深海芽孢杆菌Bacillus megaterium LM-44对亚甲基蓝染料的吸附作用.pdf
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1、西北大学学报(自然科学版)2023年8 月,第53卷第4期,Aug.,2 0 2 3,V o l.53,No.4Journal of Northwest University(Natural Science Edition)JNWU污染治理深海芽孢杆菌 Bacillus megaterium LM-44 对亚甲基蓝染料的吸附作用徐湘薇1.2.3,张(1.中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室广东省海洋药物重点实验室,广东广州510 30 1;2.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州),广东广州511458;3.中国科学院大学,北京10 0 0 49;4.中国科学院南海海洋研究
2、所仪器设备公共服务中心,广东广州510 30 1)摘要以深海耐盐菌Bacillus megaterium LM-44 作为微生物吸附剂,吸附偶氮染料亚甲基蓝(MB)。利用无机载体硅胶与有机载体大孔树脂对其进行固定化,通过单因素法优化吸附剂反应条件。游离菌株在最适反应条件(吸附剂浓度1.18 7 mg/mL、溶液pH=9、温度2 5、150 r/min、震荡反应6 0 min)下,对10 0 mg/LMB溶液的去除率为7 0%,吸附容量为50 mg/g,对50 0 mg/LMB溶液的吸附容量为153mg/g;硅胶固定化吸附剂的在最适反应条件(吸附剂浓度2 g/L、溶液pH=9、温度2 5、150
3、 r/min、震荡反应12 0 min)下,对10 0 mg/LMB溶液的去除率为9 8%,吸附容量为49 mg/g,对50 0 mg/LMB溶液的吸附容量为19 2 mg/g;大孔树脂固定化吸附剂在最适反应条件(吸附剂浓度8 g/L、溶液pH=9、温度2 5、150 r/min、震荡反应18 0 min)下,对10 0 mg/LMB溶液的去除率为8 2%,吸附容量为10 mg/g,对50 0 mg/LMB溶液的吸附容量为32 mg/g。3种形式的吸附剂在不同无机盐条件下吸附作用较为稳定。BacillusmegateriumLM-44比前期发现的脱色菌Ba-cillus sp.LM-24具有更
4、高的吸附容量,且对高浓度废水仍然具有较好的去除作用。利用Langmuir与Freundlich吸附等温线模型与动力学函数对吸附过程进行研究,结果表明,3种吸附剂均与准一级动力学拟合度更高,游离菌株吸附作用与Freundlich模型拟合度更高,而固定化吸附剂与Langmuir拟合度更高。关键词深海芽孢杆菌;微生物吸附;亚甲基蓝;高吸附容量中图分类号:0 6 47.33The adsorption of methylene blue dye by deep-seaXU Xiangwei-2,ZHANG Yun2,HU Yunfeng.1,2(1.South China Sea Institute
5、of Oceanology,CAS Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology,Guangdong Key Laboratory of Marine Materia Medica,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China;2.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Guangzhou),Guangzhou 511458,China;收稿日期:2 0 2 3-0 1-0 9基金项目
6、:国家自然科学基金(2 130 2 19 9);南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0406)第一作者:徐湘薇,女,从事微生物吸附研究,WuliSherry_0603163,c o m。通信作者:胡云峰,男,博士,研究员,博士生导师,从事吸附和生物催化技术研究,。云1.2.4,胡云峰1.2D0I:10.16152/ki.xdxbzr.2023-04-011Bacillus megaterium LM-445983.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;4.Equip
7、ment Public Service Center,South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China)Abstract Bacillus megaterium LM-44,a deep-sea salt-tolerant bacterium,was used as a microbial adsorbentfor the adsorption of the azo dye methylene blue(MB).The inorganic carrier sili
8、ca gel and organic carriermacroporous resin were used to immobilize it.The reaction conditions of the adsorbent were optimized by thesingle-factor method,and the optimum reaction conditions for the free strain were the adsorbent concentrationof 1.187 mg/mL,the solution pH of 9,the temperature of 25
