重金属吸附菌的选育、吸附特性和机理研究

发布时间：2018-04-17 14:24

  本文选题：重金属 + 废水　； 参考：《太原理工大学》2016年博士论文

【摘要】：含有重金属的废水排放后可造成水体污染,并通过生物链的传递、积累进入人体,对人类健康造成严重危害。重金属是重要的非再生资源,重金属废水不仅增加了环境压力,也是巨大的资源浪费。因此,必须对重金属废水进行有效的处理,达到标准后方可排放。在重金属废水处理的方法中,微生物吸附法因无二次污染、处理低浓度重金属废水成本较低而有着广阔的发展前景。本文围绕重金属抗性和吸附菌株的筛选、选育及其在废水处理中的应用和机理展开,为利用微生物吸附法处理重金属废水的工业应用提供优良的微生物资源和技术支持。主要工作和取得的成果如下:(1)重金属抗性菌株的筛选与吸附性能测试:自环境样品中筛选到重金属抗性细菌BL9、BX、B8,分别为嗜麦芽寡养单胞菌、产碱普罗威登斯菌和假单胞菌,可在温度、pH值和NaCl浓度较宽的范围内生长,环境适应能力强。细菌BL9对Ni~(2+)、Zn~(2+)、Cu~(2+)具有较强的吸附能力,其最大吸附量分别为171.16、260.13和110.53 mg/g;对Ni~(2+)、Zn~(2+)、Cu~(2+)的吸附动力学符合准二级动力学方程;Ni~(2+)的等温吸附过程符合Freundlich模型,Zn~(2+)和Cu~(2+)分别符合Sips和Temkin模型;热力学研究发现,在温度293?323 K时吸附过程可自发进行,303 K、303 K和298 K分别对应吸附Ni~(2+)、Zn~(2+)和Cu~(2+)的GqD最负值,当温度≤303 K(Ni~(2+)、Zn~(2+))或298 K(Cu~(2+))时吸附过程吸热,当温度≥303 K(Ni~(2+)、Zn~(2+))或298 K(Cu~(2+))时吸附过程放热。细菌BX对Cu~(2+)和低浓度的Cd~(2+)具有较强的吸附能力,其最大吸附量分别为128.74和67.16 mg/g;对Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附动力学亦符合准二级动力学方程;等温吸附过程分别符合Freundlich和Sips模型;在288?323 K范围内吸附过程可自发进行。细菌b8对ni~(2+)的最大吸附率达94.18%,吸附量达122.84mg/g;吸附动力学符合准二级动力学方程;等温吸附过程符合sips模型;在288?323k范围内吸附过程可自发进行。(2)重金属抗性细菌的诱变:利用微波和低温等离子体对细菌b8进行了诱变,二者均具有一定的诱变效果,但低温等离子体的诱变效果较明显。在以n2为载气、诱变时间3min、诱变功率50?65w、载气气压为20pa的最佳等离子体诱变条件下,获得了突变体ni12。该突变体对ni~(2+)的抗性达10.90mmol/l,对ni~(2+)的吸附量达139.83mg/g,遗传稳定性好,可用于含ni~(2+)废水的处理。(3)重金属抗性细菌对重金属离子的抗性和吸附机理:通过傅立叶红外光谱(ft-ir)、扫描电子显微镜(sem)观察、蛋白质组和聚合酶链式反应(polymerasechainreaction,pcr)反应等研究手段,探讨了抗性细菌bl9对重金属离子的抗性和吸附机理,发现其体内存在复杂的抗性体系和多层次的吸附重金属离子的机制。细菌不同组分的吸附效果和ft-ir谱图分析表明,细胞分泌的细胞外聚合物(extra-cellularpolymericsubstances,eps)和细胞壁上o-h、c-o、c=o、n-h等基团可与金属离子发生络合反应。利用同位素标记相对和绝对定量技术(isobarictagsforrelativeandabsolutequantitation,itraq)技术发现,在金属离子ni~(2+)、zn~(2+)和cu~(2+)胁迫16?20h后其蛋白质表达谱有着较大变化:表达上调且上调倍数大于2.0的蛋白质528个,表达下调且下调倍数小于0.5的蛋白质474个,这些差异蛋白分别具有氧化还原酶、金属离子结合等活性。通过pcr扩增了czcd与zupt基因的碱基序列,发现在zn~(2+)胁迫时,czcd基因表达上调,zupt基因表达下调。因此,细菌bl9不仅利用细胞外聚合物和细胞壁上的官能团对重金属产生抗性和吸附作用,还通过促进外流、减少摄取的方式,降低菌体细胞质金属离子浓度,减少过量金属离子的毒害作用。(4)重金属抗性菌株的固定化及其生物膜对重金属离子的动态吸附:在15±2℃,对细菌BL9、BX、突变体Ni12与霉菌FL3的混合培养物进行32 L/h间歇曝气培养,从而将之固定化于多孔陶瓷载体上。通过循环进水的方式,固定化15?60天的微生物膜对Ni~(2+)、Zn~(2+)、Cu~(2+)和Cd~(2+)具有较强的动态吸附能力,0.1 mol/L的HCl对生物膜中的金属离子可进行有效解吸。生物膜可多次吸附金属离子,使用寿命较长,可应用于重金属废水的处理。(5)ZjMT基因与重金属抗性:ZjMT基因可编码含有74个氨基酸序列的多肽,属于1型金属硫蛋白,其结构与已知植物的金属硫蛋白具有较高的相似性。定量PCR结果表明,ZjMT基因在枣树组培苗中的表达可被Cd~(2+)胁迫等环境因子所诱导,证明了ZjMT基因可在植物体内发挥对重金属的抗性作用。将ZjMT基因导入大肠杆菌,构建了表达该基因的重组菌。与对照菌相比,ZjMT基因的表达使重组菌对多种重金属离子的抗性和吸附能力增强。ZjMT基因在植物体内、体外均可发挥对重金属离子的抗性和吸附功能。
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【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X172
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本文编号：1763966