附研究可以通过两种方式进行，一种是色谱柱系统，另一种是间歇系统大多数研究使用批量培养来评估生物吸附过程的不同参数并优化条件，而色谱柱设计通常是放大测试的首选。

然而在本研究中，我们选择了生物反应器规模的批次条件进行初步研究，并使用批次方案在16 mL的规模上定义了10 mL级粘质链球菌菌株生物吸附性能的最佳参数。

在金属或多金属系统中研究的每个金属阳离子的生物吸附容量值，在第一个生物吸附循环中，单金属溶液中金属的生物吸附率高于多金属溶液，这与在10 mL级分批操作下在烧瓶中获得的结果一致。

这一事实可以解释为在多金属溶液中，不同金属阳离子之间竞争生物质结合位点，在接下来的三个循环中，研究的每个金属阳离子的生物吸附容量行为都不同。

这取决于第一个循环中吸附的金属量以及这如何影响单金属或多金属溶液中残留的金属浓度，初始金属浓度的降低导致q的较小值，因为该参数直接取决于初始金属浓度。

对于Co和Cu离子而言，在第一个生物吸附循环中，使用单金属溶液获得了较高的q值，而在接下来的三个循环中观察到较低的q值，这可能受到第一个生物吸附循环中剩余重金属浓度迅速下降的影响。

相比之下，使用Ni和Zn离子的单金属体系观察到不同的行为，即从第一个生物吸附循环到第四个生物吸附循环的顺序减少，这种不同的行为可能是由于这两种离子的初始浓度高于Co（II），因此第一次接触金属-生物质时，模拟残留物中的浓度并没有大幅降低。

当使用每种金属阳离子的多金属溶液时，值得注意的是在四个生物吸附循环中观察到的q值行为，Cu离子的吸附量在第一个循环中较高，并随着随后的五个生物吸附循环而缓慢下降。这是“预期”的行为，因为q值直接取决于初始金属浓度。

相比之下，对于Co、Ni和Zn离子存在一些差异，对于这些离子在前两个生物吸附循环中的q值低于第三个循环，生物吸附容量意外增加，然后在第四个循环中再次下降，这一事实可以通过考虑金属阳离子相互竞争和选择性阳离子亲和力来解释。

Cu离子的生物吸附在第三个生物吸附循环中显着降低，事实上在第四个循环中没有观察到进一步的降低，因此只有在这种低Cu浓度下，其余的金属阳离子才有可能进入生物质上的结合位点，这可以解释其q值的增加。

所有这些结果表明，当这些金属阳离子存在于多金属体系中时，粘质链球菌菌株16对Co、Ni、Cu和Zn的生物吸附能力与每种离子在单金属溶液中的生物吸附能力相比有所降低，这种行为受到多金属体系中发生的竞争现象的影响，这是由于生物吸附剂对不同金属阳离子的亲和力不同所致。

经过四个重复的生物吸附循环，粘质链球菌菌株16可以去除单金属体系中存在的60.9%的Co（II）、53.6%的Ni（II）、43.1%的Cu（II）和78.8%的Zn（II），以及多金属体系中存在的39.7%的Co（II）、40.2%的Ni（II）、42.8%的Cu（II）和44.7%的Zn。

这些值低于使用化学处理获得的回收率，这四种金属的含量可以超过79%，然而生物吸附相对于化学处理的优势也应该考虑在内，选择性化学沉淀需要作为沉淀剂，以及高工作温度和搅拌，这增加了该过程的成本，特别是在工业规模上。

此外，整个过程会产生对环境构成威胁的有毒气体。因此，额外的运营成本是使用气体疏水阀或过滤器来避免新残留物对环境的破坏，使用简单的实验组合具有良好的金属回收率，并且不会进一步产生残留物。

由于这些原因，使用粘质链球菌菌株16的生物吸附代表了废液处理的适当替代方案，因为它将最大限度地减少生态影响，并且在经济上可行。

这些事实表明粘质链球菌菌株16有可能在多金属溶液中去除重金属，因为使用的金属阳离子浓度与WL残留物中存在的金属阳离子浓度非常相似。这将有助于抵消这种废物对环境的负面影响，并促进现有金属价值的回收。

笔者认为

该生物质通过与细胞外官能团的相互作用，表现出对单金属或多金属体系中存在的Co、Ni、Cu和Zn离子的生物吸附能力，在生物反应器规模下，该生物吸附剂具备设计生态友好技术的潜力，可用于重金属污染场地的环境修复，因为目前对沙雷氏菌生物吸附性能的研究非常有限，而本研究还对该过程在生物反应器规模下的应用进行了分析。

未来的研究需重点探究不同的替代方案，以回收生物吸附剂中吸附的金属，但同时不会损害其生物吸附性能。需要评估新的预处理方法和不同的解吸剂，以实现该生物吸附剂的良好金属回收率和可重复使用性。