白腐真菌對(duì)廢水中Pb2+的去除及穩(wěn)定化機(jī)理的研究.pdf

1、廢水中重金屬污染日益嚴(yán)重，其中鉛是一種很普遍的污染物。鉛會(huì)對(duì)人和動(dòng)物的生命組織體產(chǎn)生很強(qiáng)的毒性，因而對(duì)鉛污染的修復(fù)研究不容忽視。隨著對(duì)鉛污染的研究深入，其處理方法也在不斷的發(fā)展。微生物處理技術(shù)因其價(jià)格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。白腐真菌是一種具有較強(qiáng)的有機(jī)物的降解能力的真菌，由于其具有較強(qiáng)的重金屬吸附能力而使其近幾年在重金屬?gòu)U水治理的應(yīng)用研究中受到很大的關(guān)注。白腐真菌在應(yīng)對(duì)有毒重金屬的脅迫時(shí)會(huì)形成有效的防御體系。這些防御體系是

2、基于菌體在胞內(nèi)和胞外所產(chǎn)生的具有螯合絡(luò)合重金屬能力的物質(zhì)，胞外作為重金屬離子毒性鈍化的第一環(huán)境尤為重要。白腐真菌產(chǎn)生的胞外分泌物通過(guò)調(diào)節(jié)菌體生存環(huán)境中的pH值、螯合作用、沉淀、穩(wěn)定、固定等途徑改變重金屬的生物有效性和生物毒性，從而影響菌體對(duì)重金屬的吸收。為了進(jìn)一步探討黃孢原毛平革菌對(duì)鉛的生物去除機(jī)理，預(yù)測(cè)和控制重金屬在環(huán)境中的去向，我們有必要從菌體在和鉛離子接觸的過(guò)程中為應(yīng)對(duì)鉛毒性所產(chǎn)生的一系列的胞外應(yīng)答響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行考察。
　　本

3、文將白腐真菌的模式菌種黃孢原毛平革菌應(yīng)用于含鉛廢水的處理，研究了菌體對(duì)鉛的吸附去除機(jī)理，系統(tǒng)地研究了黃孢原毛平革菌去除鉛的過(guò)程中分泌的胞外小分子有機(jī)酸、硫醇化合物、胞外聚合物的響應(yīng)特性及這些分泌物對(duì)鉛的去除的作用機(jī)理，并進(jìn)一步研究了這個(gè)過(guò)程中菌體去除的鉛的生物活性，從而發(fā)展了基于黃孢原毛平革菌的含鉛廢水處理和穩(wěn)定化技術(shù)和理論。本文的具體研究工作及成果包括以下4個(gè)部分的內(nèi)容:
　　第1部分為黃孢原毛平革菌對(duì)鉛離子的吸附機(jī)理的研究。實(shí)

4、驗(yàn)中采用的是培養(yǎng)成熟的菌體對(duì)廢水中鉛離子進(jìn)行吸附去除，考察了環(huán)境中的pH、鉛初始濃度、吸附時(shí)間和菌體的預(yù)處理對(duì)去除效果的影響，進(jìn)一步分析了成熟菌體吸附去除鉛的模式。研究中得到以下結(jié)果:(1)成熟菌體去除鉛離子最適合的pH條件為5.0，對(duì)50 mg/L的鉛的去除率可達(dá)64％。(2)隨著鉛離子的初始濃度逐漸增大，鉛的去除率均處于60％-70％之間。等量的菌體所吸附的鉛量逐漸增加，當(dāng)初始鉛離子濃度增大到200 mg/L時(shí)，比在實(shí)驗(yàn)組100 m

5、g/L中的菌體吸附的鉛量高3倍，這說(shuō)明菌體對(duì)高濃度的鉛離子啟動(dòng)了更加快速有效的去除吸附機(jī)制。(3)菌體對(duì)低于100 mg/L的鉛離子的吸附可以在4h內(nèi)達(dá)到飽和，而對(duì)高于100 mg/L的鉛離子則需要更多的時(shí)間。這可能是由于前期進(jìn)行的是一個(gè)快速的表面吸附，而后進(jìn)行的是鉛離子向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移的過(guò)程，這一過(guò)程受細(xì)胞內(nèi)代謝、細(xì)胞擴(kuò)散過(guò)程的控制。(4)菌體對(duì)不同濃度的鉛離子的吸附符合Freundlich吸附等溫線方程，這說(shuō)明成熟菌體吸附去除鉛離子的過(guò)

