胞外高聚物分離富集

1、胞外高聚物分離富集 - 火焰原子吸收法測定水樣中鎳2010-10-25 收稿； 2011-03-17 接受 本文系國家自然科學基金( No. 30970309)、國家教育部博 士學科點專項基金( No. 20093227110015)、河南省科技攻關項 目(No. 082102220009 )和河南省教育廳科技攻關項目(No. 2009A610001)資助E-mail ： myanliao163引言胞外高聚物是由微生物產生的生物高分子物質， 主要成分有 糖蛋白、胞外多糖、蛋白質、纖維素和核酸 1。因其在環(huán)境 中易于降解且對人體無害等優(yōu)點， 受到廣泛重視， 近年來已有關 于用胞外高聚物作為生物吸

2、附劑吸附重金屬的報道14。胞外高聚物中存在著大量陰離子基團 (羧基、羥基和氨基等)， 對不同類型金屬離子表現(xiàn)出強烈的親和性5，對一些金屬離子有很強的吸附力， 是痕量金屬離子理想的分離富集材料。 鎳在 自然環(huán)境中多數(shù)以微量形式存在， 不易直接測定， 通常需要進行 預分離/富集。目前分離 /富集方法主要有共沉淀法 6、離子 交換樹脂法 7和有機溶劑萃取法 8等。本實驗利用自制的 胞外高聚物作為分離富集材料，用火焰原子吸收法(FAAS作為檢測手段， 測定了環(huán)境樣品中痕量鎳的含量。 本方法具有靈敏度 高，重現(xiàn)性好，線性范圍寬等特點，為檢測環(huán)境水樣和食品中的痕量鎳提供了新的方法。實驗部分儀器與試劑 TA

3、S-986 型原子吸收分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；WQF-400N傅立葉變換近紅外光譜 儀（熱電公司） ； S-4800 場發(fā)射掃描電子顯微鏡 （Hitachi High ， Japan） ; X射線能量色散分析儀（EDX, USA ； pHS-3C型酸度 計（上海理達儀器廠）；高速冷凍離心機（Eppendof ）。Ni?A 標準儲備溶液由Ni（ NO3 2?6H2O配制，標準溶液系列由1.0 g/L 的儲備溶液逐級稀釋而成，各種干擾離子溶液均按常規(guī)方法配 制。儀器工作條件分析線波長：232.0 nm燈電流：4.0 mA燃燒器高度：5.0 mm光譜帶寬：0. 2 nm ;燃氣流

4、量：1500 mL/min， 燃燒器位 置： 2.0 mm。實驗方法胞外高聚物的制備將細菌 Pseudomonas fluorescens C-2 9接種到產胞外高聚物培養(yǎng)基（葡萄糖2%酵母膏0.05%，尿素0.05%, NaCI 0.01%， K2HPO4 0.5%， KH2PO4 0.2%，（NH4） 2SO4 0.02%， MgSO4?7H2O 0.02%, pH 7.0 8.0 ）中，30C振蕩培養(yǎng) 60 h，以 10000 r/min 離心去除菌體， 2 倍體積無水乙醇抽提離心后發(fā)酵液得到胞外高 聚物，80C烘干得到胞外高聚物 PF-2。吸附與解吸實驗于50 mL比色管中加入適量 N

5、i?A標準溶液，以HCI和NH40H 溶液調節(jié)至 pH 5.0 ，以水定容至刻度。稱取 0.25 g 胞外高聚物 PF-2加入其中，25C振蕩1 h,靜置2 h后，以轉速5000 r/min 離心5 min，移取上層清液用FAAS測定Ni?A的含量，計算胞外 高聚物PF-2對Ni?A的吸附率。取上述 Ni?A吸附完全并離心后 的沉淀，溶于蒸餾水中，加入 10 mL 0.5 moI/L HCI ，定容至與 沉淀前液體相同的體積，25C振蕩1 h，靜置2 h后離心，移取 上層清液用FAAS測定Ni?A含量，計算解脫回收率。結果和討論胞外高聚物 PF-2 的表征SEM-EDX 分析圖 1 為胞外高聚

6、物 PF-2 吸附 Ni?A 前后的掃描電鏡圖。 由圖 1a 可見， PF-2 表面不平整， 可使眾多功能團能與吸附質相接觸。 而吸附Ni?A后（圖1b）,高聚物間結合力減弱，故比吸附前顯 得分散， 在其顆粒周圍有大量的片狀物質存在， 外表面還粘附一 些絮狀或團狀物,說明 Ni?A 在高聚物表面形成了金屬沉積物。本實驗采用EDX技術對吸附鎳前后的胞外高聚物 PF-2進行 了元素半定量分析（圖2）。由圖2a可見，PF-2中C, O, Na, P 和K的重量比分別為13.2%, 25.1%, 19.3%, 30.0% 和12.0%。當 高聚物與Ni?A作用后，原高聚物中K和Na元素峰減弱，同時在

7、7.5和8.25 keV處出現(xiàn)了 Ni元素峰，這表明Ni?A與高聚物中K+和Na+之間存在離子交換作用。FTIR 分析胞外高聚物 PF-2 吸附鎳前后的紅外譜圖如圖 3 所示。 3315 cm 1附近的強寬譜峰為締合的來自0H的伸縮振動，是0H和NH鍵伸展振動吸收。2926 cm - 1處的峰為CH2的碳氫反對稱伸縮 振動峰 10。 1732 cm1 處吸收峰為羧酸脂類化合物及酮類 化合物中羰基的C0伸縮振動。1440 cm- 1處是羧酸根離子(co-)的特征吸收峰，是由于羧酸中CO申縮振動引起的11。由圖3b可見，胞外高聚物 PF-2吸附Ni?A后，3315 cm- 1 處的NH吸收峰稍有減

