保加利亚乳杆菌作为分散固相吸附剂用于水样中重金属的样品前处理应用研究

《Green Analytical Chemistry》：Applications of Lactobacillus bulgaricus (Lactic Acid Bacteria) as dispersive solid phase sorbent for sample preparation of heavy metals from aqueous samples

本研究针对水环境中痕量重金属分析中传统吸附剂成本高、选择性差的问题，开发了一种以保加利亚乳杆菌（LAB）生物质为分散固相萃取（DSPE）吸附剂的新型样品前处理技术。研究系统优化了pH、接触时间等参数，证实LAB对Cd(II)、Ni(II)、Zn(II)的吸附容量分别达120、92、105 mg/g，吸附过程符合Langmuir模型和准二级动力学模型，实际水样加标回收率达94–99%。该方法为痕量金属分析提供了经济、绿色、高效的解决方案，对环境污染监测和废水处理具有重要应用价值。

　　

重金属污染是当今全球面临的严峻环境问题，尤其是镉(Cd)、镍(Ni)、锌(Zn)等金属离子，即使痕量存在也可能对生态系统和人类健康造成严重威胁。这些金属具有持久性、生物累积性和高毒性，可通过工业废水、电子废弃物和电池生产等途径进入水环境。传统的水样中痕量金属分析方法往往需要复杂、昂贵的样品前处理步骤，而常用的吸附剂如活性炭和改性硅胶不仅成本高，还存在选择性差、能耗大、可能造成二次污染等问题。因此，开发经济、高效、环境友好的新型吸附材料已成为分析化学和环境科学领域的研究热点。

在这一背景下，研究人员将目光投向了微生物世界——特别是乳酸菌这类具有天然金属结合能力的细菌。保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）作为乳酸菌的一种，其细胞壁富含羧基、羟基、磷酸基和氨基等功能基团，这些基团可通过离子交换、络合和表面吸附等多种机制与金属离子结合。更重要的是，这类生物吸附剂具有可再生、成本低、选择性好和环境友好等突出优点。然而，以往研究多聚焦于乳酸菌在废水处理中的金属去除应用，而将其作为固相萃取吸附剂用于痕量金属分析前处理的研究仍较为缺乏。

为了填补这一空白，来自沙特阿拉伯泰巴大学化学系的研究团队在《Green Analytical Chemistry》上发表了一项创新性研究，系统探讨了利用保加利亚乳杆菌生物质作为分散固相萃取（DSPE）吸附剂，用于水样中Cd(II)、Ni(II)和Zn(II)的萃取和预浓缩。研究团队通过厌氧培养获得菌株，经离心、洗涤和冻干处理后得到干燥生物质吸附剂。采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDX)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对吸附剂进行了表征，并通过批次吸附实验系统研究了pH值、接触时间、吸附剂剂量和初始金属浓度对吸附过程的影响。研究人员运用Langmuir、Freundlich、Redlich-Peterson、Dubinin-Radushkevich和Temkin等多种等温线模型分析吸附行为，并通过伪二级动力学模型、粒子内扩散模型和Elovich模型探讨吸附机制。最后，该方法被成功应用于医院和市政废水实际样品的分析，验证了其在实际环境样品中的适用性。

主要技术方法

研究采用厌氧培养的保加利亚乳杆菌，经离心、PBS洗涤和冻干处理后获得生物质吸附剂。使用SEM-EDX和FTIR进行材料表征，通过批次吸附实验优化pH(2-9)、接触时间(5-60 min)、吸附剂剂量(0.05-0.50 g/L)和初始浓度(最高150 mg/L)等参数。吸附数据用五种等温线模型和三种动力学模型拟合，使用0.1 M HNO₃作为洗脱剂，最终通过ICP-OES进行金属含量测定。实际样品来自沙特阿拉伯麦地那的医院和市政废水。

3.1. 结构和光谱表征

通过SEM、EDX和FTIR分析表明，冻干处理后的LAB生物质表面变得粗糙多孔，有利于金属吸附。EDX光谱清晰显示了Cd、Ni、Zn的特征峰，直接证实了金属的生物吸附作用。FTIR光谱显示在～3300 cm^-1(-OH和N-H伸缩)、～1650 cm^-1(酰胺I，C=O伸缩)、～1540 cm^-1(酰胺II，N-H弯曲)、～1400 cm^-1(-COO^-对称伸缩)和～1050 cm^-1(C-O和P-O伸缩)等处的吸收峰在金属吸附后发生位移和强度变化，表明羟基、羧基和酰胺基团直接参与了金属配位过程。

