《生物工程学报》：铂的回收——用固定化弗劳地柠檬酸杆菌XP05从溶液中回收铂（胡洪波、刘月英、傅锦坤、薛茹、古萍英）

19卷4期 生物工程学报 VoL 19 No 4 2003年7月 Chinese oumal g biotechnolog july 2003 用固定化弗劳地柠檬酸杄菌ⅹP05从溶液中回收铂 胡洪波刘月英¨傅锦坤2薛茹2古萍英2 (厦门大学1生命科学学院2化学化工学院,厦门361005) 摘要比较了5种固定弗劳地柠檬酸杆菌Ⅺr5菌体的方法,其中明胶-海藻酸钠包埋法为固定菌体的最佳方法 扫描电子显微镜观察表明,X5菌体较均匀地分布于包埋基质中。固定化X5菌体吸附P受吸附时间、固定化 菌体浓度、溶液的pH值和P起始浓度的影响。吸附作用是一个快速的过程;吸附P的最适pH值为1.5;在50 250mgPA范围内,吸附量与P起始浓度成线性关系,吸附过程符合 langmuir和 Freundlich吸附等温模型。 在P“起始浓度250mg/L固定化菌体2.0gH1.5和30℃条件下,振荡吸附60mn,吸附量为35.3mg/g。0.5 mLH能使吸附在固定化菌体上的P解吸987%。从废铂催化剂处理液回收铂的结果表明,在P起始浓度 118mgL、固定化菌体4.0gpH1.5和30℃条件下,振荡吸附60min,吸附量为20.9mgg。在填充床反应器中 在P起始浓度50mg、流速1.2m/min固定化菌体1.86g的条件下,饱和吸附量达24.7mgg;固定化XPO5菌体 经4次吸附解吸循环后吸附率仍达78%。 关键词生物吸附,固定化菌体,弗劳地柠檬酸杄菌,铂 中图分类号Q67文献标识码A文章编号10003061(2003)04-045606 许多研究表明,生物吸附技术在金属的去除或接斜面菌种一环,30℃下振荡培养18h 回收中具有良好的应用潜力。在微生物吸附贵 扩大培养:培养基与液体种子培养基相同,500 金属的研究中,我们曾对游离菌体吸附Au3s、m三角瓶装培养基100m,接种子液5mL,30℃下 Ag、P21和P“l等贵金属的特性进行了研振荡培养24h。 究。虽然游离菌体可从溶液中吸附回收贵金属,但 菌体的制备:培养物经离心(3500r/min,5min) 用游离菌体作为吸附剂存在不少缺点。例如颗粒收集菌体,用去离子水洗涤2~3次,菌体于80℃下 小,菌体与排出水难以分离,菌体无法重复利用等。烘干冷却研磨(过150目筛),死的干菌体粉置干燥 如果用固定化技术使菌体固定化就可克服上述缺器中室温保存备用。 点。已有关于固定化菌体吸附重金属的一些报1.2固定化菌体的制备 道,但有关贵金属的报道极少出。本文报道 固定化XP5菌体的制备如下 固定化弗劳地柠檬酸杆菌ⅹ∽05吸附P的特性及 卡拉胶包埋法:将4g卡拉胶、gXPO5菌体加入 其从废铂催化剂处理液回收铂的研究结果 l00mL生理盐水中,加热使卡拉胶溶解后于4℃冰 1材料与方法 箱中放置30mn,用刀片切成边长2m左右的胶 块,然后在0.3mK溶液中浸泡4h,蒸馏水洗 1.1菌体的培养与制备 净后备用 培养基与培养条件 明胶海藻酸钠包埋法:称取5g明胶、g海藻 斜面培养培养基为牛肉膏0.3~0.5g,蛋白胨酸钠和1gXP5菌体,混匀后加入100m蒸馏水,加 1.5gNaα0.5g,琼脂2g,蒸馏水100mpH72~热并搅拌使明胶和海藻酸钠溶解,然后冷却至室温 7.4,30℃培养24h 用带有9号针头的注射器挤入含4%CaC2的饱和 液体种子培养:培养基除不加琼脂外,其他成份硼酸溶液中并不断搅拌,静置固化4h后用蒸馏水 与斜面培养基相同,250mL三角瓶装培养基50nL 收稿日期:20030-19,修回日期:20030310。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(N.29876026) 通讯作者。ll:865925916401;Fax:85922186392; E-mail: liuying6401@sm.om 2 61995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid All/s reserved

19 卷 4 期 2003 年 7 月 生 物 工 程 学 报 Chinese Journal of Biotechnology Vol. 19 No. 4 July 2003 收稿日期 :2003201219 ,修回日期 :2003203210。 基金项目 :国家自然科学基金资助项目(No. 29876026) 。 3 通讯作者。 Tel :86259225916401 ;Fax :86259222186392 ; E2mail :liuying6401 @sina. com 用固定化弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 从溶液中回收铂 胡洪波1 刘月英13 傅锦坤2 薛 茹2 古萍英2 (厦门大学1 生命科学学院 , 2 化学化工学院 ,厦门 361005) 摘 要 比较了 5 种固定弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 菌体的方法 ,其中明胶2海藻酸钠包埋法为固定菌体的最佳方法。 扫描电子显微镜观察表明 ,XP05 菌体较均匀地分布于包埋基质中。固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 受吸附时间、固定化 菌体浓度、溶液的 pH 值和 Pt4 + 起始浓度的影响。吸附作用是一个快速的过程 ;吸附 Pt4 + 的最适 pH 值为 115 ;在 50 ～250 mg Pt4 + ΠL 范围内 ,吸附量与 Pt4 + 起始浓度成线性关系 ,吸附过程符合 Langmuir 和 Freundlich 吸附等温模型。 在 Pt4 + 起始浓度 250 mgΠL、固定化菌体 210 gΠL、pH 115 和 30 ℃条件下 ,振荡吸附 60 min , 吸附量为 3513 mgΠg。015 molΠL HCl 能使吸附在固定化菌体上的 Pt 解吸 9817 %。从废铂催化剂处理液回收铂的结果表明 ,在 Pt4 + 起始浓度 11118 mgΠL、固定化菌体 410 gΠL、pH 115 和 30 ℃条件下 ,振荡吸附 60 min , 吸附量为 2019 mgΠg。