啤酒废酵母吸附重金属的研究进展

啤酒废酵母吸附重金属的研究进展

中国的啤酒工业正在迅速发展。2013年，中国已成为世界上最大的啤酒产量。截止2013年10月,中国啤酒行业累计产量4469.23万kL。啤酒废弃酵母量也相当的大,共计约90万t,其排放量约为啤酒产量的2%。国内对啤酒废酵母大多在食品、医药和饲料工业中广泛研究应用。但有研究表明,废弃啤酒酵母在处理含重金属废水方面有很好的效果。利用啤酒废酵母吸附废水重金属离子,不仅可以提高啤酒工业中废酵母的利用价值,而且对节约废水处理成本、回收重金属离子以及最终达到治理废水目的都有着重要的意义。啤酒酵母属真菌,是一种单细胞微生物,细胞呈圆形或卵形,细胞大小为(3~7μm)×(5~10μm);啤酒酵母细胞由细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核、液泡等构成。酵母细胞壁含β-葡聚糖50%,甘露糖20%,蛋白质10%~15%,脂类8%~9%,几丁质10%或更少。啤酒酵母细胞含水分75%~85%,干物质占湿重的15%~25%,细胞壁主要组成为葡聚糖。啤酒酵母外侧有0.11mm左右的2层细胞壁,内侧还有细胞荚膜,是金属离子主要积累的场所,其主要官能团包括-OH、-SH、-NH、-OP、C=O、P=O、S=O等。这些多糖中的氮、羧基、硫醇、醇、磷酸及其衍生物等与金属离子通过静电吸附、离子交换、络合和氧化还原等生物吸附机理,使溶液中的金属离子被吸附。1啤酒酵母生物吸附法生物吸附法被认为是一种处理大规模低浓度重金属废水的理想方法,其中啤酒酵母可以吸附多种重金属离子和放射性核素,且受水中的一些常见离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+及盐度对其吸附的影响很小,被认为是一种具有实用潜力的生物吸附剂。在酵母细胞外侧有0.1~0.3μm的3层细胞壁,主要由葡聚糖、甘露聚糖与两者之间的蛋白质共同组成,为吸附金属离子的主要部位。啤酒酵母的吸附机理受到自身生理结构和外界环境因素的双重影响,因此,变得相当复杂,目前还处于进一步探索和研究的阶段。不过,根据酵母细胞吸附的位置,大致可以归纳为3种吸附机理,即细胞外吸附机理、细胞表面吸附机理和细胞内吸附机理。废啤酒酵母为死菌体,比活菌体性能稳定,适应环境能力强。因此啤酒废酵母也可以归纳为这3种吸附机理。1.1重金属的吸附能力某些真核微生物(藻类、真菌)具有分泌糖蛋白、脂多糖和可溶性缩氨酸等细胞外多聚糖(EPS)的能力,而这些EPS物质普遍含有数量可观的能够吸附重金属的阴离子官能团,对重金属有较强的吸附能力。Suh等人通过实验研究表明,酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)不能分泌EPS,而Soares等人在啤酒酵母去除Cu2+的研究中发现,酵母细胞壁表面能分泌一种外源凝集素(lectin)的特定蛋白质(可用乙二胺四乙酸(EDTA)提取),它具有和EPS相同的功能。1.2啤酒酵母对镉的等温吸附啤酒酵母的细胞壁是金属离子积累的主要场所。从分子结构层面来看,当啤酒酵母暴露在金属溶液中时,细胞壁是重金属离子遇到的第一层生物屏障,而细胞壁中含有许多能够与之进行配位络合的官能团,这些官能团中的氮、羧基、硫醇、醇、磷酸及其衍生物等与金属离子通过静电交感、离子交换、配位络合、氧化还原和无机微沉淀等生物吸附机理,使溶液中的金属离子被吸附。杨玉山等在分析固定化啤酒酵母吸附对锶离子的作用过程中发现,Sr2+初始浓度在0~150mg/L内,利用Freundlich方程能较好地描述啤酒酵母对Sr2+的等温吸附过程,表明固定化酵母菌对Sr2+的吸附以物理吸附为主,固定化酵母菌与Sr2+之间主要通过分子间引力产生吸附。陈灿和王建龙发现,在酵母吸附Zn2+、Pb2+、Ag+离子过程能够促进酵母释放细胞自身的K+、Na+、Ca2+、Mg2+,以酵母吸附Ag+为例,5min内上述4种阳离子释放量分别达到了640~700μmol/g、80~100μmol/g、14~16μmol/g、4~25μmol/g,说明离子交换机制在酵母吸附重金属中发挥了重要作用。代淑娟等分析了水洗废啤酒酵母对镉的吸附机理,其结果表明,废啤酒酵母经过水洗后菌体表面阳离子(K+、Na+、Ca2+等)离开菌体,因此,酵母表面荷电变负,增大了对Cd2+的吸附能力;在进行红外光谱分析后发现,-OH、S=O、-NH2等基团中N、O、S等提供的孤对电子与有空轨道的镉离子配位,改变了基团的极性,进而证实吸附过程有静电吸附和化学络合作用存在。