0 引言
重金属废水是指富含重金属离子及其化合物的废水，对生态环境危害极大。由于重金属的毒害很大，人们对重金属废水处理技术的研究从未间断。就常规方法而言，主要有化学沉淀、吸附、氧化还原、电解及萃取等，近年来随着对水质污染的控制及水质管理措施的日趋严格，对废水处理的要求也越来越高。传统的物理或化学方法常伴随二次污染、运行费用高，处理问题单一、重金属去除不完全、对试剂和能量要求高、会产生有毒污泥或其他废物等问题，随着生物技术的日趋成熟，加之微生物对各类污染物均有较强较快的适应性，重金属的微生物修复[2，3]正在逐渐引起人们的重视。
生物吸附[4，5]作为处理重金属污染的一项新技术与其他技术(如蒸发，沉淀，活性炭吸附，离子交换树脂，电渗析等)相比具有以下优点：
(1)在低浓度下，重金属可以被选择性地去除；
(2)对钙，镁离子吸附量较小；
(3)处理效率高；
(4)pH值和温度条件范围宽(4～90℃)；
(5)投资小，运行费用低；
(6)可有效地回收一些贵重金属。因此，生物吸附技术在处理重金属污染和回收贵重金属[8～10]方面有广阔的前景。深入进行这方面的研究，具有较好的经济价值和社会效益。
1.实验材料和方法
实验菌种黑根霉菌Rhizopusstolonifer来源于上海市微生物研究所。马铃薯培养基：马铃薯(菜市售)200g，蔗糖，蒸馏水1000mL。
通过黑根霉菌对污染比较严重的几种重金属Cd2+、Cr6+、Pb2+的吸附实验，筛选出对哪种或者是哪几种重金属具有较强吸附作用的黑根霉菌，为下一步吸附实验作好准备。
1.1 重金属溶液的配制
采用三种重金属的无机盐分别配制各自的重金属溶液，Cd2+、Cr6+、Pb2+分别采用CdSO4，CrCl6，Pb(NO3)2配制。配制的重金属母液的浓度分别为2、20g/L，在随后的实验中用到的重金属溶液均是通过这两种重金属母液配制而成。
1.2 微生物悬浮液(非新陈代谢细胞)的配制
把培养7天的黑根霉菌菌液分装在100mL的离心管里，在4000r/min的离心机下离心分离20min，然后倒去上清液，离心管底部的生物体用去离子水冲洗两遍，然后把离心出来的生物体用去离子水定容成为菌体悬浮液，每1L菌液去除上清液之后，再配制成500mL的菌体悬浮液。然后把细胞悬浮液放置于4℃冰箱内保存，这样使得到的菌体处于没有营养的非新陈代谢状态。
1.3 细胞干重的确定
500mL培养7天的菌液分装在100mL的离心管里，在4000r/min的离心机下离心分离20min，然后倒去上清液，把剩下的菌体放置于60℃烘箱中烘1夜，称干重。这样得到的菌体悬浮液的浓度为0.5g/L。
1.4 实验过程
实验在10mL的试管中进行，实验中采用的重金属的浓度均为10mg/L，细胞悬浮液采用上述配制的非新陈代谢的菌体悬浮液。分别取5mL重金属溶液和5mL细胞悬浮液，加入到试管里，然后把试管置于恒温振荡箱内振荡吸附，温度为30℃，转速是200r/min，振荡时间为4h。振荡完毕后，把每个试管中的混合溶液倒入15mL的离心管内，然后在4000r/min下离心20min。离心完毕后，取上清液，倒入干燥的试管中再用原子吸收分光光度法测其中的重金属浓度。
实验中每种重金属的吸附实验均作3次重复，而且每组吸附实验都作空白对照，空白实验就是在同样的试管内加入5mL重金属溶液和5mL去离子水，在同样的条件下振荡吸附。玻璃仪器和离心管在使用之前均要在100℃下烘干。
1.5 吸附能力的对比方法
菌体悬浮液对重金属的吸附能力通过重金属的吸附量来量化比较。
r=(c2-c1)/m
(1)
式中：r———吸附量，mg/g；
c2———空白对照中吸附完毕后上清液重金属浓度，mg/L；
c1———吸附完毕后上清液重金属浓度，mg/L；
m———悬浮液中菌体的浓度，g/L。
2.吸附实验及结果分析
