从卡马西平中提取微生物絮凝剂的絮凝效果及机理肺炎克雷伯菌j - 1

摘要

微生物絮凝剂(MFX)的提取肺炎克雷伯菌用J1去除废水和生活污水中的卡马西平。研究了影响絮凝的因素和絮凝机理。MFX去除卡马西平的最佳条件为pH 7 ~ 8、絮凝剂7 mL、混凝剂0.1 mL、35℃，去除率可达81.75%。MFX对生活污水(75.03%)和二沉池污水(69.76%)中卡马西平的去除率均较好。拟一阶动力学方程比拟二阶动力学方程更能拟合吸附过程，说明吸附不是单纯的化学吸附。絮体大小分析表明，弱碱性条件下卡马西平与MFX之间的排斥力减弱，有利于絮体的生长和一致性，提高卡马西平的去除率。足够剂量的MFX可以产生较大的絮凝体，但过量剂量的MFX会因为静电斥力的增加而降低卡马西平的去除率。3D-EEM和FTIR分析表明，MFX中的羟基、氨基和羧基对卡马西平的脱除起重要作用。MFX是一种环保高效的微生物絮凝剂，在去除卡马西平中具有实际应用潜力。

1.简介

卡马西平(CBZ)是一种典型的药物和个人护理产品(PPCP) [1- - - - - -3.]，是治疗癫痫、抑郁症、舌咽神经痛、三叉神经痛、中枢性部分尿崩症的药物[4］．毒理学实验表明，卡马西平的LD50为4205 mg/kg(大鼠)。自1998年起在污水处理站检测到卡马西平，近年来发现卡马西平在水中的浓度高于其他PPCPs [5］．卡马西平广泛存在于城市污水厂的污水、地表水和土壤中。卡马西平最终可能通过环境迁移和转化进入饮用水和地下水[3.，6］．

从卡马西平在环境中的污染状况可以看出，迁移改造后的卡马西平广泛存在于各种环境介质中，且具有良好的稳定性和持久性，使其能够长期存在于环境中[7，8］．因此，在PPCP污染物的研究中，提高卡马西平的去除效率迫在眉睫。

微生物絮凝剂(MFX)从微生物中提取，广泛存在，无毒环保[9- - - - - -11］．MFX中含有大量的化学基团(如羟基、羧基、氨基等)，使MFX与污染物具有良好的结合能力，具有良好的絮凝效果[12- - - - - -15］．除了去除废水的浊度外，MFX还可以处理含有重金属的废水[16- - - - - -18]和抗生素[19- - - - - -21］．由于MFX没有二次污染，是最有前途的废水处理材料之一[22］．

到目前为止，对MFX的研究大多采用制备好的溶液来研究MFX的去除效果。实际上，实际废水中的成分要比配制好的溶液中的成分复杂得多[23］．实际废水中还有许多其他污染物，这些污染物会与卡马西平形成竞争，从而降低MFX对卡马西平的去除效率。因此，除制备好的溶液外，在实际废水中进行去除卡马西平的实验也很重要。

本研究采用MFX去除废水中的卡马西平。在不同的条件下(pH、MFX投加量、混凝剂投加量、温度)对卡马西平的去除率进行了测试。结合MFX在生活污水和二沉池废水中的实际应用，研究了MFX对卡马西平的去除效果。研究了卡马西平的吸附动力学及絮凝机理。

2.材料与方法

2.1.材料和试剂

MFX的提取肺炎克雷伯菌J1 (CGMCC No. 6243)在我们之前的工作中有描述[19］．简而言之，J1接种后发酵产生MFX。MFX采用醇提法提取，超纯水透析纯化。真空冷冻干燥得到干燥后的MFX粉末，4℃保存。

卡马西平,CaCl₂，制备MFX所用试剂购自百菱威科技有限公司。超纯水(18mΩ/cm, milliq)，分析级试剂。

2.2.间歇吸附实验

将卡马西平溶解于超纯水中制备卡马西平原液(5mg /L)， 4℃保存备用。适当稀释卡马西平原液，得到实验溶液。MFX (1 g/L)和助凝剂(CaCl₂， 10%)加入初始卡马西平溶液(1 mg/L, 1 L)。絮凝搅拌一段时间后，静置20 min。吸附后，MFX分离0.45μ采用高效液相色谱法(HPLC, Shimadzu, LC-10A (SPD/RID/RFD)，日本)测定卡马西平的浓度。所有实验数据均为三次测量的平均值。吸附量( ，MFX法计算卡马西平的mg/g): 在哪里而且分别为卡马西平初始浓度和平衡浓度(mg/L)，卡马西平操作液的体积为L，为MFX的剂量(g)。

