1 小序(Introduction)

跟着煤矿、冶金、电板和色素坐褥等当代工业的发展拳交 扩张，重金属在水生生态系统中的羞辱日益严重.重金属等有毒羞辱物最终将沿食品链干涉东说念主体，引起多种疾病(Witek-Krowiak et al.， 2011).东说念主体摄入过量的铜，会引起弃旧容新零星、肝和胆等脏器损害，导致肝硬化、肝腹水以至圆寂.处理重金属废水的传统武艺有化学千里淀法、离子交换法、吸附法、电解法和膜分离法等，这些武艺经由繁琐、易变成二次羞辱，主要用于高浓度废水的处理(Vaghetti et al.， 2008; Iqbal et al.， 2007; Venkata et al.， 2007).生物吸附法去除废水中低浓度的辩论已有多半报说念，该法以其原材料开首丰富、本钱低、吸附速率快、吸附量大、选拔性好等上风受到越来越多的疼爱.生物吸附是羞辱物或有用性营养通过物理化学作用吸附到生物名义或生物膜名义的景象.现在，国表里辩论大多集会于真菌菌丝体或木屑两种单独的物资对重金属的吸附，主要运用细胞壁上的化学基团对重金属离子进行吸附，举例：鸡枞菌、毛木耳、霉菌(Ramrakhiani et al.， 2011；蒋新宇等，2010；张金丽等，2013)；黑胡桃木、山毛榉、枫树等(Ofomaja et al.， 2010; Bozic et al.， 2009; Rahman and Islam， 2009)对铜、锌、锰、铅等的吸附.

黑龙江为食用菌坐褥第三大省，主栽品种黑木耳年产量约为250万t，菌糠量约为600万t.除少数菌糠用于还田，多半菌糠用作燃料或径直丢弃，既损失了资源又羞辱了环境.菌糠是食用菌的子实体形成后，已不具有或较少具有营养的培植基质，内含多半菌丝体、纤维素和半纤维素等要素，名义则富含羟基、氨基及羧基等活性基团，不错配位、络合金属离子，也不错运用菌丝和木屑之间的多孔结构对其进行物理吸附(Pavan et al.， 2006；Chergui et al.， 2009).本辩论制备了一种菌糠吸附剂，用于去除模拟废水中铜离子，并对其吸附特点和吸附机理进行了初步辩论，旨在措置低浓度重金属难处理的问题，又可使农业罢休物有用资源化.

2 材料和武艺(Materials and methods) 2.1 吸附剂的制备

黑木耳菌糠废物来自哈滨香坊木料食用菌厂，将菌糠在80 ℃烘干至恒重，离散，过40目筛，经高压蒸汽灭菌，置于干燥环境下备用.

2.2 反应面武艺优化反应条目

选定模拟浑水，最初通过单因素考研笃定反应面的高水平条目，用去离子水将CuSO4母液(1 g · L-1)，稀释至所需浓度.取100 mL一定浓度的Cu2+溶液至150 mL锥形瓶中，颐养其它单因素条目为：投加量5、10、15、20、25、30、35、40 g · L-1；pH 2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0；运行浓度10、25、50、75、100、125、150 mg · L-1；吸附时分5、10、30、60、90、120、150、180、210、240 min；温度10、15、20、25、30 ℃；转速80、 120、 150、 180、210 r · min-1(Pavan et al.， 2006; Shroff and Vaidya， 2011; 范忠雷等，2012).取5 mL稀释后溶液用原子摄取分光光度计(AA-6800型，日本岛津-GL)测定剩余Cu2+浓度，每组3次肖似，另设对照.然后把柄Plackett-Burman考研设想旨趣，概述单因素考研扫尾，运用Design-Expert进行归来分析对吸附条目进行优化(Sedighi et al.， 2012; Murugesan et al.， 2009).

