生物炭和多壁纳米管对DNS32降解水中阿特拉津影响研究

摘要

生物炭(biochars，BCs)和碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)是目前备受关注的生物质炭材料和石墨化炭材料，因其特殊的结构特征与良好的吸附性能而在土壤改良、环境污染修复等方面表现出卓越的价值。然随着BCs与CNTs的大量使用，其潜在的环境风险也备受关注。目前，关于CNTs微生物毒性的研究已有一些报道，但存在一定的争议;关于BCs对微生物活性的影响鲜有报道;且关于BCs与CNTs是否会通过影响降解功能微生物的活性而进一步影响其降解效率的研究报道较少。
　　基于大量的文献调研，针对以上所阐述的问题，本研究以玉米秸秆生物炭(C-BCs)、香蕉皮改性生物炭(B-BCs)和多壁纳米管(multi-walled carbon nanotubes，MWNTs)为例，研究BCs和CNTs对Atrazine降解菌Acinetobacter lwoffii DNS32降解效率及其生物活性的影响与机理，进而选择一种相对安全的材料作为固定化载体，制备固定化微生物以修复Atrazine污染。研究所得主要结论如下:
　　(1)利用扫描电子显微镜(SEM)对生物炭进行表征，结果表明:BCs完整地保留了其天然的微观结构，其中C-BCs由直径几微米的孔道组成;B-BCs表面具有明显的多孔结构，包括大孔与微孔结构。透射电子显微镜(TEM)及拉曼光谱仪对MWNTs进行表征，结果表明:MWNTs管径在10-100 nm之间;不同直径MWNTs石墨化程度不同，局部Zeta电位较低，可能存在大量的含氧官能团。
　　(2)研究C-BCs、 B-BCs和MWNTs对DNS32降解Atrazine的影响，结果表明:当C-BCs、B-BCs和MWNTs浓度从10 mg/L升高到100 mg/L时，Atrazine降解效率分别下降了12.7％、60.0％和63.7％;荧光定量PCR分析结果表明:高浓度的三种材料均使Atrazine降解基因下调，但C-BCs处理组下调幅度很小。因此，三种材料中，C-BCs对DNS32降解Atrazine的影响最小。
　　(3)进一步考察C-BCs、B-BCs和MWNTs对DNS32活性的影响，结果表明:10mg/L的C-BCs、B-BCs和MWNTs分别促进14.5％、6.6％和12.3％的细菌活性，而100mg/L三种材料，分别抑制5.7％、23.4％和30.2％的活性。并且，材料处理后DNS32的透射电镜图表明B-BCs和MWNTs均破坏了DNS32的细胞膜，但C-BCs对细胞膜形态结构几乎没有影响。这意味着B-BCs与MWNTs具有生物毒性，两者均会与细胞膜发生相互作用，造成物理损伤，进而抑制细胞活性;而C-BCs即使是较高浓度时，也没有表现出生物毒性，说明C-BCs具有较高的环境安全性。
　　(4)对B-BCs和MWNTs的微生物毒性的机理进行研究。用HCl洗涤B-BCs去除Zn2+后发现纯化后的B-BCs仍然会抑制细菌活性，说明Zn2+的含量对其生物毒性几乎没有贡献，因此B-BCs表面分布的小孔和粗糙的边缘可能是其细胞毒性的原因。以DNS32为研究对象，以模板细菌大肠杆菌(E.coli)和枯草芽孢杆菌（B.subtilis）为对照微生物，探究MWNTs纳米尺寸对其生物毒性的贡献，结果表明:MWNTs会改变细菌细胞膜通透性及细胞膜脂肪酸组成，总体而言MWNTs直径越小，改变幅度越大，说明MWNTs纳米尺寸越小，其细胞毒性越大。
　　(5)以C-BCs为固定化载体固定DNS32，得到的固定化DNS32可在40 h内将100mg/L的Atrazine降解掉94％，降解率比游离菌高24％;固定化DNS32具有更好的pH适应性和耐寒性，且在30 d后仍然具有降解。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 生物炭和CNTs的特性及其环境应用研究进展

1．1．1 生物炭基本特性及其环境应用

1．1．2 CNTs基本特性及其环境应用研究

1．2 生物炭和CNTs生态风险研究进展

1．2．1 生物炭和CNTs生物毒性研究进展

1．2．2 生物炭和CNTs土壤环境的潜在风险

1．2．3 生物炭和CNTs对有机污染物迁移、转化的影响

1．3 微生物固定化技术

1．3．1 固定化载体的发展

1．3．2 固定化载体的选择原则

1．4 阿特拉津的污染现状

1．5 研究目的、意义与研究内容

1．5．1 研究目的与意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

1．6 课题来源

2 材料与方法

2．1 试验材料

2．1．1 药品与试剂

2．1．2 主要仪器设备

2．1．3 生物质原料

2．1．4 MWNTs的准备

2．1．5 试验菌株

2．2 生物炭的制备

2．3 生物炭和MWNTs的表征

2．3．1 扫描电子显微镜

2．3．2 透射电子显微镜

2．3．3 拉曼光谱

2．4 生物炭和MWNTs对阿特拉津降解行为的影响

2．4．1 对降解效率的影响

2．4．2 对降解基因表达的影响

2．5 生物炭和MWNTs对降解菌DNS32生物毒性的影响

2．5．1 对DNS32菌活性的影响

2．5．2 对DNS32细胞膜形态的影响

2．6 生物炭和MWNTs细菌毒性机理的研究

2．6．1 香蕉皮改性生物炭细菌毒性机理研究

2．6．2 MWNTs细菌毒性机理研究

2．7 玉米秸秆生物炭固定化DNS32性能的研究

2．7．1 固定化DNS32的制备

2．7．2 固定化DNS32的生长曲线与降解率

2．7．3 固定化DNS32的生长条件

2．7．4 固定化DNS32对阿特拉津污染的修复效果

2．8 测试方法

2．8．1 细菌活性测定方法

2．8．2 阿特拉津的测定方法

2．8．3 基因相对含量的测定方法

2．8．4 脂肪酸测定方法

3 结果与分析

3．1 生物炭和MWNTs的表征

3．1．1 生物炭的表征

3．1．2 MWNTs的表征

3．2 生物炭和MWNTs对阿特拉津降解行为的影响

3．2．1 对降解效率的影响

3．2．2 对降解基因表达的影响

3．3 生物炭和MWNTs对DNS32生物活性的影响

3．4 生物炭与MWNTs细菌毒性机理研究

3．4．1 香蕉皮改性生物炭的细胞毒性机理

3．4．2 MWNTs细菌毒性机理研究

3．5 玉米秸秆生物炭固定化DNS32的性能

3．5．1 固定化DNS32的生长曲线和降解率

3．5．2 固定化DNS32的生长条件

3．5．3 固定化DNS32修复阿特拉津的效果

4 讨论

4．1 生物炭和MWNTs对有机污染物生物降解的影响途径

4．1．1 抑制降解菌的活性

4．1．2 降低有机污染物的自由溶解度

4．1．3 为降解菌提供舒适的微环境

4．2 MWNTs细菌毒性与细菌自适应机制

4．2．1 MWNTs细菌毒性机理

4．2．2 细菌应对MWNTs毒性的自适应机制

4．3 展望

5 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文