经丙酮洗涤后的酵母生物质对于铅离子的吸附性能研究外文翻译资料

 2022-03-27 19:28:19

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经丙酮洗涤后的酵母生物质对于铅离子的吸附性能研究

摘 要

通过对细胞组分进行化学修饰和光谱监测，研究了经丙酮洗涤的酵母菌生物质对铅阳离子生物吸附的机理。用可以中和阴离子的丙胺与羧基反应，显著降低了金属离子吸收的量，表明带负电的羧基在铅吸附中起重要作用。在吸附铅离子之后，傅里叶变换红外光谱显示经丙酮洗涤的酵母生物质的羧酸化物基团的对称伸缩发生变化，并且还发现X射线光电子能谱氧峰发生了移动。这些发现证实了吸附铅离子主要通过将铅离子绑定到羧基的假设。 在X射线光电子谱分析中，铅离子吸附后氮峰降低，表明含氮基团也参与生物吸附过程。而氨基的酰化则增加对铅的吸附能力。酰化反应将带正电荷的氨基转化为能够与铅阳离子配位的酰胺。通过用NaOH煮沸生物吸附剂去除蛋白也能增加铅离子吸收能力。在pH5.5下，丙酮洗涤的酵母生物质对于铅离子的吸收为48.9mg / g干重。纯甲壳素对于铅离子的吸附为48.8mg/ g干重。而从葡萄汁酵母中分离的甘露聚糖对于铅离子则完全不吸附。存在于经丙酮洗涤后的酵母生物质中的羧基和其他阴离子的静电吸引以及与氮原子，特别是几丁质的络合，是参与铅阳离子吸附的主要机制。

关键词 金属生物吸附；丙酮洗酵母生物质；葡萄汁酵母—铅结合机制；X射线光电子能谱；傅里叶变换红外光谱

第1章 绪论

1.1 引言

本研究的目的是经丙酮洗涤后的酵母生物质对于铅离子吸附的性能和结合机制的研究。

目前大多数关于金属离子生物吸附的论文只评估金属结合能力，仅有少数试图阐明吸附的机理。Tsezos和Volesky（1982a）报道了Rhizopus arrhizus的铀生物吸附的过程机理，其基于铀的配位和生物吸附，主要通过细胞壁几丁质结构和在甲壳质微晶细胞壁结构中沉淀氢氧化铀。Mura-leedharan和Venkobachar（1990）表明铜离子化学配位到微生物。但他们没有确定负责生物吸附的具体结构，但认为这些结构既不是蛋白质也不是几丁质。Kuyucak和Volesky（1989）报道，Ascophyllum nodosum的非生物生物质的钴离子生物吸附主要是离子交换过程。他们认为细胞壁藻酸盐的羧基在钴离子吸附中起重要作用。Fourest等人（1994）还提出了离子交换吸附机理。在吸附过程中可以使用Ca2 或调节pH以增加重金属吸收能力。

1.2 研究进展

Doyle等人（1980）选择枯草芽孢杆菌的游离羧基和氨基实验，表明当氨基被中性或带负电荷的基团取代时，可用于阳离子络合的位点数目通常增加，并且正电荷的引入使细胞壁减少了重金属结合点的数量。他们揭示了磷壁酸和肽聚糖中可用于与金属离子相互作用的位点。

Crist及其同事（1988）认为重金属的生物吸附由两个阶段组成：快速阶段（小于4秒）归因于表面吸附，主要基于阴离子交换；而慢得多的金属吸收（2h）相代表离子扩散进入细胞结构内部。

从上述研究可以看出，生物吸附机制取决于生物本身的结构性质。藻类，真菌和细菌在其构成上彼此不同，导致其不同的金属离子吸附机理。

Strandberg等人（1981）提出了两种不同的生物机制：一种是细菌（绿脓假单胞菌），它是通过活细胞的细胞内生物吸附，另一种是用于酵母（酿酒酵母）的细胞外生物吸附。细菌生物吸附机制基于金属硫蛋白的金属结合，而酵母生物吸附机制基于金属阳离子和细胞壁表面上的带负电荷的磷酸基团之间的静电吸引。

生物吸附机理还和金属本身的性质有关。Tsezos和Volesky（1982a，b）表明铀和钍有不同的生物吸附机制。Holan和Volesky（1994）则证实铅和镍的生物吸附之间存在显著差异。

