白腐真菌体对菲和芘的吸附_脱附作用及影响因素_丁洁

第30卷第4期2010年4月环 境 科 学 学 报 Acta Scientiae C ircu mstanti a eV o.l 30,N o .4A pr .,2010基金项目:国家高技术研究发展计划(863)重点项目(No .2007AA061101);国家自然科学基金(No .20737002)Supported by the NationalH -iTech R esearch and D evelopm ent Progra m ofCh i n a (No .2007AA061101)and the Nati onalNat u ralS ci en ce Foundation of C h i na (No .20737002)作者简介:丁洁(1986)),女;*通讯作者(责任作者),E-m ai:l b lchen @z j u Biography :DI NG Jie (1986)),fe ma l e ;*C orres pondi ng author ,E -m ai :l b l chen@zj .cn丁洁,王银善,沈学优,等.2010.白腐真菌体对菲和芘的吸附-脱附作用及影响因素[J].环境科学学报,30(4):825-831D i ng J ,W ang Y S ,Shen X Y,e t a l .2010.B i ore m ediati on t ests on b iosorpti on-des orp ti on of phenan t h rene and pyren e by w h i te -rot fungi [J].Acta Scienti ae C ircum stan tiae ,30(4):825-831白腐真菌体对菲和芘的吸附-脱附作用及影响因素丁洁,王银善,沈学优,陈宝梁*浙江大学环境科学系,杭州310028收稿日期:2009-07-03 修回日期:2009-09-30 录用日期:2009-12-30摘要:为准确了解生物修复过程中多环芳烃(P AH s)的生物吸附行为,采用化学方法(脱蜡、皂化)分离白腐真菌样品并制得3个组分,探讨了白腐真菌组分的结构特征.同时,用批量平衡法研究了菲和芘在白腐真菌样品上的生物吸附-脱附行为及共存重金属C u 2+对吸附作用的影响,探讨了PAH s 生物吸附的作用机制及构-效关系.结果表明,菲和芘在白腐真菌体上的等温吸附-脱附曲线均呈线性(Freundli ch ,N =1),为可逆吸附过程,其生物吸附机理为PAH s 在白腐真菌体上的分配作用;经脱蜡和皂化后,菲在白腐真菌体上的分配系数K p (F 1)分别为K p (F 2)和K p (F 3)的4.5倍和7.5倍,芘的分配系数K p (F 1)则分别为K p (F 2)和K p (F 3)的3.8倍和7.2倍,表明主要分配介质为白腐真菌体上的脂类和聚酯类物质;PAH s 的有机碳标化的分配系数K oc 值与白腐真菌体的极性指数(O +N )/C 呈反比.共存Cu 2+离子促进白腐真菌体对菲的生物吸附,随着Cu 2+浓度的增加,菲的生物吸附作用逐渐增强;增强吸附机制为Cu 2+通过配合作用吸附到白腐真菌体上中和微生物表面的负电荷,降低白腐真菌体表面的亲水性,进而提高其疏水性分配作用;同时,吸附态Cu 2+与菲之间形成阳离子-P 键等特殊作用,其作用大小随白腐真菌体的极性指数(O +N)/C 增大而降低.关键词:多环芳烃;白腐真菌;生物吸附;C u 2+;吸附;脱附文章编号:0253-2468(2010)04-825-07 中图分类号:X171 文献标识码:AB iore m edi ation tests on bi osorpti on -desorption of phenanthrene and pyrene bywhite -rot fungiDING Jie,WANG Y i n shan,SHEN Xueyou,C H E N Bao liang*Depart m en t of Env i ron m en tal Science ,Zh eji ang U nivers it y ,H angz hou 310028R ecei ved 3July 2009; recei ved i n revised for m 30S epte m ber 2009; accepted 30Dece mber 2009A bs tract :W h ite -rot fungi b i o m ass and its fracti ons w ere i solated by ch e m