在填充床反应器中 , 在 Pt4 + 起始浓度 50 mgΠL、流速 112 mlΠmin、固定化菌体 1186 g 的条件下 ,饱和吸附量达 2417 mgΠg ; 固定化 XP05 菌体 经 4 次吸附2解吸循环后吸附率仍达 78 %。 关键词 生物吸附 , 固定化菌体 , 弗劳地柠檬酸杆菌 , 铂 中图分类号 Q67 文献标识码 A 文章编号 100023061 (2003) 0420456206 许多研究表明 ,生物吸附技术在金属的去除或 回收中具有良好的应用潜力[1 - 3 ] 。在微生物吸附贵 金属的研究中 ,我们曾对游离菌体吸附 Au3 + [4 ,5 ] 、 Ag + [6 ] 、Pd2 + [7 ] 和 Pt4 + [8 ] 等贵金属的特性进行了研 究。虽然游离菌体可从溶液中吸附回收贵金属 ,但 用游离菌体作为吸附剂存在不少缺点。例如颗粒 小 ,菌体与排出水难以分离 ,菌体无法重复利用等。 如果用固定化技术使菌体固定化就可克服上述缺 点。已有关于固定化菌体吸附重金属的一些报 道 [9 ,10 ] , 但有关贵金属的报道极少[11 ,12 ] 。本文报道 固定化弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 吸附 Pt4 + 的特性及 其从废铂催化剂处理液回收铂的研究结果。 1 材料与方法 111 菌体的培养与制备 培养基与培养条件 : 斜面培养 :培养基为牛肉膏 013～015 g ,蛋白胨 115 g ,NaCl 015 g ,琼脂 2 g ,蒸馏水 100 mL ,pH 712～ 714 ,30 ℃培养 24 h。 液体种子培养 :培养基除不加琼脂外 ,其他成份 与斜面培养基相同 ,250 mL 三角瓶装培养基 50 mL , 接斜面菌种一环 ,30 ℃下振荡培养 18 h。 扩大培养 :培养基与液体种子培养基相同 ,500 mL 三角瓶装培养基 100 mL ,接种子液 5 mL ,30 ℃下 振荡培养 24 h。 菌体的制备 :培养物经离心(3500 rΠmin ,15 min) 收集菌体 ,用去离子水洗涤 2～3 次 ,菌体于 80 ℃下 烘干 ,冷却研磨(过 150 目筛) ,死的干菌体粉置干燥 器中室温保存备用。 112 固定化菌体的制备 固定化 XP05 菌体的制备如下 : 卡拉胶包埋法 :将 4 g 卡拉胶、1gXP05 菌体加入 100 mL 生理盐水中 ,加热使卡拉胶溶解后于 4 ℃冰 箱中放置 30 min ,用刀片切成边长 2 mm 左右的胶 块 ,然后在 013 molΠL KCl 溶液中浸泡 4 h ,蒸馏水洗 净后备用。 明胶2海藻酸钠包埋法 :称取 5 g 明胶、1 g 海藻 酸钠和 1gXP05 菌体 ,混匀后加入 100 mL 蒸馏水 ,加 热并搅拌使明胶和海藻酸钠溶解 ,然后冷却至室温 , 用带有 9 号针头的注射器挤入含 4 %CaCl2 的饱和 硼酸溶液中并不断搅拌 ,静置固化 4 h 后用蒸馏水 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved

4期 胡洪波等:用固定化弗劳地柠檬酸杆菌ⅪPO5从溶液中回收铂 洗净,备用 流出液总体积(m),W:填充量(g,以干重计),:流 海藻酸钠包埋法:以2g海藻酸钠为包埋剂,其速(nL/min) 它的同上。 连续洗脱试验:从吸附柱上方加入洗脱剂,以 ⅣA海藻酸钠包埋法:以4g或5g聚乙烯醇1.5/min的流速进行洗脱。用自动部份收集器收 (ⅣVA)和1g海藻酸钠为包埋剂,其它的同上 集洗脱液,定时测定P的浓度,直至洗脱液中P 1.3固定化菌体的分批吸附试验 浓度小于10mg。 准确称取20.0mg固定化菌体(以干重计)加入1.6从废铂催化剂中回收铂的试验 10.0m一定浓度的P“溶液,按不同的试验要求 废铂催化剂的处理将以γA2O3为载体的废 振荡(130r/min)吸附一定时间,上清液用微孔滤膜铂催化剂(PA2O)置于王水中,加热使之溶解 (孔径0.2-m,滤膜对P"的吸附可忽略不计)过过滤弃不溶物。用原子吸收光谱仪测处理液的铂 滤。分析滤液中残留的P含量计算菌体对P量,备用 的吸附率和吸附量,菌体浓度以g固定化菌体(干 废铂催化剂处理液吸附试验:用废铂催化剂处 重)溶液表示。 理液代替KPC6溶液,其他步骤与1.3相同。 1.4固定化菌体的分批洗脱试验 1.7铂的分析 将固定化菌体与铂离子溶液于30℃下振荡吸 用氯化亚锡法叫和原子吸收法(AA800原子吸 附60mn,弃上清液,用pH15的水洗涤2次后加入收分光光度计,美国 Perkier elme公司)测定溶液的 10.0m洗脱剂,于30C下振荡洗脱一定时间测洗P离子含量 脱液中铂离子的含量,按下式计算洗脱率 1.8扫描电子显微镜(SEM)观察 洗脱率=(洗脱的铂量/吸附铂的总量)×100% 将经真空干燥的固定化菌体颗粒置于溅射仪中 15填充床反应器中固定化菌体的连续吸附和洗镀金100×100m,然后在LBO场发射扫描电子显 脱试验 微镜(德国LBO公司)下观察。 连续吸附试验:将固定化菌体装入底部填有一 层玻璃棉的玻璃柱(1.5cm×20cm)中,堆积高度为2结果与讨论 15cm+5cm。将一定浓度的P溶液以一定的流2.1菌体固定化方法的选择 速从吸附柱上方流经吸附柱进行吸附,利用自动部 试验比较了几种固定ⅪP5菌体的方法。结果 分收集器收集流出液,定时测定P的浓度。当流(表1)表明:包埋剂ⅣA、海藻酸钠、卡拉胶、明胶等 出液中的P浓度达到进料液浓度的2%~5%时 对P有一定的吸附能力,但固定化XPO5菌体吸附 可认为吸附柱达到穿透;当流出液的P浓度达到P”的能力比其相应包埋剂的高得多其中以5%明 进料液浓度的95%~98%时,可认为吸附柱已达到胶+1%海藻酸钠为包埋基质制备的固定化菌体不 饱和,即停止进液。按下式计算穿透时的吸附量c但对P→的吸附率最高(86.3%),而且成球性好、机 和饱和时的吸附量Q 械强度高和耐酸性好。在扫描电镜下观察该固定化 O(mg/g)= Co tb H/1000 W 菌体颗粒,可见被包埋的XPO5细胞呈杆状,菌体完 Q(mg/g)=( CotrH-CVi)/1000W 整,并较均匀地分布于包埋基质中。