耐低温抗铅细菌的筛选及其铅吸附特性研究

发布时间：2018-01-29 23:22

本文关键词： 耐低温细菌生物吸附重金属抗性铅硫酸钾　出处：《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着工业化进程的快速推进,工业“三废”的大量排放,致使环境重金属污染日益严重。微生物修复法具有能耗低、高效、环境友好等优点,引起了世界范围内的广泛关注。在含铅废水的治理过程中,许多修复方法特别是微生物修复在实际应用过程中受到了低温环境的制约,影响了修复效果。因此,实现在低温条件下高效去除水体中的铅具有重要意义。本文从漠河湿地土壤中筛选耐低温抗铅细菌,从中选取对铅离子(Pb~(2+))具有良好选择性吸附能力的菌株,在低温条件下,通过对比分析活菌体和死菌体对Pb~(2+)吸附性能的差异,探讨活菌体和死菌体对Pb~(2+)的吸附特性及相关机理。为进一步提高菌体对Pb~(2+)的吸附能力,筛选一种可以在菌体生长过程中对其细胞壁进行定向修饰的营养盐,进而提高菌株对Pb~(2+)的吸附能力,同时探究盐试剂对菌体有效修饰的机制。主要实验结果如下:从漠河湿地土壤中筛选到4株耐低温抗铅细菌,分别命名为I3、I4、I9和I10,并从上述菌株中筛选出对Pb~(2+)具有最佳选择性吸附能力的菌株I3作为后续研究对象,通过形态学观察和分子生物学鉴定,表明菌株I3属于假单胞菌属,将其命名为Pseudomonas sp.I3。最低抑菌浓度实验表明Pb~(2+)对Pseudomonas sp.I3的最低抑菌浓度为7.5 mM,是参比菌株Escherichia coli DH5α的5倍,表明Pseudomonas sp.I3对Pb~(2+)具有良好的耐受性。对Pseudomonas sp.I3和E.coli DH5α的活菌体和死菌体吸附Pb~(2+)后进行酸消解实验及透射电镜-X射线能谱分析(TEM-EDS),发现无论是Pseudomonas sp.I3还是E.coli DH5α,其活菌体对水体中Pb~(2+)的去除机制主要包括细菌表面对Pb的吸附及细胞内对Pb的累积,而死菌体对水体中Pb~(2+)的去除主要依赖于细胞壁的吸附作用。此外,酸消解实验表明Pseudomonas sp.I3和E.coli DH5α对Pb~(2+)的吸附能力相近,说明细菌的吸附能力与其对重金属的耐受性之间没有必然联系。傅里叶红外光谱(FTIR)分析结果得出菌体表面的 CH2、C=O、C-N、N-H、-COO和-SO3官能团参与了Pseudomonas sp.I3吸附Pb~(2+)的过程,参与Pseudomonas sp.I3活菌体和死菌体对Pb~(2+)的吸附过程中的官能团种类基本相同,因此具有相同的表面吸附机制。Pseudomonas sp.I3的活菌体和死菌体最佳吸附条件为:pH值为5.0;温度为15℃;菌体投加量为0.5 g/L;Pb~(2+)初始浓度为50 mg/L;活菌体和死菌体吸附的平衡时间分别为120 min和30 min。活菌体和死菌体对Pb~(2+)的吸附均符合Langmuir等温吸附模型,说明Pseudomonas sp.I3对Pb~(2+)的吸附过程属于单层吸附。根据Langmuir方程计算出的Pseudomonas sp.I3活菌体和死菌体对Pb~(2+)的理论最大饱和吸附能力分别为49.48和42.37 mg/g。Pseudomonas sp.I3活菌体和死菌体对Pb~(2+)的吸附过程都能较好的符合准二级动力学模型,说明吸附速率受到菌体表面官能团和Pb~(2+)之间的化学反应速率控制。Pseudomonas sp.I3活菌体和死菌体在低温条件对Pb~(2+)都具有良好的吸附能力,有助于其在低温环境下净化含铅废水。成功筛选到一种对Pseudomonas sp.I3细胞表面官能团具有修饰效果的盐试剂-K_2SO_4。在菌体培养过程中额外添加30 g/L K_2SO_4,可提高菌株I3(KSI3-30)对Pb~(2+)的吸附能力,在15℃条件下,KSI3-30对Pb~(2+)的吸附能力为62.89 mg/g,与对照组菌体相比,吸附能力提高了42.35%。扫描电镜及X射线能谱分析(SEM-EDS)结果表明K_2SO_4的添加提高了细胞表面含K和含S官能团的丰度。FTIR和X-射线光电子能谱(XPS)分析结果证明菌体表面的N H/N C、C%PN、C%PO、O%PC O、C O/ OH和 SO3官能团参与了KSI3-30对Pb~(2+)的吸附过程,菌体对Pb~(2+)的吸附可能包含离子交换和化学螯合机制。KSI3-30吸附Pb~(2+)的最佳pH值为5.0,Pb~(2+)初始浓度为50 mg/L,吸附平衡时间为30 min。通过吸附-解吸附实验证明KSI3-30具有良好的可重复利用性,此外,KSI3-30在低温条件下对实际含铅废水也具有良好的处理效果,表明该生物吸附剂具有良好的应用前景。
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【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X172

【参考文献】