9、,150 r/mi n,a n d t h e r e mo v a l r a t e o f M B s o-lution of 100 mg/L by shaking reaction for 60 min was 70%,and the adsorption capacity was 153 mg/g whenthe MB concentration increased to 500 mg/L.The optimum reaction conditions for silica gel immobilized ad-sorbent were 2 g/L adsorbent concen
10、tration,solution pH of 9,temperature 25 ,150 r/mi n,s h a k i n g r e a c-tion for 120 min to remove 98%of 100 mg/L MB solution,adsorption capacity of 49 mg/g,adsorption capaci-ty of 500 mg/L MB solution,adsorption capacity of 192 mg/g.The optimum reaction conditions for the immo-bilized adsorbent o
11、f macroporous resin were 8 g/L adsorbent concentration,solution pH of 9,temperature 25C,150r/min,and 180 min of shaking reaction with 82%removal rate and 10 mg/g adsorption capacity for100 mg/L MB solution,and 32 mg/g adsorption capacity for 500 mg/L MB solution.Bacillus megaterium LM-44 had a highe
12、r adsorption capacity than the previously identified decolorizing bacterium Bacillus sp.LM-24and still had a better removal of high concentration wastewater.The adsorption process was studied usingLangmuir and Freundlich adsorption isotherm models with kinetic functions,and the results showed that a
13、llthree adsorbents fit better with quasi-level kinetics,and the adsorption of free strains fit better with Freundlichmodel,while immobilized adsorbents fit better with Langmuir.Keywords deep-sea bacillus megaterium;microbial adsorption;methylene blue;high adsorption capacity偶氮染料是使用量最大的一种染料,广泛应用在印染、纺
14、织、食品等领域。含偶氮染料的废水具有高盐、高碱度等特点,直接排放至水体会造成水体色度污染,降低水体溶解氧含量与透光度,干扰水体生物正常生命活动。此外,偶氮染料的降解产物大多对生物有毒害作用,随水体进人生态循环系统,对人类健康构成威胁2 6 。亚甲基蓝(methylene blue,MB)是一种典型的偶氮染料,含有难以降解的偶氮结构,颜色鲜艳并且具有较高的吸收波长。微量的MB就可以使水溶液呈现明显的蓝色,直接影响水中生物的光合作用,破坏水体环境,进而危害人类和动物的健康7 9 。目前,偶氮染料废水的处理方法主要有化学法、物理法和生物法10 。其中,微生物吸附法具有来源丰富、品种多样、成本低廉、对
15、环境干扰小、实地操作性强、无毒害降解产物等优点,在污染治理方面具有显著优越性 。从真菌、藻类、细菌中都发现了可以吸附染料的微生物,如白腐真菌、芽孢杆菌等12-13。Liu等发现解淀粉芽孢杆菌W36具有较强的染料脱色能力14;苏会敏利用芽孢杆菌对MB进行脱色15,细菌接种量为3%,pH为5,碳源浓度为10 mg/L,反应12 0 h,对2 0西北大学学报(自然科学版)mg/L的MB去除率为8 4%。细菌具有生长周期短、生长速率高、环境适应性强、易于获取等特点,非常适用偶氮脱色,但其本身易受温度、pH、盐度等条件的影响,且先前研究中都存在反应时间较长、去除作用不稳定等局限性,因此,寻求具有高效、稳
16、定吸附作用的菌株仍然是研究的关键。本课题组前期已经从深海环境中分离了一株芽孢杆菌Bacillus sp.LM-24,其在高盐、高pH环境中具有稳定的吸附典型偶氮染料MB作用。本文基于最新发现的一株具有更高吸附率的海洋巨大芽孢杆菌BacillusmegateriumLM-44,利用无机载体硅胶和有机载体大孔树脂对其进行固定化来提高外界环境的稳定性,对其吸附条件进行了优化并分析了其吸附过程,以期为高盐高碱度偶氮染料废水的深度脱色提供微生物种质资源。1材料与方法1.1材料BacillusmegateriumLM-44筛选分离于南海深海环境样品;亚甲基蓝等均为分析纯;柱层层析硅胶(2 0 0-30 0
17、 目,青岛海洋化工厂分厂);大孔树第53卷第4期脂HPD-750S(郑州和成新材料厂);酶标仪(Infi-niteM200Pro);恒温摇床(广州湘西生物仪器公司)。液体Luria-Bertani培养基:10 g胰蛋白陈,5g酵母粉,10 gNaCl溶于1L蒸馏水中;固体Luria-Bertani培养基:10 g胰蛋白陈,5g酵母粉,10 gNaCl,15 g琼脂溶于1 L蒸馏水中。MB溶液:称取10 mgMB固体于少许水中,搅拌至完全溶解,倒至10 0 mL容量瓶中定容。1.2实验方法1.2.1菌种分离与筛选取0.5g南海深海环境样本于10 mL液体LB培养基中,150 r/min、37 恒
