环 境 科 学 学 报 ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ
Ｖｏｌ.30,Ｎｏ.4Ａｐｒ.,2010
基金项目:国家高技术研究发展计划(863)重点项目(Ｎｏ.2007ＡＡ061101);国家自然科学基金(Ｎｏ.20737002)
ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＨｉ-ＴｅｃｈＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ(Ｎｏ.2007ＡＡ061101)ａｎｄｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ(Ｎｏ.20737002)
作者简介:丁洁(1986—),女;＊通讯作者(责任作者),Ｅ-ｍａｉｌ:ｂｌｃｈｅｎ@ｚｊｕ.ｅｄｕ.ｃｎ
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ:ＤＩＮＧＪｉｅ(1986—),ｆｅｍａｌｅ;＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ,Ｅ-ｍａｉｌ:ｂｌｃｈｅｎ@ｚｊｕ.ｅｄｕ.ｃｎ
丁洁,王银善,沈学优,等.2010.白腐真菌体对菲和芘的吸附-脱附作用及影响因素[Ｊ].环境科学学报,30(4):825-831
ＤｉｎｇＪ,ＷａｎｇＹＳ,ＳｈｅｎＸＹ,ｅｔａｌ.2010.Ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｔｅｓｔｓｏｎｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎ-ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅａｎｄｐｙｒｅｎｅｂｙｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉ[Ｊ].ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ,30(4):825-831
白腐真菌体对菲和芘的吸附-脱附作用及影响因素
丁洁,王银善,沈学优,陈宝梁
＊
浙江大学环境科学系,杭州310028
收稿日期:2009-07-03 修回日期:2009-09-30 录用日期:2009-12-30
摘要:为准确了解生物修复过程中多环芳烃(ＰＡＨｓ)的生物吸附行为,采用化学方法(脱蜡、皂化)分离白腐真菌样品并制得3个组分,探讨了
白腐真菌组分的结构特征.同时,用批量平衡法研究了菲和芘在白腐真菌样品上的生物吸附-脱附行为及共存重金属Ｃｕ2+
对吸附作用的影响,
探讨了ＰＡＨｓ生物吸附的作用机制及构-效关系.结果表明,菲和芘在白腐真菌体上的等温吸附-脱附曲线均呈线性(Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ,Ｎ=1),为可逆吸附过程,其生物吸附机理为ＰＡＨｓ在白腐真菌体上的分配作用;经脱蜡和皂化后,菲在白腐真菌体上的分配系数Ｋｐ(Ｆ1)分别为Ｋｐ(Ｆ2)和Ｋｐ(Ｆ3)的4.5倍和7.5倍,芘的分配系数Ｋｐ(Ｆ1)则分别为Ｋｐ(Ｆ2)和Ｋｐ(Ｆ3)
的3.8倍和7.2倍,表明主要分配介质为白腐真菌体上的脂类和聚酯类物质;ＰＡＨｓ的有机碳标化的分配系数Ｋｏｃ值与白腐真菌体的极性指数(Ｏ+Ｎ)/Ｃ呈反比.共存Ｃｕ2+离子促进白腐真菌体对菲的生物吸附,随着Ｃｕ2+浓度的增加,菲的生物吸附作用逐渐增强;增强吸附机制为Ｃｕ2+通过配合作用吸附到白腐真菌体上中和微生物表面的负电荷,降低白腐真菌体表面的亲水性,进而提高其疏水性分配作用;同时,吸附态Ｃｕ2+与菲之间形成阳离子-π键等特殊作用,其作用大小随
白腐真菌体的极性指数(Ｏ+Ｎ)/Ｃ增大而降低.
