甲烷作為唯一電子供體驅(qū)動(dòng)六價(jià)鉻生物還原研究.pdf

1、我國(guó)水體環(huán)境中的重金屬污染日趨嚴(yán)重，其中，鉻污染現(xiàn)象較為突出。水體環(huán)境中鉻污染的來(lái)源大體分為三類:工業(yè)生產(chǎn)，日常生活及化學(xué)制品。鉻在水體中主要以三價(jià)(Cr(Ⅲ))和六價(jià)(Cr(Ⅵ)）形式存在。Cr(Ⅵ)在水體中具有高溶解度和高毒性，一般以陰離子形式存在。與之相反，Cr(Ⅲ)在中性或堿性條件下通常形成沉淀態(tài)的氫氧化物，并可以通過離心或過濾的方法去除。Cr(Ⅵ)的生物還原法是一種簡(jiǎn)便高效的水體鉻污染修復(fù)方法，即微生物利用有機(jī)物或無(wú)機(jī)物作為電

2、子供體，以Cr(Ⅵ)作為電子受體，將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)。
　　甲烷(CH4)是一種強(qiáng)溫室氣體，常見于自然和人為活動(dòng)中，主要來(lái)源于城市污水處理和垃圾填埋中的厭氧發(fā)酵過程，近年來(lái)在廢水生物修復(fù)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。該生物學(xué)過程中，甲烷可以充當(dāng)電子供體和碳源，為微生物的生長(zhǎng)提供足夠的能量，從而驅(qū)動(dòng)氧化態(tài)污染物的生物還原。甲烷基質(zhì)膜生物反應(yīng)器(Membrane biofilm reactor, MBfR)能夠?qū)H4安全高效地傳遞給膜

3、上的微生物從而驅(qū)動(dòng)微生物進(jìn)行物質(zhì)和能量代謝，是一種去除廢水中Cr(Ⅵ)的理想工藝。
　　本論文研究了CH4作為唯一電子供體驅(qū)動(dòng)Cr(Ⅵ)生物還原的微生物學(xué)過程，探究了不同的負(fù)荷的Cr(Ⅵ)，NO3-，SO42-及Se(Ⅵ）的還原動(dòng)力學(xué)和還原過程中的相互作用，闡明了Cr(Ⅵ)生物還原過程的作用機(jī)制以及NO3-，SO42-及Se(Ⅵ)對(duì)Cr(Ⅵ)還原的影響機(jī)理。主要結(jié)論如下:
　　1) CH4-MBfR中Cr(Ⅵ)生物還原過程<

4、br>　　證實(shí)了微生物是能夠以CH4作為唯一的電子供體來(lái)驅(qū)動(dòng)Cr(Ⅵ)的生物還原。當(dāng)Cr(Ⅵ)是CH4-MBfR中的唯一電子受體時(shí)，隨著附著在生物膜上的微生物群落對(duì)Cr(Ⅵ)的不斷適應(yīng)，微生物對(duì)Cr(Ⅵ)的還原能力不斷增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)共持續(xù)90天，分為五個(gè)階段。最終，當(dāng)進(jìn)水Cr(Ⅵ)濃度為3mg-Cr/L，其表面負(fù)荷為370mg-Cr m-2 d-1時(shí)，去除效率達(dá)到了95％。通過XPS，TEM和EDS分析表明， Cr(Ⅲ)沉淀是Cr(Ⅵ)還原

5、的終產(chǎn)物，并且分布于細(xì)菌的胞內(nèi)和胞外。
　　2) CH4-MBfR中Cr(Ⅵ)和NO3-，SO42-及Se(Ⅵ)還原的相互作用
　　當(dāng)Cr(Ⅵ)為CH4-MBfR中唯一電子受體時(shí)，進(jìn)水表面負(fù)荷為500mg-Cr/m2-d的Cr(Ⅵ)全部被還原為Cr(Ⅲ);但當(dāng)進(jìn)水中同時(shí)含280mg-N/m2-d的NO3-時(shí)，Cr(Ⅵ)還原能力顯著降低(＜25％);當(dāng)進(jìn)水NO3-負(fù)荷為零時(shí)，Cr(Ⅵ)還原率僅恢復(fù)至70％。因此，NO3-對(duì)Cr

6、(Ⅵ)還原具有不可逆的抑制作用。
　　在CH4-MBfR中，當(dāng)SO42-負(fù)荷從零增加到4.7mg/m2-d時(shí)，Cr(Ⅵ)去除率從60％(階段1)提高到70％;在SO42-負(fù)荷減少到零后，Cr(Ⅵ)去除率進(jìn)一步增加到90％，表明硫酸鹽還原菌(SRB)在生物膜上富集，并驅(qū)動(dòng)Cr(Ⅵ)的還原。然而，高負(fù)荷的SO42-(26.6mg/m2-d)會(huì)顯著抑制Cr(Ⅵ)的還原（還原率為40％）。同樣地，當(dāng)CH4-MBfR進(jìn)水中含0.5mg-Se

7、/L的Se(Ⅵ)時(shí)，Cr(Ⅵ)的去除率略微下降至60％;而當(dāng)進(jìn)水中不含Se(Ⅵ)時(shí)，Cr(Ⅵ)的去除率又回升到80％。
　　3) CH4-MBfR膜上的微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。
　　在CH4-MBfR中，隨著微生物以CH4作為電子供體驅(qū)動(dòng)Cr(Ⅵ)的生物還原，Meiothermus(Deinococci)和Methylosinus（Ⅱ型甲烷氧化菌）逐漸成為了生物膜上的優(yōu)勢(shì)菌屬。群落結(jié)構(gòu)分析表明，甲烷氧化菌和鉻酸鹽還原菌之間的協(xié)

8、同作用是主要的生物學(xué)機(jī)制:甲烷氧化菌活化CH4，產(chǎn)生并釋放一些代謝中間體，鉻酸鹽還原菌利用這些中間體作為電子供體來(lái)驅(qū)動(dòng)Cr(Ⅵ)的生物還原。
　　隨著NO3-的引入，膜上Meiothermus(Deinococci)相對(duì)豐度大幅降低，而Chitinophagaceae(一種反硝化細(xì)菌)的豐度顯著增加。這說(shuō)明NO3-對(duì)生物膜上的微生物群落具有顯著影響。之后，當(dāng)進(jìn)水不含NO3-時(shí)，Pelomonas相對(duì)豐度顯著上升，表明其可能具有Cr

9、(Ⅵ)還原能力。此外，通過PICRUSt對(duì)功能基因進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在引入NO3-后，生物膜上與鉻酸鹽還原有關(guān)的基因豐度顯著降低，而與反硝化作用和甲烷氧化過程有關(guān)的基因豐度卻有所增加。
　　與Cr(Ⅵ)共存的SO42-使得CH4-MBfR生物膜上演化出三個(gè)主導(dǎo)菌屬?；谶@三個(gè)菌屬的相對(duì)豐度與Cr(Ⅵ)和SO42-的負(fù)荷之間的相關(guān)性分析，我們得出:Methylocystis（Ⅱ型甲烷氧化菌）可同時(shí)還原Cr(Ⅵ)和SO42-，而Meiot