6、程是基于在不同表面間的吸附，各個(gè)吸附位點(diǎn)并不是等同的或者相互間不是獨(dú)立的。通過(guò)紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)菌體表面的羥基、氨基、羧基、巰基官能團(tuán)對(duì)鉛的吸附起了重要的作用。各種菌體預(yù)處理會(huì)影響這些功能性官能團(tuán)的數(shù)量和種類(lèi)，并進(jìn)一步影響菌體對(duì)鉛離子的去除效果。
　　第2部分著重研究了黃孢原毛平革菌分泌的胞外功能性分泌物應(yīng)對(duì)鉛離子毒性的響應(yīng)特性。這些功能性物質(zhì)是指含有羥基、氨基、羧基、巰基官能團(tuán)的物質(zhì)，包括低分子有機(jī)酸、硫醇化合物及胞外聚合物。研究

7、中使用經(jīng)預(yù)培養(yǎng)的黃孢原毛平革菌接觸濃度范圍為25-400 mg/L的鉛離子。在菌體生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)這些功能性物質(zhì)在水體環(huán)境中的含量變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并結(jié)合鉛濃度的變化進(jìn)行進(jìn)一步分析。研究中得到以下結(jié)果:(1)菌體生長(zhǎng)過(guò)程中各濃度的鉛均得到了有效的去除。在菌體在生長(zhǎng)到121 h時(shí)，各實(shí)驗(yàn)組中的鉛均被去除75％以上。與使用成熟菌體的去除效率對(duì)比要好得多，尤其有利于低濃度鉛離子的去除。(2)胞外檸檬酸的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于草酸和蘋(píng)果酸的含量。鉛誘導(dǎo)菌體快速

8、分泌更多的草酸并推遲環(huán)境中檸檬酸的分，解，抑制蘋(píng)果酸的分泌。這說(shuō)明當(dāng)黃孢原毛平革菌面對(duì)鉛離子毒性的脅迫時(shí)，菌體分泌的草酸是主動(dòng)應(yīng)對(duì)鉛離子毒性，而蘋(píng)果酸和檸檬酸都是被動(dòng)地響應(yīng)。(3)環(huán)境中有機(jī)酸的蓄積會(huì)導(dǎo)致pH值的下降，但這個(gè)變化并未減緩菌體對(duì)鉛的去除。這說(shuō)明在生長(zhǎng)中的菌體去除鉛的過(guò)程中，當(dāng)pH處于4-6范圍內(nèi)時(shí)它并不是一個(gè)嚴(yán)格的限制因素。(4)更高濃度的鉛離子誘導(dǎo)菌體分泌更多的硫醇物質(zhì)，其中大部分是屬于蛋白類(lèi)硫醇化合物。隨著鉛濃度的增大

9、，蛋白硫醇所占的比例越大。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明并不是所有的胞外硫醇類(lèi)物質(zhì)都是發(fā)揮著同樣的防御作用，蛋白類(lèi)硫醇是黃孢原毛平革菌對(duì)鉛毒性采取的一個(gè)主要胞外防御機(jī)制。(5)環(huán)境中過(guò)高的鉛離子會(huì)減緩菌體在某一時(shí)段內(nèi)對(duì)糖類(lèi)相對(duì)的代謝速率，但是并不影響菌體整個(gè)生長(zhǎng)進(jìn)程中的代謝速率變化。更大鉛離子毒性誘導(dǎo)菌體分泌更多蛋白質(zhì)到培養(yǎng)液中，蛋白質(zhì)最高含量均出現(xiàn)在第5天。
　　第3部分研究了黃孢原毛平革菌分泌的胞外功能性物質(zhì)在鉛去除過(guò)程中發(fā)揮的作用。這些功

