酵母菌对重金属离子吸附的研究

菌 物 系 统 17(4)：367～373，l 998 Mycosystema 酵母菌对重金属离子吸附的研究 3 t7一了7 文强 邢来君 (南开大学生命科学学院散生物系 天津 300071) ／7 z ) 7 摘要 以 6属 33株酵母菌的活菌或死菌对重金属离子 Cu2 CA¨ 和Ni 进行了吸附能力的 初步研究。结果显示：吸附时间、吸附温度、溶液的pH、共存离子和菌体的生理状态对吸附作 用都有明显的影响。在优化组合后发现一株假丝酵母菌对三种重金属离子的吸附比为cd >c > ．每克活菌体吸附量分别为 17．23rag>10．57rag>3,2rag。干菌体对三种重金 属的吸附量较明显的低于活菌体的吸附量。 关键词 ，皇塑 堕，』量生 亳垒垦塑 中国分类号 0935 防止水体污染和废水治理是关系到国计 民生的重大问题，传统的治理金属废水一般采用物理的和 化学的方法，诸如离子交换树脂法、活性碳吸附法、化学沉淀法及电化学处理等，这些方法有一定的效果， 但耗资大而且可能会造成二次污染。近年来利用微生物对金属离子的生物吸附作用来处理废水是国内 外新 的一个研究领域。 多种微生物具有从外界环境富集重金属离子及放射性元紊的能力 ’ ’ 微生物对金属离子的吸附具有 速度快 选择性高、吸附容量大等优点 】．因此，可以弥补传统的废水处理的不足．国内外对微生物吸附重金 属的研究多集中在细菌和丝状真菌，且多限于非生长微生物(即死菌体)的研究，而对酵母菌尤其是活苗体吸 附cd2 、cLl2 、 的报道较少。本文以6属33株酵母菌为出发菌株，从抗金属活性筛选人手，对影响吸附的 各种条件进行了实验性探索研究，为将来利用酵母菌处理工业废水中有害金属离子开辟一条新的治理途径 1 和方法 l。1 实验菌株爱培养基 1．1．1 实验菌株 包括红酵母属(Rhodotoruta)、酵母属 (Saecharomyces)、裂殖酵母属(Schizosaceharomyces)、假丝酵 母属(Candida) 汉逊酵母属 (Hansenufa)和球拟酵母属(Torutopsis)六属共 33株，其中部分为本实验室保 藏，部分为天津轻工业学院食品工程系赠送，部分为工业废水分离株。(菌名及编号见表 1) 1．1 2 培养基 "~EPD培养基，pH 自然，经 0．05MPa灭菌 30rain。 1。2 试剂爱仪器 1，2l 试剂 Cucl ·2 H’O，CAC1、·5 H’O，NiCI ·6 H’O均为分析纯，用去离子水分别配制 lmol／L的标准贮备液 备用。 1．2．2 仪器 日立 180-80型原于吸收分光光度计，752紫外光栅分光光度计。 1．3 抗性菌株的筛选 将培养3天的斜面菌种接人含有不同浓度金属离子平板中，28'U倒置培养 2天，记录生长情况，选取 l997-08一I2收到原稿，1998_05_o4收到修改靖 ·现工作单位广东省微生物研究所 维普资讯 http://www.cqvip.com 菌 物 系 统 17卷 对金属离子高抗性的菌株，转人含有重金属离子的斜面中培养，备用。 1,4 吸附条件实验 将筛选的抗性较高的菌株，接八 250mL三角瓶，装液量为 60mL的培养基中，30℃，180r／rain振荡培 养 24h．3000r／rain离心收集苗体，用去离子水洗涤三次，准确称取一定量的菌体，进行不同吸附时间 不 同吸附温度 不同溶液口H以及不同菌龄的吸附实验．干菌体吸附实验为洗涤三次后的菌体于80℃烘干， 研磨 过筛，其余步骤同上 1．5 测定方法 用原子吸收分光光度计分别测定吸附前后金属离子浓度，计算公式如下 吸附能力(Rc)=溶液体积 ×(初始浓度 一终浓度)，细胞干重 表示单位为mg金属／g细胞 吸附率(RE)= (初始浓度 一终浓度)，初始浓度 ×100％ 2 结果与讨论 2．