ical m et hods i n cluding de -w axi ng and sapon ification .The el e m en t alco mpos i ti on s ,polarity i ndex [(O+N )/C at o m ic rati o]and functi on al groups of t hree w h it e -rot fung i fracti ons w ere characterized by ele m ental anal ys i s and Fourier transfor m i n frared spectro m etry .To el u ci date the b i osorp tion of organ ic poll u tants f or b i ore m ed iati on,t h e b i os orp ti on -d esorp tion behavi or of phenan t h rene and pyren e to t he is o l ated w h i te -rot fung i fracti on s w ere i nvesti gated u si ng a b atch equ ili brati on techn iqu e ,and t h e effects of co -existi ng C u 2+on the b i os orp ti on of phenan t h rene w ere also co m pared.The correlati on of s orp ti on p roperties w it h the s tructural characteri zation is d is cu ssed .Th e sorpti on-des orp ti on isother m s of ph enanthrene and pyrene to the sor b ents w ere li near (Freund li ch,N =1)and had t he charact eristics of a reversi b le process ,suggesti ng that t h e b i os orp tion m echanis m to w h it e -rot fungi fracti on s i s do m i nated by p artiti on i ng i nto wh ite -rot f ungi b i o m as s .Th e partition coeffici en ts (K p )ofw h ite -rot f ungi decreased si gn ifi cantl y after de -w axing and sapon ifi cati on,.i e .,by 4.5-and 7.5-f old f or phen anthren e ,and by 3.8-and 7.2-fol d for pyrene ,i nd i cati ng t h at t h e partition m ed i um i s attri bu ted to t h e extractab l e li p i ds and pol y m eri c li p i ds .Pol arit y apparentl y p l ayed aregu lati ng rol e i n the b iosorpti on of phan anthrene and pyrene .The carbon-nor m ali zed b iosorpti on coeffici en t (K o c )was negativel y correlat ed w i th t h e polarity i ndex of the w h i te -rot f ung i fractions .The b iosorpti on of phenan t h rene to w h it e -rot fung i fracti ons w as p ro m ot ed by coexisti ng heavy m etal ions such as C u 2+at t he environm ental level (0~32L g #mL -1),and t he sorpti on enhance m en t (v K p )i ncreased w it h the