2.1 菌种的驯化实验
温度为28℃时，在固体培养基中加入一定量等浓度的Cr6+、Cd2+溶液，使培养基中Cr6+、Cd2+含量分别为20mg/L，对有效吸附菌种进行驯化，并逐步加大溶液中重金属离子的含量至200、260、320mg/L，观察菌种生长情况，记录菌种的最高耐受浓度及菌株的形态特征。
实验结果表明：在同一溶液中黑根霉菌的最大耐Cr6+、Cd2+浓度分别为300mg/L，此时，从外观查看，菌体长有白色菌丝，疏松呈绒毛状，生长良好，而继续增加重金属离子浓度，培养基上不再有菌落出现。
2.2 菌体的培养及预处理
将驯化后的菌种接种到牛肉膏蛋白胨液体培养基中，于28℃下、在140r/min的振荡器上培养3天。然后在2000r/min的离心机上离心30min，弃去培养液，用无菌水洗涤菌团，离心30min，弃去液体，再重复1次洗涤、离心。分别采用0.1mol/L的NaOH、0.1mol/L的HC1以及蒸馏水作为菌体的预处理药剂，考察菌体预处理后对两种重金属离子的吸附去除影响。
实验结果表明：使用0.1mol/L的NaOH对菌体进行浸泡后，能够显著提高其对重金属的吸附效果；而采用0.1mol/L的HC1和蒸馏水浸泡均明显降低了其对重金属的吸附效果。因为碱处理最主要的作用在于吸附位点的去质子化，增加金属离子的适宜吸附位点。
2.3 吸附实验
采用经过0.1mol/L的NaOH浸泡的菌体，分别置于50mL含11.38mg/L的Cr6+、11.98mg/L的Cd2+溶液的三角瓶中，进行4因素(pH、时间、菌量、温度)3水平L9(34)正交试验(表1)。
由表1可知，菌体对Cr6+、Cd2+吸附的最佳条件是：pH=5.0、时间为1h、温度为10℃、菌量为60mg，在此条件下，黑根霉素对Cr6+、Cd2+的吸附量合计为(3.061+8.533)mg/g。
2.4 菌体对不同浓度Cr6+、Cd2+共存离子的吸附实验
取不同浓度的Cr6+、Cd2+混合溶液50mL，在pH=5.0，时间为1h，温度为10℃，菌量为40mg时，可得出吸附量Q与平衡浓度C的关系如图1所示。从图1可知，随着两种重金属离子平衡浓度的增加，吸附量增加。作Q和C的双倒数图如图2，结果显示其线性关系良好，在所实验的浓度范围内基本符合经典Langmuir等温吸附模型。其中：对于Cd2+，其l/Q=2.0234(1/C)+0.019，R2=0.9949；对于Cr6+，其1/Q=1.2174(1/C)+0.07，R2=0.998；菌体吸附两种重金属离子(Cr6++Cd2+)的最大量为Qmax=(14+52)mg/g。
3.固定化黑根霉菌对Pb2+的吸附与解吸实验
选择包埋剂海藻酸钠质量分数为4%，交联剂CaCl2，ZnSO4，Al2(SO4)3浓度均为0.2mo1/L，以生物质量分数1%作为固定化条件，配制100、200、300、400、500、600mg/L六种浓度的Pb(NO3)2溶液，分别用三种载体(海藻酸钙、海藻酸锌、海藻酸铝)的固定化黑根霉进行吸附，得到Pb2+的平衡浓度Ceg及吸附量Q，做静态吸附等温线如图3所示。
目前，应用比较广泛的吸附模型有Langmuir和Freundlich两种，两者的表达式分别如式
(2)和式
(3)所示：
用两种模型对试验数据进行拟合，发现这三种生物吸附剂对Pb2+的吸附基本符合Langmuir吸附模型，即Ceq/Qeq与Ceq呈良好的线性关系(图4)，这说明固定化黑根霉菌对Pb2+的吸附以单分子层吸附为主。表2为由图3计算出的Langmuir参数。
从表2的Langmuir参数可以知道，以海藻酸钙作为载体的固定化黑根霉菌对Pb2+的吸附量最大，每克吸附剂可以吸附37.073mgPb2+。