应用MFX吸附卡马西平于哈尔滨太平污水处理厂生活污水和二次沉淀池污水中。吸附过程与卡马西平溶液的吸附过程相似。不同的是，生活污水和二次沉淀池污水中卡马西平的浓度远低于配制好的卡马西平溶液;因此，采用乙酸乙酯液-液萃取对样品进行预处理。即在过滤后的上清液中加入等量的乙酸乙酯，摇10分钟，静置分层。提取上清液，摇5min，静置分层。提取上清液。收集的上层液经旋转蒸发和氮气吹除后，用色谱级甲醇重溶。用高效液相色谱法(HPLC, Waters, USA)测定卡马西平的浓度。每个样品制备三个平行样品。 Carbamazepine (20 μg/L)为标准样品，测定加标物的回收率。

2.3.吸附动力学

采用伪一阶和伪二阶动力学模型讨论了MFX对卡马西平的吸附动力学。卡马西平初始浓度为pH = 7，与氯化钙混合₂(0.1 mL, 10%)作为助凝剂。吸附时间分别为5、10、15、20、30、40、50、60 min。中显示了动力学模型的伪一阶和伪二阶 在哪里而且为平衡吸附量和某时刻的吸附量，分别为(mg/g)，是吸附时间(min)，和而且分别为伪一阶和伪二阶动力学模型的速率常数。

2.4.卡马西平在MFX上的吸附机理分析

采用颗粒仪(Malvern MS2000, UK)监测不同微生物絮凝剂的生长情况，计算絮凝体在吸附过程中的生长速率。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR, Perkin-Elmer光谱100)测定了官能团。采用三维荧光分光光度法(3D-EEM, FP6500, JASCO, Japan)获得EEM光谱，在220 ~ 650 nm范围内扫描发射光谱，改变激发波长220 ~ 500 nm，获得荧光响应。通过在MFX溶液中加入卡马西平完成荧光猝灭，来评估吸附特性。

3.结果与讨论

3.1.影响MFX去除卡马西平效果的因素

一般来说，要评价MFX的吸附能力，需要在不同的条件下测试一种污染物的去除效率。本研究通过改变pH值、MFX投加量、助凝剂投加量、温度等条件，研究了MFX对卡马西平的吸附性能。

3.1.1.pH值

pH值是吸附过程中的一个重要参数。pH值不仅影响MFX的官能团，还影响卡马西平的表面电荷[24，25］．MFX对卡马西平的去除率在 -10，结果如图所示1(一)．MFX对卡马西平的去除率明显提高 来 从 来 ．MFX在酸性条件下对卡马西平的去除效果较差。在 ，去除率仅为5.14%。而在非酸性条件下，卡马西平去除率更好。在 ，MFX的卡马西平去除率最高(65.26%)，在 -10年。这表明酸性和过碱性条件都不适合用MFX脱除卡马西平。这是因为pH条件的改变改变了MFX和卡马西平表面电荷的数量和性质，过酸和过碱的条件会削弱中和作用，阻碍MFX和卡马西平的聚集反应[20.］．因此，MFX脱除卡马西平的最佳pH范围为7-8。

3.1.2.MFX用量

MFX的用量是影响卡马西平去除率的另一个重要因素[26］．加入不同剂量的MFX后，测试MFX对卡马西平的去除率，结果如图所示1 (b)．卡马西平去除率随MFX用量的增加而降低，但随用量的增加而增加。MFX用量为7 mL时效果最佳，去除率最高为73.06%。卡马西平加入MFX 9 mL时，去除率呈下降趋势。这是因为当MFX用量较低时，即使MFX达到吸附饱和，MFX的量也不足以去除卡马西平。但当剂量过高时，过量的MFX会影响整个系统的电荷性质，破坏电荷平衡，从而降低卡马西平去除率。这一结果与其他研究的结果相似[27］．

3.1.3.助凝剂用量

助凝剂可以通过调节体系的电荷特性来改善絮凝条件[21］．在本研究中，CaCl₂作为助凝剂加入，不同剂量助凝剂对MFX的卡马西平去除率如图1 (c)．的CaCl₂样品1 ~ 6的剂量分别为0 mL、0.1 mL、0.3 mL、0.5 mL、1 mL和1.5 mL。可以看出，在不添加凝固剂的情况下，MFX对卡马西平的去除率为54.73%，证明MFX单独对卡马西平的去除率是可以的。当用量为0.1 mL时，卡马西平去除率增加，达到最大去除率77.17%。但是，随着CaCl的增加₂用量方面，卡马西平去除率逐渐降低。这是因为MFX通过大分子间的吸附桥接去除了卡马西平，而助凝剂可以通过调节体系的电荷性质来加强吸附桥接。但是，过量的助凝剂会引入过多的正电荷，这些正电荷结合在MFX中带负电荷的吸附位点上，阻碍卡马西平与MFX的连接。因此，助凝剂的最佳投加量需要通过吸附实验来确定。本研究的最佳用量为0.1 mL。

