曾 淼， 鐘雨靈,2， 楊偉勝

玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌對(duì)廢水中Cr6+的吸附性能研究

曾 淼1， 鐘雨靈1,2， 楊偉勝1

（1. 阿壩師范學(xué)院，四川 阿壩 623002；2. 山東師范大學(xué)，山東 濟(jì)南 250013）

用玉米芯和枯草芽孢桿菌兩種材料，制備了一種微生物吸附劑。以廢水中Cr6+的吸附率為指標(biāo)，探究了在不同溫度、時(shí)間、投加量和pH的條件下，玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌對(duì)廢水中Cr6+的吸附產(chǎn)生的影響。通過響應(yīng)面法確定了玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌對(duì)廢水中Cr6+吸附的最佳條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌在溫度35℃、pH＝4.7、振蕩時(shí)間63 min時(shí)，對(duì)廢水中Cr6+的吸附效果更好，其去除率達(dá)到89.64%。

玉米芯粉；枯草芽孢桿菌；廢水；Cr6+；吸附性能

六價(jià)鉻離子（Cr6+）是廢水中的常見的一種毒性重金屬離子。Cr6+的自然積累，可導(dǎo)致生物體正常細(xì)胞的病變，并引發(fā)癌癥[1]，所以水體中的Cr6+污染，是環(huán)境廢水治理中必須關(guān)注的重點(diǎn)問題之一[2-3]。玉米是一種常見的農(nóng)作物，通過相關(guān)研究表明玉米芯的表面結(jié)構(gòu)具有大量孔隙，是一種天然的吸附材料，其來源廣泛，價(jià)格便宜，得到眾多研究者的關(guān)注，應(yīng)用于對(duì)重金污染水體的治理[4-5]。

枯草芽孢桿菌（）是芽孢桿菌屬的一種，穩(wěn)定性好，可對(duì)Cr6+進(jìn)行有效的吸附作用。相關(guān)的研究工作，如在張琪[6]的研究中，認(rèn)為35℃的枯草芽孢桿菌的活性最好，有利于吸附廢水中的重金屬離子；萬俊杰[7]等的研究中，利用谷氨酸廢水處理枯草芽孢桿菌可以產(chǎn)出有效吸附Cr6+的絮凝劑，結(jié)果顯示最佳吸附pH為4，固定化吸附Cr6+的溫度為32℃，投加4 g/L的原料，鉻（VI）去除效果最佳；卓艷婷[8]等的研究中，不同的生物吸附重金屬系統(tǒng)的平衡時(shí)間不盡相同，通常從15 min到12 h不等，有時(shí)甚至更長(zhǎng)；魏長(zhǎng)浩[9]等的研究中，枯草芽孢桿菌在適宜的條件下對(duì)廢水中Cr6+具有一定的去除效果，對(duì)處理廢水產(chǎn)生積極作用；江瀾[10]、張彬[11]等人的研究也表明，細(xì)菌作為生物吸附劑對(duì)重金屬離子有較好的吸附作用。

總體而言，上述工作各有所長(zhǎng)，但利用玉米芯粉對(duì)枯草芽孢桿菌進(jìn)行固定，并應(yīng)用于廢水中Cr6+的吸附治理的工作，還很少見到。

在本文中，采用響應(yīng)面法，以玉米芯粉為載體，利用固定化微生物技術(shù)[12]將游離的枯草芽孢桿菌固定于玉米芯粉中，使枯草芽孢桿菌能夠保持其生物活性。研究枯草芽孢桿菌在玉米芯粉粒子表面的附著位點(diǎn)[13]，并形成高效吸附劑的特征，以及負(fù)載枯草芽孢桿菌的玉米芯粉材料對(duì)廢水中的Cr6+的吸附作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1 樣品與試劑

玉米芯（山東省諸城市）、枯草芽孢桿菌XII型（河南鵬錦生物科技有限公司）、酵母粉（安琪酵母股份有限公司）、大豆蛋白胨（青島高科技工業(yè)園海博生物科技有限公司）、氫氧化鈉、鹽酸、丙酮、硫酸、磷酸、重鉻酸鉀、二苯碳酰二肼、氯化鈉等都為分析純?cè)噭?/p>

