摘要
稀土元素在工业、农业、军事以及高新技术产业中都是重要的材料，已经成为我国的战略性稀缺性资源。由于稀土的大规模开采和冶炼，不可避免地造成稀土离子及其化合物不断进入到土壤、水体中，从而破坏周边的土质及生态水环境系统，不仅影响生活在周围的动植物，甚至还会影响人类身体健康。因此，研发高效绿色的分离回收方法对于稀土资源利用与环境保护都十分重要。相对于化学沉淀、溶剂萃取、离子交换、膜分离等方法而言，微生物技术是分离和回收稀土元素更为环境友好、有效且经济的技术。然而，微生物细胞对营养需求高，对浸提环境要求较为苛刻。芽孢杆菌所产芽孢具有耐极端环境等生物学特性，并能高效吸附稀土离子，然而其吸附性能及机理不清晰。因此，本研究采用枯草芽孢杆菌的细胞和芽孢作为吸附剂，对铽离子（Tb3+）和镝离子（Dy3+）等进行吸附，研究枯草芽孢杆菌对稀土离子的吸附特性及可能的吸附机理。主要研究内容和结果如下： （1）考察了枯草芽孢杆菌吸附剂（包括PS832、PS533、PS4150的细胞与芽孢）在不同吸附条件下对Tb3+和Dy3+吸附效果的影响，包括吸附剂添加量、稀土离子的初始浓度、接触时间、pH和温度等因素。试验结果表明吸附的最佳条件为：吸附剂添加量为菌液OD600=1.5或菌粉2g/L、Tb3+或Dy3+初始浓度为200μmol/L、菌液吸附5min或菌粉吸附15min、pH=7.5、室温。 （2）比较了三种菌株及其细胞与芽孢、菌液与菌粉的不同吸附效果。在最佳吸附条件下，PS4150芽孢粉末对Tb3+的去除率最高，为95.217%；PS4150细胞液对Dy3+的去除率最高，为96.940%。且PS533芽孢粉末表现出对Tb3+和Dy3+相对最低的去除率，分别为87.023%和89.763%。综上所述，几种枯草芽孢杆菌的细胞与芽孢都表现出良好的吸附能力。 （3）以PS4150细胞和芽孢为例研究了对混合稀土离子的吸附选择性。在最佳吸附条件下，PS4150细胞和芽孢对混合稀土离子溶液中La、Nd、Er、Eu、Tb、Dy的吸附量相对较高，对Yb的吸附量最低，对La与Yb的吸附量最高相差4481μg/g。表明吸附剂对稀土离子具有一定的吸附选择性。 （4）分析了枯草芽孢杆菌细胞与芽孢吸附稀土离子的吸附动力学和吸附等温线。利用准一级动力学、准二级动力学模型拟合了菌粉对Tb3+或Dy3+的吸附动力学，用Langmuir等温线、Freundlich等温线模型拟合了菌粉对Tb3+或Dy3+的吸附等温线。拟合结果表明，吸附过程更符合准二级吸附动力学模型以及Langmuir吸附等温线模型，说明吸附可能发生在吸附剂的表面，主要是化学吸附。 （5）探讨了枯草芽孢杆菌细胞与芽孢对稀土离子吸附可能的机理。以PS4150细胞与芽孢对Tb3+的吸附为例，通过TEM、SEM-EDS、XRD、XPS以及FTIR等方法，确定吸附主要发生在吸附剂的表面，稀土离子与钙、锰离子等发生交换，且枯草芽孢杆菌细胞壁上的磷壁酸在Tb3+吸附到细胞表面上起主要作用，芽孢表面的氨基、羟基、甲基和磷酸基团等官能团参与了吸附过程，与稀土离子络合。
NETL