2.3 吸附等温模子

选定Langmuir等温吸附模子对黑木耳菌糠吸附铜离子的考研数据进行拟合(夏畅斌等，2011).把柄反应面分析扫尾配制运行浓度为10、25、50、75、100、125、150 mg · L-1的铜离子溶液100 mL，颐养pH 7.0，加入菌糠31.6 g · L-1，至25 ℃、150 r · min-1的摇床中吸附134 min.Langmuir 等温吸附方程:

式中，qe为重金属均衡吸附容量(mg · g-1)；qmax为表面富有吸附容量(mg · g-1)；Ce为吸附均衡时溶液中铜离子浓度(mg · L-1)；b为Langmuir方程吸附均衡常数(L · mg-1).

策画吸附率(R)和吸附容量(Q)，公式为：

足交telegram

式中，C0为铜离子运行质地浓度(mg · L-1)；C1为铜离子剩余质地浓度(mg · L-1)；v为铜离子溶液体积(0.1 L)，m为菌糠投加量(g). 2.4 吸附机理

将吸附前后的菌糠，折柳用戊二醛固定，乙醇脱水，喷金后在扫描电镜上不雅察菌糠的名义结构，运用EDX(energy dispersive X-ray analysis，QuANTA200型，好意思国FEI)进行元素分析.

将吸附前后的菌糠样品及KBr(光谱纯)干燥处理，傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR，ALPHA-T型，德国布鲁克)分析菌糠名义官能团变化，扫描限度4000～400 cm-1(潘响亮等，2005).

X射线衍射仪(XRD，D/max2200型，日本理学)分析菌糠吸附剂吸附前后的晶型结构变化.操作条目为：Cu Kα放射源，2θ扫描区间5°~80°，扫描速率4° · min-1，步距0.02°，波长0.154 nm，电压40 kV，电流30 mA(Reddy et al.， 2012).

3 扫尾与分析(Results and analysis) 3.1 反应面优化反应条目

单因素考研扫尾标明，当吸附剂投加量为30 g · L-1、pH 7.0、运行浓度75 mg · L-1、吸附时分120 min、温度25 ℃、转速150 r · min-1，吸附遵循最好，吸附率为77.96%.PB 考研中式投加量、pH、运行浓度、吸附时分、温度、转速为变量，吸附率为反应值，查考各因素对模子的显贵情况.每个因素分上下两个水平，以单因素考研的最好条目为高水平；以最好条目低一个梯度的水平为低水平，笃定考研的显贵条目，即投加量25 g · L-1、pH 6.0、运行浓度50 g · L-1、 吸附时分90 min、温度20 ℃、转速120 r · min-1.由表 1知投加量、吸附时分、pH为显贵因素.由表 2可见，失拟性不显贵，变异统统(C.V.)值为0.89%较低，模子p值＜0.05，显贵，考研数据有用(Yetilmezsoy et al.， 2009; Yin et al.， 2011)，用Design-Expert8.05b进行归来分析及归来拟合，取得反应值Y与因子A、B、C之间的归来方程：

式中，A代表投加量(g)；B代表吸附时分(h)； C代表pH. 表1 PB考研扫尾过甚显贵性分析 Table 1 Results of PB and significance analysis 表2 反应面二次模子方差分析 Table 2 ANNA of RSM quadratic mode

对方程求一阶倒数，取得最好条目是菌糠投加量31.6 g · L-1，吸附时分134 min，pH 6.99(因为现实操作中讳饰易铁心，是以最优条目按pH=7.0处理)，吸附率可达80.51%，在此条目的基础上进行考研考证，平均值为80.32%，与表面值特殊接近.比单因素最好条目的吸附率提升了2.55%.

