一種生物膜吸附磷的測定方法
【專利摘要】本發明公開了一種生物膜吸附磷的測定方法。該方法包括如下步驟：(1)采集水體中的生物膜，將生物膜粉碎、混勻，得濕重生物膜；(2)將濕重生物膜分成質量相同的三份：1)測定濕重生物膜Ⅰ的干重M；2)將濕重生物膜Ⅱ置于水中，對磷進行解析，水的體積記為V0；解析平衡后，測定解析之后的水中磷的濃度，記為C0；3)配制磷溶液，體積記為V，磷的濃度記為Cmax；將濕重生物膜Ⅲ置于磷溶液中，對磷溶液中的磷進行吸附，待吸附平衡后，測定磷溶液中磷的濃度，記為Cmin；(3)根據G＝[(Cmax?Cmin)×V+C0×V0]/M計算生物膜吸附磷的吸附率G。本發明首次提出了生物膜吸附磷的準確測定方法，通過準確測定生物膜吸附磷的吸附率指標，可對生物膜吸附磷的能力進行定量的評價。
【專利說明】
一種生物膜吸附磷的測定方法
技術領域
[0001]本發明屬于水環境技術領域，具體涉及一種生物膜吸附磷的測定方法。
【背景技術】
[0002]磷是自然界中常見的一種重要元素，是生物所必須的營養物質，廣泛存在于動、植物組織中，并與蛋白質或脂肪結合成核蛋白、磷蛋白和磷脂等，也有少量其它有機磷和無機磷化合物。
[0003]當水體中氮、磷等植物營養物質含量過多時，藻類等浮游植物快速生長，瘋狂繁殖，消耗水體中大量溶解氧，使水變黑、變臭，魚類和其他水生物大量死亡，這就是水體富營養化。
[0004]大多數學者的研究結果表明，水體中的磷是水體浮游藻類最主要的限制性營養元素，水體中磷的含量與湖泊的營養程度有極為密切的關系。當水體中磷處于低濃度時，即使氮營養物能滿足藻類等水生生物所需，其生產能力也會大受遏制，而水體中磷的濃度在0.02mg/L以上時，對水體的富營養化就起明顯的促進作用。營養鹽吸收動力學研究表明，浮游植物生長需要的無機氮N的閾值為14yg/L，無機磷P的閾值為3.1yg/L，如果N: P > 22，則P為限制元素;如果N:P<10，則N為限制元素。而多數水體的N:P大于22，有的甚至高達40。因此，研究水體中磷含量，解決水體富營養化問題的關鍵是如何減少水體中磷的含量。
[0005]生物膜是一種廣泛存在于天然水體中的復雜系統，是一種由生命物質和非生命物質、有機物和無機物組成的復合體，對水環境中物質的迀移轉化具有非常重要的作用。
[0006]生物膜在天然水體中廣泛存在，幾乎所有暴露于水中的固體表面上都附著有生物膜。只要有水和微生物，就可能產生生物膜。微生物細胞幾乎能在任何適宜的載體表面牢固地附著，并在其上生長和繁殖，由細胞內向外伸展的胞外聚合物使微生物細胞形成纖維狀的纏結結構，形成生物膜。
[0007]根據研究角度和維度的不同，對生物膜的組成成分有不同的觀點。醫學和微生物學領域的生物膜，一般指由一種或多種微生物(主要是細菌)組成的膜，代表了一類微生物群體，其中有各種寄居者如固著細菌、原生動物、真菌和藻類。在膜科學及污水處理技術領域，生物膜主要是指在各種生物膜反應器和各種污水處理設備上附著的各種微生物(包括細菌、真菌、原生動物、一些藻類，甚至一些后生動物)，用于降解有機質，處理廢水。在水環境研究中，生物膜則泛指存在于水環境固相基質表面，由微生物及其它有機成分、與微生物等有機成分相結合的金屬氧化物和其它無機礦物質共同組成的復合表面附著物。
[0008]生物膜對污染物的吸附性是廣泛的，既可以吸附有機污染物，也可以吸附無機污染物。有研究顯示，生物膜對苯酚、硝基苯酚等有機污染物的吸附規律也類似于生物膜吸附重金屬鹽，其吸附等溫線也符合Freudl ich方程、Langmuir方程，主要差異在于吸附效果。有學者利用重液分離方法對自然水體中的生物膜、懸浮顆粒物和表層沉積物中的輕、重組分進行了分離，采用批量平衡法研究了各固相樣品及其輕、重組分對六六六(HCHs)和滴滴涕(DDTs)的吸附特征，發現生物膜和懸浮顆粒物對HCHs和DDTs的吸附過程同時發生線性的分配作用和非線性的孔隙填充作用。有學者考察了松花江表層沉積物和生物膜對雙酚A的吸附規律，吸附過程主要為非線性吸附，吸附熱力學特征可用Freundlich和Langmuir等溫線描述，與表層沉積物相比，生物膜有機質含量較高，具有較強的吸附能力。