3.1.4.温度

温度是影响MFX去除卡马西平效率的另一个重要因素[26］．数字1 (d)分别为MFX在15°C、20°C、25°C、30°C和35°C时卡马西平去除率。可以看出，去除率随着温度的升高而增加。在15℃时去除率仅为22.06%，而在35℃时去除率提高到81.75%。一般来说，适当的温度升高可以加速分子之间的随机运动，从而增加分子之间的碰撞概率，增加MFX对卡马西平的去除率。但过高的温度会导致MFX失活，降低卡马西平去除率[28］．在这项研究中，MFX在35°C时表现最好，这表明MFX即使在35°C也有效。

综上所述，MFX去除卡马西平的最佳条件为pH 7 ~ 8，絮凝剂7 mL，混凝剂0.1 mL, 35℃。去除率达81.75%。

3.2.从生活污水中去除卡马西平

上述实验证明，MFX对制备的卡马西平溶液(1 mg/L)具有良好的卡马西平去除率。但是，生活污水中卡马西平的浓度通常在几十到几百μg / L。此外，生活污水中的成分比配制好的卡马西平溶液复杂得多[23］．虽然生活污水中含有大量有利于絮凝体形成的悬浮固体胶体颗粒，但卡马西平与其他成分争夺MFX上的吸附位点会导致卡马西平去除率下降。数据2(一)和2(二)显示生活污水及二沉池污水的去除率。可见，MFX在生活污水(75.03%)和二沉池出水(69.76%)中对卡马西平的去除效果均较好，说明MFX对卡马西平的去除效果较好。

3.3.吸附动力学

吸附动力学是研究吸附机理的重要内容。动力学通过描述吸附速率来分析吸附时间对污染物吸附的影响，进而探讨吸附机理。通常用一阶、二阶、伪一阶和伪二阶动力学方程来分析吸附动力学。在本研究中，MFX和卡马西平是吸附过程中的反应物。根据MFX的特点和各动力学方程的适用范围，选取伪一阶和伪二阶动力学方程拟合实验数据。

在一阶动力学中，反应速率仅与一种反应物的浓度成正比，而在伪一阶动力学中，反应速率与吸附剂和吸附质的浓度有关。当一种物质的浓度远大于另一种物质时，就表现出一级动力学反应的特征[29，30.］．

数据3.(一)和3.(b)拟一阶和拟二阶动力学方程拟合结果。表格1显示了这些动力学方程的参数。在图3.(a)，吸附反应在20 min内达到吸附平衡，最大吸附量为每克MFX吸附62.32 mg卡马西平。在实际实验中，最大吸附量为62.99 mg/g，吸附时间为30 min，与伪一阶动力学方程预测值一致。在图3.(b)，预测吸附在60 min内未达到吸附平衡，预测最大吸附容量(66.89 mg/g, 60 min)大于实际值。此外,的值为0.976，远高于拟一阶动力学方程伪二阶动力学方程。这些结果表明MFX对卡马西平的吸附更符合准一级动力学方程。

根据其他研究，一阶动力学描述的吸附过程受物质迁移的控制。伪二阶动力学模拟二阶动力学，它描述了一个伴随电子共享或转移的化学反应。mfx拟一阶动力学对卡马西平的吸附优于拟二阶动力学，说明吸附并非纯化学吸附[17］．

3.4.卡马西平在MFX上的吸附机理

初步实验结果表明，pH、MFX投加量、混凝剂投加量、温度对MFX对卡马西平的去除率均有影响。MFX投加量和pH值是主要影响因素;因此，采用絮凝形态进一步研究了MFX去除卡马西平的机理。不同pH值/ MFX投加量下絮团粒径在不同时间的变化如图所示4．不同pH条件下的絮凝体在整个混凝过程中表现出相似的变化趋势。酸性条件下絮团形成过程缓慢，稳定阶段粒径较小。此外，没有明显的沉积作用 ．絮团形成的过程在低温条件下最快 ．当pH大于7.5时，絮凝体生长明显加快，沉降速度较快，且随pH增大变化不明显。这是因为在弱碱性条件下，MFX与卡马西平的表面电荷密度较低，可以减弱卡马西平与MFX之间的排斥力，有利于絮凝体的生长和一致性[31］．