关键词:多环芳烃;白腐真菌;生物吸附;Ｃｕ2+;吸附;脱附
文章编号:0253-2468(2010)04-825-07 中图分类号:Ｘ171 文献标识码:Ａ
Ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｔｅｓｔｓｏｎｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎ-ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅａｎｄｐｙｒｅｎｅｂｙｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉ
ＤＩＮＧＪｉｅ,ＷＡＮＧＹｉｎｓｈａｎ,ＳＨＥＮＸｕｅｙｏｕ,ＣＨＥＮＢａｏｌｉａｎｇ
＊
ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅ,ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ,Ｈａｎｇｚｈｏｕ310028
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ3Ｊｕｌｙ2009; ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ30Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ2009; ａｃｃｅｐｔｅｄ30Ｄｅｃｅｍｂｅｒ2009
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｂｉｏｍａｓｓａｎｄｉｔｓｆｒａｃｔｉｏｎｓｗｅｒｅｉｓｏｌａｔｅｄｂｙｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｄｅ-ｗａｘｉｎｇａｎｄｓａｐｏｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ,ｐｏｌａｒｉｔｙｉｎｄｅｘ[(Ｏ+Ｎ)/Ｃａｔｏｍｉｃｒａｔｉｏ]ａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｇｒｏｕｐｓｏｆｔｈｒｅｅｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｆｒａｃｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｅｌｅｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ.Ｔｏｅｌｕｃｉｄａｔｅｔｈｅｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｏｒｇａｎｉｃｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｆｏｒｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ,ｔｈｅｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎ-ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅａｎｄｐｙｒｅｎｅｔｏｔｈｅｉｓｏｌａｔｅｄｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｆｒａｃｔｉｏｎｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｕｓｉｎｇａｂａｔｃｈｅｑｕｉｌｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ,ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｏ-ｅｘｉｓｔｉｎｇ
Ｃｕ2+ｏｎｔｈｅｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅｗｅｒｅａｌｓｏｃｏｍｐａｒｅｄ.Ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｓｏｒｐｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ.Ｔｈｅ
ｓｏｒｐｔｉｏｎ-ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎｉｓｏｔｈｅｒｍｓｏｆｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅａｎｄｐｙｒｅｎｅｔｏｔｈｅｓｏｒｂｅｎｔｓｗｅｒｅｌｉｎｅａｒ(Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ,Ｎ=1)ａｎｄｈａｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅｐｒｏｃｅｓｓ,ｓｕｇｇｅｓｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｔｏｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｆｒａｃｔｉｏｎｓｉｓｄｏｍｉｎａｔｅｄｂｙｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇｉｎｔｏｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｂｉｏｍａｓｓ.Ｔｈｅｐａｒｔｉｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ(Ｋｐ)ｏｆｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｄｅｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｆｔｅｒｄｅ-ｗａｘｉｎｇａｎｄｓａｐｏｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ,ｉ.ｅ.,ｂｙ4.5-ａｎｄ7.5-ｆｏｌｄｆｏｒｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅ,ａｎｄｂｙ3.8-ａｎｄ7.2-ｆｏｌｄｆｏｒｐｙｒｅｎｅ,ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｐａｒｔｉｔｉｏｎｍｅｄｉｕｍｉｓａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｔｈｅｅｘｔｒａｃｔａｂｌｅｌｉｐｉｄｓａｎｄｐｏｌｙｍｅｒｉｃｌｉｐｉｄｓ.Ｐｏｌａｒｉｔｙａｐｐａｒｅｎｔｌｙｐｌａｙｅｄａｒｅｇｕｌａｔｉｎｇｒｏｌｅｉｎｔｈｅｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｐｈａｎａｎｔｈｒｅｎｅａｎｄｐｙｒｅｎｅ.Ｔｈｅｃａｒｂｏｎ-ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ(Ｋｏｃ)ｗａｓｎｅｇａｔｉｖｅｌｙｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｏｌａｒｉｔｙｉｎｄｅｘｏｆｔｈｅｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｆｒａｃｔｉｏｎｓ.Ｔｈｅｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅｔｏｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｆｒａｃｔｉｏｎｓｗａｓｐｒｏｍｏｔｅｄｂｙｃｏｅｘｉｓｔｉｎｇｈｅａｖｙｍｅｔａｌｉｏｎｓ
ｓｕｃｈａｓＣｕ2+ａｔｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｅｖｅｌ(0～32μｇ·ｍＬ-1),ａｎｄｔｈｅｓｏｒｐｔｉｏｎｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ(■Ｋｐ)ｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＣｕ2+,ａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｏｌａｒｉｔｙｉｎｄｅｘｏｆｔｈｅｓｏｒｂｅｎｔ.ＢｉｎｄｉｎｇｏｆＣｕ2+ｎｅｕｔｒａｌｉｚｅｄｔｈｅｎｅｇａｔｉｖｅｃｈａｒｇｅｏｆｔｈｅｆｕｎｇｉｓｕｒｆａｃｅ,ｍａｋｉｎｇｉｔｌｅｓｓｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃａｎｄｅｎｈａｎｃｉｎｇｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇｏｆｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅ.Ａｓｐｅｃｉｆｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ,ｃａｔｉｏｎ-πｂｏｎｄｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｐｈｅｎｅｎａｔｈｒｅｎｅａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｅｄＣｕ2+,
ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｔｏｔｈｅｔｏｔａｌｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ.Ｔｈｅｃａｔｉｏｎ-πｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｆａｖｏｒｅｄａｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｍｅｄｉｕｍ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃａｒｏｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ;ｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉ;ｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎ;ｃｏｐｐｅｒ(ＩＩ);ｓｏｒｐｔｉｏｎ;ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ
1 引言(Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ)
多环芳烃(Ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃａｒｏｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ,ＰＡＨｓ)是一类典型的持久性有机污染物(Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔｏｒｇａｎｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓ,ＰＯＰｓ),在地表水、沉积物、土壤中均有检出(Ｃｈｅｎｅｔａｌ.,2004).ＰＡＨｓ具有较大的正辛醇-水分配系数(Ｋｏｗ),因而在环境中停留时间长,不易被自然降解;同时,ＰＡＨｓ易积累于生物脂肪组织中,具有“三致”效应,会危害人类健康(Ｃａｉｅｔａｌ.,2008).生物修复技术因具有成本低、无二次污染、可大面积应用等优点,越来越受到人们的重视,成为最具潜力的ＰＡＨｓ污染环境修复技术之一(Ｗｉｌｓｏｎｅｔａｌ.,1993;程国玲等,2003).