1.1.2 儀器

紫外可見分光光度計(jì)（UV-1800PC，上海美譜達(dá)儀器有限公司）、生物顯微鏡（E5）、數(shù)顯水浴恒溫振蕩器（SHA-C，上海雙捷實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、分析天平（JJ324BC）、電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-4，北京中興偉業(yè)儀器有限公司）、循環(huán)水式真空泵（KH-Ⅲ，北京市光明醫(yī)療儀器有限公司）氣浴恒溫振蕩器（ZD-85A，金壇市榮華儀器制造有限公司）高速多功能粉碎機(jī)（1000Y，武義海納電器有限公司）、立式自動(dòng)電熱壓力蒸汽滅菌鍋（LX-B150L，合肥華泰醫(yī)療設(shè)備有限公司）pH計(jì)（PHS-3G，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）超凈工作臺(tái)（SW-CJ2F，蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 吸附劑的制備

玉米芯預(yù)處理：將玉米芯切成小塊，用自來水沖洗3～4次，蒸餾水沖洗1～2次，去除玉米芯表面的雜質(zhì)，放入50℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干后，用粉碎機(jī)磨成粉末，過70目篩后，置于廣口瓶中于干燥器內(nèi)備用[14]。

1.2.2 模擬廢水的配置

實(shí)驗(yàn)所用的模擬廢水采用GB/T 7467-1987水質(zhì)六價(jià)鉻的測(cè)定二苯碳酰二肼分光光度法[15]中K2Cr2O7（分析純）為原料配置組成的模擬廢水。

1.2.3 菌液含菌量的測(cè)定

用無菌水稀釋培養(yǎng)好的枯草芽孢桿菌，然后滴入血球計(jì)數(shù)板上，在顯微鏡下觀察并記錄枯草芽孢桿菌的數(shù)量。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)探究玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌在不同時(shí)間、不同溫度、不同pH值和不同投加量的條件下，對(duì)廢水中Cr6+的吸附效能的影響。

1.2.4.1 探究不同時(shí)間對(duì)廢水中Cr6+的影響

取2.000 0 g處理好的玉米芯粉及50.00 mL枯草芽孢桿菌液，溫度設(shè)置為25℃，以吸附時(shí)間為單一變量，設(shè)置5個(gè)不同的時(shí)間梯度（30 min、60 min、90 min、120 min、150 min），每個(gè)梯度設(shè)計(jì)三個(gè)平行試驗(yàn)。根據(jù)得到的吸光度值，確定最佳吸附時(shí)間。

1.2.4.2 探究不同溫度對(duì)廢水中Cr6+的影響

取2.000 0 g處理好的玉米芯粉及50.00 mL枯草芽孢桿菌液，以溫度為單一變量，設(shè)置5個(gè)不同的溫度梯度（25℃、35℃、45℃、55℃、65℃），每個(gè)梯度設(shè)計(jì)三個(gè)平行試驗(yàn)。根據(jù)得到的吸光度值，確定最佳吸附溫度。

1.2.4.3 探究不同pH值對(duì)廢水中Cr6+的影響

取2.000 0 g處理好的玉米芯粉及50.00 mL枯草芽孢桿菌液，以pH值為單一變量，設(shè)置5個(gè)不同的pH梯度（2.0、4.0、6.0、8.0、10.0），每個(gè)梯度設(shè)計(jì)三個(gè)平行試驗(yàn)。根據(jù)得到的吸光度值，確定最佳pH值。

1.2.4.4 探究玉米芯粉不同投加量對(duì)廢水中Cr6+的影響

取一定量處理好的玉米芯粉及50.00 mL枯草芽孢桿菌液，以不同投加量為單一變量，設(shè)置5個(gè)不同的梯度（0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g、2.5 g），每個(gè)梯度設(shè)計(jì)三個(gè)平行試驗(yàn)。根據(jù)得到的吸光度值，確定最佳投加量。

1.2.5 單因素的顯著性分析

利用 IBM SPSS Statistics（社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件包）軟件對(duì)四個(gè)單因素進(jìn)行顯著性分析，當(dāng)顯著性＜0.001時(shí)，則表明著該單因素的影響是顯著的，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.2.6 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，在時(shí)間、溫度、pH值以及投加量的單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用Design-Expert（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）軟件對(duì)Box-Behnken（響應(yīng)曲面法）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[16]，分析這3個(gè)因素對(duì)廢水中Cr6+的去除效果，根據(jù)得到的吸光度計(jì)算出Cr6+的去除率，并確定用玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌處理含Cr6+廢水的最佳條件。如表1所示。

表1 響應(yīng)面法因素和水平的設(shè)置及其代碼

1.3 數(shù)據(jù)處理

廢水中Cr6+的去除率，由下式計(jì)算：

式中：為Cr6+的去除率；0表示Cr6+溶液的初始濃度，μg/mL；e表示Cr6+溶液的平衡濃度，μg/mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cr6+的標(biāo)準(zhǔn)曲線分析

