重金屬吸附菌的選育、吸附特性和機理研究.pdf

1、含有重金屬的廢水排放后可造成水體污染，并通過生物鏈的傳遞、積累進入人體，對人類健康造成嚴重危害。重金屬是重要的非再生資源，重金屬廢水不僅增加了環(huán)境壓力，也是巨大的資源浪費。因此，必須對重金屬廢水進行有效的處理，達到標準后方可排放。在重金屬廢水處理的方法中，微生物吸附法因無二次污染、處理低濃度重金屬廢水成本較低而有著廣闊的發(fā)展前景。本文圍繞重金屬抗性和吸附菌株的篩選、選育及其在廢水處理中的應用和機理展開，為利用微生物吸附法處理重金屬廢水的

2、工業(yè)應用提供優(yōu)良的微生物資源和技術支持。主要工作和取得的成果如下：
　　(1)重金屬抗性菌株的篩選與吸附性能測試：自環(huán)境樣品中篩選到重金屬抗性細菌BL9、BX、B8，分別為嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌、產堿普羅威登斯菌和假單胞菌，可在溫度、pH值和NaCl濃度較寬的范圍內生長，環(huán)境適應能力強。細菌BL9對Ni2+、Zn2+、Cu2+具有較強的吸附能力，其最大吸附量分別為171.16、260.13和110.53 mg/g；對Ni2+、Zn2+、

3、Cu2+的吸附動力學符合準二級動力學方程；Ni2+的等溫吸附過程符合Freundlich模型，Zn2+和Cu2+分別符合Sips和Temkin模型；熱力學研究發(fā)現(xiàn)，在溫度293?323 K時吸附過程可自發(fā)進行，303 K、303 K和298 K分別對應吸附Ni2+、Zn2+和Cu2+的?G?最負值，當溫度≤303 K(Ni2+、Zn2+)或298 K(Cu2+)時吸附過程吸熱，當溫度≥303 K(Ni2+、Zn2+)或298 K(Cu2

4、+)時吸附過程放熱。細菌BX對Cu2+和低濃度的Cd2+具有較強的吸附能力，其最大吸附量分別為128.74和67.16 mg/g；對Cu2+和Cd2+的吸附動力學亦符合準二級動力學方程；等溫吸附過程分別符合Freundlich和Sips模型；在288?323 K范圍內吸附過程可自發(fā)進行。細菌B8對Ni2+的最大吸附率達94.18％，吸附量達122.84 mg/g；吸附動力學符合準二級動力學方程；等溫吸附過程符合Sips模型；在288?3

5、23 K范圍內吸附過程可自發(fā)進行。
　　(2)重金屬抗性細菌的誘變：利用微波和低溫等離子體對細菌B8進行了誘變，二者均具有一定的誘變效果，但低溫等離子體的誘變效果較明顯。在以N2為載氣、誘變時間3 min、誘變功率50?65 W、載氣氣壓為20 Pa的最佳等離子體誘變條件下，獲得了突變體Ni12。該突變體對Ni2+的抗性達10.90 mmol/L，對Ni2+的吸附量達139.83 mg/g，遺傳穩(wěn)定性好，可用于含Ni2+廢水的處理

6、。
　　(3)重金屬抗性細菌對重金屬離子的抗性和吸附機理：通過傅立葉紅外光譜(FT-IR)、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察、蛋白質組和聚合酶鏈式反應(polymerase Chain Reaction，PCR)反應等研究手段，探討了抗性細菌BL9對重金屬離子的抗性和吸附機理，發(fā)現(xiàn)其體內存在復雜的抗性體系和多層次的吸附重金屬離子的機制。細菌不同組分的吸附效果和FT-IR譜圖分析表明，細胞分泌的細胞外聚合物(Extra-cellular

7、 polymeric substances，EPS)和細胞壁上O-H、C-O、C=O、N-H等基團可與金屬離子發(fā)生絡合反應。利用同位素標記相對和絕對定量技術(isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ)技術發(fā)現(xiàn)，在金屬離子Ni2+、Zn2+和Cu2+脅迫16?20 h后其蛋白質表達譜有著較大變化：表達上調且上調倍數(shù)大于2.0的蛋白質528個，表達下調且下調倍數(shù)小于

8、0.5的蛋白質474個，這些差異蛋白分別具有氧化還原酶、金屬離子結合等活性。通過PCR擴增了CzcD與ZupT基因的堿基序列，發(fā)現(xiàn)在Zn2+脅迫時，CzcD基因表達上調，ZupT基因表達下調。因此，細菌BL9不僅利用細胞外聚合物和細胞壁上的官能團對重金屬產生抗性和吸附作用，還通過促進外流、減少攝取的方式，降低菌體細胞質金屬離子濃度，減少過量金屬離子的毒害作用。
　　(4)重金屬抗性菌株的固定化及其生物膜對重金屬離子的動態(tài)吸附：在1

9、5±2℃，對細菌BL9、BX、突變體Ni12與霉菌FL3的混合培養(yǎng)物進行32 L/h間歇曝氣培養(yǎng)，從而將之固定化于多孔陶瓷載體上。通過循環(huán)進水的方式，固定化15?60天的微生物膜對Ni2+、Zn2+、Cu2+和Cd2+具有較強的動態(tài)吸附能力，0.1 mol/L的HCl對生物膜中的金屬離子可進行有效解吸。生物膜可多次吸附金屬離子，使用壽命較長，可應用于重金屬廢水的處理。
　　(5)ZjMT基因與重金屬抗性： ZjMT基因可編碼含有7