ＰＯＰｓ的生物修复主要包括生物吸附和生物降解两个去除过程.生物吸附是指用生物材料从溶液中去除金属、非金属元素、化合物和颗粒的技术,是一个物理化学过程,包括吸收、吸附、离子交换、表面络合和沉淀作用等(Ｇａｄｄｅｔａｌ.,1993;2008).生物吸附常用的生物材料包括细菌、真菌、藻类、酵母等,处理的污染物主要涉及重金属、农药、染料等.而有关ＰＯＰｓ在微生物体上生物吸附的研究较少,特别是对有机污染物的生物吸附机理及影响因素(如有机物性质、共存重金属离子)研究还有待深入(Ｓｔｒｉｎｇｆｅｌｌｏｗｅｔａｌ.,1999).研究表明,ＰＯＰｓ的生物吸附-脱附行为对其生物有效性和生物降解有重要影响(Ｃａｍｅｏｔｒａｅｔａｌ.,2003;Ｂａｍｆｏｒｔｈｅｔａｌ.,2005),环境中的吸附态有机物会降低其生物有效性和微生物的降解效率(Ｊｏｈｎｓｅｎｅｔａｌ.,2005).目前,有关ＰＯＰｓ的生物吸附作用与微生物体介质之间的构-效关系研究还涉及较少.
白腐真菌是一类具有很强降解能力的担子纲真菌,能够分泌木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶等多种氧化酶,具有降解ＰＡＨｓ、ＰＣＢｓ、ＰＣＤＤｓ、ＤＤＴ等持久性有机污染物的能力,在ＰＯＰｓ污染生物修复应用中受到广泛关注(Ｂａｒｒｅｔａｌ.,1994;Ｌｏｉｃｋｅｔａｌ.,2009).因此,本文以白腐真菌体为微生物代表,化学分离白腐真菌体得到3个组分样品,利用元素分析、红外光谱表征其结构特征;同时,以菲、芘为多环芳烃代表,用批量平衡法研究白腐真菌样品对ＰＡＨｓ的吸附-脱附行为及共存重金属(如Ｃｕ2+)对吸附的影响,探讨ＰＡＨｓ的生物吸附作用机制及构-效关系,以期为准确了解生物修复过程中ＰＡＨｓ的生物吸附行为提供理论依据.2 材料与方法(Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ)
2.1 实验材料
菲(含量>97%)和芘(含量>98%)购自Ｓｉｇｍａ-Ａｌｄｒｉｃｈ公司.菲(Ｃ14Ｈ10)的相对分子量、溶解度和正辛醇-水分配系数(Ｋｏｗ)分别为178.2、1.18μｇ·ｍＬ-1和2.8×104,芘(Ｃ16Ｈ10)的相对分子量、溶解度和正辛醇-水分配系数(Ｋｏｗ)则分别为202.3、0.13μｇ·ｍＬ-1和8.0×104.主要仪器有:Ａｇｉｌｅｎｔ1200高效液相色谱仪(带荧光检测器)、原子吸收光谱仪(ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ,ＡＡａｎａｌｙｓｔ70)、ＣＨＮ元素分析仪(ＴｈｅｒｍｏＦｉｎｎｉｇａｎ,ＦｌａｓｈＥＡ1112)、傅立叶变换红外光谱仪(ＴｈｅｒｍｏＮｉｃｏｌｅｔＮｅｘｕｓ670)、ＤＨＺ-Ｄ恒温振荡器、ＬＤＺ5-2低速自动平衡离心机.
白腐真菌样品制备及白腐真菌组分分离过程如图1所示.白腐真菌样品取自废弃木材,纯化后取白腐真菌样品于马丁氏液体培养基中培养3ｄ,循环培养3次以扩增,洗去培养液后将白腐真菌菌体置于60℃烘箱中干燥48ｈ,制得干燥的菌体.将所得干燥菌体混匀后,磨碎,过100目筛,所得白腐真菌原始样品记为Ｆ1.取适量Ｆ1样品进行索氏提取,除去小分子脂类物质,得到白腐真菌样品2号,记为Ｆ2.取适量Ｆ2样品进行皂化,去除聚合类脂肪性物质,得到白腐真菌样品3号,记为Ｆ3.同时记录各组分的回收率
.