投加量过少，菌糠名义的活性基团数目有限，不行充分吸附铜离子，当投加量加多至31.6 g · L-1时，不错充分吸附铜离子，吸附率最高，卓越31.6 g · L-1，吸附剂脱手堆积，使菌糠之间粘连，导致吸附剂的净名义积减小，进而Cu2+的吸附率缩短.pH值低于7.0时，H+含量较高，导致H+和Cu2+竞争生物剂上的联结位点(全桂静和金姬，2009；Kumar and Porkodi， 2007; Nuhoglu et al.， 2002).pH大于7.0时会产生Cu(OH)2千里淀影响吸附率，是以，考研最高pH设为7.0(Blázquez et al.， 2012).跟着吸附时分的延伸，菌糠对铜离子的吸附率先增大后减小，在134 min时完成吸附，0~30 min技巧是一个快速吸附经由，主要发生在中、高亲和力的吸附位点上；而30~134 min速率放慢，吸附主要发生在低亲和力的吸附位点上；在134 min吸附率达到最大后，菌糠名义的吸附位点富有，亲和力较低的吸附位点上的铜离子脱离下来，发生解吸附，吸附率下落(吴珊等，2012).

通过Design-Expert8.0.5b软件分析，取得各因素之间互相影响的反应面弧线图，如图 1所示.

图 1 三维曲面和等高线图 Fig. 1 3D surface and contour 3.2 Langmuir等温吸附方程

吸附均衡所得数据用Langmuir方程进行拟合，取得的吸附等温线见图 2，评释菌糠吸附剂对铜离子的吸附容量qe与均衡浓度Ce的双倒数呈线性考虑，拟合遵循邃密，相宜单分子吸附模子(赵振国，2005).

图 2 qe与Ce的双倒数 Fig. 2 1/qe and 1/Ce curve 3.3 菌糠名义表征 3.3.1 扫描电镜分析

菌糠吸附前后扫描电镜不雅察扫尾如图 3所示.吸附前(图 3a)菌糠名义可见纵向切面的导管腔过甚上蓬松的菌丝，菌丝与木屑之间疏松多孔，散乱有致拳交 扩张，提供较大的吸附面积.吸附后(图 3b)，木屑的导管腔管壁变薄，且可见显着腐蚀景象，标明永劫分浸泡、飘零导致细胞壁不同进度壅塞，菌丝体变得缜密，且千里积在闲逸之间，使菌糠名义变得缜密结实，鸠合情景邃密不易再进行吸附.从吸附前后的变化不错测度，存在物理吸附行径，而物理吸附主要靠比名义能来罢了(卢欢亮等，2008).菌糠上，木屑与木屑之间，木屑名义自己，木屑与菌丝体之间王人是多微孔，比名义积很大，好像慷慨物理吸附，何况在微孔中，吸附分子受到周围孔壁的叠加互相作用，吸附势能高于单一的平面吸附.

图 3 吸附前后扫描电镜下菌糠名义特征(a. 吸附前，b. 吸附后) Fig. 3 Characteristics of substrate surface under SEM(a)before and (b)after biosorption 3.3.2 EDX能谱分析

菌糠吸附铜离子前后的X射线能谱图见图 4，多样元素的质地等到原子比见表 3.吸附前(图 4a)铜元素谱线峰处莫得摄取峰，但从表 3中可见有微细的摄取值，可能是因为食用菌生永劫需要微量元素，也可能是浇灌食用菌的水中含有微量铜离子所致.吸附后(图 4b)，铜元素谱线峰处出现摄取峰，铜元素的质地和原子比重折柳比吸附前加多10.19%和3.24%(表 3)，标明菌糠名义络合了铜离子.菌糠吸附铜离子后氧元素原子比重加多(表 3)，可能是发生了氧化反应，菌丝体滋长所需的Na、Mg、Al、Ca元素在吸附后比吸附前原子比重下落，Cu元素原子比重加多，标明菌糠名义存在离子交换.Mg、Ca元素在吸附后质地和原子比重比Na、Al元素下落急陡，可能是Mg、Ca和Cu元素王人为+2价离子，相比容易发生离子交换.Chojnacka等(2005)在辩论蓝绿螺旋藻吸附Cr3+，Cd2+和Cu2+时也报说念了离子交换作用在吸附时起到的重要作用.

