苜蓿中华根瘤菌胞外聚合物吸附铜机制研究

发布时间：2017-05-28 16:09

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【摘要】：微生物胞外聚合物(Extracellular polymeric substance,EPS)被定义为生物絮凝剂之一。胞外聚合物是无毒的、廉价的、能够稳定存在的二次代谢产物。由于其生物可降解性常被看做是结构不确定的一类生物聚合物。胞外聚合物由细胞分泌出,能够附着于细胞表面或者被释放到周围环境中,并且可以以不同形式存在。本实验主要是利用不同方法提取、分析胞外聚合物的组成、结构、形貌特点,研究其对周围环境和细胞自身的影响。本实验室从陕西凤县重金属矿区的尾矿区所生长的野生天蓝苜蓿中分离到的根瘤菌S.meliloti CCNWSX0020,共生固氮细菌,能够抗1.4 m M铜离子的影响。实验室研究表明,S.meliloti CCNWSX0020胞外聚合物能够有效的吸附除去铜离子。通过对比野生型菌体与其突变体SXa胞外聚合物对金属离子抗性的影响,发现相对于突变体来说野生型菌体胞外聚合物能够吸附更多的铜离子。胞外聚合物能够积累在微生物细胞表面,引起细胞聚集,并通过减少外部恶劣环境对细胞的影响来保护细胞。通过实验确定胞外聚合物提取的方法:可溶性胞外聚合物(S-EPS,5000r/min,离心10min),松散键合胞外聚合物(LB-EPS,40w超声1min,7000r/min,离心20min),紧密键合胞外聚合物(TB-EPS,80°C热处理10min,15000r/min,离心20min)。通过对比分析了野生型及其突变体菌株三种胞外聚合物中多糖、蛋白质、核酸的组成。确定多糖在其中占有主要成分,其次是蛋白质。对比苜蓿中华根瘤菌野生型及其突变体三种胞外聚合物对溶液中铜离子的吸附效果,发现野生型苜蓿中华根瘤菌S.meliloti CCNWSX0020 LB-EPS对铜离子的吸附效果最好。在对胞外聚合物吸附铜离子的机理研究中发现,在野生型苜蓿中华根瘤菌三种胞外聚合物吸附过程中,溶液p H不断降低,H+的浓度不断增加,在三种胞外聚合物吸附铜离子的过程中,H+不断被释放出,铜离子主要以离子交换的方式结合在胞外聚合物上。从傅立叶变换红外光谱分析中可以知道,胞外聚合物上含有羧基、羟基、氨基等官能团,可以确定蛋白质和多糖都参与了吸附的过程,胞外蛋白和其他胞外多糖都携带有负电荷基团,这些带负电的基团在吸附过程中都能起到连接桥梁的作用。扫描电子显微镜对胞外聚合物的观察研究中发现,野生型苜蓿中华根瘤菌胞外聚合物表面要比突变体菌株胞外聚合物表面粗糙。野生型苜蓿中华根瘤菌LB-EPS表面更为粗糙,有很多蜂窝孔状结构。LB-EPS比其他胞外聚合物具有更大的比表面积,并且具有相对松散的结构和较大的内部空间。这些特点都使得LB-EPS在胞外聚合物吸附重金属离子过程中起了非常重要的作用。在LB-EPS吸附过程的研究中发现,升高p H吸附率随之升高。pH=5可以保证较高的吸附率和避免金属离子沉淀。考虑到吸附率和后期LB-EPS的应用性,吸附过程选择室温(25℃)作为实验温度。当初始金属离子浓度增加时,吸附率增加,但是当达到吸附平衡后,金属离子的浓度增加也不会带来吸附率的显著增加。所以选择初始金属离子浓度为1.5m M,同时确定LB-EPS投加量为50mg/L。共存离子实验结果说明溶液中其他共存金属离子会影响LB-EPS对铜离子的吸附。通过吸附等温模型研究说明Langmuir等温吸附模型更适合用于描述LB-EPS对铜离子吸附的过程。并且在吸附过程中内扩散速率成为吸附过程的主要限速步骤。通过LB-EPS吸附铜离子过程中的热力学研究,说明此吸附过程是吸热反应,并且吸附过程是自发的进行的。随着温度的升高反应的自发性增强。在吸附和解吸附的反复循环中,随着循环次数的增加LB-EPS吸附和解吸附速率都有所降低。在LB-EPS应用研究中发现,在静态吸附实验中,对LB-EPS海藻酸钙凝胶珠来说,LB-EPS包埋比为1/30、添加量为60颗/100ml溶液、金属离子溶液p H=5、吸附温度为35℃、铜离子浓度为2.0m M是比较适合的吸附条件。Langmuir等温吸附模型更适用于描述LB-EPS海藻酸钙凝胶珠静态吸附过程。在柱吸附实验中LB-EPS海藻酸钙凝胶珠的柱吸附率要远远高于未固定化的LB-EPS和LB-EPS海藻酸钙凝胶珠静态吸附的吸附率。总的来说LB-EPS海藻酸钙凝胶珠的柱吸附和解吸附效果是比较好的,这些为今后推广应用LB-EPS海藻酸钙凝胶珠柱吸附提供了一定的理论依据。
【关键词】：胞外聚合物 苜蓿中华根瘤菌 铜抗性 生物吸附
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X172
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 文献综述12-35