在固定化细胞的包埋过程中，包埋条件里主要是包埋剂质量分数、交联剂质量分数、交联时间直接影响所制得的生物吸附剂的性能，因此对细胞固定化条件进行选择与优化，得到了包埋法制备生物吸附剂的最佳条件。
当海藻酸钠质量分数为4%时，固定化黑根霉菌对Pb2+的吸附量最大，达到42.373mg/g，同时小球的手感强度也随之增加。当交联剂CaCl2的质量分数为3%时，所制得的固定化黑根霉菌对Pb2+的吸附量最大，可以达到42.918mg/g，而其质量分数的增大或减小都将导致吸附量的下降。交联时间为24h所制得的固定化黑根霉菌对Pb2+的吸附量最大，为42.918mg/g，时间的增大或减小也会使吸附量下降。
选择NaCl、H2SO4、KCl、CaCl2、柠檬酸、HAc分别作为盐类、强酸、弱酸、有机酸、无机酸解吸剂的代表，考察这些解吸剂对吸附在固定化黑根霉菌上的Pb2+的解吸效果。解吸剂的浓度均为0.5mol/L，解吸剂用量为100mL，解吸时间6h，解吸温度30℃。实验结果如表3所示。表3表明，柠檬酸的解吸效果最好，解吸率为94.57%。因此，选择柠檬酸作为Pb2+的解吸剂为佳。
当解吸剂浓度为0.3mol/L时，解吸率己经达到95%，再增大解吸剂的浓度，对解吸率的提高影响不大。使用0.3mol/L的柠檬酸作为解吸剂，采用瓶点法进行实验，每隔一段时间取样分析，计算解吸率，结果显示，当解吸剂用量达到60mL时，Pb2+的解吸率己经超过96%，再增加解吸剂的用量对提高解吸率作用不大。因而，解吸时间不宜过长，以3h为宜。
生物吸附剂的再生和循环利用是将其应用于工业实践中的绝对保证。本实验中将两份相同的固定化小球分别经过吸附—解吸—再生—吸附和吸附—解吸—吸附两种不同的循环，以考察用含有K+、Ca2+、Mg2+的溶液来恢复固定化黑根霉菌对Pb2+的吸附能力是否为一种有效的再生方法。同时观察固定化黑根霉菌能否在循环使用多次的情况下，仍然保持良好的传质与机械性能。图5为固定化小球两种不同循环中黑根霉菌对Pb2+的吸附率。
图5显示，固定化黑根霉菌对Pb2+的吸附率除在第1次循环后有所下降外，后面的几次循环中均得以保持。经含有K+、Ca2+、Mg2+的溶液再生后的吸附剂可以保持较高的吸附率。再生实验的结果也同时证明了黑根霉菌吸附Pb2+过程中离子交换机理的存在。
4.结论
本文主要研究了黑根霉菌对重金属Cd2+和Cr6+的吸附实验，以及固定化黑根霉菌对Pb2+的吸附与解吸实验，得到如下5点结论：
(1)黑根霉菌的最适生长温度为30℃，最适培养pH=6.5，即天然马铃薯所呈现的酸碱度；黑根霉菌的培养新方法———马铃薯切片培养是一种非常可行的培养方法：操作简单，省时省力，黑根霉菌生长迅速，而且降低了成本，可以用来进行黑根霉菌的大规模培养。
(2)在Cr6+、Cd2+的浓度分别为300mg/L时，菌种生长良好。吸附水体中Cr6+、Cd2+的最佳条件是pH=5.0，时间为1h，温度为10℃。吸附规律符合Langmuir等温吸附模型，由回归方程得到Cr6+的表观最大吸附量为14mg/g；Cd2+的表观最大吸附量为52mg/g，说明该霉菌可以很好地去除水体中的Cr6+、Cd2+离子。
(3)根据以海藻酸钙、海藻酸锌、海藻酸铝三种细胞固定化载体包埋非活性黑根霉菌细胞制成的新型生物吸附剂对水溶液中Pb2+的吸附性能、机械强度及稳定性，选择机械性能良好、价格低廉，可以长时间耐受较低的pH值而保持其机械性能的海藻酸钙凝胶作为细胞固定化载体。由海藻酸钙包埋非活性黑根霉菌所制得的生物吸附剂对Pb2+有良好的吸附能力。
(4)在选择海藻酸钙作为细胞固定化载体的基础上，对细胞固定化过程的包埋条件进行了优化，最佳的包埋条件为：包埋剂海藻酸钠质量分数为4%，交联剂CaCl2质量分数为3%，交联时间24h，得到的固定化黑根霉菌对Pb2+的吸附量为42.918mg/g。
(5)解吸率最高的解吸剂是浓度为0.3mol/L。