图 4 菌糠吸附前后的X射线能谱分析 Fig. 4 EDX analysis of substrate before and after biosorption 表3 菌糠吸附前后的X射线能谱分析 Table 3 EDX analysis of substrate before and after biosorption 3.4 红外考研分析(FTIR)

将吸附铜离子前后的两种菌糠，进行红外光谱分析，扫尾见图 5.菌糠摄取峰主要集会在—OH/—NH、C O、C—O等处，3415.40 cm-1、3360.11 cm-1处为—OH/—NH伸缩振动峰(Boddu et al.， 2008)，吸附后摄取峰波数变化，标明—OH/—NH在吸附铜离子时发生反应，联结能谱分析扫尾，测度是氨基发生氧化作用，因为氨基活性大、极易被氧化成氮氧化合物；1631.80 cm-1、1646.18 cm-1为C O伸缩振动摄取峰(Chen et al.， 2012)，峰值吸附前后出动14.38 cm-1，标明羰基在吸附时发生反应；1238.00 cm-1、1243.58 cm-1是富有脂肪酸的摄取峰，吸附后比吸附前出动5.58 cm-1，标明羧基在吸附时与铜离子发生配位反应；1507.58 cm-1为单环芳烃的C C伸缩振动峰，在吸附铜离子后，出现1462.68 cm-1C—H周折振动摄取峰(张永忠，2008)，可能是芳烃环发生氧化，生成C—H键.可见菌糠吸附铜离子时起作用的有氨基、羟基、羰基、羧基和单环芳烃C C键，真菌细胞壁的几丁质和木屑的纤维素及多糖上富含这些基团.Gilbert等在用番木瓜种子吸附Pb2+和Cd2+时，也报说念了氨基、羟基、羰基和羧基在吸附时的配位作用(Adie et al.， 2011).

图 5 菌糠吸附铜离子前后的红外光谱(a. 吸附前; b. 吸附后) Fig. 5 FTIR Spectrometer of substrate(a)before and (b)after Cu2+ biosorption 3.5 X射线衍射分析(XRD)

由图 6 XRD图谱可知，在吸附前的能谱图上莫得出现铜元素的衍射峰，吸附后出现铜元素的衍射峰.把柄X射线衍射旨趣，通盘物相无论处于何种情景王人有其相应情景下的衍射特征弧线，结晶质的衍射峰犀利，而非晶质的峰显着宽化.从图中不错看出吸附后比吸附前多出好多犀利的摄取峰，菌糠吸附铜离子后出现了结晶态，由MDI Jade5.0软件检索分析，对照JCPDS PDF Card No.420663，衍射峰主淌若铜元素谱线峰，其主要要素为Cu(NH3)3NO3，标明Cu2+与黑木耳菌糠中氨基发生配位络合反应，吸附前溶液中莫得铵根离子，吸附后出现铵根及硝酸根离子，联结红外光谱分析发现氨基在吸附时发生了反应，愈加笃定氨基的络合反应，另有—OH、C—O—O、C—H等基团为铜离子的吸附提供了联结位点.

图 6 菌糠吸附铜离子前后的X射线衍射图(a. 吸附前; b. 吸附后) Fig. 6 X-ray spectra of mushroom substrate(a)before and (b)after Cu2+ biosorption 4 论断(Conclusions)

1)黑木耳菌糠吸附铜离子的最好单因素条目是菌糠投加量30.0 g · L-1、pH 7.0、Cu2+运行浓度75 mg · L-1、吸附时分120 min、温度25 ℃、转速150 r · min-1，吸附率77.96%，优化后菌糠投加量31.6 g · L-1，吸附时分134 min，pH 7.0，吸附率可达80.51%，比单因素吸附率提升2.55%，吸附铜离子的模子相宜Langmuir等温吸附方程，吸附遵循显贵，可算作新式离子吸附剂的邃密材料，还不错达到“以废治废”的方向.

2)黑木耳菌糠的菌丝体与木屑之间疏松多孔，散乱有致，容易进行物理吸附.菌糠吸附铜离子时菌糠名义的羟基、氨基、羰基、羧基和单环芳烃C C键与铜离子发生配位络配合用、铜离子和菌糠名义的Mg、Ca等金属离子发生离子交换反应.