產(chǎn)菌核米曲霉G15對銅、鉛離子的抗性機制和吸附特性研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟發(fā)展，水體重金屬污染日趨嚴重。近年來，微生物吸附法因其材料來源廣泛、受環(huán)境條件影響較小、經(jīng)濟高效、不易產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點受到廣泛關注。菌核是絲狀真菌菌絲體纏繞融合形成的抗逆組織，因此，產(chǎn)菌核真菌表現(xiàn)出對重金屬較強的耐受性。本實驗室從龐泉溝自然保護區(qū)的森林土壤中分離出耐銅、鉛的產(chǎn)菌核曲霉G15菌株，rRNA-ITS序列分析結果和系統(tǒng)發(fā)育樹表明，該菌株為米曲霉（Aspergillus oryzae）。本論文以該菌株作為吸附劑，對比了

2、菌絲體和菌核對銅、鉛離子的吸附特性與機理，為其進一步應用于重金屬廢水的處理提供理論依據(jù)。本論文的主要研究成果如下:
　　1、初步探索了產(chǎn)菌核菌株G15在平板培養(yǎng)過程中對銅和鉛的耐受性。G15對銅、鉛表現(xiàn)出較強的耐受性，查氏酵母膏瓊脂(CYA)培養(yǎng)基中添加的Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)濃度高達300mg/l時，菌株仍能生長。然而，不同濃度的重金屬均對G15的生長分化表現(xiàn)出一定的抑制效果，CYA中的銅離子導致G15菌株菌落直徑減小，菌絲密度

3、顯著降低，高濃度（200-300mg/l）銅離子導致菌核成熟時間延遲46-53h。CYA中的鉛離子導致G15菌株菌核分化速率降低，明顯抑制分生孢子形成和菌絲生長，抑制程度因鉛離子濃度不同而存在差異，此外，當鉛離子濃度為25和100mg/l時，菌核的顏色明顯變淡。不同重金屬濃度下，生長中的菌絲體和菌核對銅、鉛離子的胞內(nèi)外吸附實驗表明重金屬吸附過程以胞外吸附為主，20-40％的重金屬離子被富集在G15菌株細胞內(nèi)。此外，菌核對兩種重金屬離子的

4、富集能力均大于菌絲體，表明菌核分化對重金屬富集過程有積極作用。
　　2、本試驗在CYA中添加不同濃度的Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)，研究不用重金屬脅迫下A.oryzae G15菌絲體和菌核細胞內(nèi)的脂質(zhì)過氧化水平、金屬硫蛋白(MT)水平及抗氧化代謝，探索該菌株對Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的抗性機制。結果表明銅、鉛脅迫導致G15菌絲體和菌核脂質(zhì)過氧化水平升高，表明銅和鉛誘導細胞內(nèi)活性氧(Reactive oxygen species，ROS)的

5、生成，形成氧脅迫。銅脅迫導致菌絲體MT水平顯著升高，50-100mg/l的鉛脅迫同樣顯著提升菌絲體MT含量;菌核MT水平幾乎不受銅、鉛脅迫的影響。該結果表明，MT主要在G15生長前期（菌絲生長階段）被誘導活化以清除ROS及螯合重金屬離子，在菌核發(fā)育階段發(fā)揮作用很少。不同銅脅迫條件均導致菌絲體和菌核超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活力升高，其中低濃度的銅脅迫更有利于CAT活力的上升;低濃度銅脅迫導致過氧化物酶(POD)活力升

6、高，而高濃度銅脅迫導致POD活力降低。鉛脅迫導致G15菌絲體與菌核SOD和CAT活力下降;菌絲體POD活力升高，菌核內(nèi)POD活力無顯著變化。上述結果表明G15通過胞內(nèi)抗氧化系統(tǒng)清除銅誘導生成的ROS，降低氧損傷，從而導致菌核生物量降低;而在鉛脅迫條件下G15體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)不足以清除鉛誘導的生成的ROS，導致菌核生物量增加。
　　3、以A.oryzae G15菌絲球和菌核作為吸附劑處理水溶液中的Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)，并優(yōu)化吸附條

7、件，探討吸附特性。結果表明體系pH值對吸附效果影響顯著，pH5.0時，菌絲體和菌核對銅離子吸附效果最佳;菌絲體和菌核對鉛離子吸附量隨pH值增大而增加，pH6.0時，溶液中超過90％的鉛離子被吸附，因此選擇pH6.0作為最佳pH。吸附溫度、時間、吸附劑濃度均對吸附效果有一定影響，最佳條件為:附劑濃度為2g/l，吸附溫度為30℃，吸附時間為60min。此外，溶液中共存離子Na+、K+、Mg2+、Ca2+均抑制G15菌絲體和菌核對銅、鉛的吸附

8、，降低吸附效率。然而，低濃度KCl導致菌絲體對鉛離子的吸附量增加。
　　4、應用吸附等溫模型和動力學方程對吸附特性進行分析，并對負載有銅、鉛離子的菌絲體和菌核進行解吸、重建試驗，進一步分析其性能。本試驗選擇Langmuir和Freundlich等溫吸附模型對米曲霉G15吸附銅、鉛離子的數(shù)據(jù)進行擬合。結果表明Langmuir模型更吸附符合過程，說明該吸附過程主要是發(fā)生在吸附劑表面的單分子層吸附過程。由Langmuir方程計算所得的菌

9、核的對銅、鉛離子的最大吸附量Qmax分別為73.53和123.46mg/g，菌絲體對兩種離子的最大吸附量分別是35.84和60.61mg/g。與一級動力學方程相比，二級動力學方程能夠更好地擬合不同重金屬初始濃度下的吸附數(shù)據(jù)，而且，由二級動力學方程擬合所得的平衡吸附量與實驗值更為接近，表明整個吸附過程中同時存在物理吸附（表面吸附）和化學吸附（胞內(nèi)富集）。解吸試驗結果表明，多于90％的銅、鉛離子能夠被鹽酸、硝酸和EDTA溶液洗脫，再次證實該

10、吸附主要發(fā)生于細胞表面，且菌絲體和菌核能夠被多次利用。
　　5、探索A.oryzae G15菌絲體和菌核對銅、鉛的表面吸附機制。通過自動電位滴定，確定G15菌絲體和菌核表面電荷和官能團在不同pH條件下的變化情況;利用掃描電子顯微鏡探索生長菌株G15吸附銅、鉛離子過程中的表面特征變化;最后，利用X射線光電子能譜和傅里葉變換紅外光譜分析菌絲體和菌核吸附銅、鉛離子前后的表面元素和官能團變化。XPS結果證實了菌絲體和菌核對兩種重金屬離子的

11、表面吸附。由SEM觀察可知銅離子和鉛離子毒害作用導致菌核表面形態(tài)發(fā)生明顯變化。結合PT、FTIR和XPS結果可知，菌株G15表面羧基在吸附過程中發(fā)揮主要作用，氨基也參與了吸附過程。此外，XPS全譜圖表明菌絲體細胞表面存在Na元素，吸附實驗后Na吸收峰消失，說明離子交換是G15菌絲體表面吸附銅、鉛離子的機制之一。由已知結果可知菌絲體和菌核對銅、鉛離子的吸附能力取決于其表面羧基數(shù)量，菌核表面羧基位點多于菌絲體，導致菌核吸附能力更強。然而，當