con centrati on of Cu 2+,anddecreased w it h the polarity i ndex of t h e sorben t .B i nd i ng of Cu 2+neutraliz ed the n egati ve charge of t he fungi s u rface ,m ak i ng it l ess hydroph ili c and enhanci ng hyd rophob ic partiti on i ng of phenan t h rene .A speci fi c i n teracti on m echan i s m,cati on -P bonding bet w een phen enat h rene and co mp lexed Cu 2+,contri bu ted sign ificantl y to the t otal b i os orp ti on enhance m ent .The cati on-P i nteracti on f avored a relati vel y hyd rophob icm edi um.K eywords :polycyclic aro m atic hydrocarbon ;wh ite -rot fung;i b i os orp ti on ;copper(II);s orp ti on ;d esorption环境科学学报30卷1引言(Introducti o n)多环芳烃(Po l y cyc lic aro m atic hydrocarbons, PAH s)是一类典型的持久性有机污染物(Persistent organic co m pounds,POPs),在地表水、沉积物、土壤中均有检出(Chen et al.,2004).P AH s具有较大的正辛醇-水分配系数(K ow),因而在环境中停留时间长,不易被自然降解;同时,PAH s易积累于生物脂肪组织中,具有/三致0效应,会危害人类健康(C ai et al.,2008).生物修复技术因具有成本低、无二次污染、可大面积应用等优点,越来越受到人们的重视,成为最具潜力的PAH s污染环境修复技术之一(W ilson et al.,1993;程国玲等,2003).POPs的生物修复主要包括生物吸附和生物降解两个去除过程.生物吸附是指用生物材料从溶液中去除金属、非金属元素、化合物和颗粒的技术,是一个物理化学过程,包括吸收、吸附、离子交换、表面络合和沉淀作用等(Gadd et al.,1993;2008).生物吸附常用的生物材料包括细菌、真菌、藻类、酵母等,处理的污染物主要涉及重金属、农药、染料等.而有关POPs在微生物体上生物吸附的研究较少,特别是对有机污染物的生物吸附机理及影响因素(如有机物性质、共存重金属离子)研究还有待深入(String fello w et al.,1999).研究表明,POPs的生物吸附-脱附行为对其生物有效性和生物降解有重要影响(Ca m eotra et al.,2003;Ba m fort h et al.,2005),环境中的吸附态有机物会降低其生物有效性和微生物的降解效率(Johnsen et al.,2005).目前,有关POPs的生物吸附作用与微生物体介质之间的构-效关系研究还涉及较少.白腐真菌是一类具有很强降解能力的担子纲真菌,能够分泌木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶等多种氧化酶,具有降解PAH s、PCBs、PCDDs、DDT 等持久性有机污染物的能力,在POPs污染生物修复应用中受到广泛关注(Barr et al.,1994;Lo ick et al.,2009).因此,本文以白腐真菌体为微生物代表,化学分离白腐真菌体得到3个组分样品,利用元素分析、红外光谱表征其结构特征;同时,以菲、芘为多环芳烃代表,用批量平衡法研究白腐真菌样品对P AH s的吸附-脱附行为及共存重金属(如Cu2+)对吸附的影响,探讨PAH s的生物吸附作用机制及构-效关系,以期为准确了解生物修复过程中PAH s的生物吸附行为提供理论依据.2材料与方法(M aterials and m ethods)2.1实验材料菲(含量>97%)和芘(含量>98%)购自S i g m a-A ldrich公司.菲(C14H10)的相对分子量、溶解度和正辛醇-水分配系数(K ow)分别为178.2、1.18 L g#m L-1和2.8@104,芘(C16H10)的相对分子量、溶解度和正辛醇-水分配系数(K ow)则分别为20213、0.13L g#mL-1和8.0@104.