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人类活动导致的土壤、水体及大气重金属污染愈演愈烈,已经成为一个世界性问题,严重威胁了动植物和人体的健康。重金属无法降解,并会在生物体内累积,导致生物体生病、代谢紊乱甚至死亡。水体中的重金属污染物质主要来源于工业废水、农用杀虫剂和生活污水的排放等。传统的去除水体重金属的方法有活性炭吸附、离子交换、溶剂萃取、化学沉淀、反渗透、电渗析和植物修复等。但由于这些技术花费高、去除不彻底并容易形成二次污染,生物吸附以其廉价、易操作、去除率高及环境友好等优点而备受人们关注。目前已有不少关于探索新型生物吸附剂的报道,例如细菌、真菌、水草、动物壳质等等。本文选取了3种生物类型(真菌、植物和蓝藻)的6种材料,用批实验的方法实验室测量它们去除水体重金属的能力、找出影响吸附的环境因素、分析吸附相关的重要基团、量化并评价吸附平衡和动力学进程。
本文的真菌材料分别采用从金矿地下水中分离的枝状枝孢菌Cladosporiumcladosporioides、墙粘鞭霉Gliomastix murorum以及从香樟树皮上分离的烟管菌Bjerkandera sp.,通过批实验测量甲醛灭活的这三种真菌材料去除水体中铜离子的能力。虽然真菌材料并没用酸或碱等预处理,但它们的吸附能力仍然不错:枝状枝孢菌、墙粘鞭霉和烟管菌分别为7.74、9.01和12.08 mg g-1。实验证明接触时间、pH值以及初始溶液浓度是影响三种吸附剂去除铜离子能力的重要因素。它们的最佳吸附pH值均为6,吸附进程均在2小时内达到平衡。吸附等温线及动力学模拟结果显示,三种真菌均符合朗缪尔等温线模型和假二级动力学模型;只有烟管菌的吸附过程符合一级动力学模型。在真菌吸附实验的基础上,本文在植物材料去除铜、铅、镉离子的实验中引用了回归模型,探讨pH值、吸附剂剂量以及初始溶液浓度对吸附的影响,并进行了相关的统计学分析。在最适条件(pH5,初始金属浓度1.574 mmol1-1,吸附剂剂量4 g1-1)下,用NaOH预处理的含笑Michelia figo及木莲Manglietiafordiana的木屑材料吸附能力都较高,分别能吸附Cu-0.2151 mmol g-1、Pb-0.2316 mmol g-1、Cd-0.1733 mmol g-1和Cu-0.2620 mmol g-1、Pb-0.2636 mmol g-1、Cd-0.2166 mmol g-1。含笑去除铜、铅、镉的效率分别为94.12％、96.39％和100％;而木莲为92.23％、97.76％和99.41％。初始金属浓度、pH值和吸附剂剂量对两种木屑吸附剂的吸附能力影响都很显著,对于含笑来说最显著的因素为初始金属浓度或pH值,而对于木莲来说最显著的因子则是初始金属浓度。交互作用中,pH值*初始浓度、初始浓度*吸附剂剂量都在一定程度上影响两种吸附剂的去除金属能力。混合金属吸附实验结果表明,含笑材料对铜或镉的吸附由于受溶液中铅离子的竞争而显著降低,而对铅的吸附却不受另两种金属离子的影响;然而木莲对任何一种金属的吸附能力都受溶液中存在的另外两种金属的竞争影响而显著降低。
利用蓝藻水华来去除水体重金属是变害为利的又一实例。采自太湖梅梁湾的优势类群为Microcystis的冻干水华蓝藻吸附铅、镉的实验同样引用了回归模型,探讨相同的三个因素对吸附能力的影响。由于未经以增强吸附能力为目的的预处理,水华蓝藻的吸附效率并不十分高,在最适条件(pH5.5,初始金属浓度10 mg1-1吸附和吸附剂剂量7 g1-1)下,分别为Pb-63.19％和Cd-67.90％。影响水华蓝藻吸附铅的能力的主要因素为pH值,而影响镉吸附的为吸附剂剂量。三种因子的交互作用并不显著影响水华蓝藻对镉的吸附能力,对铅的吸附只受pH值*吸附剂剂量的显著影响。FTIR实验表明,本文中所采用的三种类型的生物吸附剂对重金属离子的去除,主要是利用表面的羧基、羟基或氨基等基团,与金属离子通过离子交换作用来实现的。总之,甲醛灭活的枝状枝孢菌、墙粘鞭霉和烟管菌,NaOH预处理的含笑和木莲以及冻干的水华蓝藻廉价、易采,均有较强的去除水体重金属的特性和能力,均为有潜力的生物吸附剂。其中去除能力最强的是木屑,其次是真菌,最后是水华蓝藻。