功能型微生物制剂去除水体重金属及其相互作用机制研究

发布时间：2020-09-22 08:52

　　 在水体重金属污染日益严重的形势下,寻求一种发展成本低、设备运行简单、重金属去除效率高的水处理技术成为一项迫在眉睫的任务。由于微生物处理法较传统的物理化学法具有投资小、运行费用低等显著优点,被广泛用于重金属去除的研究中。但同时也存在着微生物细胞较小、易流失,很难与水溶液分离以及易造成二次污染等缺点,再加上废水中的重金属离子在一定程度上对微生物有毒害作用,导致微生物失去活性,去除效率降低。所以,如何提高微生物处理法对重金属的处理效率,成为该处理技术应用的关键。菌种固定化技术由于保持了微生物较强的活性、较强的稳定性及具有易于分离回收利用等优点,成为一种理想的选择。此外,在微生物处理技术对重金属的解毒中,微生物的新陈代谢起关键作用。因此,本文以环境领域常见的对重金属有良好去除效果的白腐真菌、枯草芽孢杆菌及铜绿假单胞菌等微生物为研究对象,探讨生物吸附剂在重金属去除中的性能,并从微生物的新陈代谢出发,深入探讨微生物的新陈代谢及其对抗污染物胁迫的调控机制。最后,通过研究重金属-有机物复合污染废水中各成分的相互影响,以及表面活性剂在重金属解毒机制中的作用,来寻求一种提高微生物处理重金属废水效率的方法。本文主要的研究工作及成果主要包括以下5个方面:第一部分是以壳聚糖包埋活性炭与黄孢原毛平革菌制备的固定化生物吸附剂对Pb(Ⅱ)的吸附及其机理研究。首先采用壳聚糖包埋活性炭与黄孢原毛平革菌制成固定化小球,再将其应用于铅污染废水的处理中,并考察了不同pH、吸附时间、重金属离子初始浓度3个条件对吸附效率的影响,最后探讨了吸附机理及该生物吸附剂的重复利用性。结果表明:(1)该生物吸附剂处理的最佳pH值为5,吸附平衡时间为4 h,最大吸附量为167.36 mg/g;(2)吸附等温线符合Langmuir模型,说明该生物吸附剂表面均一,对Pb(Ⅱ)的吸附是单层吸附;(3)该生物吸附剂对Pb(Ⅱ)的吸附符合准一级反应动力学模型,内传质阻力是吸附速率的限制因素:(4)该吸附剂的吸附效率受其他共存离子的影响;(5)该吸附剂重复利用率高,在5次循环使用后,吸附效率仅降低了 6.13%。第二部分是以海藻酸钠包埋黄孢原毛平革菌和Fe3O4纳米粒子制备成的磁性生物吸附剂对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的竞争性吸附研究。主要研究了磁性生物吸附剂的活性及pH值、吸附时间对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)单、双组分重金属离子吸附效果的影响。结果发现:(1)该磁性生物吸附剂不仅具有较强的磁化强度,而且与游离的黄孢原毛平革菌相比,新陈代谢不仅没有受到抑制,反而有所促进;(2)该磁性生物吸附剂对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)单、双组分四种组分溶液处理的最佳pH值均为5,吸附平衡时间为4h:(3)实验数据能与Langmuir等温吸附线模型很好地拟合,这说明磁性生物吸附剂对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)单、双组分重金属离子的吸附为单层吸附;(4)动力学研究显示,化学吸附是吸附速率的限制因素,该磁性生物吸附剂对单、双组分Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)的吸附符合准二级反应动力学模型。第三部分是以重金属铅和镉胁迫下的黄孢原毛平革菌为主要研究对象,探讨重金属对菌体细胞内外新陈代谢的影响,从而揭示黄孢原毛平革菌细胞对重金属的解毒机制。