玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌對廢水中Cr6+的吸附性能研究

曾 淼， 鐘雨靈,2， 楊偉勝

玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌對廢水中Cr6+的吸附性能研究

曾 淼1， 鐘雨靈1,2， 楊偉勝1

（1. 阿壩師范學院，四川 阿壩 623002；2. 山東師范大學，山東 濟南 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，探究了在不同溫度、時間、投加量和pH的條件下，玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌對廢水中Cr6+的吸附產生的影響。通過響應面法確定了玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌對廢水中Cr6+吸附的最佳條件。實驗結果表明：玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌在溫度35℃、pH＝4.7、振蕩時間63 min時，對廢水中Cr6+的吸附效果更好，其去除率達到89.64%。

玉米芯粉；枯草芽孢桿菌；廢水；Cr6+；吸附性能

六價鉻離子（Cr6+）是廢水中的常見的一種毒性重金屬離子。Cr6+的自然積累，可導致生物體正常細胞的病變，并引發癌癥[1]，所以水體中的Cr6+污染，是環境廢水治理中必須關注的重點問題之一[2-3]。玉米是一種常見的農作物，通過相關研究表明玉米芯的表面結構具有大量孔隙，是一種天然的吸附材料，其來源廣泛，價格便宜，得到眾多研究者的關注，應用于對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，穩定性好，可對Cr6+進行有效的吸附作用。相關的研究工作，如在張琪[6]的研究中，認為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出有效吸附Cr6+的絮凝劑，結果顯示最佳吸附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的平衡時間不盡相同，通常從15 min到12 h不等，有時甚至更長；魏長浩[9]等的研究中，枯草芽孢桿菌在適宜的條件下對廢水中Cr6+具有一定的去除效果，對處理廢水產生積極作用；江瀾[10]、張彬[11]等人的研究也表明，細菌作為生物吸附劑對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，但利用玉米芯粉對枯草芽孢桿菌進行固定，并應用于廢水中Cr6+的吸附治理的工作，還很少見到。

在本文中，采用響應面法，以玉米芯粉為載體，利用固定化微生物技術[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[13]，并形成高效吸附劑的特征，以及負載枯草芽孢桿菌的玉米芯粉材料對廢水中的Cr6+的吸附作用。

1 實驗

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試劑。

1.1.2 儀器

紫外可見分光光度計（UV-1800PC，上海美譜達儀器有限公司）、生物顯微鏡（E5）、數顯水浴恒溫振蕩器（SHA-C，上海雙捷實驗設備有限公司）、分析天平（JJ324BC）、電熱鼓風干燥箱（101-4，北京中興偉業儀器有限公司）、循環水式真空泵（KH-Ⅲ，北京市光明醫療儀器有限公司）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（1000Y，武義海納電器有限公司）、立式自動電熱壓力蒸汽滅菌鍋（LX-B150L，合肥華泰醫療設備有限公司）pH計（PHS-3G，上海儀電科學儀器股份有限公司）超凈工作臺（SW-CJ2F，蘇州安泰空氣技術有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 吸附劑的制備

玉米芯預處理：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，放入50℃的電熱鼓風干燥箱中烘干后，用粉碎機磨成粉末，過70目篩后，置于廣口瓶中于干燥器內備用[14]。

1.2.2 模擬廢水的配置

實驗所用的模擬廢水采用GB/T 7467-1987水質六價鉻的測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 菌液含菌量的測定

用無菌水稀釋培養好的枯草芽孢桿菌，然后滴入血球計數板上，在顯微鏡下觀察并記錄枯草芽孢桿菌的數量。

1.2.4 單因素實驗設計

本實驗探究玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌在不同時間、不同溫度、不同pH值和不同投加量的條件下，對廢水中Cr6+的吸附效能的影響。

1.2.4.1 探究不同時間對廢水中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，溫度設置為25℃，以吸附時間為單一變量，設置5個不同的時間梯度（30 min、60 min、90 min、120 min、150 min），每個梯度設計三個平行試驗。根據得到的吸光度值，確定最佳吸附時間。

1.2.4.2 探究不同溫度對廢水中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，設置5個不同的溫度梯度（25℃、35℃、45℃、55℃、65℃），每個梯度設計三個平行試驗。根據得到的吸光度值，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，設置5個不同的pH梯度（2.0、4.0、6.0、8.0、10.0），每個梯度設計三個平行試驗。根據得到的吸光度值，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，設置5個不同的梯度（0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g、2.5 g），每個梯度設計三個平行試驗。根據得到的吸光度值，確定最佳投加量。