例如硫酸酯在支链岩藻糖残基的C 3和C 4的顺式位置可以导致铅仅与一个残基共价结合，并且相同的位点可以通过离子交换机理与镍螯合。

上述较早的研究结果表明，由啤酒工业大量生产并且具有良好经济价值的酵母生物质对铅和汞具有很好的吸附能力。因此，有人认为研究这种铅离子吸附机制有广泛的应用前景，铅是许多国家的主要水污染物。这种机制的研究可能有助于开发这种生物质，使其成为更好的金属离子吸附剂。可能存在多重结合机制，因为几种经丙酮洗涤的生物质组分可能负责络合和离子交换作用。为了探索其生物吸附机制，有必要确定参与生物吸附过程的官能团。为此，在本研究中使用诸如X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR-PAS）等化学修饰的光谱方法。

1.3 论文的目的和意义

在本文中，报告了在生物吸附铅之前和之后丙酮洗涤的生物质表面部分的变化特征。另外，还研究了生物吸附剂的不同部分的金属结合能力和一些官能团的化学改性对其铅结合能力的影响。

第2章 实验部分

2.1 材料和方法

2.1.1 生物传感器

使用枯草芽孢杆菌酵母（Tempo Beer Brewery，Israel）。生物吸附剂的制备如下所述（Yannai和Meshulam-Simon，1992）。主要步骤如下：首先用蒸馏水，然后再用丙酮洗涤酵母细胞，最后用水洗涤一次。在每次洗涤后，将生物质离心，最终产物是主要由酵母细胞壁组成的生物质。

2.1.2 材料

几丁质（聚-N-乙酰葡萄糖胺）（来自蟹壳的纯化粉末，购自Sigma Chemicals）。如Haworth等人所述，从丙酮清洗的制备物中提取甘露聚糖 （1937）。 无蛋白丙酮洗涤的生物质组分如下制备：酵母细胞用6％NaOH溶液煮沸8小时。 将溶液离心;通过凯氏定氮法测定剩余固体的氮含量; 并通过使用Bio-Rad（Richmond，CA）试剂盒（No.1）的蛋白质测定法测定蛋白质含量。在分批吸附平衡实验（Volesky，1990）中检查处理的酵母残渣的铅吸收能力。

2.1.3 铅吸收

通过在去离子水中分解硝酸铅（Pb（NO 3）2）制备含有100mg / L的铅溶液。分批吸附实验在离心瓶中进行，每个瓶在25℃下含有1.5g固体和200mL铅溶液，并且使用HCl或NaOH将pH调节至5.5。最终平衡pH为约5.6。

将瓶子用水平机械振荡器以每分钟130次的速率振荡20分钟。 通过离心实现溶液与生物质的分离。通过使用Thermo-Jarrel Ash IL 157仪器的原子吸收分光光度法测定溶液中的铅。每个实验重复两次或更多次。

2.2 细胞表面分析

2.2.1 XPS

该技术用于使用ESCA-Auger系统（Perkin-Elmer Physical Electronics Division，型号555）来评估表面特性。采用铅生物吸附之前和之后的XPS光谱来鉴定参与生物吸附的结构。通过脱水，首先通过整夜冷冻干燥，然后使用汞蒸气泵在10-6巴下制备用丙酮洗涤的生物质用于XPS分析8小时。分析的丙酮洗涤的酵母生物质层的厚度为50-100埃。Briggs（1990）解释了XPS技术的作用。

2.2.2 FTIR-PAS

该技术用于阐明与经丙酮洗涤后的酵母生物质的金属离子吸附相关的化学特性。FTIR光谱用安装在Bio-Rad FTS60A FTIR光谱仪的样品室中的MTEC PAC 300光声检测器测量。

用氦气吹扫样品杯，并且以对应于2.5kHz的8cm -1分辨率的氦 - 氖激光条纹调制频率的干涉仪镜速度进行测量。将每个样品谱与炭黑光谱进行比较以去除由于IR源和光谱仪光学器件引起的光谱变化。通过将生物质悬浮在丙酮中并倾析溶剂来制备用于PAS的干丙酮洗涤的生物质样品。

将其重复4次，最后将样品在室温下真空干燥至恒重。PAS是一种热检测方法，其中吸收样品是表面，并且有效记录表面的IR光谱（Virdrine，1981）。

2.3 经丙酮洗涤的生物质的化学改性

使用具有羧基的碳二亚胺 - 亲核反应来中和丙酮洗涤的生物质上的负电荷。这根据Doyle等人报道的程序进行（1980），除了使用原聚胺代替乙醇胺。氨基乙酰化以两种方式进行：一种是Doyle等人（1980）的方法，另一个是乙酸酐/吡啶中羟基和氨基的总乙酰基（Fieser和Fieser，1967）。氨基的两个另外的改性方法是氨基琥珀酰化和氨基与三硝基苯磺酸（TNBS）的反应，如Doyle等人（1980）。在化学改性后，通过分批平衡吸附实验评价改性丙酮洗涤的生物质的铅吸收能力。