主要仪器有: Ag ilen t1200高效液相色谱仪(带荧光检测器)、原子吸收光谱仪(Per k i n E l m er,AA ana l y st70)、C HN 元素分析仪(Ther m oF i n n i g an,Flash EA1112)、傅立叶变换红外光谱仪(Ther m o N ico let Nexus670)、DH Z-D恒温振荡器、LDZ5-2低速自动平衡离心机.白腐真菌样品制备及白腐真菌组分分离过程如图1所示.白腐真菌样品取自废弃木材,纯化后取白腐真菌样品于马丁氏液体培养基中培养3d,循环培养3次以扩增,洗去培养液后将白腐真菌菌体置于60e烘箱中干燥48h,制得干燥的菌体.将所得干燥菌体混匀后,磨碎,过100目筛,所得白腐真菌原始样品记为F1.取适量F1样品进行索氏提取,除去小分子脂类物质,得到白腐真菌样品2号,记为F2.取适量F2样品进行皂化,去除聚合类脂肪性物质,得到白腐真菌样品3号,记为F3.同时记录各组分的回收率.图1白腐真菌样品制备流程图F i g.1Preparati on flo w chart ofw h i te-rot f ungi s a m p l es2.2结构表征用C HN元素分析仪(Ther m oF i n n i g an,Flash EA 1112)测定白腐真菌样品各组分(F1~F3)中的C、H、N元素含量,O元素含量通过差减法得到.样品平行测定2次,用平均值计算白腐真菌各组分中H/ C和(O+N)/C(原子数量比).FTI R测试用N ico let560型傅立叶变换红外光谱仪室温下测定样品,记录峰波数为4000~400c m-1,制样方法为溴8264期丁洁等:白腐真菌体对菲和芘的吸附-脱附作用及影响因素化钾粉末压片法,分辨率4c m-1,扫描次数32次.2.3多环芳烃在白腐真菌体上的吸附-脱附实验用批量平衡法测定白腐真菌样品3种组分对菲和芘的等温吸附曲线.具体步骤为:称取一定质量(F1:2m g,F2:4m g,F3:5m g)的样品分置于8mL 的样品瓶中(保证去除率达到20%~80%),分别加入8mL不同起始浓度的PAH s溶液(即菲为0、010005、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.3、0.6、110L g#m L-1;芘为0、0.0001、0.0005、0.001、01005、0101、0.03、0.05、0.07、0.1L g#mL-1),共包括10个浓度点,每个浓度点重复2次,同时做2组对照空白(不加白腐真菌样品);使用的吸附背景液为p H= 7、0.01m ol#L-1CaC l2和200L g#mL-1Na N3混合溶液,以控制离子强度,抑制微生物降解作用.样品瓶加盖内垫锡箔纸的聚四氟乙烯垫片的盖子,在(25 ?1)e、20r#m i n-1、避光条件下旋转振荡3d;平衡后(预备试验表明,3d之内已达到吸附平衡),于4000r#m i n-1下离心15m in;取0.500mL上清液,用01500mL甲醇稀释后,用H PLC-荧光检测器测定污染物的平衡浓度.色谱测定条件为:98%甲醇为流动相,柱温30e,菲的激发和发射波长分别为244nm、360nm;芘的激发和发射波长分别为237 n m、385n m.实验表明,瓶子吸附、挥发、生物降解、光降解损失可忽略不计.因此,吸附量可用质量差减法计算,由平衡浓度和吸附量绘制等温吸附曲线.待等温吸附实验达到吸附平衡以后,以背景溶液更换60%的吸附溶液,在(25?1)e、20r#m i n-1、避光条件下振荡3d,达到脱附平衡,用HPLC测定污染物的平衡浓度,绘制等温脱附曲线.2.4Cu2+存在情况下菲的吸附实验设置菲的起始浓度为其溶解度的1/2(即0.5 L g#mL-1),共存Cu2+浓度分别为0、0.64、3.20、6140、32.00L g#mL-1,3个平行组,并设置3个吸附质空白对照组.样品瓶不加垫锡箔纸(对吸附实验的影响可忽略),以防Cu2+与锡箔纸发生置换反应.其余操作同2.3节.用H PLC测定溶液中菲的浓度,计算菲吸附系数K d.取适量上清液于干净的8mL 试剂瓶中,用稀硝酸溶液稀释至浓度范围在0.032 ~3.200L g#mL-1,保持酸度为0.1m o l#L-1,用原子吸收光谱仪测定Cu2+平衡浓度,Cu2+吸附量可用差量法计算.AAS测定条件为C2H22.0L#m in-1、空气17.0L#m i n-1、测定波长324.7nm.3结果(Results)3.1结构表征白腐真菌样品各组分的产率、元素组成和原子数量比例见表1.