图1 白腐真菌样品制备流程图
Ｆｉｇ.1 Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｓａｍｐｌｅｓ
2.2 结构表征
用ＣＨＮ元素分析仪(ＴｈｅｒｍｏＦｉｎｎｉｇａｎ,ＦｌａｓｈＥＡ1112)测定白腐真菌样品各组分(Ｆ1～Ｆ3)中的Ｃ、Ｈ、Ｎ元素含量,Ｏ元素含量通过差减法得到.样品平行测定2次,用平均值计算白腐真菌各组分中Ｈ/Ｃ和(Ｏ+Ｎ)/Ｃ(原子数量比).ＦＴＩＲ测试用Ｎｉｃｏｌｅｔ560型傅立叶变换红外光谱仪室温下测定样品,记录峰波数为4000～400ｃｍ-1,制样方法为溴
82期丁洁等:白腐真菌体对菲和芘的吸附-脱附作用及影响因素
化钾粉末压片法,分辨率4ｃｍ-1,扫描次数32次.
2.3 多环芳烃在白腐真菌体上的吸附-脱附实验
用批量平衡法测定白腐真菌样品3种组分对菲和芘的等温吸附曲线.具体步骤为:称取一定质量(Ｆ1:2ｍｇ,Ｆ2:4ｍｇ,Ｆ3:5ｍｇ)的样品分置于8ｍＬ的样品瓶中(保证去除率达到20%～80%),分别加入8ｍＬ不同起始浓度的ＰＡＨｓ溶液(即菲为0、
0.0005、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.3、0.6、
1.0μｇ·ｍＬ-1;芘为0、0.0001、0.0005、0.001、0.005、0.01、0.03、0.05、0.07、0.1μｇ·ｍＬ-1),共包括10个浓度点,每个浓度点重复2次,同时做2组对照空白(不加白腐真菌样品);使用的吸附背景液为ｐＨ= 7、0.01ｍｏｌ·Ｌ-1ＣａＣｌ2和200μｇ·ｍＬ-1ＮａＮ3混合溶液,以控制离子强度,抑制微生物降解作用.样品瓶加盖内垫锡箔纸的聚四氟乙烯垫片的盖子,在(25±1)℃、20ｒ·ｍｉｎ-1、避光条件下旋转振荡3ｄ;平衡后(预备试验表明,3ｄ之内已达到吸附平衡),于4000ｒ·ｍｉｎ-1下离心15ｍｉｎ;取0.500ｍＬ上清液,用0.500ｍＬ甲醇稀释后,用ＨＰＬＣ-荧光检测器测定污染物的平衡浓度.色谱测定条件为:98%甲醇为流动相,柱温30℃,菲的激发和发射波长分别为244ｎｍ、360ｎｍ;芘的激发和发射波长分别为237ｎｍ、385ｎｍ.实验表明,瓶子吸附、挥发、生物降解、光降解损失可忽略不计.因此,吸附量可用质量差减法计算,由平衡浓度和吸附量绘制等温吸附曲线.
待等温吸附实验达到吸附平衡以后,以背景溶液更换60%的吸附溶液,在(25±1)℃、20ｒ·ｍｉｎ-1、避光条件下振荡3ｄ,达到脱附平衡,用ＨＰＬＣ测定污染物的平衡浓度,绘制等温脱附曲线.2.4 Ｃｕ2+存在情况下菲的吸附实验
设置菲的起始浓度为其溶解度的1/2(即0.5μｇ·ｍＬ-1),共存Ｃｕ2+浓度分别为0、0.、3.20、6.40、32.00μｇ·ｍＬ-1,3个平行组,并设置3个吸附质空白对照组.样品瓶不加垫锡箔纸(对吸附实验的影响可忽略),以防Ｃｕ2+与锡箔纸发生置换反应.其余操作同2.3节.用ＨＰＬＣ测定溶液中菲的浓度,计算菲吸附系数Ｋｄ.取适量上清液于干净的8ｍＬ试剂瓶中,用稀溶液稀释至浓度范围在0.032～3.200μｇ·ｍＬ-1,保持酸度为0.1ｍｏｌ·Ｌ-1,用原子吸收光谱仪测定Ｃｕ2+平衡浓度,Ｃｕ2+吸附量可用差量法计算.ＡＡＳ测定条件为Ｃ2Ｈ22.0Ｌ·ｍｉｎ-1、空气17.0Ｌ·ｍｉｎ-1、测定波长324.7ｎｍ.
3 结果(Ｒｅｓｕｌｔｓ)
3.1 结构表征
白腐真菌样品各组分的产率、元素组成和原子数量比例见表1.由表1可知,Ｆ2对Ｆ1的提取效率为81.6%,Ｆ3对Ｆ1的提取效率为65.6%.经索氏提取和皂化,样品中Ｃ、Ｈ、Ｎ的含量逐渐下降,而Ｏ元素含量则逐渐增加.其中,Ｃ的含量从44.10%(Ｆ1)下降到40.07%(Ｆ2)、38.80%(Ｆ3).Ｈ/Ｃ、(Ｏ+Ｎ)/Ｃ可以用来表征样品的芳香性和极性的大小,其中,Ｈ/Ｃ越小表示芳香性越高,(Ｏ+Ｎ)/Ｃ越大则表示极性越大(Ｃｈｅｎｅｔａｌ.,2005).由表1可得,经过索氏提取和皂化,Ｈ/Ｃ分别为1.5(Ｆ1)、1.931(Ｆ2)、1.884(Ｆ3),真菌样品的呈脂肪性;而极性则有明显的提高,从0.85(Ｆ1)上升到1.08 (Ｆ3).