[0009]生物膜吸附無機污染物方面，研究最多的是生物膜吸附重金屬離子，目前專門針對生物膜吸附磷的研究文獻比較少，也未見有文獻描述準確測定生物膜吸附磷的方法。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是提供一種生物膜吸附磷的測定方法，該方法能夠準確測定生物膜吸附磷的吸附率，從而對各種不同類型生物膜吸附磷的能力進行評價，探究各種不同類型生物膜吸附磷的機理及規律，這對于認識水環境中生物膜對磷的行為，利用生物膜去除水體中的磷，防治水體富營養化有重要的實用價值。
[0011]本發明提供的一種生物膜吸附磷的測定方法，它包括如下步驟:
[0012](I)采集水體中的生物膜，將所述生物膜粉碎、混勻，得濕重生物膜；
[0013](2)將所述濕重生物膜分成質量相同的三份:濕重生物膜1、濕重生物膜Π和濕重生物膜m，并分別進行如下處理:
[0014]I)測定所述濕重生物膜I的干重，記為M;
[0015]2)將所述濕重生物膜Π置于水中，對所述濕重生物膜Π中的磷進行解析，所述水的體積記為VO;解析平衡后，測定解析之后的水中磷的質量體積濃度，記為CO;
[0016]3)配制磷溶液，將所述磷溶液的體積記為V，所述磷溶液中磷的質量體積濃度記為Cmax;將所述濕重生物膜ΙΠ置于所述磷溶液中，對所述磷溶液中的磷進行吸附，待吸附平衡后，測定所述磷溶液中磷的質量體積濃度，記為Cmin;
[0017](3)根據下述公式(I)即可得到所述生物膜吸附磷的吸附率，記為G:
[0018]G= [(Cmax-Cmin) XV+C0XV0]/M (I)。
[0019]上述的測定方法，步驟(I)中，所述生物膜泛指由金屬氧化物、礦物鹽、微生物(細菌、真菌、藻類等)細胞、胞外聚合物等無機成分和有機成分聚集而成的復合固相集合體。
[0020]所述濕重生物膜的粒徑可為0.05?2mm。
[0021]所述混勻可在振蕩器中進行，振蕩速度可為O?240r/min(如200r/min)，振蕩時間可為I?48小時(如12小時)。
[0022]上述的測定方法，步驟(2)中，所述濕重生物膜在分成三份之前還包括將其自然晾干至不再形成水滴的步驟，具體可在室溫(15?30 °C)下晾10分鐘。
[0023]步驟I)中，測定所述濕重生物膜I的干重的方法可為下述方法(A)或方法(B):
[0024]所述方法(A)的步驟如下:將所述濕重生物膜I烘干、稱重，得到所述濕重生物膜I的干重，記為M;
[0025]所述(B)包括如下步驟:
[0026]a)稱取至少三份不同質量的濕重生物膜，分別烘干，得干重，擬合出干重-濕重的線性關系；
[0027]b)將所述濕重生物膜I的濕重代入步驟a)中所述干重-濕重的線性關系中，得到所述濕重生物膜I的干重，記為M。
[0028]所述方法(A)和所述方法(B)中，所述烘干的溫度可為45?120 °C (如105°C )，時間可為I?8小時(如2小時)。
[0029]所述方法(B)中，每次稱重前都要進行，且稱重過程不宜過長，應在半小時內一次性連續稱重。原因是由于每次采集的生物膜疏松程度、稱重時的含水量等有較大差異，濕重-干重線性回歸能夠保證濕重與干重比值的準確性。
[0030]步驟2)中，每Ig的所述濕重生物膜Π置于50?200mL的水中，具體可為每Ig的所述濕重生物膜Π置于I OOmL的水中。
[0031 ] 所述解析的溫度可為15?30°C，如25°C。