1 抗性菌株的筛选 一 些金属元素在真菌生长代谢过程中是不可缺少的，如 c 、M Cu" 、K 等，但当这些金属的浓 表1 供试菌株对重金属离子的抗性实验 Table 1 Experiment of resistance of yeast stt~ns to heavy metal ions 小红酵母(Rhodotoruta nanuta) 酿酒酵母 (Saccharornyces cerev~iae) 酿{舀酵母 ( eerevisia 酿酒酵母临 cerevisiae) 酿{酉酵母 幅 cerev~iae) 酿酒酵母 啦 cereviaiaa) 探红酵母 (RhodoWruta rubraJ 辣红酵母308 rubra) 小红群母{R mlnura) 辣红酵母308 rubra) 假丝酵母 (Cand／da sp) 靛丝酵母 (Candida sn) 探红酵母302(R rubra} 辣红酵母NKI48 rubra) 小红酵母306c且rninula} 粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyees pombe) 双逊酵母 (Hansenuta研) 球拟酵母(Torutopsi~s ) 牯红酵母35【(Rhodotorula gtuanis) 酿酒酵母 {S cerevisiae) 小红酵母331【R minata} 鬃酒裂殖酵母 (Schiz．pombe) 粟i酉裂殖酵母(Schiz．porabe) 粟{酉裂殖酵母(Schiz．pombe) 探红酵母306(R rubra} 由含c，‘工业废水中分商的酵母苗，未定名 由舍e 工业废水中分离的酵母菌，未定名 由含c 工业废术中分离的酵母苗，未定名 由舍c 工业废水中分离的酵母菌、未定名 由含c 工业废水中分商的酵母菌，未定名 由台c 工业废水中分离的酵母菌．未定名 l由含cI】计工业废水中分离的酵母菌 未定名 由舍c 工业废水中分离的酵母菌，未定名 — - ， —- 一 7 ± 一 ± ± + ± ， ／ f ／ ， ， ， ， f ／ f ， ， ， f ／ ， ， ， ， ／ ／ ， ／ ， ／ ， ， ／ ／ ’抗性顺序为：+++>十+>+ ±)一 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， r ， ， ， ， ±十¨¨¨+1+抖抖++±±+什+ 竹什什¨十H竹什+¨¨抖++¨¨+抖*±¨+++，，，，，，， 一±±±±一件一一+一±一 一一¨一 一 一 一一 一 一 一，，，+H±_H ++++±+ +十1±十+_H±+¨ +++±+±+±，，， 卅¨++ ， 9 m¨他” H” ” 加n ” 拍" 曲如儿 ∞ 维普资讯 http://www.cqvip.com 4期 李明春等：酵母苗对重金属离子吸附的研究 度很高时，会阻碍以致破坏苗体的生长代谢．金属阳离子对真菌的毒性顺序为：银 >汞 >铜 >镉 >铬 >镍 >铝 >铅 >铁 >钙，此种顺序可固物种不同而略有差异 】．重金属毒性表现为杀死苗丝、细胞或 孢子，或是抑制细胞生长或孢子萌发，或是抑制菌体正常的生长和代谢活动 。尽管如此，仍有一些真 菌在此条件下能够生存 ，这就是该苗对重金属具有一定抗性．我们分别以Cu2 浓度为 l 5rranol，L 20哪 ol／L，Ni 5mmol／L IOmmol／L，Cd2 10mmollL 15mmollL测定了菌株的抗性，结果如表 l 从表中可看出，9号、l 2号、18号对 Cu Cd、Ni抗性较高． 2．2 温度对吸附金属的影响 在 pH自然，吸附时阃为 1h时，对 48h菌龄的活菌体分别在 25E 30"C 37U进行吸附实验，结果见 图1．从图 l可看出，温度变化对菌体吸附能力的影响各不相同：l2号和29号对cd的吸附，29号对Ni， l2号对cu的吸附在 30"C～37E范围内，受温度影响较大，在 25℃～30E范围内，受温度影响较小．总之， 升高温度有利于苗体对重金属的吸附． 萎 蘑 羲囡 20 25 3O 35 (a) 度 Temperature(℃ 20 25 30 35 (b)温度 Temperature(℃) 20 25 30 35 (c)温度 Temperature c℃ 图 1 温度对活苗吸附金属离子的影响 Fig I Effects of tmnperature Oil live s~ ple metal uplake (a1 Cu (b)Cd (c]Ni 口 № ．9：O No．12； x．No．14； ANo1 8： No．29；◇ No．27 2．3 plt值对吸附金属的影响 在温度为 37℃，吸附时阃为 lh的条件下，以48h苗龄的活苗及干苗体分别在 pH1、2．3、4 5条件下 进行吸附，结果见图 2。