表1 白腐真菌样品各组分产率、元素质量组成和原子数量比
Ｔａｂｌｅ1 Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｙｉｅｌｄｓ,ｅｌｅｍｅｎｔａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓａｎｄａｔｏｍｉｃｒａｔｉｏｓｏｆｔｈｅｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｓａｍｐｌｅｓ
样品名称产率
元素质量组成
ＣＨＮＯ
原子数量比
(Ｏ+Ｎ)/ＣＯ/ＣＨ/Ｃ
Ｆ1100.0%44.10%7.01%6.09%42.80%0.850.731.5Ｆ281.6%40.07%6.49%5.98%47.46%1.020.1.931Ｆ365.6%38.80%6.13%4.26%50.81%1.080.981.884
白腐真菌及其各组分的红外光谱分析谱见图2.由图2可知,白腐真菌体Ｆ1的吸收强峰主要出现在3280、2927、2856、1635、1550、1370、1200、1025ｃｍ-1等处.3280ｃｍ-1附近有一个峰强很大的宽峰,属于羟基(—ＯＨ)的伸缩振动;2927ｃｍ-1和2856ｃｍ-1的吸收峰是亚甲基(—ＣＨ2—)的伸缩振动;1370ｃｍ-1处吸收峰是—ＣＨ2—的弯曲振动吸收峰;1635ｃｍ-1为酯ＣＯ的伸缩振动;1550ｃｍ-1为芳环(ＣＣ、ＣＯ)的伸缩振动;1200ｃｍ-1和1025ｃｍ-1处的吸收峰分别是Ｃ—Ｏ、Ｃ—Ｏ—Ｃ键产生的吸收峰,表明样品中存在大量多聚糖组分.ＦＴＩＲ数据表明,白腐真菌体化学组分呈脂肪性,与元素分析结果一致.由图2还可知,经脱蜡和皂化后,—ＣＨ2—的吸收峰(2927和2856ｃｍ-1)明显下
827
环 境 科 学 学 报30卷
降,酯ＣＯ的吸收峰(1635ｃｍ-1
)也下降,而其他官能团则变化不大.白腐真菌体样品的结构变化将对其吸附性能产生重要影响
.
图2 白腐真菌及其各提取组分的ＦＴＩＲ图Ｆｉｇ.2 ＦＴＩＲｓｐｅｃｔｒａｏｆｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｓａｍｐｌｅｓ
3.2 多环芳烃在白腐真菌体上的吸附作用菲和芘在白腐真菌体3种组分样品上的等温吸附曲线见图3(实线部分),用Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程和Ｌｉｎｅａｒ方程进行拟合,结果见表2.由图3和表2可知,吸附数据可以很好地用Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程(Ｒ2
>0.994)和Ｌｉｎｅａｒ方程来拟合(Ｒ2
>0.990).对于Ｆ1～Ｆ33种样品,菲和芘的Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ回归参数Ｎ指数均接近于1,表明多环芳烃在白腐真菌体上的吸
附呈线性吸附,其吸附作用机制是多环芳烃在白腐真菌体上的分配作用.分配作用大小可用分配系数(Ｋｐ)
来描述:Ｋｐ=Ｑ/Ｃｅ
(1)
式中,Ｑ为吸附量(μｇ·ｇ-1
);Ｃｅ为平衡浓度(μｇ·ｍＬ-1
).根据定义,Ｋｐ值大小等于线性回归方
程的斜率(表2).由图3和表2还可得,经过索氏提取脱蜡和皂化脱脂后,白腐真菌样品的吸附能力逐渐下降,即菲的分配系数Ｋｐ值从3721ｍＬ·ｇ-1(Ｆ1)下降为828.9ｍＬ·ｇ-1
(Ｆ2)和499.2ｍＬ·ｇ-1
(Ｆ3),Ｆ1的Ｋｐ值分别为Ｆ2和Ｆ3的4.
5倍和7.5倍;芘则从15980ｍＬ·ｇ-1
(Ｆ1)
下降为4147ｍＬ·ｇ-1
(Ｆ2)和2212ｍＬ·ｇ-1
(Ｆ3),Ｆ1的Ｋｐ值分别为Ｆ2和Ｆ3的3.
8倍和7.2倍.由此可见,白腐真菌体上的脂类和聚酯类物质为其主要的分配介质.菲和芘在白腐真菌体3个样品上的等温脱附曲线见图3(虚线部分),Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ和线性拟合参数见表2.由图3可得,等温脱附曲线和等温吸附曲线基本重合,表明多环芳烃在Ｆ1～Ｆ3样品上的吸附-脱附是可逆过程.等温脱附曲线的Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ拟合参数Ｎ值均接近于1,说明白腐真菌体对多环芳烃的吸附和脱附过程均由分配作用控制.计算得到Ｋｐ(吸附)/Ｋｐ(脱附)比值等于1,也证明其分配作用为可逆过程.