Cr6+標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系為＝1.778 9＋0.008 1且2＝0.999 7，結(jié)果可知該曲線有良好線性相關(guān)性。

2.2 1.0 mL菌液含菌量

通過顯微鏡觀察得出1.0 mL枯草芽孢桿菌的個(gè)數(shù)大約為2.5×106個(gè)。

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 時(shí)間對(duì)處理廢水中Cr6+的影響

圖1為探究不同時(shí)間對(duì)廢水中Cr6+去除率的作用效果。

圖1 不同時(shí)間對(duì)Cr6+去除率的影響

玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌處理廢水中的Cr6+在60 min吸附效果最佳，其吸附率高達(dá)86.63%，在60 min之后，其吸附率依次降低，所以選取最佳吸附時(shí)間為60 min。

2.3.2 溫度對(duì)處理廢水中Cr6+的影響

圖2為探究通過使用不同溫度對(duì)廢水中Cr6+去除率的作用效果。

圖2 不同溫度對(duì)Cr6+去除率的影響

在35℃時(shí)玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌處理廢水中的Cr6+的效果達(dá)到最佳，其吸附率高達(dá)88.33%，之后隨著溫度的升高其吸附率逐漸下降，所以選取最佳的吸附溫度為35℃。

2.3.3 pH對(duì)處理廢水中Cr6+的影響

圖3為探究不同pH對(duì)廢水中Cr6+去除率的作用效果。

圖3 不同pH對(duì)Cr6+去除率的影響

隨著pH值的增大玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌處理廢水中的Cr6+的效果越好，在pH值為4.0時(shí)，其吸附率高達(dá)88.47%，之后隨著pH值的增大，其吸附率逐漸下降，所以選取的最佳吸附pH值為4.0。

2.3.4 玉米芯粉投加量對(duì)處理廢水中Cr6+的影響

圖4為探究使用玉米芯粉不同投加量對(duì)廢水中Cr6+去除率的作用效果。

圖4 不同投加量對(duì)Cr6+去除率的影響

隨著投加量的增加，玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌對(duì)Cr6+的吸附效果越好，當(dāng)玉米芯粉的投加量為2.0 g其吸附率逐漸趨于平緩，所以選取最佳的粉末投加量為2.0 g。

2.3.5 單因素顯著性分析

將四組單因素?cái)?shù)據(jù)分別輸入IBM SPSS Statistics軟件中進(jìn)行顯著性分析，最終得出：只有時(shí)間、溫度和pH這三個(gè)因素的顯著性是小于0.001的，因此選擇這三因素來進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以時(shí)間、溫度和pH作為響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)的3個(gè)自變量；選取各單因素的3個(gè)最佳水平，采用Design-express軟件進(jìn)行Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來優(yōu)化并得出最佳吸附條件，結(jié)果如表2所示。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到二元回歸方程式為：

＝＋88.61＋0.42×A－0.066×B＋5.43×C＋0.84×A×B＋0.71×A×C－0.62×B×C－2.80×A2－2.54×B2－7.44×C2

表2 玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌對(duì)廢水中Cr6+響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

關(guān)于玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌吸附廢水中Cr6+的二元回歸方程方差分析，結(jié)果如表3所示。Box-Behnken實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析以玉米芯固定枯草芽孢桿菌對(duì)廢水中Cr6+的吸附率作為響應(yīng)值。由表可知P值為＜0.000 1，該模型的回歸性顯著，表明實(shí)驗(yàn)擬合的回歸模型具有良好的預(yù)測(cè)性?；貧w方程的相關(guān)系數(shù)2＝0.996 1，表明該方程的擬合程度較好，另外該回歸方程的失擬項(xiàng)為0.195 6＞0.05，表明該模型的誤差較小，可用于下一步預(yù)測(cè)[17]。從表3中可以看出，時(shí)間（A）、溫度（B）、pH（C）這3個(gè)因素中，玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌對(duì)廢水中的Cr6+的吸附影響程度最大的是pH值。因此pH值是影響Cr6+吸附率的關(guān)鍵因素。同時(shí)自變量一次項(xiàng)C、二次項(xiàng)A2、B2、C2對(duì)吸附率的影響極顯著（p＜0.001），二次項(xiàng)AB、AC對(duì)吸附率的影響顯著（p＜0.05）。另外回歸方程的誤差分析見表4。