8、弱，移至 3296 cm- 1處。這可能是因為 Ni?A-PF-2在合成過程中產生 NNi配位鍵， 使得NH吸收峰 有所減弱。吸附 Ni?A 后， 2926 cm-1 處的吸收峰向低波數(shù)偏移 10 cm- 1,且峰強明顯降低；1732 cm - 1處的C0伸縮振 動峰向低波數(shù)漂移10 cm- 1;高聚物PF-2吸附Ni?A后，羧基 的CO申縮振動峰發(fā)生位移，由1440 cm - 1移至1432 cm -1,強度明顯減弱。分析結果表明， PF-2 在吸附 Ni?A 時，氨基和羧 基是參與吸附作用的主要官能團。 通過電位滴定實驗確定了 PF-2 中參與 Ni?A 吸附的官能團中羥基、 氨基、羧基的

9、含量分別為 0.5, 0.9 和 2.4 mmol/g 。酸度對胞外高聚物 PF-2 吸附率的影響于50 mL比色管中加入 0.15 mgNi?A，固定PF-2用量為0.25 g,分別考察了 pH 1.08.0不同酸度條件下 Ni?A在PF-2上的吸附率。 PF-2 對 Ni?A 的吸附率隨 pH 值的增加而增大， pH 5.0 時，吸附率達到最大。當溶液 pH 值較低時，位于高聚物表面的 官能團活性位點（如羧基、氨基等）質子化程度較高12，即水合氫離子與高聚物表面的活性位點結合，阻止了 Ni?A 與吸附 活性位點的接觸，因此對 Ni?A 吸附量較?。浑S著 pH 值升高，高 聚物表面官能團逐漸

10、脫質子化，官能團的負電荷逐漸暴露出來。 因此，Ni?A與活性位點結合量隨之增加。當溶液pH值過高時，在溶液中大量 Ni?A 會發(fā)生水解而影響吸附，所以選擇最佳酸度 為 pH= 5.0。吸附等溫線在一系列50 mL比色管中分別加入濃度為 5500 mg/L的 Ni?A，分別在25, 35和45C下進行吸附實驗，計算其吸附容量 q（mg/g）。對于固液體系的吸附行為，常用 Langmuir, Freundlich 和Dubinin-Radushkevich （D-R）吸附等溫方程式來描述13。3 種吸附等溫方程式的線性形式分別為：解脫實驗 從酸度對吸附率影響可以看出，強酸條件下有利于 Ni?A 的

11、 解脫。選擇 HCl 作為解脫劑，按實驗方法進行吸附和解脫實驗， 在25 C, 250 mL容量瓶中進行解吸實驗，分別考察不同體積的 0.5 mol/L HCl 對 Ni?A 回收率的影響。結果表明：當 HCl 的體 積達到10 mL時，Ni?A的回收率達到98.5%，本實驗選擇10 mL0.5 mol/L HCl 作為解脫劑，預富集因子為 25。共存離子的影響固定PF-2用量0.25 g,在50 mL溶液中，3000卩g的K+, Na+; 1000 卩 g 的 Mg2+, Ca2+, HPO- 2, SiO2-3; 300 卩 g 的 Co2+, Ag+; 200 卩 g 的 Zn2+, H

12、g2+; 100 卩 g 的 Pb2+; 50 a g的Al3 + ; 30卩g的Fe3+對1.0 mg/L Ni?A 的回收率無 影響。工作曲線、方法的檢出限和精密度經(jīng)考察，Ni?A的濃度在0.052.0 mg/L范圍內線性良好，線性方程為 Y= 0.0519X( mg/L) + 0.0175，相關系數(shù) r = 0.9998。 根據(jù)IUPAC定義，測得本法的檢出限為 48 a g/L，相對標準偏 差為 2.6%(0.08 mg/L Ni?A , n = 9)。樣品分析取自來水和河水按常規(guī)方法預處理， 取土壤樣品采用微波消 解法進行前處理， 按照實驗方法進行吸附和解吸實驗， 同時做空 白實驗和

13、加標回收實驗，用火焰原子吸收法測定解吸液中 Ni?A 的濃度，結果見表 2，回收率滿意。ReferencesStephen Inbaraj B, Wang J S, Lu J F, Siao F Y, ChenB H. Bioresour. Technol., 2009, 100(1) : 200 207MoonS H, Park C S, Kim Y J, Park Y I l. Proc. Biochem.,2006, 41(2) : 312 316Zhang Y, Fang X L, Ye Z L, Li Y H, Cai W M. J.Environ.Sci., 2008, 20（11

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21、pared for separation-preconcentration of trace nickel, and characterized using scanning electron microscope （ SEM） , energy dispersive X-ray spectrometry（EDX） and Fouriertransform infrared spectrophotometry （FTIR）. By meansof the determination of flame atomic absorption spectrometry （FAAS） , the adsorption behavior of exopolymersPF-2 fornickel ions was investigated. The results showed that at the optimum pH 5.0, the Langmuir isotherm f