从图 2可以看 出，pH<3时，菌体对金属的吸附量很少，pH>3时，cd¨ 、 的 12 l^0 号8 6 4 星 2 0 一 专10 8 喜： 2 0 l 2 (a) 3 PH 4 1 2 [b) 3 口H 4 一 。 0．5 0 图 2 pH对吸附金属离子的影响 Fig．2 Effects of DH on metal uptake at 371C (a]cu：№ ．I2 (b)Cd：No．12 (c]N3：No 27 0 dfv sample 口live sample 1 2 3 4 (c) pH 维普资讯 http://www.cqvip.com 370 菌 物 系 统 7卷 吸附急剧升高，菌体对 c 的吸附在 pH<4时随pH升高缓慢增加，当pH大于4时，对铜的吸附显著增 大．当pH>~5时，三种金属的溶液均会生成不同程度的沉淀，这主要是氢氧根离子的沉淀作用随 口H值的 升高逐渐增大，pH>9时，氢氧根离子沉淀作用占主导地位。因此，在 p}l<5的范围内，无论是活菌还是 干菌体，升高 pH均有利于对金属的吸附作用。 2．4 菌龄对金属吸附的影响 在温度为30'17，pH自然，吸附时间为 1h的条件下，以 16h、24h、48h菌龄的 18号活菌进行吸附实验， 结果见图 3。由图 3可 看出，菌龄对金属的吸附有影响，不同金属最大吸附所对应的菌龄各不相同，如 Cu2 的吸附，24h略强于48h，c 的吸附顺序为 16h>48h>2411,Ni 的吸附为 48h强于 24h。 8 7．5 } 7 6．5 甚 6 5．5 5 8 16 24 32 40 48 (a】 菌龄 Age(h) = 8 甚 L3 8 8 1 6 24 32 40 48 (b) 菌龄 Age(h) 5 4 = 8 3 毛2 星 1 0 8 16 24 32 40 48 (c) 苗龄 Age(h) 图3 菌龄对活菌吸附金属离子的影响 Rg．3 Effects of age of Nn 18 live ceils Oil metal uplake a【30"C al pH 4 ． 5～ 5．0 (at cu (b】Cd fc】Ni 2．5 吸附时间对金属吸附的影响 在温度为 37'17，pH：5时，以干菌体吸附 O．5、l、2 4，8 l 4h进行实验，结果见图4 由图4可知，菌 体对三种金属的吸附均以较快的速度进行 c【l2 的吸附在 1h就达到最大值，并且在 30min已达到最大 吸附量的 98 3％，随着时间的延长，会发生脱吸附现象，14h RC值下降为最大吸附值的62．9％．Ni +的吸 附情况与cI12 相似，但表现出比Cu“更明显的脱吸附现象，14h RC已降至零。c 的吸附在 lh后仍 5 = 4 3 2 1 O O 2 4 6 8 1O 12 14 (B)时间 Time(h) 20 兰l6 ：12 8 5 星 4 0 2．5 兰 2 1．5 毛 L 蚤0．5 0 0 2 4 6 8 t01 214 0 2 4 6 8 10 L214 (b)时间 TiII1e(h) (c) 时间 Time(h) 图 4 吸附时间对吸附金属离子的影响 Fig 4 Effects oftime of biosonpt／on 0n metat uptake a【37"C al pH 4 ．5～ 5．0 ( Cu：dry sample of．No 12 (b]c出d sam ple ofNo．12 fc】／ffl：dry s~cilpte of No 27 维普资讯 http://www.cqvip.com 4期 李明春等：酵母菌对重金属离子吸附的研究 表现为不断增加的趋势，30rain吸附量为 1h的 93．0％，14h为 lh吸附量的243％。菌株对金属的吸附在很 短的时间内完成，推测主要是由于菌体的代谢产物的作用和菌体的表面吸附作用，而通过参与代谢过程 吸附重金属离子是非常少的 2．6 共存离子对金属吸附的影响 在温度为 37℃，pH=5，吸附时间为 Ih，以培养24h和 48h的干菌体吸附 Ci12 、Cd2 和 “三种金 属离子的混台液，吸附结果见表 2。 表2 干菌体对共存金属离子的吸附作用 Table 2 Co-me~ ion biosoq~ion of yeast dry cells 菌株号 苗龄‘h) c cd 吸附总量 菌株号 苗龄(h) cu2 c M 吸附总量 Strain Age ) g金属／g cells) Total amount Strain Age(h) Cmg金 ，g cells) tal amount No of sorplion No of sonption 8 24 4 68 2 50 1 03 8．