以下试验采用 式中C:进料浓度(mg),h:穿透时间(min),5%明胶+1%海每藻酸钠为包埋剂制备固定化菌体 tr:吸附总时间(min),C:流出液总浓度(mg),v 表1不同固定化方法的比较 Table 1 Comparison of various immobilized methods Eficiency/% Imobilized method Eficiency/% 2 AS 2 AS + Biomas 4%ⅣA+1%As 4 PVA+1 %AS+ Biomass 5%ⅣA+1%AS 20.0 5%PVA+1 %AS+ Biomas 5%Gelatinum +1 %AS 5%Gelatinum +1 %AS + Biomas sorptive conditions: P* initial concentration(Ci)=50 mg/, Adsorbent(matrix or immobilized biomass)concentration( Cb)=2.0 gL, pH20 30 C. 60 min. AS: Alginate sodium 2 61995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid All/s reserved

洗净 ,备用。 海藻酸钠包埋法 :以 2 g 海藻酸钠为包埋剂 ,其 它的同上。 PVA2海藻酸钠包埋法 :以 4 g 或 5 g 聚乙烯醇 (PVA) 和 1 g 海藻酸钠为包埋剂 ,其它的同上。 113 固定化菌体的分批吸附试验 准确称取 2010 mg 固定化菌体(以干重计) 加入 1010 mL 一定浓度的 Pt4 + 溶液 ,按不同的试验要求 振荡(130 rΠmin) 吸附一定时间 ,上清液用微孔滤膜 (孔径 0122μm ,滤膜对 Pt4 + 的吸附可忽略不计) 过 滤。分析滤液中残留的 Pt4 + 含量 ,计算菌体对 Pt4 + 的吸附率和吸附量[8 ] ,菌体浓度以 g 固定化菌体(干 重)ΠL 溶液表示。 114 固定化菌体的分批洗脱试验 将固定化菌体与铂离子溶液于 30 ℃下振荡吸 附 60 min ,弃上清液 ,用pH 115 的水洗涤 2 次后加入 1010 mL 洗脱剂 ,于 30 ℃下振荡洗脱一定时间 ,测洗 脱液中铂离子的含量 ,按下式计算洗脱率 : 洗脱率 = (洗脱的铂量Π吸附铂的总量) ×100 % 115 填充床反应器中固定化菌体的连续吸附和洗 脱试验 连续吸附试验 :将固定化菌体装入底部填有一 层玻璃棉的玻璃柱(115 cm ×20 cm) 中 ,堆积高度为 15 cm ±015 cm。将一定浓度的 Pt4 + 溶液以一定的流 速从吸附柱上方流经吸附柱进行吸附 ,利用自动部 分收集器收集流出液 ,定时测定 Pt4 + 的浓度。当流 出液中的 Pt4 + 浓度达到进料液浓度的 2 %～5 %时 , 可认为吸附柱达到穿透 ;当流出液的 Pt4 + 浓度达到 进料液浓度的 95 %～98 %时 ,可认为吸附柱已达到 饱和 ,即停止进液。按下式计算穿透时的吸附量 Qb 和饱和时的吸附量 Q ∞ : Qb (mgΠg) = Co tbμΠ1000 W Q ∞ (mgΠg) = ( Co tfμ- Ci Vi )Π1000 W 式中 Co :进料浓度 (mgΠL) , tb :穿透时间 (min) , tf :吸附总时间(min) , Ci :流出液总浓度 (mgΠL) ,Vi : 流出液总体积(mL) , W :填充量(g ,以干重计) ,μ:流 速(mLΠmin) 连续洗脱试验 :从吸附柱上方加入洗脱剂 ,以 115 mLΠmin 的流速进行洗脱。用自动部份收集器收 集洗脱液 ,定时测定 Pt4 + 的浓度 ,直至洗脱液中 Pt4 + 浓度小于 10 mgΠL。 116 从废铂催化剂中回收铂的试验 废铂催化剂的处理 :将以γ2Al2O3 为载体的废 铂催化剂 (PtΠγ2Al2O3 ) 置于王水中 ,加热使之溶解 , 过滤弃不溶物。用原子吸收光谱仪测处理液的铂含 量 ,备用。 废铂催化剂处理液吸附试验 :用废铂催化剂处 理液代替 K2PtCl6 溶液 ,其他步骤与 113 相同。 117 铂的分析 用氯化亚锡法[13 ] 和原子吸收法 (AA800 原子吸 收分光光度计 ,美国 Perkin2Elmer 公司) 测定溶液的 Pt 离子含量。 118 扫描电子显微镜( SEM)观察 将经真空干燥的固定化菌体颗粒置于溅射仪中 镀金 100 ×10 - 10 m ,然后在 LEO 场发射扫描电子显 微镜(德国 LEO 公司) 下观察。 2 结果与讨论 211 菌体固定化方法的选择 试验比较了几种固定 XP05 菌体的方法。结果 (表 1) 表明 :包埋剂 PVA、海藻酸钠、卡拉胶、明胶等 对 Pt4 + 有一定的吸附能力 ,但固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的能力比其相应包埋剂的高得多 ,其中以 5 %明 胶 + 1 %海藻酸钠为包埋基质制备的固定化菌体不 但对 Pt4 + 的吸附率最高(8613 %) ,而且成球性好、机 械强度高和耐酸性好。在扫描电镜下观察该固定化 菌体颗粒 ,可见被包埋的 XP05 细胞呈杆状 ,菌体完 整 ,并较均匀地分布于包埋基质中。以下试验采用 5 %明胶 + 1 %海藻酸钠为包埋剂制备固定化菌体。 表 1 不同固定化方法的比较 Table 1 Comparison of various immobilized methods Matrix EfficiencyΠ% Immobilized method EfficiencyΠ% 2 %Karaya gum 517 Karaya gum + Biomass 6812 2 %AS 2414 2 %AS + Biomass 7114 4 %PVA + 1 %AS 1916 4 %PVA + 1 %AS + Biomass 7611 5 %PVA + 1 %AS 2010 5 %PVA + 1 %AS + Biomass 7419 5 %Gelatinum + 1 %AS 2013 5 %Gelatinum + 1 %AS + Biomass 8613 Adsorptive conditions : Pt4 + initial concentration ( Ci ) = 50 mgΠL , Adsorbent (matrix or immobilized biomass) concentration ( Cb ) = 210 gΠL , pH 210 , 30 ℃, 60 min1 AS: Alginate sodium 4 期 胡洪波等 754 :用固定化弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 从溶液中回收铂 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved

生物工程学报 19卷 2.2固定化菌体的预处理 据报道川,对固定化菌体进行交联处理或其 他化学处理可以增强其机械强度和吸附金属的能 力。试验分别用不同浓度的甲醛、戊二醛NaOH和 〖¤浸泡过夜处理固定化菌体,然后用蒸馏水漂洗3 次后作吸附P的实验。结果(表2)表明,固定化 菌体经预处理后吸附P的能力却都有不同程度的 10152.0253.03540 下降。其他研究者也有类似的报道,例如 Pethkar等 人用多种物理和化学的方法预处理芽枝状枝孢霉 图1pH值对固定化XP05菌体吸附P的影响 ( Cladosporium adasporiode)菌体珠,发现只有用二甲基 Fig 1 Elect of ph values on immobilized XP 亚砜预处理的可提高其对Au离子的吸附率,其它的 biomass adsorbing P 方法均使其吸附率下降。强酸强碱预处理和交联反 应的强酸强碱环境破坏吸附剂中起吸附作用的多糖 24吸附时间的影响 可能是使吸附剂吸附金属能力下降的主要原因。 在P起始浓度50m、固定化菌体浓度2.0 以下试验所用的固定化菌体均未作处理 g/LpH1.5和30℃的条件下振荡吸附10、20、30、45、 6090和120mn,结果吸附率分别为474%569% 表2预处理对固定化菌体吸附P的影响 65.5%、82.8%863%93.6%和100%,即吸附12 la ble 2 Efect of pretreatment on immobilized XP5 mn吸附率达最大(100%,但在最初的10mn内吸附 biomass adsorbing pt 率就达47.4%。一般待去除或回收金属的废液、废 Treatment Dificiency/% Bitic 水,其容积大而金属离子含量低,因此,从大规模工业 Untreated 5% Formaldel 0. 05 mml/ NaOH 62.3 1 % Gutaraldehyde 81.8 应用的观点来看,微生物吸附金属的速率是一个重要 的参数。固定化XPO5菌体吸附金属的速率虽然不如 0. Iml/ Ha 5% Glutaral dehyde 其游离菌体快(在最初的8min内,吸附率可达最大吸 .2mlH77.6 附率的781%),但对P的吸附仍是一个快速的过 Adsorptive conditions:c=s0 mg/ pHD0、C=209、30℃60程,这一特性有利于实际应用 2.5固定化菌体浓度的影响 23pH值的影响 在Pt起始浓度 H1.5、30℃和不同 许多研究表明吸附系统的pH值是影响菌体的固定化菌体浓度下吸附60mn。结果(图2)表明 吸附金属的重要因素。溶液的pH值不仅影响菌体吸附量与固定化菌体的浓度呈负相关,当固定化菌 表面功能基团的解离状况,而且影响溶液中金属离体浓度为0.5g时,吸附量最大为29mg但吸 子的存在形式 Brierley等人用MA(一种金属附率与固定化菌体浓度呈正相关当固定化菌体浓 去除剂)回收P,溶液的pH值为37而吴锦远等度为4gL时,吸附率达100%说明要从P起始 人用纤维素基磁性聚偕肟胶树脂吸附R”吸附浓度50mg的溶液回收铂用4gL的固定化菌体 系统的H值为.8.游离的Xns菌体吸附P”的浓度已足够。上述的结果与无根根霉(Rh=ysar 最适pH值为20。为了确定固定化菌体吸附Pmhm)废菌丝体吸附zn1和固定化芽枝状枝孢霉菌 的最适pH值,将P溶液调至不同的pH值进行吸体珠吸附Au的结果相似。说明在一定的金属离 附试验。结果(图1)表明,固定化P05菌体吸附子浓度下,随着吸附剂浓度的提高,金属离子被吸附 P“的最适pH为1.5,随着溶液pH值的提高吸附剂吸附的量越多,即吸附率越高;但单位吸附剂所吸 率明显下降。这是由于固定化菌体上的羧基和胺基附的金属离子量则减少,因此吸附量降低 电离产生较多的带负电荷的基团,使固定化菌体减 26Pt起始浓度的影响 少了与PC6·结合的带正电荷的基团数,同时由于 用不同起始浓度的P溶液进行吸附试验。结 pH>3时,HPC的解离作用受抑制因此吸附量果(图3)表明,在P起始浓度50~250mg范围 下降。说明该固定化菌体适于从酸性溶液中回收内固定化菌体对P的吸附量与P浓度成线性 关系。 2 01995-2003 Tsinghua long/ane Oplical Disc Co., Ltd All rights reserved

212 固定化菌体的预处理 据报道[12 ,14 ] ,对固定化菌体进行交联处理或其 他化学处理可以增强其机械强度和吸附金属的能 力。试验分别用不同浓度的甲醛、戊二醛、NaOH 和 HCl 浸泡过夜处理固定化菌体 ,然后用蒸馏水漂洗 3 次后作吸附 Pt4 + 的实验。结果 (表 2) 表明 ,固定化 菌体经预处理后吸附 Pt4 + 的能力却都有不同程度的 下降。其他研究者也有类似的报道 ,例如 Pethkar 等 人 [12]用多种物理和化学的方法预处理芽枝状枝孢霉 ( Cladosporium adosporiode)菌体珠 ,发现只有用二甲基 亚砜预处理的可提高其对 Au 离子的吸附率 , 其它的 方法均使其吸附率下降。强酸、强碱预处理和交联反 应的强酸强碱环境破坏吸附剂中起吸附作用的多糖 , 可能是使吸附剂吸附金属能力下降的主要原因[15] 。 以下试验所用的固定化菌体均未作处理。 