表3 二元回歸方程的方差分析

表4 回歸方程誤差分析

從表4可以看出，預(yù)測(cè)2和調(diào)整2的差值 ＜0.2，表明該回歸模型可行；CV/%＜10%，表明可信度和準(zhǔn)確度較高，所以由表7可知，該模型具有良好的預(yù)測(cè)意義。

利用殘差分析可以進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確 性[17]，如圖5所示。殘差分布圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)整體上呈線性分布，均勻的分布于直線的兩側(cè)，則表明其遵從正態(tài)分布規(guī)則；圖5b所示，預(yù)測(cè)值要盡可能分布無規(guī)律。

由圖6a所示，去除率隨著時(shí)間和溫度的增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。圖6b中在吸附溫度25～45℃之間時(shí)，去除率在84%～86%之間，當(dāng)吸附時(shí)間不變時(shí)，溫度變化對(duì)去除率的影響較?。辉谖綍r(shí)間30～90 min之間時(shí)，去除率同樣處于84%～86%之間，由此可見當(dāng)吸附溫度不變時(shí)，時(shí)間變化對(duì)去除率的影響也很小。由圖7b所示，當(dāng)吸附時(shí)間不變時(shí)，隨著pH值逐漸增大，去除率逐漸增大，當(dāng)廢水的pH值趨于弱酸性至中性時(shí)，去除率開始下降，當(dāng)吸附時(shí)間不變時(shí)，pH值變化對(duì)去除率的影響較大，作用明顯。由圖8b可知，當(dāng)吸附溫度不變時(shí)，隨著pH值逐漸增大去除率逐漸增大，與時(shí)間對(duì)pH值的影響基本相同，所以當(dāng)吸附溫度不變時(shí)，pH值變化對(duì)去除率的影響較大。綜上所述，對(duì)吸附廢水中的Cr6+的影響因素的順序?yàn)閜H＞ 時(shí)間＞溫度。

2.3 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)響應(yīng)面法分析得出的最優(yōu)組合條件是否與實(shí)際相符，可依據(jù)先前的方法進(jìn)行驗(yàn)證[18]。如表8所示，3次測(cè)量平均值為89.68%，這與實(shí)驗(yàn)給出的預(yù)測(cè)值89.64%基本吻合。但可能由于操作過程中的誤差及菌種的數(shù)目未能保證完全一致，所以導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值稍大于預(yù)測(cè)值，但相對(duì)誤差僅為0.045%＜0.2%，說明實(shí)驗(yàn)值和分析值的擬合性良好，可用于進(jìn)行下一步預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

本文在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)處理?xiàng)l件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，得出玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌吸附廢水中Cr6+在溫度35℃、pH＝4.7、振蕩時(shí)間63 min時(shí)，其去除率達(dá)89.64%。其響應(yīng)面數(shù)據(jù)分析可知，玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌附廢水中的Cr6+的影響因素為pH＞時(shí)間＞溫度。實(shí)驗(yàn)證明玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌，其對(duì)Cr6+的吸附效果更優(yōu)。與其他方法相比，該方法成本低，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，是一種環(huán)境友好型的吸附方法，可應(yīng)用于處理其他含重金屬廢水中，是一種極具發(fā)展前景的水處理技術(shù)，同時(shí)也為負(fù)載菌類處理廢水提供了廣闊的發(fā)展前景。

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Adsorption Capacity of Corncob Powder Immobilized Bacillus Subtilis for Cr6+in Wastewater

ZENG Miao1, ZHONG Yuling1,2, YANG Weisheng1

（1. Aba Teachers College, Aba 623002, China; 2. Shandong Normal University, Jinan 250013, China）

A microbial adsorbent was prepared using two materials, corn cob and Bacillus subtilis. Using the adsorption rate of Cr6+in wastewater as an indicator, the effect of corn cob powder immobilized Bacillus subtilis on the adsorption of Cr6+in wastewater was investigated under different temperature, time, dosage, and pH conditions. The optimal conditions for the adsorption of Cr6+in wastewater by immobilized Bacillus subtilis on corn cob powder were determined through response surface methodology. The experimental results show that the immobilized Bacillus subtilis on corn cob powder has better adsorption effect on Cr6+in wastewater at a temperature of 35℃, pH＝4.7, and oscillation time of 63 minutes, with a removal rate of 89.64%.

corncob powder; bacillus subtilis; wastewater; Cr6+; adsorbability

2023-11-13

四川省高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目（JG2021-1453）。

曾淼（1982～），女，碩士，副教授；研究方向：吸附劑制備及應(yīng)用。664928619@qq.com

X703.1

A

1004-8405(2023)04-0020-07

10.16561/j.cnki.xws.2023.04.07