21 48 3 32 3 03 0 86 7 2】 48 4 72 2 02 0．92 7．66 I9 24 5l8 2．83 0 96 8 97 9 24 4．69 3 93 I_I5 9 77 48 一 一 —— —— 48 4l4 2．8l 0 98 7 93 20 24 4 95 I_96 0．9l 7．82 lO 24 —— —— 一 一 48 4．75 213 0 89 7．77 48 4 43 2 29 0 95 7 67 23 24 3．47 3 52 0 98 7 97 l2 24 3 45 4 66 l 08 919 48 一 一 —— —— 48 2 93 4l8 0 97 8 08 27 24 一 一 一 I 3 24 4 75 247 0 95 8．I7 48 3 l5 I．27 0 96 5 38 48 4．94 I 74 0．89 7 57 29 24 一 一 一 一 I4 24 5．77 3．88 1t76 10 71 48 3 23 2 28 0．86 6．33 48 4 69 3．17 O 98 7 32 30 24 2．94 2 28 0 78 6．00 17 24 一 一 一 48 一 一 —— —— 48 348 1 8】 0 82 5 Il 31 24 4 20 2 22 l 05 747 I8 24 3 30 3 38 0 86 7．54 48 一 —— —— —— 从表2结果可以看出9、12、14、l9号菌株，菌龄为24h的干菌体对Cu 、CAz N 表现出较强的 吸附能力。从结果分析，共存离子会改变菌体的吸附行为和吸附量。从表 2和 3中可以看出，干菌体对 c【l2 ，Cd2 、Ni¨ 的吸附量明显低于活菌体的吸附量。该结果与Volesky[71报导活菌体对Cu2 吸收高于 死菌体的结论相一致。 2．7 优化条件下，酵母菌对 Cu 、Cd“、Ni“的吸附实验 在上述条件实验的基础上，进行了优化组台，在温度为 37℃，pH=5，菌龄48h，吸附时间 Ih，以活菌 体分别对 Cu¨ ，Cd2 和 N“进行了吸附实验，结果见表 3 从表 3中可以看出，不同菌株对不同金属的吸附效果存在着较大的差异。从对 Cu2 、Cd2 、 的 总体吸附情况看，9、22、27、28四株酵母菌吸附效果较好，其中 12号假丝酵母对 c ’和 Cd2 吸附较为赛 出，但对 “的吸附不理想。 综台上述实验结果，不同的酵母菌对金属吸附的能力差异很大，但是对影响吸附的条件实验显示出 某些可遵循的规律：温度升高是有利于吸附的，一般在 如℃～37℃范围内吸附能力变化较大 在 pig．5～ 5之间，无论是活菌体还是死菌体对金属吸附量都是适宜的；吸附时间一般控制在 lh内，因为大多数菌株 在 30rain时吸附量已达到总吸附量的 90％以上，时间的延长和吸附量之间并不成线形关系；无论是活菌 体还是死菌体，菌龄根重要。对于多数重金属，对数生长末期(24h)收集的菌体对金属吸附量明显高于 48h收集的菌体；共存离子的实验说明金属离子之间存在着相互竞争吸附的机制，这可能取决金属离于 维普资讯 http://www.cqvip.com 372 菌 物 系 统 17卷 表3 酵母菌吸附实验 Table 3 Biosorpfion experiment of yeasts 菌株号 重盒属离子吸附量(mg金属，g细胞) 苗株号 重盒属离子吸附量(mg金属，g细胞) Strain No． Biosorp6on alIlOlla]t of heavy metal ions Strain No Biosorption amount of heavy metal ions Cu Cd2 Ni ‘ Cktz Cd I 6 64 6 22 5 05 1 8 6 97 9 72 3 92 2 4 05 6 00 4 82 19 5 76 6 【2 619 3 3 78 6 48 3 60 20 6．85 6 08 3 76 4 3 95 9 48 5 24 2I 2．39 4 94 2 56 5 5 07 11．】6 4 93 22 7 94 1 2 04 5．