表2 多环芳烃在白腐真菌上的等温吸附、脱附曲线的回归参数
Ｔａｂｌｅ2 ＲｅｇｒｅｓｓｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｉｓｏｔｈｅｒｍｓｏｆＰＡＨｓｔｏｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｓａｍｐｌｅｓｆｒｏｍａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎ
作用类型
吸附剂吸附质
Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ参数
Ｎ
ｌｏｇＫｆＲ
2
ｑｅｑ=ＫｐＣｅｑ
Ｋｐ/
(ｍＬ·ｇ-1
)
Ｒ
2
Ｋｏｃ/
(ｍＬ·ｇ-1)
吸附作用
脱附作用
菲
Ｆ10.984±0.0173.552±0.0330.9953721.0±42.00.9988439Ｆ2
0.994±0.0073.901±0.0140.999828.9±9.40.9982069Ｆ31.014±0.0092.738±0.0180.999499.2±4.70.9991287芘
Ｆ11.002±0.0184.249±0.0560.99415980.0±311.00.99336240Ｆ21.026±0.0133.8±0.0350.9974147.0±54.00.99710350Ｆ3
0.978±0.0113.325±0.0300.9982212.0±46.00.9965701菲
Ｆ10.968±0.0123.560±0.0260.9973710.0±60.00.9988413Ｆ2
0.993±0.0122.903±0.0260.998824.4±5.60.9992057Ｆ31.035±0.0102.788±0.0210.999535.0±5.20.9981379芘
Ｆ11.055±0.0144.337±0.0420.99715695.0±231.00.99635592Ｆ21.009±0.0123.651±0.0330.9984117.0±41.00.99810275Ｆ3
1.028±0.029
3.4±0.083
0.993
2368.0±34.0
0.996
6104
注:Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程为ｑｅｑ=ＫｆＣＮｅｑ,其中,ｑｅｑ为吸附量(μｇ·ｇ-1),Ｃｅｑ为平衡浓度(μｇ·ｍＬ-1);Ｋｆ和Ｎ为回归参数,Ｋｆ
的单位为μｇ(1-Ｎ)·ｇ-1·ｍＬ-Ｎ
;当Ｎ=1时,可用ｑｅｑ=ＫｐＣｅｑ作线性回归,回归方程的斜率为分配系数(Ｋｐ)
.828
4期丁洁等:白腐真菌体对菲和芘的吸附-
脱附作用及影响因素
图3 白腐真菌各组分对菲和芘的等温吸附-脱附曲线(误差棒小于数据点符号)
Ｆｉｇ.3 Ｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎ-ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎｉｓｏｔｈｅｒｍｓｏｆｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅａｎｄｐｙｒｅｎｅｔｏｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｓａｍｐｌｅｓ(Ｅｒｒｏｒｂａｒｓｎｏｔｓｈｏｗｎａｒｅｌｅｓｓｔｈａｎｔｈｅｓｙｍｂｏｌｓｉｚｅ)
3.3 Ｃｕ2+
存在情况下菲的吸附作用
考察了不同浓度Ｃｕ2+
存在下菲在Ｆ1～Ｆ3样品上的吸附作用,根据单点浓度计算了吸附系数Ｋｄ值.在不同浓度Ｃｕ2+
存在下菲的Ｋｄ值见图4.由图4可知,共存Ｃｕ2+
离子促进了白腐真菌体对菲的吸附作用,当Ｃｕ2+
初始浓度为0.μｇ·ｍＬ-1
时,就可促进Ｆ2样品对菲的吸附作用(Ｋｄ值增大);随着Ｃｕ2+
浓度的增加,菲的吸附作用逐渐增强.当Ｃｕ
2+
初始浓度为32μｇ·ｍＬ-1
时,菲在白腐真菌体Ｆ1、Ｆ2、Ｆ3上的吸附系数分别从3721.0、828.9、499.2ｍＬ·ｇ-1
提高为4098.0、1206.0、876.3ｍＬ·ｇ-1
,分别
提高了39.7%(Ｆ1)、45.5%(Ｆ2)、29.5%(Ｆ3),提高的顺序为Ｆ2>Ｆ1>Ｆ3.因此,环境中重金属离子(如Ｃｕ2+
)是影响白腐真菌对多环芳烃的生物吸附作用的因素之一,重金属离子的存在能促进白腐真菌对多环芳烃的生物吸附作用
.
图4 不同初始浓度Ｃｕ2+
对菲在白腐真菌体上吸附作用的影响
Ｆｉｇ.4 ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｎｉｔｉａｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＣｕ2+
ｏｎｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅｔｏｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｓａｍｐｌｅｓ
4 讨论(Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ)
4.1 白腐真菌体极性对吸附作用的影响
为评价ＰＡＨｓ在白腐真菌体上生物吸附能力的大小,通过式(2)计算了有机碳标化的分配系数Ｋｏｃ(表2).