1.2.5 單因素的顯著性分析

利用 IBM SPSS Statistics（社會科學統計軟件包）軟件對四個單因素進行顯著性分析，當顯著性＜0.001時，則表明著該單因素的影響是顯著的，具有統計學意義。

1.2.6 響應面實驗設計

為進一步優化實驗，在時間、溫度、pH值以及投加量的單因素實驗基礎上，利用Design-Expert（實驗設計）軟件對Box-Behnken（響應曲面法）進行了實驗設計[16]，分析這3個因素對廢水中Cr6+的去除效果，根據得到的吸光度計算出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 響應面法因素和水平的設置及其代碼

1.3 數據處理

廢水中Cr6+的去除率，由下式計算：

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 結果與討論

2.1 Cr6+的標準曲線分析

Cr6+標準曲線線性關系為＝1.778 9＋0.008 1且2＝0.999 7，結果可知該曲線有良好線性相關性。

2.2 1.0 mL菌液含菌量

通過顯微鏡觀察得出1.0 mL枯草芽孢桿菌的個數大約為2.5×106個。

2.3 單因素實驗結果分析

2.3.1 時間對處理廢水中Cr6+的影響

圖1為探究不同時間對廢水中Cr6+去除率的作用效果。

圖1 不同時間對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86.63%，在60 min之后，其吸附率依次降低，所以選取最佳吸附時間為60 min。

2.3.2 溫度對處理廢水中Cr6+的影響

圖2為探究通過使用不同溫度對廢水中Cr6+去除率的作用效果。

圖2 不同溫度對Cr6+去除率的影響

在35℃時玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌處理廢水中的Cr6+的效果達到最佳，其吸附率高達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對處理廢水中Cr6+的影響

圖3為探究不同pH對廢水中Cr6+去除率的作用效果。

圖3 不同pH對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，其吸附率高達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廢水中Cr6+去除率的作用效果。

圖4 不同投加量對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Cr6+的吸附效果越好，當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

將四組單因素數據分別輸入IBM SPSS Statistics軟件中進行顯著性分析，最終得出：只有時間、溫度和pH這三個因素的顯著性是小于0.001的，因此選擇這三因素來進行后續實驗。

2.2 響應面法實驗結果分析

通過上述單因素實驗結果，以時間、溫度和pH作為響應面法實驗的3個自變量；選取各單因素的3個最佳水平，采用Design-express軟件進行Box-Behnken實驗設計來優化并得出最佳吸附條件，結果如表2所示。通過對實驗數據進行分析，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廢水中Cr6+響應面法實驗結果

關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，結果如表3所示。Box-Behnken實驗結果的方差分析以玉米芯固定枯草芽孢桿菌對廢水中Cr6+的吸附率作為響應值。由表可知P值為＜0.000 1，該模型的回歸性顯著，表明實驗擬合的回歸模型具有良好的預測性?；貧w方程的相關系數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為0.195 6＞0.05，表明該模型的誤差較小，可用于下一步預測[17]。從表3中可以看出，時間（A）、溫度（B）、pH（C）這3個因素中，玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌對廢水中的Cr6+的吸附影響程度最大的是pH值。因此pH值是影響Cr6+吸附率的關鍵因素。同時自變量一次項C、二次項A2、B2、C2對吸附率的影響極顯著（p＜0.001），二次項AB、AC對吸附率的影響顯著（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，預測2和調整2的差值 ＜0.2，表明該回歸模型可行；CV/%＜10%，表明可信度和準確度較高，所以由表7可知，該模型具有良好的預測意義。

利用殘差分析可以進一步檢驗模型的準確 性[17]，如圖5所示。殘差分布圖中的數據點整體上呈線性分布，均勻的分布于直線的兩側，則表明其遵從正態分布規則；圖5b所示，預測值要盡可能分布無規律。

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

2.3 驗證性實驗

為了檢驗響應面法分析得出的最優組合條件是否與實際相符，可依據先前的方法進行驗證[18]。如表8所示，3次測量平均值為89.68%，這與實驗給出的預測值89.64%基本吻合。但可能由于操作過程中的誤差及菌種的數目未能保證完全一致，所以導致實驗值稍大于預測值，但相對誤差僅為0.045%＜0.2%，說明實驗值和分析值的擬合性良好，可用于進行下一步預測。