[0032 ]所述解析之后的水中磷的質量體積濃度的測定方法可采用鉬酸銨分光光度法，如國家標準《GB 11893-1989-T水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》。
[0033]步驟3)中，每Ig的所述濕重生物膜m置于體積為100?500mL的磷溶液中，具體可為2g的所述濕重生物膜ΙΠ置于250mL的磷溶液中；所述磷溶液的濃度可為0.5?50mg/L，具體可為 2 ?5mg/L、2mg/L 或 5mg/L。
[0034]所述吸附的條件如下:溫度可為O?45°C (如20?25°C、20°C或25°C)，振蕩速率可為O?240r/min(如O?180r/min、0r/min或 180r/min)，磷溶液的濃度可為0.5?50mg/L，(如2?5mg/L、2mg/L或5mg/L)。
[0035]所述磷溶液中磷的質量體積濃度的測定方法可采用鉬酸銨分光光度法，如國家標準《GB 11893-1989-T水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》。
[0036]上述的測定方法，步驟(3)中，所述吸附率指單位質量的干重生物膜所吸附的磷元素的質量。
[0037]所述公式(I)中，6的單位可為吸附率的常用單位，如mg/g、mg/Kg等;M的單位可為質量的常用單位，如g、Kg等;V0、V的單位可為體積的常用單位，如mL、L等;Cmax、Cmin的單位可為質量體積濃度的常用單位，如mg/L。在計算過程中，如單位不統一，需要先對各個物理量進行換算。
[0038]本發明具有如下有益效果:
[0039]本發明首次創造性的提出了生物膜吸附磷的準確測定方法，通過準確測定生物膜吸附磷的吸附率指標，可以對生物膜吸附磷的能力進行定量的評價，同時對研究生物膜吸附磷的動力學特征、熱力學特征及影響因素提供了技術手段。本發明對利用生物膜去除水體中的磷，防治水體富營養化具有重要意義。
【具體實施方式】
[0040]下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。
[0041]下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。
[0042]下述實施例中的烘干操作采用電熱恒溫鼓風干燥箱。稱重采用電子天平。吸附過程中，磷溶液的溫度控制采用電熱恒溫水浴鍋。磷溶液的振蕩速率控制采用調速多用振蕩器。
[0043]實施例1、河水中生物膜吸附磷的測定
[0044]本實施例所用生物膜采集自永定河自然水體。采集水體中的生物膜時，需要注意區分生物膜與底泥、苔蘚。用鑷子和小刀小心刮取生物膜。取下來的生物膜放在裝有水體原水的玻璃容器中。采集的生物膜形狀各異，大小不一，且含有少許巖肩等雜質，需要進行必要的前處理。
[0045]按照如下步驟測定上述水體中生物膜中磷的吸附率:
[0046](I)采集水體中的生物膜，將生物膜粉碎、混勻，得濕重生物膜;具體操作如下:用玻璃棒將大塊生物膜搗碎，并用200r/min振蕩器振蕩12小時，使生物膜充分混合均勻，過2mm方孔師去除雜質，并用0.05mm師去除細小顆粒。
[0047](2)將步驟(I)中的生物膜在室溫(25 °C)下在分析篩中晾10分鐘左右，待其不再形成水滴時稱重，分成質量相同的三份:濕重生物膜1、濕重生物膜Π和濕重生物膜m，三份濕重生物膜質量相同均為2克，并分別進行如下處理:
[0048]I)濕重生物膜I在105°C條件下烘干2小時，測其干重(M)為0.616克。
[0049]2)濕重生物膜Π用于測定生物膜中磷的背景含量。將濕重生物膜Π置于水中，對濕重生物膜Π中的磷進行解析，水的體積記為VO;解析平衡后，測定解析之后的水中磷的質量體積濃度，記為CO ；具體操作如下:
[0050]取200毫升的蒸餾水于玻璃容器中，加入濕重生物膜Π進行解析。解析過程就是生物膜在蒸餾水中釋放吸附的磷。解析開始后按一定時間間隔(如12h、24h、36h、48h……)取溶液測定磷濃度，若相鄰兩次測得的磷濃度基本不再變化，則解析達到平衡。解析達到平衡后測定的磷的質量體積濃度(CO)乘以蒸餾水的體積(VO)，就得到第二份生物膜中磷元素的背景含量C0*V0。
[0051 ]磷濃度的測定方法采用鉬酸銨分光光度法測定磷濃度。此方法是目前公認的準確測定溶液中磷濃度的方法。具體操作見國家標準《GB 11893-1989-T水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》。
[0052]本實施例中，濕重生物膜的質量為2g，水的體積VO為200毫升，在室溫(25°C)下進行解析，解析達到平衡后測定的磷的質量體積濃度(CO)為0.121mg/L。
[0053]3)配制磷濃度為5mg//L的磷溶液。取250毫升磷濃度為5mg//L的磷溶液于玻璃容器中，加入濕重生物膜m，在25°C溫度、Or/min回旋振蕩速率吸附條件下進行吸附，吸附開始后按一定時間間隔(如12h、24h、36h、48h……)取溶液測定磷濃度，若相鄰兩次測得的濃度基本不再變化，則吸附達到平衡。
[0054]磷濃度為5mg/L的磷溶液的配制步驟如下:稱取約0.5克磷酸二氫鉀(KH2PO4,化學純，分子量為136.09，其中磷元素P的相對原子量為30.97)置于烘干箱中，用110°C高溫烘2小時，在烘干箱中放冷后，用電子天平稱取0.2197±0.0Ol克溶解于水中并轉移至1000毫升玻璃容器，加入大約800毫升蒸餾水、5毫升50%含量的硫酸，再加蒸餾水至標線。此磷溶液的磷濃度為50mg/L，可以在玻璃瓶中貯存六個月以上。取25毫升磷濃度為50mg/L的磷溶液，轉移至250毫升玻璃容器，加蒸餾水至250毫升標線。此磷溶液的磷濃度為5mg/L。
[0055]測定磷濃度的方法采用鉬酸銨分光光度法測定磷濃度。此方法是目前公認的準確測定溶液中磷濃度的方法。具體操作見國家標準《GB 11893-1989-T水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》。
[0056]本實施例中，磷溶液中磷的質量體積濃度Cmax為5mg/L，吸附平衡后磷溶液中磷的質量體積濃度Cmin為2.564mg/L，磷溶液的體積為250mL。吸附達到平衡所用時間為96小時。
[0057](3)根據下述公式(I)即可得到生物膜吸附磷的吸附率，記為G:
[0058]G= [(Cmax-Cmin) X V+CO X VO]/M( I)。
[0059]這是因為，步驟3)中一定干重質量(M)的生物膜吸附一定初始濃度(Cmax)、一定體積(V)的磷溶液，經過一段時間后，磷濃度從初始濃度Cmax變化到t時刻濃度Ct，最終達到平衡濃度Cmin。在t時刻，生物膜吸附的磷含量為(Cmax-Ct)*V。在吸附達到平衡后，生物膜吸附的磷含量為(Cmax-Cmin)*V。以上磷含量加上步驟2)測定的背景磷含量，就得到此生物膜所能吸附的最大磷含量:(Cmax_Cmin)*V+C0*V0。此生物膜吸附的最大磷含量除以步驟I)測定的生物膜干重(M)，就得到此生物膜吸附磷的吸附率:((Cmax-Cmin)*V+C0*V0)/M。
[0060]本實施例中，在25°C溫度、Or/min回旋振蕩速率、磷溶液的磷濃度為5mg/L吸附條件下，生物膜吸附磷的吸附率G為1027mg/Kg。
[0061 ]實施例2、湖中生物膜吸附磷的測定
[0062]本實施例所用生物膜采集自清華大學荷塘湖自然水體。采集水體中的生物膜時，需要注意區分生物膜與底泥、苔蘚。用鑷子和小刀小心刮取生物膜。取下來的生物膜放在裝有水體原水的玻璃容器中。采集的生物膜形狀各異，大小不一，且含有少許巖肩等雜質，需要進行必要的前處理。