第3章 结果与分析

3.1 XPS

图1a和b显示了在吸收铅之前和之后丙酮洗涤的葡萄汁生物量的X射线光电子能谱。铅吸收前的氮原子浓度为总原子浓度的8.4％（图1a），而在生物吸附后，其降至0.7％（图1b）。在吸收铅之前，氮峰从400.1eV变化到生物吸附后的401.8eV（分别为图2a，b）。

氧峰从铅吸收前的533.1eV变为铅吸收后的535.2eV（分别参见图3a，b）。

图1 经丙酮洗涤前后的啤酒酵母对于铅离子的吸附XPS图

图2 高分辨率的铅离子吸附XPS谱图

图3 高分辨率经丙酮洗涤前后的酵母吸附的XPS谱图

3.2 FTIR-PAS

铅吸收前的原始丙酮洗涤的生物质和铅吸收后的丙酮洗涤的生物质的光声IR光谱显示在图4中。在生物吸附后，丙酮洗涤的生物质光谱的检查显示与原始制剂相比的变化。在1405cm -1处的吸收带移动到1375cm -1。

图4 经丙酮洗涤前后的酵母铅离子吸附的红外谱图

3.3 丙酮洗涤生物质的不同组分的金属吸收容量

与整个丙酮洗涤的生物质制备物（表I）的生物吸附相比，通过用3,6和40％NaOH的1小时沸腾的生物吸附剂实现的脱蛋白导致铅吸收的增加。根据Haworth等人的方法从原始的废酵母中提取甘露聚糖（1937）显示根本没有铅螯合。

使用纯甲壳质在5.25ppm最终铅浓度下（表I）给出了48.8mg / g（干重）的金属吸收能力。

3.4 羧基改性后丙酮洗涤生物质的铅和氨基结合能力

在经丙酮洗涤的酵母生物质羧基与丙基胺反应后的铅离子多价螯合效率显示在表II中。 可以看出，该衍生的丙酮洗涤的生物质的金属离子吸收能力显着降低。另一方面，氨基的乙酰化和琥珀酰化改善了丙酮洗涤的生物质的铅吸收能力。然而，TNBS对酵母丙酮洗涤的生物质对铅的摄取没有影响（表II）。

3.5 结果分析讨论

3.5.1 XPS

通过丙酮洗涤的酵母生物质的铅生物吸附的机制可以涉及以下之一或两者：与氨基或酰氨基的氮原子的未成对电子的配位络合（Tsezos和Volesky，1982a，b）或与离子相互作用 阴离子基团如羧基（Kuyucak和Volesky，1989）。XPS用于在铅生物吸附之前和之后酵母丙酮洗涤的生物质中的官能团的表征。结果如下。

氮

从XPS谱中可以看出，在铅生物吸附之前和之后的氮峰之间存在显着差异（图1a，b）。铅生物吸附之前的氮原子浓度为总原子浓度的8.4％，而在生物吸附之后其降低至0.7％。因此，铅生物吸附伴随着氮结合的变化，提供含氮基团参与铅生物吸附的证据。这些可以是几丁质中的酰胺基，或肽聚甘露聚糖，肽聚葡糖中的其它含氮基团，或包含酵母丙酮洗涤的生物质的蛋白质。铅生物吸附后，氮峰显示出1.7eV的位移（图2a，b）。这一观察是额外的证据，酵母丙酮洗涤的生物质中的含硝基的基团参与铅生物吸附。另一种可能性是这种偏移是铅生物吸附后丙酮洗涤的酵母生物质电荷的变化的结果。

3.5.2 氧

在铅生物吸附之后，氧峰移动了2eV（图3a，b）。 这种移动表明铅与氧的相互作用指向参与铅吸收的是羧基。

3.5.3 磷酸盐

Strandberget（1981）等人发现酿酒酵母的铀生物吸附是通过与磷酸盐的静电相互作用。而经丙酮洗涤的生物质外层中没有发现磷酸盐峰，这是通过在本研究中使用的XPS技术判断的。该观察的可能解释是，少量的磷酸盐（在该研究中发现仅为整个丙酮洗涤的生物质的0.3％）不是外层（50-100厚）的一部分。 丙酮洗涤的生物质材料对铅离子是相当可渗透的，使得铅可以通过与磷酸盐的静电相互作用被丙酮洗涤的酵母生物质的内层结合。

3.5.4 FTIR-PAS

原始丙酮洗涤的生物质和加载铅的丙酮洗涤的生物质（图4）的光声IR光谱是高度复杂的，反映了丙酮洗涤的生物质组合物的复杂性质。尽管这种复杂性，在暴露于含铅溶液（Nakanishi，1962; Rao，1963）之前，可以在天然材料的FTIR光谱中观察到经丙酮洗涤的生物质组分的典型的几个独特特征。谱带在3700-3000cm-1区域，最大值在3290cm-1 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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