產脲酶菌誘導碳酸鈣沉積及對重金屬Cd2+-Pb2+的去除研究.pdf

1、由于工業(yè)的快速發(fā)展，重金屬污染因其持續(xù)積累性和難降解性對環(huán)境構成了重大的威脅，解決環(huán)境中的重金屬問題十分迫切。在諸多重金屬處理方法中，微生物誘導碳酸鈣沉積(MICP)作為一項新興和頗具前景的生物礦化技術開始應用于重金屬的去除研究中。該技術主要原理為:在鈣離子誘導下，產脲酶微生物通過生物脲酶的催化作用，將環(huán)境中的鈣離子、重金屬離子以碳酸鹽礦物的形式沉積出來，從而實現鈣離子和重金屬離子的固定。
　　本研究主要內容包括:產脲酶菌的篩選;

2、溫度、pH值、尿素濃度、Ca2+濃度對產脲酶菌生長及其產脲酶活性的影響;鈣源類別對產脲酶菌MICP產物晶型的影響;基于最佳生理生化條件及鈣源，分析產脲酶菌在MICP原理下對重金屬Cd2+、Pb2+的去除效果，并對其去除重金屬機理進行了初步探索。主要研究結果如下:
　　(1)以經尿素馴化的活性污泥為來源，通過篩選培養(yǎng)基分離得到了3株具有產脲酶活性的菌株，分別將其命名為UPB1、UPB2、UPB3，經16S rRNA基因序列分析分別為

3、芽孢桿菌屬（Bacillus sp）、蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus)、微球菌屬(Micrococcus)，其中芽孢桿菌屬的菌株(UPB1)具有明顯誘導碳酸鈣沉積能力，其產脲酶活性可達11.33mmol·L-1·min-1。
　　(2)通過單因素試驗探究溫度、pH值、尿素濃度、Ca2+濃度對UPB1菌生長及產脲酶活性的影響，確定了UPB1菌MICP最佳培養(yǎng)條件:最適生長及產酶溫度為30℃，最適pH為9.0，最適產脲酶

4、的尿素基質濃度為30g·L-1，最高效誘導碳酸鈣沉積的Ca2+濃度為0.25mol·L-1。
　　(3)基于UPB1菌最佳生長、產脲酶活性最高的培養(yǎng)基，利用場發(fā)射電鏡觀察了UPB1菌誘導氯化鈣、醋酸鈣、乳酸鈣、葡萄糖酸鈣4種不同鈣源生成的CaCO3晶型特征。結果表明:UPB1菌利用CaCl2誘導形成熱力學最穩(wěn)定的菱面體形CaCO3（方解石）;利用Ca(CH3COO)2誘導形成由球霰石組成的CaCO3（亞穩(wěn)態(tài)形式CaCO3）;利用乳

5、酸鈣和葡萄糖酸鈣誘導形成的CaCO3晶型非常復雜，CaCO3晶體與晶體之間鑲嵌組合成一個密集整體，其中利用乳酸鈣誘導形成CaCO3晶體所組合成的整體并無規(guī)則形狀，而利用葡萄糖酸鈣所誘導形成的CaCO3晶體鑲嵌組合成一個形狀規(guī)則的球體。
　　(4)基于最佳鈣源CaCl2，通過金相顯微鏡觀察了UPB1菌誘導CaCO3沉積的動態(tài)過程，結果顯示:UPB1菌誘導生成的CaCO3晶體以菌體細胞為核心，CaCO3晶體粘附在菌體細胞壁上形成大量孔

6、隙，隨著MICP過程的不斷推進，孔隙數不斷增多，孔隙直徑逐漸減小。CaCO3晶體形狀表現首先為細小顆粒狀，然后逐漸匯集成薄片狀，進而形成菱面體型，在整個過程中UPB1菌為CaCO3晶體提供了有效的成核位點。
　　(5)基于MICP原理，比較了UPB1菌在含Ca2+的培養(yǎng)基中及不含Ca2+的培養(yǎng)基中對重金屬Cd2+、pb2+的去除差異;其次通過SEM和EDS對其MICP產物進行了微觀分析，初步探索了UPB1菌去除重金屬機制;并采用一

7、系列濃度梯度的鹽酸對MICP產物進行了耐酸分析。結果表明:在含Ca2+的培養(yǎng)基中，UPB1菌對重金屬Cd2+、pb2+的去除率分別為95.94％、99.56％，高于不含Ca2+培養(yǎng)基中Cd2+、pb2+的去除率87.06％、96.44％，但其形成的MICP共沉淀產物CaxCdy(CO3)z、CaxPby(CO3)z不及CdCO3、PbCO3耐酸。在重金屬礦化過程中，脲酶起著關鍵的作用。其通過酶活性中心與底物分子之間短程非共價鍵（氫鍵、離