Ｋｏｃ=Ｋｐ/ｆｏｃ
(2)
式中,Ｋｐ为分配系数(ｍＬ·ｇ-1
);ｆｏｃ为白腐真菌体的有机碳百分含量.ＰＡＨｓ在3个白腐真菌体样品上
的Ｋｏｃ值不是一个常数,如菲在Ｆ1、Ｆ2、Ｆ3上的Ｋｏｃ值分别为8439、2069、1287ｍＬ·ｇ-1
(以Ｃ计),而芘的Ｋｏｃ
值则分别为36230、10350、5701ｍＬ·ｇ-1
(以Ｃ计).可见,经脱蜡、皂化去脂后白腐真菌体的吸附能力大大降低.菲和芘在3种白腐真菌体组分上的Ｋｏｃ
值与其极性指数(Ｏ+Ｎ)/Ｃ之间的关系见图5.由图5可知,白腐真菌样品对多环芳烃的吸附能力(Ｋｏｃ)与其极性大小呈良好的线性关系,即随极性指数的增大,有机碳标化的分配系数减小.由于白
829
环 境 科 学 学 报
30卷
腐真菌体对多环芳烃的吸附作用是分配过程,根据“相似相溶”原理,极性的改变对其吸附影响很大.芘的吸附公式的斜率比菲大4.23倍,说明芘对极性的灵敏度高于菲,这主要是由于与菲相比芘的疏水性更强(Ｋｏｗ(芘)/Ｋｏｗ(菲)=4.07).菲和芘在白腐真菌体Ｆ1上的Ｋｏｃ值(8439和36240ｍＬ·ｇ-1
)远小于其相应的Ｋｏｗ值(28000和80000ｍＬ·ｇ-1
),这主要是由Ｆ1介质的极性指数(Ｏ+Ｎ)/Ｃ远大于正辛醇的极性指数(0.125)
.
图5 多环芳烃的标化分配系数Ｋｏｃ
与白腐真菌样品的极性指数(Ｏ+Ｎ)/Ｃ之间的关系(误差棒小于数据点符号)Ｆｉｇ.5 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｃａｒｂｏｎ-ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｐａｒｔｉｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＫｏｃｏｆＰＡＨｓｗｉｔｈｔｈｅｐｏｌａｒｉｔｙｉｎｄｅｘ(Ｏ+Ｎ)/Ｃｏｆｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｓａｍｐｌｅｓ(Ｅｒｒｏｒｂａｒｓａｒｅｌｅｓｓｔｈａｎｔｈｅｓｙｍｂｏｌｓｉｚｅ)
4.2 Ｃｕ2+
对白腐真菌吸附ＰＡＨｓ的影响
Ｃｕ2+
是常见的重金属离子,广泛存在于废水和土壤中.Ｔｈａｗｏｒｎｃｈａｉｓｉｔ等(2007)研究发现,Ｃｕ2+
的
存在会降低苯酚吸附量,这是因为Ｃｕ2+
对吸附剂的亲和性比苯酚更强.Ａｋｓｕ(2007)研究了Ｃｕ2+
存在情况下染料的生物吸附,发现增加Ｃｕ2+
浓度可提高染料阴离子的吸附,而增加染料浓度可消除Ｃｕ2+
的增强作用,Ｃｕ2+
对染料阴离子存在既协同又拮抗的作用.Ｑｕ等(2007)研究了Ｃｕ2+
存在情况下ＰＡＨｓ
在卵磷脂上的吸附情况,发现Ｃｕ2+
的存在增强ＰＡＨｓ的吸附作用,其机制为ＰＡＨｓ与Ｃｕ2+
间形成阳离子-π键作用.本实验也发现Ｃｕ2+
的存在会促进白腐真菌对ＰＡＨｓ的吸附作用,为了解其增强吸附作用机制,测定了ＰＡＨｓ存在下白腐真菌对Ｃｕ
2+
的吸附情况(图6).
