固定化重组金属硫蛋白对镉和铜离子的吸附研究

发布时间：2020-07-05 12:03

【摘要】：环境污染导致的食品重金属安全问题严重威胁着人体的健康。在生态环境中,降解重金属离子困难,重金属离子在食物链中不断累积,导致食品重金属含量超标,且在食品生产加工、贮存运输过程中会出现重金属的二次污染,金属污染成为影响中国食品质量和安全的主要原因之一。因此建立有效的重金属检测和去除的方法,对于食品安全具有重要意义。金属硫蛋白能够有效螯合重金属离子,并且不同的金属硫蛋白在进化过程中获得螯合不同重金属离子的能力。嗜热四膜虫具有5种不同的金属硫蛋白,能够有效螯合Cu~(2+)和Cd~(2+),是去除重金属方面的研究热点。固定化技术的花费低,具有较好的吸附性能和吸附效率,并且在处理过程中不会污染环境。本文采用海藻酸钠-聚乙烯醇-二氧化硅作为载体材料,制备包埋有重组嗜热四膜虫金属硫蛋白的固定化球体,并探究其吸附重金属离子的性能。获得主要结果如下:1.选定海藻酸钠浓度为2%、氯化钡浓度为3%、二氧化硅用量为5 mg/mL。采用单因素试验和正交试验,以成球情况和重金属离子吸附量为参考指标,得到制备用于吸附镉离子的固定化球体的条件为:聚乙烯醇1%、硼酸1%、20 mg/mL重组金属硫蛋白MTT1大肠杆菌,镉离子吸附量为7.53 mg;固定化球体吸附铜离子的制备条件为:聚乙烯醇2%、硼酸1%、20 mg/mL重组金属硫蛋白MTT2大肠杆菌,铜离子吸附量为7.44 mg。2.分别以重组金属硫蛋白MTT1、MTT2、MTT5、TM1、TM2,重组GST标签等6种菌制备固定化球体,并同时制备对应的固定化破碎菌体小球,进行吸附Cd~(2+)、Cu~(2+)实验。结果表明,固定化重组金属硫蛋白MTT1具有更好的镉离子吸附性能,固定化重组金属硫蛋白MTT2具有更好的铜离子吸附性能。固定化破碎菌体的小球吸附重金属离子的能力显著高于固定化完整菌体小球,其中固定化重组金属硫蛋白MTT1破碎菌体小球的镉离子吸附量达到7.45 mg;固定化重组金属硫蛋白MTT2破碎菌体小球的铜离子吸附量达到7.15 mg。3.扫描电镜观察结果表明,固定化重组金属硫蛋白硫蛋白球体表面存在大量褶皱,内部结构较为疏松,存在大量孔隙,具有较大的比表面积,有利于对重金属离子的吸附。对直径、密度、机械强度等物理特性进行表征,结果显示,固定化重组金属硫蛋白球体成形情况稳定,机械强度较高。4.从pH值、时间、重金属离子初始浓度等方面,建立了固定化球体吸附Cd~(2+)、Cu~(2+)的优化参数。分别设置梯度,进行吸附实验,结果表明,在pH值为4左右时,固定化重组金属硫蛋白球体的吸附性能较好。当pH值为4,吸附时间为4 h,重金属离子初始浓度为200μg/mL时,固定化重组金属硫蛋白球体对于Cd~(2+)、Cu~(2+)的吸附达到动态平衡状态,固定化重组金属硫蛋白MTT1破碎菌体的镉离子吸附量达到了7.95 mg,固定化重组金属硫蛋白MTT2破碎菌体的铜离子吸附量达到了7.65 mg。在吸附—解吸循环实验中,固定化重组金属硫蛋白球体显示出一定的重复利用性。5.通过拟合动力学方程发现,吸附Cd~(2+)、Cu~(2+)的准二级反应动力学的R~2分别为0.9963、0.9970,吸附过程更加符合准二级反应动力学的描述,这说明在吸附过程中,化学吸附是控制反应速率的关键步骤。拟合等温线模型的结果表明,Langmuir模型的R~2分别为0.9692和0.9395,Langmuir等温线模型适用于描述固定化重组金属硫蛋白球体对Cd~(2+)、Cu~(2+)的吸附过程,说明吸附过程是在单分子层上的吸附。总之,本实验成功制备了固定化重组金属硫蛋白球体。小球成形稳定、机械强度较高,比表面积大,具有优秀的Cd~(2+)和Cu~(2+)吸附性能,并具有一定的重复利用性,可以为重金属离子的有效去除提供理论和技术支持。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X56;TS201.6;O647.3
【图文】：

镉离子,吸附量,固定化,金属硫蛋白

图 2.2 菌浓度对镉离子吸附量的影响可以看出，包埋菌浓度的不同对 Cd2+吸附量有着显著性影响，随提高，吸附量也显著升高。但是当包埋的菌浓度大于 25 mg/mL程中溶液变浑浊，有大量絮状物从固定化球体上溶出，这可能是影响了固定化球体结构的稳定性，导致在振荡吸附过程中固定化溶液中，使溶液变得浑浊。因此，在实验过程中选取菌浓度为 1化球体的制备及重金属离子的吸附。化不同的菌种适用于处理不同的金属离子验室先前的研究中[41,42,45,46]，发现重组金属硫蛋白 MTT1、MTT2、大肠杆菌对不同的金属离子具有不同的结合能力。因此，为了探金属硫蛋白大肠杆菌对镉离子、铜离子吸附能力之间的差异，本同重组金属硫蛋白大肠杆菌的固定化球体，分别进行吸附 Cd2+和如图 2.4 所示。化破碎菌更有利于吸附

固定化,球体,对重,金属硫蛋白

图 2.3 不同固定化球体对重金属离子的吸附情况图 A 为固定化不同菌体的镉离子吸附量；图 B为固定化不同菌体的铜离子吸附量。*表示差异显著图 A 为不同固定化球体对 Cd2+的吸附情况。从图中可以看出，固定化破碎菌球体相较于固定化完整菌球体，能够显著提高对 Cd2+的吸附性能，这可能是由于将菌体破碎后，会暴露更多的吸附位点，如细胞碎片上的氨基、羧基和羟基[48]，金属硫蛋白等胞内蛋白等，且金属硫蛋白等作用蛋白能够直接与金属离子接触，有利于吸附，因此固定化破碎菌能够显著提高吸附性能。包埋有破碎的重组金属硫蛋白 MTT1大肠杆菌的固定化球体对 Cd2+的吸附性能最为显著，固定化菌种 TM1 和固定化菌种 MTT2 次之。根据 T. thermophila 金属硫蛋白的特点，可以判断，吸附结果与金属硫蛋白对镉离子的结合特性较为相符。固定化菌种 MTT2 对 Cd2+的吸附性能较好，推测可能与金属硫蛋白的表达量有关。图 B 为固定化不同球体对 Cu2+的吸附情况。从图中可以看出，固定化破碎菌 MTT2 球体对 Cu2+的吸附性能最为显著，这也与金属硫蛋白对铜离子的结合特性相似。固定化重组金属硫蛋白球体具有一定的离子选

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