CN113273435A - 降低香菇吸附重金属镉的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低香菇吸附重金属镉的工艺方法，在香菇菌丝培养阶段，在培养基中加入Zn²⁺进行香菇菌丝培养，所述培养基的pH值调节为弱酸环境；培养温度调节为30℃，Zn²⁺浓度配制接近20mg/L，香菇菌丝吸附重金属镉含量较低。本发明具有促进香菇菌丝生长，降低香菇菌丝在生长过程中对重金属镉的吸收的优点。

Description

降低香菇吸附重金属镉的工艺方法

技术领域

本发明涉及环境保护领域。更具体地说，本发明涉及一种降低香菇吸附重金属镉的工艺方法。

背景技术

香菇，因其独特的风味、丰富的营养，且兼具一定的药用价值，而广受消费者喜爱，已成为仅次于双孢菇的世界第二大食用菌。中国是世界最大香菇生产、出口国，香菇产量占世界产量的80％以上。而湖北省是中国香菇栽培大省，香菇产量约占全国产量的30％，因此，香菇成为湖北省重要出口创汇农产品。然而，工业化发展带来的环境污染导致食用菌重金属超标问题日渐凸显，已成为食用菌质量安全中最为突出、最难解决的的问题。其中，尤以香菇重金属镉超标最为严重，相关报道屡见不鲜。镉作为非必需元素，在人体具有很强的蓄积性，即使在很低的水平也会损害人体健康，引起各种急、慢性疾病，例如，肝功能障碍、肾小管病变、骨质软化、心血管病变及癌症等。因此，镉已被美国毒物管理委员会(ATSDR)列为I级致癌物。香菇重金属超标不仅对消费者健康构成潜在威胁，也严重影响了香菇的出口贸易，制约了该产业的健康发展。因此，探寻有效的策略降低香菇中镉含量，已成为目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低香菇吸附重金属镉的工艺方法，促进香菇菌丝生长，降低香菇菌丝在生长过程中对重金属镉的吸收。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种降低香菇吸附重金属镉的工艺方法，在香菇菌丝培养阶段，在培养基中加入Zn²⁺进行香菇菌丝培养。

优选的是，所述培养基的pH值调节为弱酸环境，pH＝4-7。

优选的是，所述培养基的pH值调节为弱酸环境，pH为5。

优选的是，培养温度为20～30℃。

优选的是，培养温度为25℃。

优选的是，所述培养基中Zn²⁺的浓度为16～20mg/L。

优选的是，所述培养基中Zn²⁺的浓度为18.5mg/L。

本发明至少包括以下有益效果：在培养基中添加Zn²⁺不仅能促进香菇菌丝生长，而且减轻重金属镉对香菇菌丝的毒害，还能有效抑制香菇菌丝吸附重金属镉的含量。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是不同pH下Zn²⁺对香菇菌丝抑制重金属镉吸附影响；

图2是不同温度下Zn²⁺对香菇菌丝抑制重金属镉吸附影响；

图3是不同Zn²⁺浓度对香菇菌丝抑制重金属镉吸附影响；

图4是镉培养香菇菌丝的透射电镜照片；

图5是锌镉培养香菇菌丝的透射电镜照片；

图6是锌镉培养香菇菌丝的EDS线扫描能谱；

图7是锌镉培养香菇菌丝的Zn和Cd线扫描图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

配置培养基，培养基中加入蛋白胨、牛肉膏、葡萄糖、无水乙醇、氯化锌、麦芽糖和盐酸，其中Zn²⁺浓度为18.5mg/L，培养基的pH调节为5。

将香菇菌丝接入培养基中进行培养，培养温度为25℃。

通过实验研究不同环境下(温度、pH、Zn²⁺浓度)，Zn²⁺抑制香菇菌丝吸附重金属镉效果，并建立重金属镉吸附动力学模型，计算出Zn²⁺抑制香菇菌丝吸附重金属镉最佳工艺条件。

1材料与方法

1.1材料与试剂

香菇菌种：华中农业大学菌种厂；镉元素标准溶液：国家有色金属及电子材料分析测试中心；盐酸：信阳市化学试剂厂；麦芽糖：北京双旋微生物培养基制品厂；蛋白胨、牛肉膏：OXOID,England；氯化锌、葡萄糖、无水乙醇、氢氧化钠：国药集团化学试剂有限公司。

1.2仪器与设备

pH计：Sigma，USA；DB-3B型不锈钢电热板：天津市泰斯特仪器有限公司；JEM-2100F场发射高分辨透射电子显微镜：日本JEOL；AA6300-C原子吸收分光光度计、空气-乙炔火焰原子化器、镉空心阴极灯：日本岛津公司。

1.3试验方法

1.3.1不同pH下Zn²⁺对香菇菌丝抑制重金属镉吸附影响

配制含锌、镉各10mg/L的培养基，分别取30mL于三角瓶中，将三角瓶中的培养基分别调节pH至2、3、4、5、6和7，每种pH做3次重复，在25℃下恒温培养20天，收集菌丝，测定不同pH值下菌丝镉含量。