由表1可知,F2对F1的提取效率为81.6%,F3对F1的提取效率为65.6%.经索氏提取和皂化,样品中C、H、N的含量逐渐下降,而O元素含量则逐渐增加.其中,C的含量从44.10%(F1)下降到40.07%(F2)、38.80%(F3).H/C、(O+ N)/C可以用来表征样品的芳香性和极性的大小,其中,H/C越小表示芳香性越高,(O+N)/C越大则表示极性越大(Chen et al.,2005).由表1可得,经过索氏提取和皂化,H/C分别为1.895(F1)、11931(F2)、1.884(F3),真菌样品的呈脂肪性;而极性则有明显的提高,从0.85(F1)上升到1.08 (F3).表1白腐真菌样品各组分产率、元素质量组成和原子数量比T ab l e1The relati ve yields,el e m en t al co m positions and ato m i c ratios of the w h i te-rot f ungi s a m p l es样品名称产率元素质量组成C H N O原子数量比(O+N)/C O/C H/CF1100.0%44.10%7.01%6.09%42.80%0.850.731.895 F281.6%40.07%6.49%5.98%47.46%1.020.891.931 F365.6%38.80%6.13%4.26%50.81%1.080.981.884白腐真菌及其各组分的红外光谱分析谱见图2.由图2可知,白腐真菌体F1的吸收强峰主要出现在3280、2927、2856、1635、1550、1370、1200、1025c m-1等处.3280c m-1附近有一个峰强很大的宽峰,属于羟基()OH)的伸缩振动;2927c m-1和2856c m-1的吸收峰是亚甲基()CH2))的伸缩振动;1370c m-1处吸收峰是)C H2)的弯曲振动吸收峰;1635c m-1为酯C O的伸缩振动;1550c m-1为芳环(C C、C O)的伸缩振动;1200c m-1和1025c m-1处的吸收峰分别是C)O、C)O)C键产生的吸收峰,表明样品中存在大量多聚糖组分. FTI R数据表明,白腐真菌体化学组分呈脂肪性,与元素分析结果一致.由图2还可知,经脱蜡和皂化后,)C H2)的吸收峰(2927和2856c m-1)明显下827环 境 科 学 学 报30卷降,酯C O 的吸收峰(1635c m-1)也下降,而其他官能团则变化不大.白腐真菌体样品的结构变化将对其吸附性能产生重要影响.图2 白腐真菌及其各提取组分的FTI R 图F i g .2 FTIR s pectra ofw h i te -rot f ungi s a m p l es3.2 多环芳烃在白腐真菌体上的吸附作用菲和芘在白腐真菌体3种组分样品上的等温吸附曲线见图3(实线部分),用Freundlich 方程和L i n ear 方程进行拟合,结果见表2.由图3和表2可知,吸附数据可以很好地用Freundlich 方程(R 2>0.994)和L i n ear 方程来拟合(R 2>0.990).对于F 1~F 33种样品,菲和芘的Freundlich 回归参数N 指数均接近于1,表明多环芳烃在白腐真菌体上的吸附呈线性吸附,其吸附作用机制是多环芳烃在白腐真菌体上的分配作用.分配作用大小可用分配系数(K p )来描述:K p =Q /C e(1)式中,Q 为吸附量(L g #g-1);C e 为平衡浓度(L g #mL -1).根据定义,K p 值大小等于线性回归方程的斜率(表2).由图3和表2还可得,经过索氏提取脱蜡和皂化脱脂后,白腐真菌样品的吸附能力逐渐下降,即菲的分配系数K p 值从3721mL #g -1(F 1)下降为828.9mL #g-1(F 2)和499.2mL #g-1(F 3),F 1的K p 值分别为F 2和F 3的4.5倍和7.5倍;芘则从15980mL #g -1(F 1)下降为4147mL #g-1(F 2)和2212mL #g -1(F 3),F 1的K p 值分别为F 2和F 3的3.8倍和7.2倍.由此可见,白腐真菌体上的脂类和聚酯类物质为其主要的分配介质.菲和芘在白腐真菌体3个样品上的等温脱附曲线见图3(虚线部分),Freundlich 和线性拟合参数见表2.由图3可得,等温脱附曲线和等温吸附曲线基本重合,表明多环芳烃在F 1~F 3样品上的吸附-脱附是可逆过程.等温脱附曲线的Freund lich 拟合参数N 值均接近于1,说明白腐真菌体对多环芳烃的吸附和脱附过程均由分配作用控制.计算得到K p (吸附)/K p (脱附)比值等于1,也证明其分配作用为可逆过程.