18、温培养1.5h;用生理盐水将原菌液稀释5倍,吸取2 0 0 L稀释菌液于固体LB培养基表面,倒人5颗玻璃球均匀摇晃,使稀释菌液均匀涂布于培养基表面,37 恒温倒置培养16 h。从LB平板上挑取不同形态的单个菌落至10 mL新鲜液体LB培养基中,摇床培养12 h150r/min、37)。取2 mL菌液离心,去上清液后向离心管中加人10 0 mg/L的MB溶液,震荡使菌体充分悬浮,150 r/min振荡反应1h。离心后取上清液于6 6 5nml16处测量吸光度。1.2.2菌株生理生化性质鉴定生长曲线测定:从LB平板上挑取生长良好的单个菌落至新鲜液体LB培养基中,摇床培养12h(37、150 r/m
19、 in)。以1%接种量转接至新鲜液体LB培养基中,取菌液于6 0 0 nm处测量吸光度(间隔2 h)。耐盐性测定:分别向LB培养液中加人1%15%的NaCl,以1%接种量将菌液转接至不同含盐量的液体LB培养基中,分别于4、12、2 4、36 h取菌液于6 0 0 nm处测定吸光度。1.2.3基因测序分析吸取1mL发酵菌液至离心管中低温保存,由上海生工完成16 SrRNA测序分析,利用NCBI做在线比对,用MEGA.11 构建系统树。1.2.4制备游离菌株和固定化菌株湿菌体制备:从固体LB培养基表面挑取生长良好的单个菌株,于10 mL液体LB培养基中,室温下150 r/min振荡培养12 h,以
20、1%接种量转接至液体LB培养基中,37、150 r/mim振荡培养12 h。吸取菌液离心,去除上清液,加人无菌水清洗,离心后去上清液,湿菌体备用。徐湘薇,等:深海芽孢杆菌BacillusmegateriumLM-44对亚甲基蓝染料的吸附作用1.2.6无机盐对吸附作用的影响配制13种分别含NaH,PO4、Na Cl、乙酸钠、Na,CO3、NH,Cl、K Cl、K,PO 4、硫酸铵、KH,PO4、MgS04、M g Cl 2、Ca Cl 2、Ba Cl 2 量为0.0 0 2 mol/L和0.01mol/L的MB溶液,最适反应条件下,分别加入3种吸附剂进行吸附反应。1.2.7动力学测定在最适条件下
21、分别投入3种吸附剂,分别震荡反应1、3、5、10、2 0、40、6 0、12 0、18 0 min,离心后取上清液于6 6 5nm处测量吸光度。1.2.8吸附等温线测定分别向50 50 0 mg/LMB溶液中投人3种吸附剂,在最适吸附剂浓度与溶液pH条件下,分别于2 5、30、35震荡反应12 0 min。离心后取上清液于6 6 5nm处测量吸光度。1.2.9计算公式599.固定化菌株制备:取部分湿菌体,加人与原上清液体积相同的无菌水,震荡充分后加入1%载体,振荡(150 r/min)反应2 h后抽滤,用无菌生理盐水冲洗载体表面,放人50 恒温箱烘干1h。1.2.5吸附优化实验最适吸附剂浓度测
22、定:MB溶液10 0 mg/L,游离菌株、硅胶固定化菌株和大孔树脂固定化菌株浓度分别为0.59 2 3.7 4mg/mL、1 10 g/L、1 10g/L;室温、150 r/min反应1h后离心,取上清液于 6 6 5 nm16处测量吸光度。pH对吸附作用的影响:用pH为5.0 10.0的缓冲液溶解MB至10 0 mg/L,以最适吸附剂浓度加入3种不同吸附剂,室温、150 r/min反应1h后离心,取上清液于6 6 5nm处测量吸光度。温度对吸附作用的影响:在最适吸附剂浓度、pH条件下,将3种吸附剂分别置于2 5、30、35、40、45恒温摇床中,150 r/min震荡反应1h。时间对吸附作用
23、的影响:在最适吸附剂浓度、最佳溶液pH、最适温度的条件下,将吸附剂投入MB溶液中,150 r/min震荡反应,分别于1、5、10、30.60、12 0、18 0 m in 取上清液于6 6 5nm处测量吸光度。溶液初始浓度对吸附作用的影响:在最适吸附剂浓度、最佳pH、最适时间、最适温度的条件下,将吸附剂分别投入浓度为50、10 0、2 0 0、30 0、400、50 0 m g/L的MB溶液中150 r/min震荡反应,反应结束后离心取上清液于6 6 5nm处测量吸光度。:6001)去除率与吸附容量C;-C%Y=C,C,-C,q=C,式中:Y为MB去除率,%;q为MB吸附容量,mg/g;C,为
24、MB溶液初始浓度,mg/L;C,为MB溶液终浓度,mg/L;C,为吸附剂浓度,mg/L。2)吸附动力学方程准一级动力学方程17 为q=q。(1-e-k il)准二级动力学方程18 为.K,tq.=1+q.K,t式中:q。为平衡吸附量,mg/g;q,为t时刻吸附量,mg/g;K为准一级动力学模型吸附速率常数,min;K,为准二级动力学模型吸附速率常数,mg/(mg:min)。3)等温吸附方程Langmuir等温吸附方程19 为qmK.Cq。=1+K.C.式中:qm为单分子层饱和吸附量,mg/g;KL为Langmuir吸附系数,L/mg;C。为溶液平衡浓度,mg/L。Freundlich等温吸附方
25、程2 0 为q。=K,C式中:K,为Freundlich吸附常数,mg/g;n描述了等温线的变化趋势。2丝结果与讨论2.1基因测序比对从分离菌株中获得了对MB吸附率较高的芽孢杆菌LM-44,菌体呈圆形、白色、质地黏稠。通过16 S rRNA测序分析后,将序列上传至NCBI进行在线比对,GenBank序列编号为ON527364。利用MEGA.11软件邻近法制作系统树(见图1),结合比对结果和系统树分析,发现该菌株为芽孢杆菌菌属,与一株巨大芽孢杆菌ROA024高度同源,命名为 Bacillus megaterium LM-44。此前也有研究表明,芽孢杆菌在染料脱色领域具有巨大的开发潜力14西北大学
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