由图6可见,白腐真菌体对Ｃｕ2+
具有较强的吸附能力.结合图4数据可得,白腐真菌具有同时吸
附去除水中多环芳烃和重金属的能力.低浓度情况
下,白腐真菌体对Ｃｕ2+
的等温吸附曲线呈线性关系(Ｒ2
>0.990),3种白腐真菌样品对Ｃｕ2+
的吸附能力(Ｋｄ,ｍＬ·ｇ-1
)大小顺序为Ｆ3(1624.0)>Ｆ1
(855.6)>Ｆ2(206.3).这主要是由于经皂化过程后白腐真菌表面—ＣＯＯＨ等极性基团增加及表面极性(Ｏ/Ｃ比值)增大.Ｃｕ2+
通过配合作用吸附到白腐真菌体上,可中和微生物表面的负电荷,从而降低白腐真菌体表面的亲水性,进而提高白腐真菌体的疏水性分配作用(Ｑｕｅｔａｌ.,2007).因此,共存Ｃｕ2+
提高了菲在白腐真菌体上的吸附作用.但是,菲的分配系数的增加值(■Ｋｐ)或增加百分率与Ｃｕ2+吸附浓度不成正比,如增加百分率的变化顺序为Ｆ2(45.5%)>Ｆ1(39.7%)>Ｆ3(29.5%),刚好与白腐真菌对Ｃｕ2+
吸附能力的顺序相反,说明共存Ｃｕ2+
促进菲的吸附作用还存在其它重要机制(如阳离子-π键作用).阳离子-π键作用大小与Ｃｕ2+
存在的微环境的疏水性程度呈正比,如水溶液
中的Ｃｕ2+
不易与ＰＡＨｓ形成阳离子-π键作用.当Ｃｕ2+
初始浓度为32μｇ·ｍＬ-1
时,菲在白腐真菌体上分配系数的增加值(■Ｋｐ)
分别为1477ｍＬ·ｇ-1
(Ｆ1)、377ｍＬ·ｇ-1
(Ｆ2)、147ｍＬ·ｇ-1
(Ｆ3),■Ｋｐ增大的顺序为Ｆ1>Ｆ2>Ｆ3,与白腐真菌体的极性指数(Ｏ+Ｎ)/Ｃ呈反比,意味着在相对疏水性的Ｆ1样品上Ｃｕ2+
与菲形成阳离子-π键的能力较强.
图6 0.5ｍｇ·Ｌ-1菲共存时白腐真菌对Ｃｕ2+
的吸附作用Ｆｉｇ.6 ＢｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆＣｕ2+ｂｙｗｈｉｔｅ-ｒｏｔｆｕｎｇｉｓａｍｐｌｅｓｉｎｔｈｅ
ｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆ0.5ｍｇ·Ｌ-1ｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅ
4.3 ＰＡＨｓ在白腐真菌上吸附-脱附行为对生物修
复意义
红外光谱分析及元素分析结果显示,经索氏提取和皂化后的样品,虽然其含碳量有所减少,表面
830
4期丁洁等:白腐真菌体对菲和芘的吸附-脱附作用及影响因素
基团有所变化,但其吸附-脱附的基本机制并没有发生变化.由此可推测,白腐真菌的吸附及脱附过程既发生在菌体表面,也发生在菌体内部.白腐真菌的吸附-脱附是可逆的,且均为分配作用控制过程,因此,白腐真菌对多环芳烃的结合力较弱,吸附作用并不稳定.生物修复过程中在同时存在生物吸附和生物降解的情况下,随着生物降解的发生,环境中多环芳烃的浓度降低,吸附在白腐真菌菌体中的多环芳烃会不断脱附出来,继续为生物降解过程所利用.由此可以推测,白腐真菌的生物吸附作用最终可有助于生物降解.
5 结论(Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ)
1)菲和芘在白腐真菌体上的等温吸附-脱附曲线呈线性,为可逆吸附过程,其生物吸附机理为多环芳烃在白腐真菌体上的分配作用;经脱蜡和脱脂后,白腐真菌样品的吸附能力逐渐下降,菲的分配系数Ｋｐ(Ｆ1)值分别为Ｋｐ(Ｆ2)和Ｋｐ(Ｆ3)的4.5倍和7.5倍,芘的分配系数Ｋｐ(Ｆ1)则分别为Ｋｐ(Ｆ2)和Ｋｐ(Ｆ3)的3.8倍和7.2倍,可见白腐真菌体上的脂类和聚酯类物质为其主要的分配介质;多环芳烃的Ｋｏｃ与白腐真菌体的极性指数(Ｏ+Ｎ)/Ｃ呈线性关系,芘对介质极性的敏感度比菲大4.23倍;菲和芘在白腐真菌体Ｆ1上的Ｋｏｃ值(8439和36240ｍＬ·ｇ-1)远小于其相应的Ｋｏｗ值(28000和80000ｍＬ·ｇ-1),主要是由Ｆ1介质的极性指数(Ｏ+Ｎ)/Ｃ远大于正辛醇的极性指数(0.125)所致.
2)共存Ｃｕ2+离子促进白腐真菌体对菲的生物吸附作用,随着Ｃｕ2+浓度的增加,菲的生物吸附作用逐渐增强;当Ｃｕ2+初始浓度为32μｇ·ｍＬ-1时,菲在白腐真菌体Ｆ1、Ｆ2、Ｆ3上的吸附系数Ｋｐ分别4098.0、1206.0、876.3ｍＬ·ｇ-1,与[Ｃｕ2+]=0μｇ·ｍＬ-1时相比,分别提高了39.7%、45.5%、29.5%;增强吸附机制为Ｃｕ2+通过配合作用吸附到白腐真菌体上中和微生物表面的负电荷,降低白腐真菌体表面的亲水性,进而提高其疏水性分配作用;同时,Ｃｕ2+与菲之间形成阳离子-π键等特殊作用有重要贡献,其大小与白腐真菌体的极性指数(Ｏ+Ｎ)/Ｃ呈反比.
责任作者简介:陈宝梁(1973—),男,博士,教授,博导.主要研究领域为土壤有机污染控制与修复、环境界面化学与环境功能材料.参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ):
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