3.2. 吸附优化、动力学和等温线建模

系统研究了接触时间、pH值、初始浓度和吸附剂剂量等参数对吸附过程的影响。研究发现最佳pH范围为5.5-7.0，其中Zn(II)在pH 7时的吸附率达到86.5%，Cd(II)在pH 3-8范围内吸附率变化不大(83.5%至89.1%)，最高吸附容量出现在pH 5。吸附容量随初始金属离子浓度增加而线性增加，在150 mg/L时开始出现轻微弯曲，表明吸附位点接近饱和。

等温线研究表明，Langmuir模型最能描述吸附过程，表明在LAB生物质均匀位点上发生了单层吸附。Cd(II)、Zn(II)和Ni(II)的最大吸附容量分别为120、105和92 mg/g。Freundlich常数n值在0.36-0.52之间，表明吸附过程有利于进行。Dubinin-Radushkevich模型计算的吸附自由能E值在151.75-432.13 J/mol之间，表明化学吸附机制主导整个过程。

动力学研究显示伪二级模型最适合描述吸附数据，表明化学吸附是速率控制步骤。Ni(II)、Cd(II)和Zn(II)的平衡吸附量分别为30.98、45.54和42.09 mg/g，RMSE值极低(0.0009-0.0065)，表明模型拟合良好。

3.3. 干扰研究

研究表明，LAB生物质对Cd、Zn、Ni具有高选择性，即使在高浓度Na⁺、K⁺(500倍)、Ca²⁺、Mg²⁺(100倍)等共存离子存在下仍保持97%以上的回收率。过渡金属离子(Mn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺)会产生中等干扰，使回收率降至91-94%，这反映了在功能位点上存在的竞争性结合。

3.4. 洗脱剂对解吸过程的影响

评估了0.1 M HCl、0.1 M HNO₃和0.1 M EDTA等洗脱剂的解吸效率。0.1 M HNO₃被证明是最有效的洗脱剂，能够从生物质中洗脱约97.7%的金属离子，为后续分析提供了高效回收保障。

3.5. LAB生物质用于金属的SPE应用

将LAB生物质应用于医院和市政废水实际样品的分散固相萃取前处理，表现出优异的分析性能。方法检测限(LOD)为0.00033-0.0032 mg/L，定量限(LOQ)为0.0011-0.011 mg/L，远低于世界卫生组织(WHO)的指导限值。线性动态范围为LOQ至10 mg/L，预浓缩因子接近理论值(8.97-9.31 vs. 10)。实际样品加标回收率在94.4%-99.8%之间，RSD小于1.2%，表明方法具有高精度和准确性。

结论与意义

本研究充分证明了保加利亚乳杆菌生物质作为一种高效、经济、环境友好的生物吸附剂，可用于水样中痕量重金属的分散固相萃取前处理。系统研究表明，LAB生物质对Cd(II)、Ni(II)和Zn(II)具有优异的吸附性能，最大吸附容量分别达到120、92和105 mg/g。吸附过程符合Langmuir等温线模型和伪二级动力学模型，表明主要是化学吸附机制在起作用。FTIR分析证实羟基、羧基和酰胺基团是主要的金属结合位点。

该方法在实际废水样品中表现出高选择性和高回收率，即使在高浓度共存离子存在下仍能保持优异的分析性能。与传统的活性炭和改性硅胶吸附剂相比，LAB生物质具有成本低、可再生、选择性好和不需复杂化学修饰等突出优势。研究的创新点在于将乳酸菌生物吸附剂的应用从传统的废水处理领域扩展到了分析化学的样品前处理领域，为痕量金属分析提供了一种绿色的替代方案。

这项研究不仅为环境监测提供了一种新型、高效的样品前处理技术，也为微生物生物质在分析化学中的应用开辟了新途径。未来研究可以进一步探索不同乳酸菌菌株组合对汞(Hg)、砷(As)等有毒重金属的提取/去除能力，从而扩大生物吸附剂在环境修复和痕量元素分析中的应用范围。随着对绿色分析化学需求的日益增长，这种基于天然材料的吸附技术将在环境监测和污染控制领域发挥越来越重要的作用。