结果发现,重金属离子对黄孢原毛平革菌的胞内和胞外代谢都有一定的影响:(1)黄孢原毛平革菌的胞内活性氧自由基随着镉胁迫浓度和时间的增加而减小;丙二醛(MDA)的量在8 h时达到最大值(9 μmol/g),在24 h时达到最小值(0.6 μmol/g);胞内蛋白质的量也是先增加后减小的趋势;在短时间胁迫下(2h),超氧化物歧化酶(SOD)活性与镉离子浓度成正比,但当胁迫时间增大到8h时,较高浓度的胁迫反而降低了 SOD活性;低浓度或者短时间的镉胁迫刺激了过氧化氢酶(CAT)的产生并呈现较高的酶活性,但增加浓度或接触时间,CAT活性降低,这说明Cd(Ⅱ)对于黄孢原毛平革菌的作用不是简单的抑制作用,而是既激发也抑制;随着Cd(Ⅱ)胁迫时间及浓度的增加,氧化型谷胱甘肽(GSSG)浓度增加的趋势比还原型谷胱甘肽(GSH)增加的趋势更加明显:(2)培养液和胞外聚合物(EPS)中,糖类浓度先减小,后趋于平衡;蛋白质浓度呈现出先增大后减小的趋势;在0-0.8 mMCd(Ⅱ)浓度范围内,Cd(Ⅱ)浓度越高其促进草酸分泌作用越显著,但当Cd(Ⅱ)浓度超过1.0 mM时,会严重抑制草酸的分泌,且Cd(Ⅱ)浓度越高其抑制草酸分泌作用越明显。第四部分是以多环芳烃降解菌枯草芽孢杆菌为研究对象,在研究不同浓度的Cd(Ⅱ)、不同的pH对降解菌降解能力影响的基础上,通过实验研究Cd(Ⅱ)对降解菌细胞膜蛋白和多糖含量的影响、Cd(Ⅱ)对细胞膜内外芘含量的影响,初步探讨Cd(Ⅱ)对芘在枯草芽孢杆菌上降解的影响。结果发现:(1)枯草芽孢杆菌对芘降解的最佳pH值为8:(2)Cd(Ⅱ)对枯草芽孢杆菌降解芘产生了一定的抑制作用,随着Cd(Ⅱ)浓度增大,枯草芽孢杆菌降解芘的能力逐渐变弱;(3)Cd(Ⅱ)的存在会使枯草芽孢杆菌细胞膜上的蛋白质和多糖含量降低;(4)胞内芘的浓度随着培养基中Cd(Ⅱ)浓度的增大呈现先增大,后减少的趋势,而细胞膜上芘的浓度随着培养基中Cd(Ⅱ)浓度的增大呈现先减小,后增大的趋势,所以,Cd(Ⅱ)对芘在枯草芽孢杆菌上的跨膜过程具有抑制作用,当Cd(Ⅱ)浓度为20mg/L时,其对芘在枯草芽孢杆菌上的跨膜过程具有最强的抑制作用。第五部分采用铜绿假单胞杆菌作为Cr(Ⅵ)的高效还原菌,通过分析不同表面活性剂对Cr(Ⅵ)的还原情况,研究了阴离子生物表面活性剂二鼠李糖脂(diRL)、阳离子化学表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和非离子化学表面活性剂曲拉通X-100(Triton X-100)对铜绿假单胞杆菌修复Cr(Ⅵ)的影响,探索了铜绿假单胞杆菌、表面活性剂以及Cr(Ⅵ)的相互作用,以便为表面活性剂应用于含铬废水的处理提供理论依据。结果发现:(1)diRL能被铜绿假单胞菌吸收并作为碳源,从而进行生长代谢活动,有利于还原Cr(Ⅵ),而CTAB由于能电离出阳离子干扰基团影响铜绿假单胞菌表面的活性,抑制了对Cr(Ⅵ)的还原,Triton X-100对Cr(Ⅵ)的还原没太大影响;(2)铜绿假单胞菌对Cr(Ⅵ)的还原更适宜在碱性条件下进行,且溶液pH值越大,对Cr(Ⅵ)的还原率越大;(3)diRL能够促进降解菌的分散性,CTAB的效果则相反,Triton X-100对菌体的zeta电位没有影响;(4)随着接触时间的增加,Cr(Ⅵ)还原效率逐渐降低,但微生物接种含量的增加,促进了其对Cr(Ⅵ)的还原效率,当菌种接种量从0.5%增加到8%时,Cr(Ⅵ)的去除率从17%上升到62.5%;(5)阳离子Cu(Ⅱ)促进了铜绿假单胞菌对Cr(Ⅵ)的还原,而Zn(Ⅱ)抑制菌体对Cr(Ⅵ)的还原,阴离子NO3-和SO42-几乎不影响Cr(Ⅵ)的还原。本文在一定程度上揭示了微生物与重金属离子相互作用的机制,并分析了其在处理重金属废水时效率低下的原因,也摸索出了最佳的处理工艺参数,并通过微生物固定技术,提高了重复利用性,最后通过添加表面活性剂来提高废水的处理效果,这对于提高微生物处理技术在重金属污染水体中的高效利用有一定的指导意义。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X52
【部分图文】：

