Leucobacter sp. CRB1菌还原铬（VI）的机理及其在铬渣解毒中的应用

发布时间：2020-05-12 00:47

【摘要】： 铬渣污染是我国重大的环境问题,历年的堆存量已经达到600万吨,其中以六价形念存在的铬是对人体危害最大的八种化学物质之一,是国际公认的三种致癌金属物之一,因此铬渣六价铬污染的治理一直是环保领域的重大课题。本研究分离到一株高效铬还原菌命名为CRB1菌,可以将高浓度的六价铬还原为三价铬,实现六价铬的解毒处理,在生物法治理铬污染方面具有非常广阔的应用前景。基于微生物在极端环境下生存的胁迫机制,从长沙铬盐厂铬渣堆放场的重度铬污染环境中分离到高效六价铬还原菌株。菌株CRB1生长的最佳温度为35℃,最佳pH为8.0,最适盐浓度在0.1～0.5 mol/L之间,是一种中温、耐碱的轻度嗜盐菌。在最适条件下,该菌的世代时间为117 min:六价铬浓度小于1000mg/L时对细菌生长的影响较小;外控电势在-900～300 mv时可以促进细菌的生长。细菌生理生化特性的检测及16S rDNA的测序比对均证明该菌为白色杆菌属(Leucobacter.sp)的一个新种,其DNA序列已经提交至Genbank数据库。系统研究了铬还原菌Leucobacter sp.CRB1还原六价铬的行为特性,发现细菌在生长的过程中还原六价铬,其最适合的环境条件为pH 9.0,温度30℃,反应需要氧气的存在。培养液中乳酸钠的加入可以提高还原速率,最适浓度为4g/L。还原过程中较高的接种量可以减少还原所需时间,而较高六价铬浓度则会延长还原的过程。在休眠细胞反应体系中,六价铬的还原绝对需要细菌细胞的存在,细菌的代谢产物无任何还原能力,体系所需最佳还原条件与生长细胞基本相同。在此基础上首次建立了细菌还原六价铬能力的评价体系,提出了铬还原容量的概念。在最适条件下,六价铬对CRB1菌的最小抑菌浓度为1180 mg/L,生长细胞最大还原量为1820 mg/L,休眠细胞的最大还原量为2180 mg/L,还原速率为5.45 mg/L·min,体系的铬还原容量为2490 mg/L。为探究Leucobacter sp.CRB1菌还原六价铬的作用机制,采用扫描电镜、透射电镜以及EDXA、EPR等分析手段对还原反应前后细菌细胞形貌进行了直观的观察,并对还原反应沉淀产物的元素组成进行定性分析。结果表明,Leucobacter sp.CRB1对Cr(Ⅵ)的还原,是由铬还原酶催化的直接还原反应,还原反应在细菌体外发生,反应产物的主要组成元素为三价铬,反应产物成分为Cr(OH)_3,六价铬还原活性物质主要位于细胞膜上。乳酸钠在CRB1菌催化还原六价铬的反应中起电子供体的作用,HPLC分析表明反应生成了醋酸钠以及少量丙酮酸钠,其中丙酮酸钠属反应的中间产物。在反应中每个乳酸钠分子可为Cr(Ⅵ)的还原提供4个电子,本身被氧化成醋酸钠。分别从化学动力学和酶促动力学的角度建立了CRB1菌在生长状态和休眠状态下还原六价铬的动力学模型。在最适条件下,当体系中初始六价铬的浓度小于2000 mg/L时,休眠细胞催化还原六价铬的反应是零级反应;当六价铬浓度大于2000 mg/L时,反应呈现一级反应的特征。生长细菌还原六价铬也符合零级反应的动力学特征。运用底物抑制的Monod方程建立六价铬还原的数学模型,亦可模拟反应的过程,但不如化学反应动力学方程准确。酶促动力学研究的结果说明该氧化还原反应由乳酸钠的氧化和六价铬的还原两个基元反应构成,每个基元反应均为单底物的酶促反应。针对原长沙铬盐厂铬渣污染的现状及铬渣的性质,依据CRB1菌还原Cr(Ⅵ)的有关机理,提出并研究了细菌柱浸解毒铬渣的工艺。在最佳条件下,解毒后的铬渣浸出液达到国家污水综合排放标准(GB 8978-1996);解毒后废渣的浸出毒性低于国家固体废物浸出毒性鉴别标准(GB 5085-1996)。解毒过程中细菌对铬渣表面具有溶蚀作用,铬渣中的某些物相在细菌作用下发生分解。解毒后渣中的Ca_(12)Al_(14)O_(33)和Ca_4Al_2SO_(10)·16H_2O消失,方镁石(MgO)的含量也有较大降低,包裹于这些复杂化合物中的难浸Cr(Ⅵ)被释放,从而提高了铬渣中六价铬的浸出率和解毒效果。
【图文】：

柱浸,铬渣,渗滤

2.2.12柱浸解毒实验为了考察铬渣的渗滤浸出性能并优化细菌解毒铬渣工艺参数，可将铬渣装在渗滤柱中进行细菌浸出。本研究所采用渗滤柱为PVC材料制成，结构如图2一1所示:高位槽和低位槽是玻璃瓶，主干柱由PVC塑料焊接而成，在渗滤柱底部装有一个多孔塑料板，然后在板上装入有代表性的铬渣。渣样经真空120℃干热2h灭菌后，装入渗滤柱中。蟋动泵___尸仪仪器器器 ...‘一一，， lll翻液图2一1柱浸装置示意图 F19.2一 1Sehematiediagramofeolumleaehingreaetor装渣样时力求均匀，尽量避免各种粒度的铬渣自然分级，影响渣层渗滤性或产生沟流。渣样装好后，在渣层上再铺一层粗砂，使表面平整。在加入培养基和细菌之前

菌落形态,还原菌,光学显微镜,培养基

当CRBI菌在固体LB培养基上生长时，，所得单菌落为圆形，直径约为 1.0礴 .0mm，颜色为浅黄色，中间突起，边缘整齐，表面微显湿润。如事先向培养基中加入一定浓度的六价铬，则得到的单菌落为蓝灰色(如图3一2)，此为铬还原菌独有的特征，且颜色会随培养基中铬浓度的增加而加深。图3一2铬还原菌CRBI的菌落形态Fig3一 2TheeolonyshaPeofChromatereduetionbaeteriaCRB
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X705

【参考文献】