在图4 (b)当MFX用量为2 mL时，最大絮凝粒径最小μm)，随着MFX投加量的增加，絮团粒径逐渐增大。然而，当剂量为10 mL (1235μm)时，絮团粒径较7 mL (1288 . m)时减小μm)，低剂量MFX时絮凝体生长速度较慢，稳定期维持时间较短，不利于卡马西平的脱除。这是因为剂量过低的MFX不能为卡马西平提供足够的吸附位点，MFX与卡马西平碰撞的概率较低。因此，足够的MFX用量可以产生更大的絮凝体。但MFX用量过大时，动态平衡周期短，因为过量的MFX有大量的同电荷，增加了静电斥力。在微生物絮凝剂与高岭土混凝的研究中也发现了类似的现象，这是由吸附桥接效应引起的。

为了研究卡马西平与MFX之间是否存在化学反应，采用3D-EEM和FTIR对吸附前后的样品进行了分析。数据5(一个)- - - - - -5 (c)分别为卡马西平水溶液的EEM、MFX吸附卡马西平后的沉淀和吸附后的液上清。在图5(一个)，可以看出卡马西平水溶液只有在 ．该峰属于I类(类腐殖酸区)，由典型的外源有机物引起。在本研究中，这个峰值是由卡马西平引起的[32］．在图5 (b)时，吸附后的析出相出现两个高浓度吸收峰 而且 ，它们是MFX的主要活性成分蛋白质的特征峰[20.］．在这一光谱中没有发现卡马西平的特征峰，因为卡马西平已经通过分子间作用力吸附在MFX上，并不是一个可以检测到的自由分子。在图5 (c)，吸附后上清液的光谱上可见三个明显的吸收峰。峰值在 是卡马西平的特征峰。峰值在 属于与生物来源相关的酪氨酸和苯环结构蛋白，在MFX或其衍生物的有效成分中占少量。峰值与色氨酸有关 不见了，又出现了类似黄腐酸的新峰 出现了。这个峰是MFX吸附卡马西平后的一个新峰，说明卡马西平与MFX上的色氨酸类成分发生了化学反应。

为了进一步证明卡马西平与MFX之间发生了化学反应，我们使用FTIR对卡马西平吸附前后的MFX进行了分析(图5 (d))．与吸附前MFX的FTIR光谱相比，吸附后MFX的FTIR光谱出现了一个新的峰，并伴有多峰位移。新峰出现在3590.22 cm处^－1，为羟基对应的特征峰。3309.94 cm处缔合羟基的拉伸振动引起的吸收峰^－1红移为3291.88 cm^－1，峰形变宽。这证明了羟基在MFX对卡马西平的吸附中起作用，而这是通过氢键来实现的。氨基振动在2435.06 cm处产生吸收峰^－1红移为2321.08 cm^－1，强度明显减弱。吸收峰长而窄，在1654.45 cm处^－1是羧基的特征峰，该峰蓝移至1669.71 cm^－1．最高1549.75厘米^－1由弯曲振动引起的酰胺出现了1546.45 cm的红移^－1，证明MFX蛋白中的活性氨基参与了吸附反应。长而窄的吸收峰在1080.57 cm处^－1作为糖衍生物的典型吸收峰包括C-O和C-O- c的拉伸和振动。峰红移为1047.34 cm^－1卡马西平吸附后。这些结果证明了羟基、氨基和羧基都参与了吸附反应，共同作用于MFX对卡马西平的脱除[17］．

4.结论

MFX用于去除卡马西平。MFX对生活污水和二沉池出水中卡马西平的去除效果良好。拟一阶动力学方程可以描述吸附过程。吸附过程是物理吸附和化学吸附的复合过程。MFX在碱性条件下表现最好，因为卡马西平与MFX之间的排斥力减弱，有利于絮凝体的生长和一致性。足够剂量的MFX可以产生较大的絮凝体，但过量剂量的MFX会由于静电斥力的增加而降低卡马西平的去除效率。MFX中的羟基、氨基和羧基对卡马西平的脱除起重要作用。作为一种广泛存在的无毒环保微生物絮凝剂，MFX在生活污水、卡马西平废水和自然水体中去除卡马西平具有实际应用潜力。

数据可用性

支持本研究结果的数据由通讯作者邢洁提供，应合理要求。

利益冲突

这项工作不存在潜在的利益冲突;因此，没有什么可以影响作者的客观性和行动。利益冲突，包括直接的经济关系、间接的经济关系、个人关系、学术竞争、知识激情，在这部作品中是绝对不存在的。

致谢

国家科技重大专项(2014ZX07201-012)资助。

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