利用铬铜镉荧光探针示踪生物阴极电化学系统中电化学活性菌的金属离子

发布时间：2017-10-10 06:27

  本文关键词：利用铬铜镉荧光探针示踪生物阴极电化学系统中电化学活性菌的金属离子

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【摘要】：生物电化学系统(BESs)是近年兴起的、集污染物处理与金属回收于一体的新技术。不同于利用化学催化剂的非生物阴极,生物阴极BESs以电化学活性菌为催化剂,取代了昂贵的金属催化剂,有效地提高了BESs金属的回收速率。近年来生物阴极回收金属的应用已被广泛研究,然而,生物阴极电化学活性菌催化还原金属的过程,特别是金属在菌体上／内的分布都尚不清楚。金属荧光探针是一类分子量介于500-1000的小分子有机物,能专一性识别生物活体细胞内的金属离子,具有灵敏度高、样品制备简单、对受试生物无损害、可视化等诸多优点。基于此,本研究分别依据铬铜镉荧光探针的特性,可视化并示踪生物阴极电化学活性菌中的Cr(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)与Cd(Ⅱ),这些研究不仅能进一步明晰BESs阴极电化学活性菌对金属的还原,而且能够扩宽金属离子荧光探针在环境科学领域的应用。主要结果有：(1)通过共聚焦激光扫描显微(Confocal laser scanning microscopy, CLSM),利用Cr(Ⅲ)荧光探针(R1)分别可视化并示踪还原Cr(Ⅵ)的四株生物电化学活性菌Stenotrophomonas sp. YS1, Stenotrophomonas maltophilia YS2, Serratia marcescens YS3以及Achromobacter xylosoxidans YS8不同运行时间下细胞内Cr(Ⅲ)的分布,在MFCs还原Cr(Ⅵ)的一个周期内,随着MFCs对Cr(Ⅵ)的还原,生物电化学活性菌胞内的Cr(Ⅲ)浓度逐渐增加。(2)通过CLSM,利用Cu(Ⅱ)荧光探针(R2)分别可视化并示踪还原Cu(Ⅱ)的四株生物电化学活性菌Stenotrophomonas maltophilia JY1, Citrobacter sp. JY3, Pseudomonas aeruginosa JY5以及Stenotrophomonas sp. JY6不同运行时间下细胞内、膜间质以及细胞膜的Cu分布,随着MFCs对Cu(Ⅱ)的还原,生物电化学活性菌胞内液和膜间质中Cu(Ⅱ)的浓度先增加后减少,膜上总Cu含量逐渐增加,MFCs对Cu(Ⅱ)还原一周期(5 h)时,四株电化学活性菌膜总Cu含量占整体的最多；结合生物阴极MFCs反应器,得出Cu在电极上、阴极液以及电化学活性菌中的分布,随着MFCs对Cu(Ⅱ)的还原,电极上吸附的总Cu含量逐渐增加,阴极液中的总Cu含量逐渐减少,菌中总Cu含量先增加后减少,MFCs对Cu(Ⅱ)还原一周期(5 h)时,电极上吸附的Cu含量占整体的最多。(3)通过CLSM,利用Cd(Ⅱ)荧光探针(Q3)分别可视化并示踪去除Cd(Ⅱ)的四株生物电化学活性菌Ochrobactrum sp. ST1, Pseudomonas sp. ST3, Pseudomonas delhiensis ST5, Ochrobactrum anthropi ST7不同运行时间下细胞内、膜间质以及细胞膜的Cd分布,随着MECs对Cd(Ⅱ)的还原,生物电化学活性菌胞内液和膜间质中Cd(Ⅱ)的浓度先增加后减少,膜上总Cd含量逐渐增加,MECs对Cd(Ⅱ)还原一周期(5 h)时,四株电化学活性菌膜总Cd含量占整体的最多：结合生物阴极MECs反应器,得出Cd在电极上、阴极液以及生物电化学活性菌中的分布,随着MECs对Cd(Ⅱ)的还原,电极上吸附的总Cd含量逐渐增加,阴极液中的总Cd含量逐渐减少,菌中总Cd含量先增加后减少,MFCs对Cd(Ⅱ)还原一周期(5 h)时,电极上吸附的Cd含量占整体的最多。
【关键词】：生物电化学系统 生物阴极 重金属回收 金属荧光探针 荧光成像
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X172
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 研究背景10-20
• 1.1 生物电化学系统10-11
• 1.2 BESs技术处理重金属11-14
• 1.2.1 重金属废水的传统处理方法11-13
• 1.2.2 BESs处理重金属废水的研究13-14
• 1.3 金属离子荧光探针14-16
• 1.3.1 荧光分子探针14-15
• 1.3.2 金属离子荧光探针15-16
• 1.4 共聚焦激光扫描显微镜16-19
• 1.4.1 共聚焦激光扫描显微镜16
• 1.4.2 生物细胞内金属离子荧光成像的研究16-18
• 1.4.3 研究意义和内容18-19
• 1.5 实验技术路线19-20
• 2 实验材料与方法20-27
• 2.1 实验材料20-24
• 2.1.1 实验装置20-21
• 2.1.2 实验仪器与试剂21-23
• 2.1.3 电极材料及交换膜23
• 2.1.4 接种污泥和阳极溶液组成23-24
• 2.2 分析方法24-27
• 2.2.1 铬、铜和镉的分析方法24-25
• 2.2.2 金属离子的荧光检光谱测仪测定25
• 2.2.3 电化学活性菌膜间质、细胞内液的提取25
• 2.2.4 共聚焦激光扫描显微镜25-26
• 2.2.5 生物阴极电化学活性菌26-27
• 3 结果与讨论27-49
• 3.1 R1、R2、Q3荧光探针的合成27-28
• 3.1.1 R1荧光探针的合成27
• 3.1.2 R2荧光探针的合成27
• 3.1.3 Q3荧光探针的合成27-28
• 3.2 R1荧光探针示踪Cr(Ⅲ)28-35
• 3.2.1 检测体系的影响28-29
• 3.2.2 阴极液的影响29-30
• 3.2.3 电子介体的影响30
• 3.2.4 吐温的影响30-31
• 3.2.5 生物电化学活性菌胞内液中R1探针检测Cr(Ⅲ)的标准曲线31-32
• 3.2.6 CLSM图像32-35
• 3.3 R2荧光探针示踪Cu(Ⅱ)35-43
• 3.3.1 检测体系的影响35
• 3.3.2 阴极液的影响35-36
• 3.3.3 电子介体的影响36-37
• 3.3.4 吐温的影响37-38
• 3.3.5 生物电化学活性菌胞内液中R2探针检测Cu(Ⅱ)的标准曲线38-39
• 3.3.6 CLSM图像39-41
• 3.3.7 细胞膜、膜间质以及细胞内的Cu分布41-42
• 3.3.8 Cu在电极上、阴极液以及生物电化学活性菌的分布42-43
• 3.4 Q3荧光探针示踪Cd(Ⅱ)43-49
• 3.4.1 生物电化学活性菌胞内液中Q3探针检测Cd(Ⅱ)的标准曲线43-44
• 3.4.2 CLSM图像44-47
• 3.4.3 细胞膜、膜间质以及细胞内的Cd分布47
• 3.4.4 Cd在电极上、阴极液以及生物电化学活性菌中的分布47-49
• 结论49-50
• 附录 金属离子探针的核磁图谱50-52
• 参考文献52-59
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况59-60
• 致谢60-61

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本文编号：1004819