谢丹丹等在扫描电镜下,观察接触PdCl2溶液前后的固定化酵母菌体时发现,啤酒酵母废菌体不仅能吸附Pd2+,还能将Pd2+还原成Pd,证明细胞表面对金属离子吸附过程中存在有氧化还原机理。Strandberg等人对啤酒酵母细胞吸附铀进行了研究,结果表明,在细胞表面有厚约0.2μm的铀沉淀,外形呈针状纤维层,这种纤维层可以通过化学方法洗脱掉,进而证实了吸附过程中存在有无机微沉淀机理。1.3啤酒酵母中积累的sr2+、mne+、zna+n+啤酒酵母吸附重金属离子的机理与酵母形式有关,当酵母为活体细胞时,细胞体内某种酶的活性与吸附紧密相关。Blackwell等验证了啤酒酵母内积累的Sr2+、Mn2+、Zn2+分别有70%、90%、60%在液泡内,其余的少数存在于细胞质或细胞膜上。Volesky等用活性啤酒酵母吸附Cd2+,结果表明,Cd2+结合为磷酸盐形式进行沉淀,在细胞内的液泡中发现大量的镉酸盐沉淀物,而在酵母细胞壁上没有镉沉淀物,认为是细胞中磷酸酶将Cd2+运输进入细胞。2固定化啤酒废酵母的生物活性成分菌体制备:将来自啤酒厂的啤酒酵母废菌体用去离子水洗涤数次,于适当的转速下离心适当的时间,收集菌体,烘干,冷却后研磨成细粉,干燥后保存备用。武运等研究固定化啤酒酵母废菌体吸附Cu2+时菌体制备的条件为:将啤酒酵母废菌体在10000r/min下离心15min收集菌体,并用蒸馏水反复洗涤,直到菌体呈白色,80℃下烘干,研磨成细粉后干燥保存。张超等研究固定化啤酒废酵母对Cr6+吸附行为时,菌体制备的条件为:用蒸馏水洗涤啤酒废酵母2次,再于4000r/min下离心10min后收集菌体,用1%的HCl洗2遍,再用蒸馏水洗2遍,60℃烘干,冷却后研磨成细粉末,干燥保存备用。张帅等研究固定化啤酒废酵母对Cr(Ⅳ)的吸附时,采用菌体制备的方法是用去离子水洗涤啤酒废酵母2~3次,3500r/min离心10min,收集菌体,80℃烘干,冷却后研磨成细粉,干燥保存备用。预处理:在吸附之前,对啤酒废酵母进行预处理,增强啤酒酵母对重金属的吸附量。如徐慧娟等研究啤酒酵母吸附镉采用0.5mol/LNaOH于80℃下水浴处理,结果表明,适当时间的碱处理有助于酵母对Cd2+的吸附,处理时间3~4h较好。其原因在于微生物细胞壁上的胺、酰胺和羧基等表面基团依赖于介质的pH值而结合或解离质子,对啤酒酵母进行碱处理能使其表面去质子化,减少重金属和质子之间的斥力。另外,碱处理还能去除细胞壁上的无定形多糖,改变葡聚糖的结构,从而允许更多的重金属吸附在其表面。固定细胞:由于微生物细胞小、机械强度低,与水较难分离,易造成二次污染,采用细胞固定包埋技术,一方面可控制生物颗粒大小,增强处理效果和稳定性;另一方面固液易于分离。目前主要的固定化方法有海藻酸钠-明胶包埋法、海藻酸钠包埋法、聚乙烯醇(PVA)-海藻酸钠包埋法、海藻酸钠-明胶-PVA包埋法。张帅等研究固定化啤酒废酵母对Cr(Ⅵ)的吸附特性时,表明用2%海藻酸钠与1%明胶混合作为包埋剂固定啤酒废酵母其吸附效率最高,达93.24%。崔秀霞等研究固定化啤酒废酵母对Pb2+吸附性能的研究表明,海藻酸钠+明胶包埋法固定化酵母菌体对溶液中铅离子的吸附效果明显高于其他包埋剂制备的固定化酵母小球,吸附率达91.22%。解吸:这是回收贵重金属的途径,啤酒酵母处理重金属污水后需要脱附再生才能再次投入使用。去离子水、碱溶液、盐溶液、盐酸等都可以作为脱附剂。其中HCl是啤酒酵母的主要脱附剂,它利用氢离子与吸附的重金属竞争吸附位点,从而把被吸附的重金属离子洗脱下来,此外,Cl-可与重金属离子形成络合物,从而使重金属离开吸附剂上的官能团而与之结合。张超等研究不同解吸剂对菌体吸附的Cr6+分别解吸表明,1.0mol/L盐酸的解吸效果最佳,解吸率达94.1%。谢丹丹等研究不同解吸剂对已吸附Pd2+的固定化菌体颗粒解吸附,结果表明,浓度为0.5mol/L盐酸的解吸效果最好,洗脱率达98.7%。3近年来，关于啤酒废水吸收重金属的一些研究啤酒废弃酵母可以富集大多数有毒重金属以及贵重金属。表1列出了啤酒废酵母对不同金属离子的生物吸附性能。4发酵酵母对重金属的生物吸附应用前景展望啤酒废酵母作为一种低成本的生物吸附剂去除废水中有毒重金属和回收贵金属,具有高效、经济、简便的优点,可以实现废物的综合利用。除此之外,近年来已有废弃啤酒酵母吸附染料废水、难降解有机废水等方面的研究