05 6 4 48 5 63 4I4 23 3 32 4．1 3 2 ． 24 7 6 32 448 3 50 24 0 28 4 28 2』0 8 8 20 8I7 4 87 25 0I2 4 65 2 89 9 9 89 7 8 5 08 26 — 3．95 2 85 10 6 91 6．49 6 07 27 6 69 lI．62 7 07 1I 2 80 6．48 3 57 28 7 89 1 3．38 5 42 12 10 57 1 7．33 3 20 29 6 57 】2I 5 3 54 1 3 7 38 4．98 4 30 30 1 47 2 08 1 72 14 8 06 9．36 5 84 31 210 3 33 2 02 1 5 3 8 ．83 4 27 32 7 84 6 06 3 70 17 3 28 1 7．83 3 70 33 81 3 6 48 4 0 的离子半径和电负性，从而影响了在细胞表面吸附的稳定性 对比酵母菌株对金属离子的抗性和吸附能 力发现，高抗性并不意昧着强吸附，例如 9号菌株对c 具有高抗性及强吸附能力，但 12号菌株对 Ni¨ 的抗性最强，然而吸附 Ni 的能力却很弱，17号菌株对 cd 抗性很弱而吸附能力最强 (见表 3)。因此， 在筛选强吸附能力菌株时，从抗性筛选人手能够取得一定的结果，但会发生谓筛的现象。 参 考 文 献 [I] 黄赦惠．镟生物学通报．1992，19(3)：1I～14 [2】 Wang PK,Lain KC，So CM Appl h~crobiol Biolechnol,I993．39：1 27--I 31 [3】 李福德，赵晓红，杨燕等，环境科学，I996．16(6)：1～3． [4 J Kayucak M et al Biotecfinol B~oeng．I989．33：809--814 [5】 Vincent WC．脚 siology of Fungi,I958，479 [6】 Ashida J， 皿 v Phytopa~．1980，3：【53～1 74 [7】 Volesky B，MarPhillips}【A Appl MicrobioI Biotechno[,1995，42：797--806． 维普资讯 http://www.cqvip.com 4期 李明春等：酵母菌对重金属离子吸附的研究 373 STUDY ON HEAVY METAL BIOSORPTION OF YEASTS LI Mingchun JIANG Heng HOU Wenqiang XING Laijun (Deparment Microbiology,Nankai Universi~：． ZFanjin，300071) ABSTRACT Biosorption of 33 strains of live yeasts or nonliving veasts in six genera to heavy metal ions Cu2 、Cd“ 、 Ni was primariIy studied． The res u1t shows mat th。 uptake time ， temperature， p the presence of other metals ， mycelial ages and I ve or dead cells have obviously affected on biosorption ． Under the condition of opumum combination，a Candida sp．was found ， having uptake capacity r of Cd2 > Cu“ > Ni to the thi-ee metals adsorbability of per gram live cells is 17 ．23mg> 1 0·57mg> 3．2mg respe ctively ． Adsorbability of dry cells is obviously l0wer廿1an mat of live cells to the Lh33ee heavy metals ． KEY W ORDS Yeast, biosorption ， Resistance，Heavy metal ions ， AdsorbaHli ． I 维普资讯 http://www.cqvip.com