[0063]按照如下步驟測定上述水體中生物膜中磷的吸附率:
[0064](I)采集水體中的生物膜，將生物膜粉碎、混勻，得濕重生物膜;具體操作如下:用玻璃棒將大塊生物膜搗碎，并用200r/min振蕩器振蕩12小時，使生物膜充分混合均勻，過2mm方孔師去除雜質，并用0.05mm師去除細小顆粒。
[0065](2)將步驟(I)中的生物膜在室溫(20 °C)下在分析篩中晾10分鐘左右，待其不再形成水滴時稱重，分成質量相同的三份:濕重生物膜1、濕重生物膜π和濕重生物膜m，三份濕重生物膜質量相同均為?克，并分別進行如下處理:
[0066]I)濕重生物膜I在105°C條件下烘干2小時，測其干重(M)為0.291克。
[0067]2)濕重生物膜Π用于測定生物膜中磷的背景含量。將濕重生物膜Π置于水中，對濕重生物膜Π中的磷進行解析，水的體積記為VO;解析平衡后，測定解析之后的水中磷的質量體積濃度，記為CO ；具體操作如下:
[0068]取100毫升的蒸餾水于玻璃容器中，加入濕重生物膜Π進行解析。解析過程就是生物膜在蒸餾水中釋放吸附的磷。解析開始后按一定時間間隔(如12h、24h、36h、48h……)取溶液測定磷濃度，若相鄰兩次測得的磷濃度基本不再變化，則解析達到平衡。解析達到平衡后測定的磷的質量體積濃度(CO)乘以蒸餾水的體積(VO)，就得到第二份生物膜中磷元素的背景含量C0*V0。
[0069]磷濃度的測定方法采用鉬酸銨分光光度法測定磷濃度。此方法是目前公認的準確測定溶液中磷濃度的方法。具體操作見國家標準《GB 11893-1989-T水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》。
[0070]本實施例中，濕重生物膜的質量為lg，水的體積VO為100毫升，在室溫(20°C)下進行解析，解析達到平衡后測定的磷的質量體積濃度(CO)為0.113mg/L。
[0071]3)配制磷濃度為2mg//L的磷溶液。取250毫升磷濃度為2mg//L的磷溶液于玻璃容器中，加入濕重生物膜ΙΠ，在20°C溫度、180r/min回旋振蕩速率吸附條件下進行吸附，吸附開始后按一定時間間隔(如12h、24h、36h、48h……)取溶液測定磷濃度，若相鄰兩次測得的濃度基本不再變化，則吸附達到平衡。
[0072]磷濃度為2mg/L的磷溶液的配制步驟如下:稱取約0.5克磷酸二氫鉀(KH2PO4,化學純，分子量為136.09，其中磷元素P的相對原子量為30.97)置于烘干箱中，用110°C高溫烘2小時，在烘干箱中放冷后，用電子天平稱取0.2197±0.001克溶解于水中并轉移至1000毫升玻璃容器，加入大約800毫升蒸餾水、5毫升50%含量的硫酸，再加蒸餾水至標線。此磷溶液的磷濃度為50mg/L，可以在玻璃瓶中貯存六個月以上。取10毫升磷濃度為50mg/L的磷溶液，轉移至250毫升玻璃容器，加蒸餾水至250毫升標線。此磷溶液的磷濃度為2mg/L。
[0073]測定磷濃度的方法采用鉬酸銨分光光度法測定磷濃度。此方法是目前公認的準確測定溶液中磷濃度的方法。具體操作見國家標準《GB 11893-1989-T水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》。
[0074]本實施例中，磷溶液中磷的質量體積濃度Cmax為2mg/L，吸附平衡后磷溶液中磷的質量體積濃度Cmin為0.044mg/L，磷溶液的體積為250mL。吸附達到平衡所用時間為140小時。
[0075](3)根據下述公式(I)即可得到生物膜吸附磷的吸附率，記為G:
[0076]G= [(Cmax-Cmin) XV+C0XV0]/M (I)。