表 2 预处理对固定化菌体吸附 Pt4 + 的影响 Table 2 Effect of pretreatment on immobilized XP05 biomass adsorbing Pt4 + Treatment EfficiencyΠ% Treatment EfficiencyΠ% Untreated 8613 5 % Formaldehyle 7918 0105 molΠL NaOH 6213 1 % Glutaraldehyde 8118 011molΠL NaOH 5618 215 % Glutaraldehyde 8517 011molΠL HCl 8311 5 % Glutaraldehyde 8516 0105molΠL HCl 8318 012 molΠL HCl 7716 Adsorptive conditions : Ci = 50 mgΠL、pH210、Cb = 210 gΠL、30 ℃,60 min 213 pH值的影响 许多研究表明 ,吸附系统的 pH 值是影响菌体 吸附金属的重要因素。溶液的 pH 值不仅影响菌体 表面功能基团的解离状况 ,而且影响溶液中金属离 子的存在形式。Brierley 等人[11 ] 用 MRA (一种金属 去除剂) 回收 Pt4 + ,溶液的 pH 值为 317 ;而吴锦远等 人 [17 ]用纤维素基磁性聚偕肟胺树脂吸附 Pt4 + ,吸附 系统的 pH 值为 118。游离的 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的 最适 pH 值为 210。为了确定固定化菌体吸附 Pt4 + 的最适 pH 值 ,将 Pt4 + 溶液调至不同的 pH 值进行吸 附试验。结果 (图 1) 表明 ,固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的最适 pH 为 115 ,随着溶液 pH 值的提高吸附 率明显下降。这是由于固定化菌体上的羧基和胺基 电离产生较多的带负电荷的基团 ,使固定化菌体减 少了与 PtCl6 4 + 结合的带正电荷的基团数 ,同时由于 pH > 3 时 , H2PtCl6 的解离作用受抑制 ,因此吸附量 下降。说明该固定化菌体适于从酸性溶液中回收 Pt。 图 1 pH 值对固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的影响 Fig11 Effect of pH values on immobilized XP05 biomass adsorbing Pt4 214 吸附时间的影响 在 Pt4 + 起始浓度 50 mgΠL、固定化菌体浓度 210 gΠL、pH 115 和 30 ℃的条件下振荡吸附 10、20、30、45、 60、90 和 120 min , 结果吸附率分别为 4714 %、5619 %、 6515 %、8218 %、8613 %、9316 %和 100 % ,即吸附 120 min 吸附率达最大(100 %) ,但在最初的 10 min 内吸附 率就达 4714 %。一般待去除或回收金属的废液、废 水 ,其容积大而金属离子含量低 ,因此 ,从大规模工业 应用的观点来看 ,微生物吸附金属的速率是一个重要 的参数。固定化 XP05 菌体吸附金属的速率虽然不如 其游离菌体快(在最初的8 min 内 ,吸附率可达最大吸 附率的 7811 %) ,但对 Pt4 + 的吸附仍是一个快速的过 程 ,这一特性有利于实际应用。 215 固定化菌体浓度的影响 在 Pt4 + 起始浓度 50 mgΠL、pH 115、30 ℃和不同 的固定化菌体浓度下吸附 60 min。结果(图 2) 表明 , 吸附量与固定化菌体的浓度呈负相关 ,当固定化菌 体浓度为 015 gΠL 时 ,吸附量最大为 2719 mgΠg ;但吸 附率与固定化菌体浓度呈正相关 ,当固定化菌体浓 度为 4 gΠL 时 ,吸附率达 100 % ,说明要从 Pt4 + 起始 浓度 50 mgΠL 的溶液回收铂 ,用 4 gΠL 的固定化菌体 浓度已足够。上述的结果与无根根霉 ( Rhizopus ar2 rhizus) 废菌丝体吸附 Zn[16 ]和固定化芽枝状枝孢霉菌 体珠吸附 Au[12 ]的结果相似。说明在一定的金属离 子浓度下 ,随着吸附剂浓度的提高 ,金属离子被吸附 剂吸附的量越多 ,即吸附率越高 ;但单位吸附剂所吸 附的金属离子量则减少 ,因此吸附量降低。 216 Pt4 + 起始浓度的影响 用不同起始浓度的 Pt4 + 溶液进行吸附试验。结 果(图 3) 表明 ,在 Pt4 + 起始浓度 50～250 mgΠL 范围 内 ,固定化菌体对 Pt4 + 的吸附量与 Pt4 + 浓度成线性 关系。 854 生 物 工 程 学 报 19 卷 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved

4期 胡洪波等:用固定化弗劳地柠檬酸杆菌ⅪPO5从溶液中回收铂 菌体吸附P可用 Langmiur和 Freundlich等温吸附 方程来描述。说明固定化XPO5菌体吸附P是 种化学的、平衡的和可饱和的机制,同时也是 种吸附部位的能量以指数分布、表面不均匀和静态 的( Imobile)吸附作用。 2.7固定化菌体从废铂催化剂处理液中回收铂的 0.51.01.5202.5304050 试验 在pH20,固定化菌体浓度4.0g/、30℃废铂 图2固定化菌体浓度对吸附作用的影响 催化剂处理液的P浓度分别为1116mg和 Fig 2 Bfect of immobilized biomass concentration 55.9mg/L的条件下吸附60min,固定化XPO5菌体 on adsorption of P 对P的吸附率分别为749%和79.53%吸附量分 别为20.94mgg和1. 11mg/go 28固定化菌体的洗脱试验 固定化菌体是否可重复使用,在于能否找到 种合适的洗脱剂及洗脱条件。为此,试验比较了6 种洗脱剂。除BIA为饱和溶液外,其他洗脱剂的 浓度均为0.5ml洗脱时间为60min。结果表明 HCI、NO3、硫脲、FDIA、尿素和HAC的洗脱率分别 Initial Pt4+/(mg/L) 为98.7%、98.6%、97.5%、75.8%73.5%和 P起始浓度对固定化菌体吸附Pt+的影响 61.9%。 