表2 多环芳烃在白腐真菌上的等温吸附、脱附曲线的回归参数Table 2 Regression para m eters of i sot h er m s ofPAH s to wh ite -rot fungi sa m p l es fro m aqueou s sol u tion作用类型吸附剂吸附质Freund lich 参数Nlog K f R 2q eq =K p C e qK p /(mL #g -1)R 2K o c /(m L #g -1)吸附作用脱附作用菲F 10.984?0.017 3.552?0.0330.9953721.0?42.00.9988439F 20.994?0.007 3.901?0.0140.999828.9?9.40.9982069F 3 1.014?0.009 2.738?0.0180.999499.2?4.70.9991287芘F 1 1.002?0.018 4.249?0.0560.99415980.0?311.00.99336240F 2 1.026?0.013 3.648?0.0350.9974147.0?54.00.99710350F 30.978?0.011 3.325?0.0300.9982212.0?46.00.9965701菲F 10.968?0.012 3.560?0.0260.9973710.0?60.00.9988413F 20.993?0.012 2.903?0.0260.998824.4?5.60.9992057F 3 1.035?0.010 2.788?0.0210.999535.0?5.20.9981379芘F 1 1.055?0.014 4.337?0.0420.99715695.0?231.00.99635592F 2 1.009?0.012 3.651?0.0330.9984117.0?41.00.99810275F 31.028?0.0293.464?0.0830.9932368.0?34.00.9966104注:Fre undli ch 方程为q eq =K f C N e q ,其中,q eq 为吸附量(L g #g -1),C eq 为平衡浓度(L g #mL -1);K f 和N 为回归参数,K f 的单位为L g (1-N )#g -1#mL -N ;当N =1时,可用q eq =K p C eq 作线性回归,回归方程的斜率为分配系数(K p ).8284期丁洁等:白腐真菌体对菲和芘的吸附-脱附作用及影响因素图3 白腐真菌各组分对菲和芘的等温吸附-脱附曲线(误差棒小于数据点符号)F i g .3 B iosorpti on-des orp ti on isother m s of phen anthrene and pyrene to w h i te -rot f ungi sa m p l es (E rror bars not s h o wn are less t han t h e s ymbol size)3.3 Cu 2+存在情况下菲的吸附作用考察了不同浓度Cu 2+存在下菲在F 1~F 3样品上的吸附作用,根据单点浓度计算了吸附系数K d 值.在不同浓度Cu 2+存在下菲的K d 值见图4.由图4可知,共存Cu 2+离子促进了白腐真菌体对菲的吸附作用,当Cu 2+初始浓度为0.64L g #m L -1时,就可促进F 2样品对菲的吸附作用(K d 值增大);随着Cu 2+浓度的增加,菲的吸附作用逐渐增强.当Cu2+初始浓度为32L g #mL -1时,菲在白腐真菌体F 1、F 2、F 3上的吸附系数分别从3721.0、828.9、499.2mL #g -1提高为4098.0、1206.0、876.3mL #g -1,分别提高了39.7%(F 1)、45.5%(F 2)、29.5%(F 3),提高的顺序为F 2>F 1>F 3.因此,环境中重金属离子(如Cu 2+)是影响白腐真菌对多环芳烃的生物吸附作用的因素之一,重金属离子的存在能促进白腐真菌对多环芳烃的生物吸附作用.图4 不同初始浓度Cu 2+对菲在白腐真菌体上吸附作用的影响F i g .4 The i n fl u ence of i n iti al concentrati on of Cu 2+on sorpti on of phen anthrene to w h i te -rot f ungi s a m p l es4 讨论(D iscussi o n)4.1 白腐真菌体极性对吸附作用的影响为评价PAH s 在白腐真菌体上生物吸附能力的大小,通过式(2)计算了有机碳标化的分配系数K oc (表2).K oc =K p /f oc(2)式中,K p 为分配系数(mL #g -1);f oc 为白腐真菌体的有机碳百分含量.PAH s 在3个白腐真菌体样品上的K oc 值不是一个常数,如菲在F 1、F 2、F 3上的K oc 值分别为8439、2069、1287mL #g -1(以C 计),而芘的K oc 值则分别为36230、10350、5701mL #g -1(以C 计).