3 結論

本文在單因素實驗基礎上，選擇最優處理條件進行響應面優化，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、振蕩時間63 min時，其去除率達89.64%。其響應面數據分析可知，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＞時間＞溫度。實驗證明玉米芯粉固定枯草芽孢桿菌，其對Cr6+的吸附效果更優。與其他方法相比，該方法成本低，不會產生二次污染，是一種環境友好型的吸附方法，可應用于處理其他含重金屬廢水中，是一種極具發展前景的水處理技術，同時也為負載菌類處理廢水提供了廣闊的發展前景。

[1] 趙銀, 令狐文生. 鉻離子的危害及其處理研究進展[J]. 河南化工, 2020, 37(5): 6-8.

[2] ELISA A, SOPHIE K, HANS-JOACHIM S,. Cadmium toxicity investigated at the physiological and biophysical levels under environmentally relevant conditions using the aquatic model plant Ceratophyllum demersum[J]. New Phytologist, 2016, 210(4): 1244-1258.

[3] NAVISH K, GARG V K. Green synthesis of Fe3O4nanoparticles loaded sawdust carbon for cadmium (II) removal from water: Regeneration and mechanism[J]. Chemosphere, 2018, 208: 818-828.

[4] 賈啟華, 許曉娟, 高丹, 等. 玉米芯吸附去除廢水中重金屬的研究進展[J]. 現代化工, 2019, 39(10): 33-36, 41.

[5] 梁齡予, 王耀晶, 閆穎, 等. 玉米芯吸附水中Cr(VI)的特性及SEM-EDS表征分析[J]. 生態環境學報, 2015, 24(2): 305-309.

[6] 張琪. 枯草芽孢桿菌固定化載體的改性條件及處理模擬污水[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學, 2014, 21-25.

[7] 萬俊杰, 鄧毛程, 梁耀開. 谷氨酸廢水培養枯草芽孢桿菌產絮凝劑及固定化吸附Cr(Ⅵ)研究[J]. 安徽農業科學, 2010, 38(17): 9144-9145, 9207.

[8] 卓艷婷, 鄭志華. 重金屬污水處理新趨勢—生物吸附[J]. 上海船舶運輸科學研究所學報, 2012, 35(1): 67-71.

[9] 魏長浩, 白汶洪, 甄春燕, 等. 幾種細菌和藻類吸附銅、鉻重金屬離子初步研究[J]. 中國釀造, 2016, 35(12): 129-132.

[10] 江瀾, 閔燕, 宋夢雨, 等. 以細菌和真菌作為生物吸附劑去除重金屬和多環芳烴的研究進展[J]. 應用化工, 2021, 50(7): 1993-1997.

[11] 張彬. 幾種細菌處理Cd（II）、Cr（VI）及染料直接藍GL的研究[D]. 武漢: 中南民族大學, 2009, 15-22.

[12] 張磊. 微生物固定化技術在廢水處理中的應用[J]. 農業與技術, 2021, 41(14): 139-141.

[13] 吳孔陽, 婁亞芳, 楊同香, 等. 枯草芽孢桿菌功能及相關機制研究進展[J]. 黑龍江畜牧獸醫, 2020(23): 55-58.

[14] 賈啟華, 張學彬. 硼酸-低溫碳化改性玉米芯對Cu2+的吸附特性研究[J]. 化工新型材料, 2020, 48(11): 252-255, 259.

[15] 中華人民共和國環境保護部. GB/T 7467-1987水質六價鉻的測定二苯碳酰二肼分光光度法[S]. 北京: 中國標準出版社, 1987.

[16] 李莉, 張賽, 何強, 等. 響應面法在試驗設計與優化中的應用[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(8): 41-45.

[17] 高婧琪, 張杰, 蹇庭昆, 等. 纖維微菌C6對水中Cr(VI)去除條件優化及機理研究[J]. 四川大學（學報自然科學版）, 2021, 58(4): 172-180.

[18] 王玉杰, 王湘君. 響應面法優化改性香蕉皮對Pb2+的吸附研究[J]. 生物技術通報, 2019, 35(4): 188-194.

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質量和教學改革項目（JG2021-1453）。

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

X703.1

A

1004-8405(2023)04-0020-07

10.16561/j.cnki.xws.2023.04.07