Eifect of initial p concentration on immobilized 用不同浓度的H¤作洗脱剂探讨洗脱剂浓度的 XPos biomass adsorbing p 影响。结果HQ浓度为0.05、0.10、0.25、0.50、0.75 和1.00m时,洗脱率86.8%89.1%、93.3 个好的生物吸附过程模型不仅有助于分析和98.6%.93%和72.3%,即H浓度在0.5m 解释生物吸附的实验数据,而且可以正确地估计 附条件变化的影响,以确定最佳的吸附条件,进行正以下时,洗脱率随H浓度的提高而提高但当HC 确的工业设计。黄单胞菌和黄孢展齿革菌丝 脱剂效果较好,可能是在酸性溶液中由于H'、HO 球吸附Pb2可用 Langmiur方程描述;固定化芽枝 状枝孢霉菌体珠吸附A”过程符合 Freundlich模离子与固定化菌体细胞壁上带正电荷的结合位点竞 型纤维素基磁性聚偕肟胺树脂吸附Pa2和争结合P,使得吸附在菌体上的铂被洗脱下 Au‘,符合 Langmuir和 Freundlich吸附等温方 来。用浓度较高的Hα溶液洗脱菌体所吸附的铂 1m。为了求得吸附量与吸附平衡时P"浓度之时H可能使吸附剂上更多的功能基团暴露出来 间的关系,分别用 Langmuir和 Freundlich方程式来拟而与P2结合,影响了洗脱效果 合实验数据,并采用最小二乘法求得 Langmuir和 为了探讨洗脱时间的影响。试验用0.5ml Freundlich方程的各种参数,见表3 H洗脱固定化菌体吸附的P,洗脱5、15、30、6 表3 Langmuir和 Freundlich模型的参数值 和90min,结果洗脱率分别为 abe3 Parameters of Langmuir and Freundlich models86.2%98.7%和98.8%,说明洗脱速度很快。 Models Parameters Relativity(r) Fitting equation 29固定化菌体的重复使用 Langmuir ms=37.037mg0.996ce/Q=0.387+0.027 为了考察生物吸附剂的使用寿命,将洗脱后的 固定化菌体用蒸馏水洗涤,然后再次吸附。结果(表 Freundlich k=1419108951Q=2.694+0.1634)表明吸附剂重复使用4次,其吸附效果依然比较 好,吸附率达7.6%;重复使用至第5次吸附率才明 显下降。其重复使用寿命与经甲醛碱处理的黄孢 从拟合的相关系数r(表3)表明,固定化ⅹ5展齿革菌丝球相当,比固定化芽枝状枝孢霉菌体 2 61995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid All/s reserved

图 2 固定化菌体浓度对吸附作用的影响 Fig12 Effect of immobilized biomass concentration on adsorption of Pt4 + ———● Efficiency ; ———○ Capacity 图 3 Pt4 + 起始浓度对固定化菌体吸附 Pt4 + 的影响 Fig13 Effect of initial Pt4 + concentration on immobilized XP05 biomass adsorbing Pt4 + 一个好的生物吸附过程模型不仅有助于分析和 解释生物吸附的实验数据 ,而且可以正确地估计吸 附条件变化的影响 ,以确定最佳的吸附条件 ,进行正 确的工业设计。黄单胞菌[18 ] 和黄孢展齿革菌丝 球 [19 ]吸附 Pb2 + 可用 Langmiur 方程描述 ;固定化芽枝 状枝孢霉菌体珠吸附 Au3 + 过程符合 Freundlich 模 型 [12 ] ;纤维素基磁性聚偕肟胺树脂吸附 PtCl6 2 - 和 AuCl4 - , 符合 Langmuir 和 Freundlich 吸 附 等 温 方 程 [17 ] 。为了求得吸附量与吸附平衡时 Pt4 + 浓度之 间的关系 ,分别用Langmuir 和 Freundlich 方程式来拟 合实验数据 ,并采用最小二乘法求得 Langmuir 和 Freundlich 方程的各种参数 ,见表 3。 表 3 Langmuir 和 Freundlich模型的参数值 Table 3 Parameters of Langmuir and Freundlich models Models Parameters Relativity ( r 2 ) Fitting equation Langmuir Qmax = 371037 mgΠg b = 01072 01996 CeΠQ = 01387 + 01027Ce Freundlich k = 141791 n = 61135 01895 ln Q = 21694 + 01163 lnCe 从拟合的相关系数 r(表 3) 表明 ,固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 可用 Langmiur 和 Freundlich 等温吸附 方程来描述。说明固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 是一 种化学的、平衡的和可饱和的机制[18 ] , 同时也是一 种吸附部位的能量以指数分布、表面不均匀和静态 的(Immobile ) 吸附作用[12 ] 。 217 固定化菌体从废铂催化剂处理液中回收铂的 试验 在 pH 210、固定化菌体浓度 410 gΠL、30 ℃、废铂 催化剂处理液的 Pt4 + 浓度分别为 111176 mgΠL 和 5519 mgΠL 的条件下吸附 60 min ,固定化 XP05 菌体 对 Pt4 + 的吸附率分别为 7419 %和 79153 % ,吸附量分 别为 20194 mgΠg 和 11111mgΠg。 218 固定化菌体的洗脱试验 固定化菌体是否可重复使用 ,在于能否找到一 种合适的洗脱剂及洗脱条件。为此 ,试验比较了 6 种洗脱剂。除 EDTA 为饱和溶液外 ,其他洗脱剂的 浓度均为 015 molΠL ,洗脱时间为 60 min。