可见,经脱蜡、皂化去脂后白腐真菌体的吸附能力大大降低.菲和芘在3种白腐真菌体组分上的K oc 值与其极性指数(O +N )/C 之间的关系见图5.由图5可知,白腐真菌样品对多环芳烃的吸附能力(K oc )与其极性大小呈良好的线性关系,即随极性指数的增大,有机碳标化的分配系数减小.由于白829环 境 科 学 学 报30卷腐真菌体对多环芳烃的吸附作用是分配过程,根据/相似相溶0原理,极性的改变对其吸附影响很大.芘的吸附公式的斜率比菲大4.23倍,说明芘对极性的灵敏度高于菲,这主要是由于与菲相比芘的疏水性更强(K ow (芘)/K ow (菲)=4.07).菲和芘在白腐真菌体F 1上的K oc 值(8439和36240m L #g -1)远小于其相应的K ow 值(28000和80000m L #g -1),这主要是由F 1介质的极性指数(O +N )/C 远大于正辛醇的极性指数(0.125).图5 多环芳烃的标化分配系数K oc 与白腐真菌样品的极性指数(O +N )/C 之间的关系(误差棒小于数据点符号)Fig .5 Rel ati on s h i p of carbon -nor m alized p artiti on coeffici en t K oc of P AH s w i th the pol arit y i ndex (O +N)/C ofw h it e -rot fung i sa m p l es (E rror bars are less t han t h e s ymbo l s i ze)4.2 Cu 2+对白腐真菌吸附PAH s 的影响Cu 2+是常见的重金属离子,广泛存在于废水和土壤中.Tha w or nchaisit 等(2007)研究发现,Cu 2+的存在会降低苯酚吸附量,这是因为Cu 2+对吸附剂的亲和性比苯酚更强.Aksu (2007)研究了Cu 2+存在情况下染料的生物吸附,发现增加Cu 2+浓度可提高染料阴离子的吸附,而增加染料浓度可消除Cu 2+的增强作用,Cu 2+对染料阴离子存在既协同又拮抗的作用.Qu 等(2007)研究了Cu 2+存在情况下P AH s在卵磷脂上的吸附情况,发现Cu 2+的存在增强PAH s 的吸附作用,其机制为PAH s 与Cu 2+间形成阳离子-P 键作用.本实验也发现Cu 2+的存在会促进白腐真菌对P AH s 的吸附作用,为了解其增强吸附作用机制,测定了PAH s 存在下白腐真菌对Cu2+的吸附情况(图6).由图6可见,白腐真菌体对Cu 2+具有较强的吸附能力.结合图4数据可得,白腐真菌具有同时吸附去除水中多环芳烃和重金属的能力.低浓度情况下,白腐真菌体对Cu 2+的等温吸附曲线呈线性关系(R 2>0.990),3种白腐真菌样品对Cu 2+的吸附能力(K d ,mL #g -1)大小顺序为F 3(1624.0)>F 1(855.6)>F 2(206.3).这主要是由于经皂化过程后白腐真菌表面)COOH 等极性基团增加及表面极性(O /C 比值)增大.Cu 2+通过配合作用吸附到白腐真菌体上,可中和微生物表面的负电荷,从而降低白腐真菌体表面的亲水性,进而提高白腐真菌体的疏水性分配作用(Qu et al .,2007).因此,共存Cu 2+提高了菲在白腐真菌体上的吸附作用.但是,菲的分配系数的增加值(v K p )或增加百分率与Cu 2+吸附浓度不成正比,如增加百分率的变化顺序为F 2(45.5%)>F 1(39.7%)>F 3(29.5%),刚好与白腐真菌对Cu 2+吸附能力的顺序相反,说明共存Cu 2+促进菲的吸附作用还存在其它重要机制(如阳离子-P 键作用).阳离子-P 键作用大小与Cu 2+存在的微环境的疏水性程度呈正比,如水溶液中的Cu 2+不易与PAH s 形成阳离子-P 键作用.当Cu 2+初始浓度为32L g #mL -1时,菲在白腐真菌体上分配系数的增加值(v K p )分别为1477mL #g-1(F 1)、377mL #g-1(F 2)、147mL #g-1(F 3),v K p 增大的顺序为F 1>F 2>F 3,与白腐真菌体的极性指数(O +N )/C 呈反比,意味着在相对疏水性的F 1样品上Cu 2+与菲形成阳离子-P 键的能力较强.