重金屬吸附菌的選育、吸附特性和機(jī)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(guò)生物鏈的傳遞、積累進(jìn)入人體，對(duì)人類(lèi)健康造成嚴(yán)重危害。重金屬是重要的非再生資源，重金屬?gòu)U水不僅增加了環(huán)境壓力，也是巨大的資源浪費(fèi)。因此，必須對(duì)重金屬?gòu)U水進(jìn)行有效的處理，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后方可排放。在重金屬?gòu)U水處理的方法中，微生物吸附法因無(wú)二次污染、處理低濃度重金屬?gòu)U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(yīng)用和機(jī)理展開(kāi)，為利用微生物吸附法處理重金屬?gòu)U水的

2、工業(yè)應(yīng)用提供優(yōu)良的微生物資源和技術(shù)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(cè)試：自環(huán)境樣品中篩選到重金屬抗性細(xì)菌BL9、BX、B8，分別為嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌、產(chǎn)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(nèi)生長(zhǎng)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。細(xì)菌BL9對(duì)Ni2+、Zn2+、Cu2+具有較強(qiáng)的吸附能力，其最大吸附量分別為171.16、260.13和110.53 mg/g；對(duì)Ni2+、Zn2+、

3、Cu2+的吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程；Ni2+的等溫吸附過(guò)程符合Freundlich模型，Zn2+和Cu2+分別符合Sips和Temkin模型；熱力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在溫度293?323 K時(shí)吸附過(guò)程可自發(fā)進(jìn)行，303 K、303 K和298 K分別對(duì)應(yīng)吸附Ni2+、Zn2+和Cu2+的?G?最負(fù)值，當(dāng)溫度≤303 K(Ni2+、Zn2+)或298 K(Cu2+)時(shí)吸附過(guò)程吸熱，當(dāng)溫度≥303 K(Ni2+、Zn2+)或298 K(Cu2

4、+)時(shí)吸附過(guò)程放熱。細(xì)菌BX對(duì)Cu2+和低濃度的Cd2+具有較強(qiáng)的吸附能力，其最大吸附量分別為128.74和67.16 mg/g；對(duì)Cu2+和Cd2+的吸附動(dòng)力學(xué)亦符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程；等溫吸附過(guò)程分別符合Freundlich和Sips模型；在288?323 K范圍內(nèi)吸附過(guò)程可自發(fā)進(jìn)行。細(xì)菌B8對(duì)Ni2+的最大吸附率達(dá)94.18％，吸附量達(dá)122.84 mg/g；吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程；等溫吸附過(guò)程符合Sips模型；在288?3

5、23 K范圍內(nèi)吸附過(guò)程可自發(fā)進(jìn)行。
　　(2)重金屬抗性細(xì)菌的誘變：利用微波和低溫等離子體對(duì)細(xì)菌B8進(jìn)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(shí)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(duì)Ni2+的抗性達(dá)10.90 mmol/L，對(duì)Ni2+的吸附量達(dá)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(xì)菌對(duì)重金屬離子的抗性和吸附機(jī)理：通過(guò)傅立葉紅外光譜(FT-IR)、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察、蛋白質(zhì)組和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase Chain Reaction，PCR)反應(yīng)等研究手段，探討了抗性細(xì)菌BL9對(duì)重金屬離子的抗性和吸附機(jī)理，發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)存在復(fù)雜的抗性體系和多層次的吸附重金屬離子的機(jī)制。細(xì)菌不同組分的吸附效果和FT-IR譜圖分析表明，細(xì)胞分泌的細(xì)胞外聚合物(Extra-cellular

7、 polymeric substances，EPS)和細(xì)胞壁上O-H、C-O、C=O、N-H等基團(tuán)可與金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。利用同位素標(biāo)記相對(duì)和絕對(duì)定量技術(shù)(isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在金屬離子Ni2+、Zn2+和Cu2+脅迫16?20 h后其蛋白質(zhì)表達(dá)譜有著較大變化：表達(dá)上調(diào)且上調(diào)倍數(shù)大于2.0的蛋白質(zhì)528個(gè)，表達(dá)下調(diào)且下調(diào)倍數(shù)小于

8、0.5的蛋白質(zhì)474個(gè)，這些差異蛋白分別具有氧化還原酶、金屬離子結(jié)合等活性。通過(guò)PCR擴(kuò)增了CzcD與ZupT基因的堿基序列，發(fā)現(xiàn)在Zn2+脅迫時(shí)，CzcD基因表達(dá)上調(diào)，ZupT基因表達(dá)下調(diào)。因此，細(xì)菌BL9不僅利用細(xì)胞外聚合物和細(xì)胞壁上的官能團(tuán)對(duì)重金屬產(chǎn)生抗性和吸附作用，還通過(guò)促進(jìn)外流、減少攝取的方式，降低菌體細(xì)胞質(zhì)金屬離子濃度，減少過(guò)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(duì)重金屬離子的動(dòng)態(tài)吸附：在1

9、5±2℃，對(duì)細(xì)菌BL9、BX、突變體Ni12與霉菌FL3的混合培養(yǎng)物進(jìn)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(guò)循環(huán)進(jìn)水的方式，固定化15?60天的微生物膜對(duì)Ni2+、Zn2+、Cu2+和Cd2+具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)吸附能力，0.1 mol/L的HCl對(duì)生物膜中的金屬離子可進(jìn)行有效解吸。生物膜可多次吸附金屬離子，使用壽命較長(zhǎng)，可應(yīng)用于重金屬?gòu)U水的處理。
　　(5)ZjMT基因與重金屬抗性： ZjMT基因可編碼含有7