1.3.2不同温度下Zn²⁺对香菇菌丝抑制重金属镉吸附影响

配制含锌、镉各10mg/L的培养基，分别取30mL于三角瓶中，将三角瓶中的培养基pH调节至6，分别置于15℃、20℃、25℃和30℃下恒温培养20天，每种温度做3次重复，最后收集菌丝，测定不同温度下菌丝镉含量。

1.3.3不同浓度Zn²⁺对香菇菌丝抑制重金属镉吸附影响

分别配制含锌0、0.5、1、2、4、6、8、10、12、14、16、18和20mg/L的培养基，并向各培养基中加镉溶液，使其浓度达到10mg/L，然后分别取30mL于三角瓶中，每种浓度做3次重复，将三角瓶中的培养基pH调节至6，在25℃下恒温培养20天，收集菌丝，测定不同镉浓度下菌丝镉含量。

1.3.4回归模型建立

通过多元线性回归预测模型结构分析，用线性回归模型、对数曲线回归模型、二次回归模型、三次回归模型、幂函数回归模型、指数回归模型6种回归预测模型结构，构建最佳模型，测出最佳工艺。

1.3.5微观分析

制作含10mg/L镉和锌镉各10mg/L液体培养基，并分别在其中培养香菇菌丝，20天后收集，用去离子水清洗3遍，挑几条菌丝，通过透射电镜观察并做能谱分析。

1.4数据处理

所有数据均重复测定3次，采用Excel 2003进行数据处理。回归分析采用SPASS统计软件。

2结果与分析

2.1如图1所示，不同pH下Zn²⁺对香菇菌丝抑制重金属镉吸附影响。生长环境pH是影响Zn²⁺环境下菌丝吸附重金属镉的重要因素。由图1可知，当培养环境为强酸(pH＝2-3)时，pH为2时香菇菌丝对镉几乎没有吸收，pH为3时香菇菌丝吸附镉含量仅为2ug/g。可能因为强酸下菌丝细胞壁表面覆盖大量的水合氢离子，它们与菌丝官能团具有较强的结合能力，整个菌丝呈正电荷，使环境中的锌离子和镉离子受斥力无法靠近，所以强酸下Zn²⁺对香菇菌丝抑制重金属镉作用不明显。而随着环境pH的逐渐升高(pH＝4-7)，香菇菌丝对镉的吸附能力逐渐增高，pH在6-7之间几乎达到了稳定，最高吸附镉含量为30ug/g。可能因为随着环境中酸度的降低，菌丝表面酸性官能团去质子化产生电负性，更易于与二价离子结合；又因为Zn和Cd属于同一族元素，具有相同的核外电子结构，Zn和Cd存在香菇菌丝表面吸附位点的相互竞争，因此弱酸环境下Zn²⁺可有效降低香菇菌丝吸附重金属镉。

2.2温度能够影响微生物的生理代谢活动及基团吸附热动力，所以温度也是Zn²⁺环境下香菇菌丝吸附重金属镉的关键性因素。实验结果如图2所示，香菇菌丝随温度的升高，镉的吸附量逐渐增大，但增长逐渐缓慢。30℃下收集的香菇菌丝吸附重金属镉的含量略高于25℃下的，增长率为3.3％。这主要是因为香菇菌丝对重金属的吸附属于吸热过程，较高温度更利于菌丝吸附重金属镉，但由于Zn的存在，大量Zn²⁺抢占了镉的吸附位点，导致温度越高Zn²⁺对香菇菌丝抑制镉的能力越强。

2.3如图3所示，如图3所示，整体趋势呈随着Zn²⁺浓度的升高培养基中的香菇菌丝吸附镉量降低。不添加Zn²⁺培养的香菇菌丝吸附重金属镉含量为65ug/g，是添加0.5mg/L锌的1.38倍。在初始锌浓度0.5-2mg/L范围内，香菇菌丝吸附镉的量波动不大，相对0.5mg/L环境下的菌丝，2mg/L培养基中的香菇菌丝吸附镉量降幅仅为1ug/g。当锌初始浓度在2-8mg/L范围内，香菇菌丝吸附镉量明显降低，相对2mg/L环境下的菌丝，8mg/L培养基中的香菇菌丝吸附镉量降低至15ug/g。锌初始浓度10-20mg/L范围内，香菇菌丝吸附镉量处于缓慢下降阶段，此阶段随着Zn²⁺浓度升高，香菇菌丝吸附镉量相互趋于接近。这种现象可能是锌和镉属于同一族元素，存在着复杂的交互作用。这种复杂的交互作用在水稻中有报道，水稻中发现锌和镉具有相同的转运通道，有拮抗作用。香菇菌丝也可能存在这种情况，导致Zn²⁺浓度增加香菇菌丝吸附镉含量降低。随着Zn²⁺浓度增高香菇菌丝吸附镉含量降低，可能由于菌丝表面与之结合的位点趋于饱和，所以香菇菌丝吸附镉含量降低。