[0077]這是因為，步驟3)中一定干重質量(M)的生物膜吸附一定初始濃度(Cmax)、一定體積(V)的磷溶液，經過一段時間后，磷濃度從初始濃度Cmax變化到t時刻濃度Ct，最終達到平衡濃度Cmin。在t時刻，生物膜吸附的磷含量為(Cmax-Ct)*V。在吸附達到平衡后，生物膜吸附的磷含量為(Cmax-Cmin)*V。以上磷含量加上步驟2)測定的背景磷含量，就得到此生物膜所能吸附的最大磷含量:(Cmax_Cmin)*V+C0*V0。此生物膜吸附的最大磷含量除以步驟I)測定的生物膜干重(M)，就得到此生物膜吸附磷的吸附率:((Cmax-Cmin)*V+C0*V0)/M。
[0078]本實施例中，在20°C溫度、180r/min回旋振蕩速率、磷溶液的磷濃度為2mg/L吸附條件下，生物膜吸附磷的吸附率G為1719mg/Kg。
【主權項】
1.一種生物膜吸附磷的測定方法，它包括如下步驟: (1)采集水體中的生物膜，將所述生物膜粉碎、混勻，得濕重生物膜； (2)將所述濕重生物膜分成質量相同的三份:濕重生物膜1、濕重生物膜Π和濕重生物膜m，并分別進行如下處理: 1)測定所述濕重生物膜I的干重，記為M; 2)將所述濕重生物膜Π置于水中，對所述濕重生物膜Π中的磷進行解析，所述水的體積記為VO;解析平衡后，測定解析之后的水中磷的質量體積濃度，記為CO; 3)配制磷溶液，將所述磷溶液的體積記為V，所述磷溶液中磷的質量體積濃度記為Cmax;將所述濕重生物膜ΙΠ置于所述磷溶液中，對所述磷溶液中的磷進行吸附，待吸附平衡后，測定所述磷溶液中磷的質量體積濃度，記為Cmin; (3)根據下述公式(I)即可得到所述生物膜吸附磷的吸附率，記為G: G= [(Cmax-Cmin) X V+CO X V0]/M( I)。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(I)中，所述濕重生物膜的粒徑為0.05?2mm03.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于:步驟(I)中，所述混勻在振蕩器中進行，振蕩速度為O?240r/min，振蕩時間為I?48小時。4.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于:步驟I)中，測定所述濕重生物膜I的干重的方法為下述方法(A)S方法(B): 所述方法(A)的步驟如下:將所述濕重生物膜I烘干、稱重，得到所述濕重生物膜I的干重，記為M; 所述(B)包括如下步驟:a)稱取至少三份不同質量的濕重生物膜，分別烘干，得干重，擬合出干重-濕重的線性關系;b)將所述濕重生物膜I的濕重代入步驟a)中所述干重-濕重的線性關系中，得到所述濕重生物膜I的干重，記為M。5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于:所述方法(A)和所述方法(B)中，所述烘干的溫度為45?120°C，時間為I?8小時。6.根據權利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于:步驟2)中，每Ig的所述濕重生物膜Π置于50?200mL的水中。7.根據權利要求1-6中任一項所述的方法，其特征在于:步驟2)中，所述解析的溫度為15?30。。。8.根據權利要求1-7中任一項所述的方法，其特征在于:步驟3)中，每Ig的所述濕重生物膜ΙΠ置于100?500mL磷溶液中；所述磷溶液的濃度為0.5?50mg/mL。9.根據權利要求1-8中任一項所述的方法，其特征在于:步驟3)中，所述吸附的條件如下:溫度為O?45°C，振蕩速率為O?240r/min。
【文檔編號】G01N5/02GK106053283SQ201610532387
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】李玲, 陳永燦, 劉昭偉
【申請人】清華大學