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 生物吸附13-16
• 1.2.1 生物吸附的定义13-14
• 1.2.2 生物吸附过程的影响因素14-16
• 1.3 胞外聚合物16-18
• 1.3.1 胞外聚合物概述16-17
• 1.3.2 胞外聚合物的结构和性质17-18
• 1.4 胞外聚合物的提取方式18-21
• 1.5 胞外聚合物的组成21-24
• 1.5.1 多糖21-22
• 1.5.2 蛋白质22
• 1.5.3 核酸22-23
• 1.5.4 脂类23
• 1.5.5 腐殖质23-24
• 1.6 胞外聚合物在环境中的应用24-33
• 1.6.1 金属的去除和回收24-25
• 1.6.2 污水处理25-29
• 1.6.3 色素污染物的去除29-30
• 1.6.4 污泥脱水作用30-31
• 1.6.5 有机组分的去除31
• 1.6.6 垃圾渗滤液处理31-32
• 1.6.7 土壤修复和再生32-33
• 1.7 本论文的研究目的、意义和研究内容33-35
• 1.7.1 研究目的、意义33
• 1.7.2 研究内容33-35
• 第二章 胞外聚合物对苜蓿中华根瘤菌重金属离子抗性的影响及其提取和分析35-47
• 2.1 引言35
• 2.2 实验材料与方法35-39
• 2.2.1 实验材料35-37
• 2.2.2 实验方法37-39
• 2.3 结果与讨论39-45
• 2.3.1 铜离子在胞外富集情况39-41
• 2.3.2 野生型苜蓿中华根瘤菌胞外聚合物提取41-44
• 2.3.3 苜蓿中华根瘤菌突变体SXa与野生型胞外聚合物提取结果对比44-45
• 2.4 本章小结45-47
• 第三章 苜蓿中华根瘤菌胞外聚合物对溶液中铜离子作用机理47-61
• 3.1 引言47
• 3.2 实验材料与方法47-49
• 3.2.1 实验试剂与仪器47
• 3.2.2 实验方法47-49
• 3.3 结果与讨论49-60
• 3.3.1 野生型以及突变体苜蓿中华根瘤菌S-EPS、LB-EPS、TB-EPS对金属离子的吸附效果49-50
• 3.3.2 野生型苜蓿中华根瘤菌胞外聚合物吸附过程pH变化50-51
• 3.3.3 胞外聚合物的傅立叶变换红外光谱分析51-56
• 3.3.4 扫描电子显微镜（SEM）分析56-60
• 3.4 本章小结60-61
• 第四章 苜蓿中华根瘤菌LB-EPS对溶液中铜离子吸附及其过程动力学、热力学研究61-74
• 4.1 引言61
• 4.2 实验材料与方法61-62
• 4.2.1 实验材料61
• 4.2.2 实验仪器61
• 4.2.3 实验方法61-62
• 4.3 结果与讨论62-72
• 4.3.1 吸附过程的影响因素62-66
• 4.3.2 LB-EPS等温吸附模型66-68
• 4.3.3 LB-EPS吸附过程动力学研究68-70
• 4.3.4 LB-EPS吸附热力学研究70-71
• 4.3.5 解吸附过程研究71-72
• 4.4 本章小结72-74
• 第五章 固定化苜蓿中华根瘤菌LB-EPS对溶液中铜离子吸附过程研究74-84
• 5.1 引言74
• 5.2 实验材料与方法74-75
• 5.2.1 材料与仪器74
• 5.2.2 实验方法74-75
• 5.3 结果与讨论75-83
• 5.3.1 静态吸附实验75-81
• 5.3.2 柱吸附过程81-83
• 5.4 本章小结83-84
• 第六章创新与展望84-85
• 6.1 创新84
• 6.2 展望84-85
• 参考文献85-102
• 附录一102-103
• 附录二103-105
• 附录三105-107
• 致谢107-108
• 作者简介108
• 博士期间发表的论文情况108

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 ;Production and application of a novel bioflocculant by multiple-microorganism consortia using brewery wastewater as carbon source[J];Journal of Environmental Sciences;2007年06期

2 常前发;;我国矿山尾矿综合利用和减排的新进展[J];金属矿山;2010年03期

3 龙健,黄昌勇,滕应,姚槐应;矿区重金属污染对土壤环境质量微生物学指标的影响[J];农业环境科学学报;2003年01期

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本文编号：402987