2.4回归模型建立

通过多元线性回归预测模型结构分析，发现三次回归模型中，pH、温度、Zn浓度三个指标与香菇菌丝吸附镉含量指标在图表中拟合最好。故采用三次回归模型，得出多重判定决定系数，计算出最优值。

表1回归系数

由表1可知，R²大于60％，线性方程拟合度高。调整R²越接近于1越好，该模型调整R²为0.983，模型拟合效果良好。

表2方差分析显著值

由表2可知，方差分析显著值＝0.000<0.01<0.05，表明由自变量“pH、温度、Zn浓度”和因变量“香菇菌丝吸附镉含量”建立的线性关系回归模型具有极显著的统计学意义，线性关系显著，可以通过方程计算出最佳工艺。

表3回归系数

通过回归分析，香菇菌丝吸附镉含量与pH、温度、Zn²⁺浓度的回归系数是有效的。故可由表3中的系数建立模型表达式，得出回归方程f＝0.536+0.125*(-0.392*x₁+2.765*x₁ ²*x₁ ²-1.977*x₁ ³*x₁ ³*x₁ ³)+0.275*(0.131*x₂+0.339*x₂ ²*x₂ ²-0.299*x₂ ³*x₂ ³*x₂ ³)+0.6*(-1.467*x₃+0.013*x₃ ²*x₃ ²+0.544*x₃ ³*x₃ ³*x₃ ³)，得出pH为5、温度为25℃，Zn²⁺浓度为18.5mg/L时，香菇菌丝吸附重金属镉的含量最低，为19.8ug/g。

微观分析

表4能谱对香菇菌丝单位面积元素相对定量分析

选取相同单位面积对香菇菌丝进行点扫描，分析两种菌丝单位面积同种元素含量区别。实验结果见表4，镉培养的香菇菌丝镉的质量百分比为5.09，锌镉培养的香菇菌丝镉的质量百分比为0.07，且锌镉培养的香菇菌丝锌的质量百分比为5.54，实验结果印证了前面实验，Zn²⁺对香菇菌丝吸附镉有抑制，菌丝中进入大量Zn²⁺，其阻断香菇菌丝对镉的吸附路径。

如图4～5所示，镉培养的香菇菌丝与锌镉培养的香菇菌丝有着明显的区别。镉培养的香菇菌丝宽度为3um，锌镉培养的香菇菌丝宽度为3.93um，前者较后者菌丝宽度小些，而且前者内部物质也较后者更聚集。同时对图中菌丝单位面积点扫描，发现锌镉培养的香菇菌丝镉含量显著低于镉培养的香菇菌丝(见表4)。这些说明，菌丝体内高浓度镉会改变菌丝结构形态，锌不仅可以降低菌丝对镉的吸附量，还减轻了重金属镉对菌丝形态结构毒害。

锌镉培养的香菇菌丝(图5)表面出现了许多细小颗粒，细小颗粒应为Zn或ZnSO₄，从细小颗粒的分布，可以看出Zn或ZnSO₄在菌丝细胞壁有聚集，且菌丝内部也存在Zn或ZnSO₄。

如图6～7所示，沿香菇菌丝横截面进行线性扫描，分析香菇菌丝中锌镉含量动态分布。由图7可知，香菇菌丝中锌和镉的含量均呈现出由低到高再到低，菌丝内部物质锌和镉含量高于菌丝外部，说明锌镉可以转运贮存到菌丝内部。图7显示香菇菌丝各部位均存在锌和镉，且锌含量始终高于镉含量。这可能由于锌与镉有相同的离子半径、相似的化学性质，菌丝在吸收转运锌、镉的过程中，二者同时竞争体内的转运蛋白，而锌与转运蛋白的结合能力高于镉，导致香菇菌丝对镉的转运量降低，锌占据了镉的位置，抑制香菇菌丝吸附镉。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (7)

1.一种降低香菇吸附重金属镉的工艺方法，其特征在于，在香菇菌丝培养阶段，在培养基中加入Zn²⁺进行香菇菌丝培养。

2.如权利要求1所述的降低香菇吸附重金属镉的工艺方法，其特征在于，所述培养基的pH值调节为弱酸环境，pH＝4-7。

3.如权利要求2所述的降低香菇吸附重金属镉的工艺方法，其特征在于，所述培养基的pH值调节为弱酸环境，pH为5。

4.如权利要求1所述的降低香菇吸附重金属镉的工艺方法，其特征在于，培养温度为20～30℃。

5.如权利要求4所述的降低香菇吸附重金属镉的工艺方法，其特征在于，培养温度为25℃。

6.如权利要求1所述的降低香菇吸附重金属镉的工艺方法，其特征在于，所述培养基中Zn²⁺的浓度为16～20mg/L。

7.如权利要求6所述的降低香菇吸附重金属镉的工艺方法，其特征在于，所述培养基中Zn²⁺的浓度为18.5mg/L。

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