10、能性物質(zhì)螯合了鉛離子后會(huì)粘附在菌體胞外聚合物層中從而達(dá)到將鉛從水體中分離的目的。研究中將菌體周?chē)降陌饩酆衔飳臃蛛x并對(duì)其中的低分子有機(jī)酸、硫醇化合物、胞外聚合物及鉛含量進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)一步分析各種功能性物質(zhì)含量對(duì)菌體吸附的鉛量的影響。研究得到以下結(jié)果:(1)環(huán)境中更高的鉛離子誘導(dǎo)菌體吸附更多的草酸。胞外聚合物層中草酸的降解伴隨著培養(yǎng)液中鉛的濃度出現(xiàn)的一定程度的增大，這種影響在高濃度鉛實(shí)驗(yàn)組中更大。胞外聚合物層中草酸含量和鉛含量有較明顯

11、的相關(guān)性。以上結(jié)果說(shuō)明當(dāng)黃孢原毛平革菌面臨高濃度的鉛離子毒性時(shí)，草酸在去除和鈍化鉛離子方面發(fā)揮著很重要的作用。
　　(2)鉛誘導(dǎo)菌體吸附更多的蛋白類(lèi)硫醇化合物，減少了對(duì)非蛋白類(lèi)硫醇化合物的吸附。菌體吸附的硫醇含量和鉛含量相關(guān)性不明顯，這可能和硫醇化合物含量較小有關(guān)。(3)菌體周?chē)降陌饩酆衔镏饕怯商穷?lèi)組成，蛋白質(zhì)含量較小。鉛誘導(dǎo)菌體吸附更多胞外聚合物并推遲其中成分含量的減小，這些響應(yīng)特性有利于菌體吸附更多的鉛離子并保護(hù)菌體細(xì)

12、胞免受外界侵害。胞外聚合物中鉛含量與培養(yǎng)液中初始鉛離子濃度呈正相關(guān)，胞外聚合物中鉛量占菌體去除總鉛量的比例不斷減小，以上結(jié)果說(shuō)明在菌體去除鉛的前期胞外聚合物起到了最主要的作用。(4)隨著鉛濃度的增大，草酸含量和胞外聚合物含量的相關(guān)性逐漸增強(qiáng)，而硫醇化合物含量和胞外聚合物含量的相關(guān)性卻逐漸減弱，這說(shuō)明胞外聚合物含量的增加有助于固定吸附更多的草酸。
　　第4部分為黃孢原毛平革菌吸附去除的鉛的穩(wěn)定性的研究。EDTA可以提取菌體吸附去除的

13、所有具有生物可利用性的鉛，研究中利用EDTA對(duì)菌體去除的鉛進(jìn)行提取研究鉛的生物穩(wěn)定性。(1)成熟菌體去除的鉛的穩(wěn)定性受到環(huán)境中pH、菌體預(yù)處理及初始鉛離子濃度的影響。在pH高于6.0環(huán)境中菌體去除的鉛較容易被解吸，pH5.0的環(huán)境最適宜成熟菌體對(duì)鉛離子的穩(wěn)定。菌體預(yù)處理不利于其對(duì)鉛的穩(wěn)定化，活性菌體吸附的鉛的解吸率均比滅活菌體吸附的鉛的解吸率要低。這說(shuō)明活菌的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)對(duì)于鉛離子的穩(wěn)定化具有非常重要的意義。活菌體對(duì)初始濃度越低的鉛離子

14、穩(wěn)定化效果越好。(2)菌體生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)鉛的去除和穩(wěn)定化過(guò)程幾乎同時(shí)進(jìn)行，在121 h之后菌體去除的鉛保持在20％左右的提取率，處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，也是對(duì)環(huán)境危害較小的狀態(tài)。經(jīng)ESEM-EDAX分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)EDTA提取之后菌體表面吸附鉛類(lèi)物質(zhì)減少，但是提取前后菌體表面鉛類(lèi)物質(zhì)元素組成成分類(lèi)似。經(jīng)過(guò)XRD進(jìn)一步對(duì)提取后的菌體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)剩余的鉛類(lèi)物質(zhì)是草酸鉛和磷氯鉛類(lèi)物質(zhì)。
　　本論文研究揭示了黃孢原毛平革菌去除和穩(wěn)定化鉛的機(jī)理，探究了菌