结果表明 , HCl、HNO3 、硫脲、EDTA、尿素和 HAC 的洗脱率分别 为 9817 %、9816 %、9715 %、7518 %、7315 % 和 6119 %。 用不同浓度的 HCl 作洗脱剂探讨洗脱剂浓度的 影响。结果 HCl 浓度为 0105、0110、0125、0150、0175 和 1100 molΠL 时 ,洗脱率 8618 %、8911 %、9313 %、 9816 %、9413 %和 7213 % ,即 HCl 浓度在 015 molΠL 以下时 ,洗脱率随 HCl 浓度的提高而提高 ;但当 HCl 浓度大于 015 molΠL 时 ,洗脱率有所下降。用酸性洗 脱剂效果较好 ,可能是在酸性溶液中由于 H + 、H3O + 离子与固定化菌体细胞壁上带正电荷的结合位点竞 争结合 PtCl6 2 - ,使得吸附在菌体上的铂被洗脱下 来。用浓度较高的 HCl 溶液洗脱菌体所吸附的铂 时 ,HCl 可能使吸附剂上更多的功能基团暴露出来 , 而与 PtCl6 2 - 结合 ,影响了洗脱效果。 为了探讨洗脱时间的影响。试验用 015 molΠL HCl 洗脱固定化菌体吸附的 Pt4 + ,洗脱 5、15、30、60 和 90 min , 结 果 洗 脱 率 分 别 为 4911 %、7214 %、 8612 %、9817 %和 9818 % ,说明洗脱速度很快。 219 固定化菌体的重复使用 为了考察生物吸附剂的使用寿命 ,将洗脱后的 固定化菌体用蒸馏水洗涤 ,然后再次吸附。结果(表 4) 表明 ,吸附剂重复使用 4 次 ,其吸附效果依然比较 好 ,吸附率达 7716 % ;重复使用至第 5 次吸附率才明 显下降。其重复使用寿命与经甲醛2碱处理的黄孢 展齿革菌丝球相当[19 ] ,比固定化芽枝状枝孢霉菌体 4 期 胡洪波等 954 :用固定化弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 从溶液中回收铂 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved

生物工程学报 19卷 的长。固定化芽枝状枝孢霉菌体吸附金,用曲线。 Iml/L的硫脲或0.2m的氰化钠乙醇溶液洗 脱,洗脱率达99%,但洗脱后的固定化菌体则不能 再用于吸附金。 表4固定化菌体的重复使用 lable 4 The reapplication of immobilized biomass Cycle Eificiencv/% Capacity/(mg/g) Desorption/% 120180240300360420 图5固定化X5菌体吸附P后的 19.4 动态洗脱曲线 Fig. 5 The curve of dynamic desorption 从图5中可见,在最初的90mn内,洗脱液中的 2.10固定化菌体的动态吸附和动态洗脱 P浓度随着洗脱时间的延长而提高,90mn时达 金属溶液的浓度流速pH值以及吸附系统的到最大值1213mg,90mn后则随着洗脱时间的 温度等都会影响填充床中固定化菌体吸附金属的能 延长而降低。该洗脱作用是一个较快的过程 力。当R溶液分别以12m/mn和1.7m/mn3小结 的流速流经吸附柱时,其动态吸附的参数和结果如 表5和图4所示。 固定化ⅹPO5菌体对P的吸附特性是XP5菌 表5不同流速下动态吸附过程的参数和结果 体和固定化基质的吸附特性的综合结果。固定化 XP05菌体吸附P的特性与游离菌体的有些不同, Table 5 The result and parameter of dynamic a dsorption under different flow rates 例如固定化XP5菌体吸附P的最适pH值为1.5, Rme( (ml/mi) bb/min I amin/(myQ(m比游离菌体(最适p值2的降低了05;对P的 24.7 吸附速率比游离菌体的慢一·些;吸附能力比游离菌体 (64.4mgg)的低。但与游离菌体一样,固定化菌体对 Adsorptive conditions:c=s0 mgL pH1.5、30℃, immobilized bior P的吸附受溶液的pH值、菌体浓度、P起始浓度 mass: 1.85 g( dry weight 等的影响。固定化菌体吸附P也是一种快速和可 逆的过程。在分批实验中,固定化XPO5菌体吸附量 为 P/g;在填充床反应器中的饱和吸附量 达247mgP/g;用固定化菌体从废铂催化剂处理 液回收铂,吸附量为20.9mg/g。固定化xos菌体经 次吸附解吸循环后吸附率仍j 说明该固定 t/min 化菌体有较好的应用前景 图4不同流速下的动态吸附曲线 REFERENCES(参考文献 g. 4 The curves of dynamic adsorption under dⅲ ferent flow rates [I Veglio F, Beolchini F. Remval of metals by biosorption: a review hydrometallurgy,1997,44:301-316 由图4可知流速加快,穿透时间(出口浓度达21Kab, Volesky B. Advances in the biosorption of heavy 到Img的时间)缩短,穿透吸附量减小。在实际 metals. Trends in Biotechnology, 1998, 16(7): 291-300 应用中,总是希望达到穿透之前的废水处理量能够[3] WANGJL(王建龙),HNYJ(韩英健),QLNY(钱易)A 尽量的多。但流速如果太慢,柱内的液体的返流及 ance in the microbial sorption of metal ions. Microbiolog(微生物 纵向混合严重,使操作时间延长。故应对流速做适 当控制,使整个填充床得到充分利用。 4]LUYY(刘月英),FUJK(傅锦坤), CHEN P陈平)ead.Sur dies on biosorption of Auby Bacillus megaterium. Acta Microbio 用流速为1.5m/min的0.5mH洗脱被 logica Sinica(微生物学报),2000,40(4):425-429 吸附在固定化菌体上的铂,得到如图5所示的洗脱[51 LiuYI,FuJK, Hu hb et al. Poperties and characterization of 2 61995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid All/s reserved

