《Environmental Technology & Innovation》：Chemically tailored high-performance cationic yeast for improved harmful oxyanions adsorption: Preparation and characterization
编辑推荐：
本研究开发了一种新型酵母衍生材料，用于高效去除含氧阴离子。研究人员利用缩水甘油基三甲基氯化铵（glycidyltrimethylammonium chloride, GTMAC）在酵母细胞壁上引入了大量阳离子季铵基团，成功制备了阳离子酵母（cationic y
本研究开发了一种新型酵母衍生材料，用于高效去除含氧阴离子。研究人员利用缩水甘油基三甲基氯化铵（glycidyltrimethylammonium chloride, GTMAC）在酵母细胞壁上引入了大量阳离子季铵基团，成功制备了阳离子酵母（cationic yeast, C-yeast）。实验结果表明，该材料在10分钟内对硒酸盐（selenate）的吸附量达到1.65 mmol/g，同时对亚硒酸盐（selenite）、砷酸盐（arsenate）和铬酸盐（chromate）的吸附量均超过1 mmol/g。该研究为开发基于微生物的含氧阴离子吸附剂提供了重要见解。
研究背景与科学问题
环境中存在的某些金属和类金属元素即使浓度较低也具有毒性，对人类健康和环境构成严重威胁。现有的废水处理方法如化学沉淀、离子交换、膜过滤、吸附和电化学处理各有优缺点，亟需开发更高效、可持续且环境友好的处理技术。吸附法因其操作简便、可利用低成本的生物质吸附剂而备受关注。微生物生物质如细菌、酵母、真菌和藻类等因天然丰富、成本低廉、可再生且副产物无害而被广泛研究作为生物吸附剂。然而，传统酵母对硒等有害含氧阴离子的本征吸附能力较低，限制了其实际应用。
为解决这一问题，研究人员提出通过化学修饰增加酵母表面正电荷密度，从而增强其对带负电荷的含氧阴离子的静电吸附能力。具体而言，研究人员选择啤酒酿造工业副产物——酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为基质，利用多糖类物质（如β-葡聚糖和甘露聚糖）可与缩水甘油基三甲基氯化铵发生醚化反应的特性，将季铵阳离子基团共价引入酵母细胞壁，制备阳离子酵母，以期实现高效去除硒酸盐、亚硒酸盐、砷酸盐和铬酸盐等有毒含氧阴离子的目标。
主要关键技术方法
研究人员采用以下关键技术方法开展研究：1）利用扫描电子显微镜（SEM）观察酵母形态变化；2）通过氯元素含量分析测定阳离子基团的引入量；3）采用Zeta电位测量评估酵母表面电荷变化；4）利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认化学修饰及离子结合情况；5）通过BET比表面积分析测定材料的比表面积；6）采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）和离子色谱仪分别测定硒、铬、砷和硫等元素的浓度；7）运用Langmuir和Freundlich等温吸附模型拟合吸附数据并进行非线性回归分析。
研究结果
3.1 阳离子酵母的制备及其材料性质
研究人员将商品干面包酵母经纯水洗涤、冻干后，先用70%乙醇固定细胞，再与GTMAC、水和氢氧化钠混合，于45°C反应20小时，成功制备了阳离子酵母。反应后酵母回收率约为初始质量的29%。氯元素分析显示阳离子酵母中氯含量约10.5%（约3.0 mmol/g干重），而未经修饰的酵母几乎不含氯，表明阳离子基团成功引入。Zeta电位从负值转为正值，进一步证实表面正电荷增加。FTIR谱图中在约1480 cm?1处出现了GTMAC衍生的甲基对称弯曲振动特征峰，确认了化学修饰。SEM图像显示阳离子酵母表面更光滑、细胞聚集程度更高，可能源于碱性条件下细胞壁部分组分溶解。比表面积由1.05 m2/g略微增至1.37 m2/g，变化不显著。
3.2 硒酸钠吸附性能评价
以100 ppm硒酸钠溶液进行吸附测试，未修饰酵母的吸附率仅约7%，而阳离子酵母大幅提升至约65%。在10分钟即可达到近平衡吸附，动力学数据符合准二级动力学模型，计算平衡吸附量为2.1 mmol/g。在10 ppm和1 ppm低浓度溶液中，阳离子酵母可有效将残留硒浓度降至0.08 ppm和低于0.05 ppm，均低于日本一般排水标准0.1 ppm。储存稳定性研究表明，在冷冻（-18°C）条件下保存三个月内吸附性能无明显下降。
3.3 硒酸盐的解吸与再吸附
研究人员利用0.2 M NaOH溶液进行解吸，首次循环解吸率为69.6%。经过五次吸附-解吸循环，前三次循环的吸附率保持稳定，第四次和第五次略有下降，而解吸率则随循环次数增加而升高，可能与难解吸位点逐渐被占据、易解吸位点比例增加有关。
3.4 对多种含氧阴离子的吸附性能评价
阳离子酵母对六种含氧阴离子的吸附量排序为：硒酸盐1.65 mmol/g > 铬酸盐1.35 mmol/g > 砷酸盐1.29 mmol/g > 亚硒酸盐1.26 mmol/g > 硫酸盐1.12 mmol/g，而对亚砷酸盐无显著吸附，原因在于亚砷酸的第一pKa值较高（9.1），在实验条件下电离程度低。与其他生物吸附剂相比，阳离子酵母对硒酸盐和亚硒酸盐的吸附量处于较高水平，甚至可与离子交换树脂相媲美。
3.5 吸附机理分析
阳离子化使酵母对硒酸盐的吸附量增加了约1.47 mmol/g，而引入的阳离子基团量约为2.97 mmol/g。按二价硒酸盐计算，吸附的负电荷量约为2.94 mmol/g，与阳离子基团增量接近，表明静电吸引和电荷中和是主要吸附机制。FTIR分析显示，结合硒酸盐或铬酸盐后，1480 cm?1处甲基特征峰强度减弱，同时在1380 cm?1附近出现强吸收峰，进一步证实了季铵基团与含氧阴离子之间的离子键形成。Langmuir等温模型的拟合效果优于Freundlich模型，估算最大吸附量为152 mg/g，与实验最高值130 mg/g接近。
3.6 阴离子对吸附的抑制作用
硫酸根、碳酸氢根、磷酸根和氯离子均对硒酸盐吸附产生抑制，其中硫酸根的抑制作用最强，在摩尔比为1:1时即导致约40%的抑制率。硼酸根由于在实验条件下主要以非电离形式存在，未表现出抑制作用。硫酸根与硒酸根结构相似且pKa值相近，可能是其竞争吸附能力较强的原因。
3.7 合成废水中硒的去除
模拟面粉生产废水（含硒368 ppm、硫酸根243 ppm、氯离子485 ppm等）的实验表明，随着阳离子酵母用量增加，硒去除率逐步提高，加入50 mg酵母可实现约80%的去除率，证明该材料在复杂废水基质中仍具有良好的应用潜力。
讨论与结论
研究结果表明，通过对酵母进行阳离子化修饰，可显著提高其对多种有害含氧阴离子的吸附能力。吸附过程快速、可逆，且材料可通过碱液再生重复使用。虽然硫酸根等共存阴离子会竞争吸附位点，但在模拟实际废水的条件下仍能实现高效去除。研究人员认为，啤酒酿造过程中产生的废弃酵母可作为廉价原料，通过简单的化学修饰即可转化为高效的含氧阴离子吸附剂，这一策略有望推动生物质吸附剂的实用化进程。此外，未来若能将回收的硒用于酵母合成硒纳米颗粒，将进一步提升该技术的资源化价值。