图２．１生物吸附剂的制备逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ邋ａｄｓｏｒｂｅｎｔ逡逑化生物吸附剂的制备逡逑射电镜（ＴＥＭ，ＪＥＯＬ－１２３０）和环境扫描电镜（ＳＥＭ，ＪＥＯＬＪ

＾邋ｒｔｅ］邋１逡逑１黄孢嗓毛平革茴Ｉ逡逑图２．１生物吸附剂的制备逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ邋ａｄｓｏｒｂｅｎｔ逡逑２．２．４固定化生物吸附剂的制备逡逑采用透射电镜（ＴＥＭ，ＪＥＯＬ－１２３０）和环境扫描电镜（ＳＥＭ，ＪＥＯＬＪＳＭ－６７００）逡逑观察制备的生物吸附剂的表观结构。生物吸附剂表观结构观察主要是将表面包逡逑裹的菌丝体轻轻从吸附剂表面剥离出来，取完整小块菌丝体用于观察生物吸附逡逑剂的表观结构。逡逑２．２．５吸附批试验逡逑用０．１Ｍ邋ＨＮ０３和Ｏ．ｌＭＮａＯＨ调整含Ｐｂ２＋溶液ｐＨ。称取一定量的生物吸附逡逑剂加入到２５０邋ｍＬ锥形瓶中，瓶中已盛有５０邋ｍＬ—定ｐＨ值、一定初始浓度的含逡逑Ｐｂ２＋溶液，用纱布密封锥形瓶并放置于３５邋°Ｃ恒温水浴振荡器内振荡吸附，转速逡逑控制为１５０邋ｒ／ｍｉｎ；振荡吸附完毕后，取出各个锥形瓶中的试样置于５０邋ｍＬ的离逡逑心管内，在离心机中离心分离５邋ｍｉｎ；离心后，稀释上清液，利用火焰原子吸逡逑收分光光度计测定上清液中的铅离子含量，确定吸附率和吸附容量。实验设三逡逑个平行样

分离５邋ｍｉｎ；离心后，稀释上清液，利用火焰原子吸收分光光度计测定上清液逡逑中的铅离子含量，计算吸附率。实验设三个平行样，测量数据的平均值用于分逡逑析ｐＨ值对吸附效果的影响。结果如图２．３所示。．逡逑４０邋逦逡逑１0邋＿逦４逦？邋＂邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｄａｔａ逡逑５逦Ｉ逦ｉ逦ｉｉｉｉ逦ｉ逡逑２．５逦３．０逦３．５逦４．０逦４邋５逦５．０逦５．５逦６．０逦６．５逡逑ｐＨ逡逑图２．３邋ｐＨ值对Ｐｂ（ＩＩ）吸附效果的影响逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．３邋Ｅｆｆｅｃｔ邋ｏｆ邋ｐＨ邋ｏｎ邋ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ邋ｏｆ邋Ｐｂ邋（ＩＩ）逡逑从图中可以看出，ｐＨ值对吸附效果有很大影响。最佳ｐＨ值为５，而且随逡逑着铅溶液的ｐＨ值在３－５范围内，吸附效率不断增加，而ｐＨ值在５之后，吸附逡逑率下降。这主要是因为，ｐＨ值小于５时，随着ｐＨ值的增加，Ｈ＋浓度降低，与逡逑２２逡逑

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