图6 0.5m g #L -1菲共存时白腐真菌对Cu 2+的吸附作用F i g .6B i os orp tion of Cu 2+by wh ite -rot fungi sa m ples i n t h e p resen ce of 0.5m g #L -1phenan t h rene4.3 PAH s 在白腐真菌上吸附-脱附行为对生物修复意义红外光谱分析及元素分析结果显示,经索氏提取和皂化后的样品,虽然其含碳量有所减少,表面8304期丁洁等:白腐真菌体对菲和芘的吸附-脱附作用及影响因素基团有所变化,但其吸附-脱附的基本机制并没有发生变化.由此可推测,白腐真菌的吸附及脱附过程既发生在菌体表面,也发生在菌体内部.白腐真菌的吸附-脱附是可逆的,且均为分配作用控制过程,因此,白腐真菌对多环芳烃的结合力较弱,吸附作用并不稳定.生物修复过程中在同时存在生物吸附和生物降解的情况下,随着生物降解的发生,环境中多环芳烃的浓度降低,吸附在白腐真菌菌体中的多环芳烃会不断脱附出来,继续为生物降解过程所利用.由此可以推测,白腐真菌的生物吸附作用最终可有助于生物降解.5结论(Conc l u si o ns)1)菲和芘在白腐真菌体上的等温吸附-脱附曲线呈线性,为可逆吸附过程,其生物吸附机理为多环芳烃在白腐真菌体上的分配作用;经脱蜡和脱脂后,白腐真菌样品的吸附能力逐渐下降,菲的分配系数K p(F1)值分别为K p(F2)和K p(F3)的4.5倍和7.5倍,芘的分配系数K p(F1)则分别为K p(F2)和K p(F3)的3.8倍和7.2倍,可见白腐真菌体上的脂类和聚酯类物质为其主要的分配介质;多环芳烃的K oc与白腐真菌体的极性指数(O+N)/C呈线性关系,芘对介质极性的敏感度比菲大4.23倍;菲和芘在白腐真菌体F1上的K oc值(8439和36240 mL#g-1)远小于其相应的K ow值(28000和80000 mL#g-1),主要是由F1介质的极性指数(O+N)/C 远大于正辛醇的极性指数(0.125)所致.2)共存Cu2+离子促进白腐真菌体对菲的生物吸附作用,随着Cu2+浓度的增加,菲的生物吸附作用逐渐增强;当Cu2+初始浓度为32L g#mL-1时,菲在白腐真菌体F1、F2、F3上的吸附系数K p分别4098.0、1206.0、876.3mL#g-1,与[Cu2+]=0 L g#mL-1时相比,分别提高了39.7%、45.5%、2915%;增强吸附机制为Cu2+通过配合作用吸附到白腐真菌体上中和微生物表面的负电荷,降低白腐真菌体表面的亲水性,进而提高其疏水性分配作用;同时,Cu2+与菲之间形成阳离子-P键等特殊作用有重要贡献,其大小与白腐真菌体的极性指数(O+N)/C呈反比.责任作者简介:陈宝梁(1973)),男,博士,教授,博导.主要研究领域为土壤有机污染控制与修复、环境界面化学与环境功能材料.参考文献(R eferences):A ks u Z.2005.Appli cati on of b iosorpti on for t h e re m oval of organ icpollutan t s:A revi ew[J].Process B i oche m istry,40:997)1026 A ks u Z,Is ogl u I e of dried sugar b eet pu l p for b i n aryb i osorp tion of Ge m az ol Tu rquois e B l ue-G reacti ve dye and copper(II)ions:E qu ili bri um modeli ng[J].Che m i cal E ngi neeri ng Jou rna,l127:177)188Ba m f ort h S M,S i ng l eton I.2005.B i ore m ed iati on of pol ycyclic aro m atic hyd rocarbons:Curren t kno w ledge and f uture directi on s[J].Che m T echnol B i otechno,l80:723)736Barr D P,Aust S D.1994.M echan i s m sW h i te-Rot fung i use to degrad e pollutan t s[J].E nviron SciT echno,l28:78)87Ca i Q Y,M o C H,W u Q T,et a 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