的长[12 ] 。固定化芽枝状枝孢霉菌体吸附金 , 用 1 molΠL 的硫脲或012 molΠL 的氰化钠2乙醇溶液洗 脱 ,洗脱率达 99 % ,但洗脱后的固定化菌体则不能 再用于吸附金。 表 4 固定化菌体的重复使用 Table 4 The reapplication of immobilized biomass Cycle EfficiencyΠ% CapacityΠ(mgΠg) DesorptionΠ% 1 8412 2110 9818 2 8119 2015 9819 3 8012 2010 9912 4 7716 1914 9914 5 7015 1716 9912 6 6214 1516 9911 2110 固定化菌体的动态吸附和动态洗脱 金属溶液的浓度、流速、pH 值以及吸附系统的 温度等都会影响填充床中固定化菌体吸附金属的能 力。当 Pt4 + 溶液分别以 112 mLΠmin 和 117 mLΠmin 的流速流经吸附柱时 ,其动态吸附的参数和结果如 表 5 和图 4 所示。 表 5 不同流速下动态吸附过程的参数和结果 Table 5 The result and parameter of dynamic adsorption under different flow rates Flow rateΠ(mLΠmin) bbΠmin t ∞Πmin QbΠ(mgΠg) Q ∞Π(mgΠg) 112 150 330 1713 2417 117 90 230 1513 2413 Adsorptive conditions : Ci = 50 mgΠL、pH 115、30 ℃,immobilized bio2 mass :1185 g(dry weight) 图 4 不同流速下的动态吸附曲线 Fig14 The curves of dynamic adsorption under different flow rates 由图 4 可知 ,流速加快 ,穿透时间 (出口浓度达 到 1 mgΠL 的时间) 缩短 ,穿透吸附量减小。在实际 应用中 ,总是希望达到穿透之前的废水处理量能够 尽量的多。但流速如果太慢 ,柱内的液体的返流及 纵向混合严重 ,使操作时间延长。故应对流速做适 当控制 ,使整个填充床得到充分利用。 用流速为 115 mLΠmin 的 015 molΠL HCl 洗脱被 吸附在固定化菌体上的铂 ,得到如图 5 所示的洗脱 曲线。 图 5 固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 后的 动态洗脱曲线 Fig15 The curve of dynamic desorption 从图 5 中可见 ,在最初的 90 min 内 ,洗脱液中的 Pt4 + 浓度随着洗脱时间的延长而提高 ,90 min 时达 到最大值 12113 mgΠL ,90 min 后则随着洗脱时间的 延长而降低。该洗脱作用是一个较快的过程。 3 小 结 固定化 XP05 菌体对 Pt4 + 的吸附特性是 XP05 菌 体和固定化基质的吸附特性的综合结果。固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的特性与游离菌体的有些不同 , 例如固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的最适 pH 值为 115 , 比游离菌体(最适 pH值 210) 的降低了 015 ;对 Pt4 + 的 吸附速率比游离菌体的慢一些;吸附能力比游离菌体 (6414 mgΠg)的低。但与游离菌体一样 ,固定化菌体对 Pt4 + 的吸附受溶液的 pH 值、菌体浓度、Pt4 + 起始浓度 等的影响。固定化菌体吸附 Pt4 + 也是一种快速和可 逆的过程。在分批实验中 ,固定化 XP05 菌体吸附量 为 3512 mg Pt4 + Πg ; 在填充床反应器中的饱和吸附量 达 2417 mg Pt4 + Πg ; 用固定化菌体从废铂催化剂处理 液回收铂 ,吸附量为 2019 mgΠg。固定化 XP05 菌体经 4 次吸附2解吸循环后吸附率仍达 78 % , 说明该固定 化菌体有较好的应用前景。 REFERENCES(参考文献) [ 1 ] Veglio F , Beolchini F. Removal of metals by biosorption : a review. Hydrometallurgy , 1997 , 44 :301 - 316 [ 2 ] Kraatochvil D , Volesky B. Advances in the biosorption of heavy metals. Trends in Biotechnology , 1998 ,16(7) :291 - 300 [ 3 ] WANGJ L (王建龙) , HAN Y J (韩英健) ,QIAN Y(钱易) . Ad2 vance in the microbial sorption of metal ions. Microbiology (微生物 学通报) ,2000 ,27(6) : 449 - 452 [ 4 ] LIU Y Y(刘月英) ,FU J K(傅锦坤) ,CHEN P(陈平) et al. Stu2 dies on biosorption of Au3 + by Bacillus megaterium. Acta Microbio2 logica Sinica (微生物学报) ,2000 ,40 (4) :425 - 429 [ 5 ] Liu Y Y, Fu J K, Hu H B et al. Properties and characterization of 064 生 物 工 程 学 报 19 卷 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved