天然植物油菜秸秆与内生菌联合修复镉污染废水的研究

摘要

随着工业生产的发展，如电池制造业、采掘业、涂料生产、冶炼、金属电镀和弹药生产等，重金属污染变得日益严重。其中，镉可通过食物链在人体内累积，并严重的损害人体的骨骼和肾脏等被认为是最有毒的一种重金属。并在“致癌物第九年度报告(2000)”上被列为“人类致癌物质”。因此，去除环境中的潜在镉危害显得尤为重要。近年来，重金属的植物吸附、微生物修复等新技术越来越受到人们的关注。然而，天然植物吸附剂在高效去除废水中重金属离子的同时，也可引入新的污染，如COD、BOD、TOC、颜色等。另一方面，由于重金属毒性、极端pH、以及生长过程中不断需要的各种能源物质等，被接种到污染水体的微生物在水体中的生长受到较大抑制，从而影响它的重金属修复效果。本研究将植物吸附与微生物修复联合作用，两步处理镉污染废水。
　　在第一阶段，油菜秸秆吸附作用时，首先对pH、接触时间、剂量等因素进行探讨。在最佳反应条件，其对镉初始浓度为11.24-78.68mg/L的废水，一次去除率为81.63-87.54％。该过程符合Langmuir吸附等温模型，即该吸附剂对镉离子的吸附为单层吸附，吸附位点是均质确定的，最大吸附量为32.26 mg/g。红外光谱分析发现油菜秸秆表面存在的羧基、氨基、巯基、羟基等化学基团在镉的生物吸附中起关键作用。准一级动力学、准二级动力学、内扩散反应模型拟合结果表明反应过程与准二级动力学模型更为吻合。这也说明油菜秸秆对镉的吸附动力主要是受化学作用即化学吸附和离子交换控制。经过四次吸附/脱附循环，SEM显微镜扫描图表明油菜秸秆表面结构基本没有明显差异，且吸附剂的吸附能力还可以保持原来的80％以上。
　　在第二阶段，将通过最小抑制浓度实验筛选得到的13株具有良好镉耐受性的特殊菌株接种于经第一步预处理的废水中。其中LKR02表现出最好的镉修复能力，经两步处理后，废水中总镉的去除率高达96.31-99.76％。另外还可以去除经第一步油菜秸秆处理后引入的COD(97.57％)、颜色(91.93％)。16S rDNA分析鉴定表明LKR02属于节杆菌属，并与氧化节杆菌有100％的同源性。浓度为44.96 mg/L的镉污染废水对LKR02菌株的生长影响较少，只延长其处于停滞期的时间，对其达到生长稳定期几乎无影响，生物量降低29.65％。该菌株对溶液中镉离子的去除与其生长曲线相一致。在pH范围为6-8，LKR02生长良好并表现出稳定的镉离子去除能力；当pH升高到9时，其对镉离子的提取能力减少到前者的一半，这主要是因为较高pH改变了细菌的细胞结构，影响了其对镉离子的吸收能力。
　　初始镉浓度为4.725、8.850、14.525mg/L的废水中，经由细胞壁表面吸附和通过代谢驱动主动运输到细菌细胞内贮存的镉含量分别为65.29％、67.43％、68.86％and34.71％、32.57％、31.14％等。本研究结果表明，分离于镉超累积植物龙葵根部的LKR02有非常好的重金属镉耐受性及良好的胞内积聚重金属离子的能力。
　　本工作基于植物材料吸附剂和微生物在重金属的生物修复中的不足和优势。首次提出油菜秸秆与内生菌联合作用处理镉污染废水，既克服了植物材料吸附中对水体的二次污染问题，也解决了微生物在镉污染废水中生长的能源缺乏、镉离子毒害问题。本研究表明该方法技术可行、操作简单、经济方便，是重金属污染废水治理的新方法。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 水体重金属污染现状及危害

1.1.1 水体污染现状

1.1.2 水体重金属污染突发事件

1.2 水体中主要重金属污染来源及危害

1.2.1 水体中重金属污染的来源

1.2.2 重金属污染的危害及其毒理效应

1.2.3 重金属污染废水的特点

1.3 重金属污染废水的处理方法

1.4 重金属污染废水处理新技术的发展

1.4.1 植物修复法

1.4.2 吸附法

1.4.3 微生物技术

1.5 植物内生菌

1.6 本实验研究路线

1.7 本实验研究意义

第2章 油菜秸秆对水中镉离子的吸附研究

2.1 引言

2.2 材料与试剂

2.2.1 材料制备

2.2.2 试剂

2.2.3 主要仪器及设备

2.3 方法与测定

2.3.1 纤维素、木质素、半纤维素的测定

2.3.2 吸附剂傅立叶红外光谱分析

2.3.3 火焰原子吸收光谱法测定水中的Cd2+浓度

2.3.4 油菜秸秆的生物吸附实验

2.3.5 油菜秸秆的解吸附实验

2.3.5 环境扫描电镜观察

2.4 结果与讨论

2.4.1 吸附剂的理化性质

2.4.2 傅立叶红外转换分析

2.4.3 pH值对吸附效率的影响

2.4.4 吸附剂剂量对吸附效率的影响

2.4.5 吸附时间对吸附效率的影响

2.4.6 油菜秸秆中重金属镉的脱附实验

2.5 实验小结

第3章 特性内生菌的筛选与鉴定

3.1 前言

3.2 实验材料

3.2.1 龙葵植物样品的的采集

3.2.2 实验试剂与仪器

3.2.3 内生菌悬液的制备

3.2.4 分析技术

3.3 实验方法

3.3.1 龙葵样品的预处理与表面消毒

3.3.2 龙葵植物内生菌的分离

3.3.3 内生菌镉抗性的检测

3.3.4 内生菌的筛选

3.3.5 LKR02的16s rDNA鉴定

3.3.6 LKR02的细胞壁结构特征

3.4 结果与讨论

3.4.1 龙葵植物内生菌的分离与提纯

3.4.2 龙葵内生菌对镉最小抑制浓度(MIC)测定

3.4.3 内生菌的重金属修复

3.8 内生菌LKR02的鉴定

3.5 实验小结

第4章 内生细菌LKR02对镉生物修复作用研究

4.1 引言

4.2 实验材料

4.2.1 菌株来源

4.2.2 实验试剂与仪器

4.2.3 分析技术

4.3 实验方法

4.3.1 镉离子对LKR02生长曲线的影响

4.3.1 LKR02的镉生物修复

4.4 结果与讨论

4.4.1 镉离子对LKR02生长曲线的影响

4.4.2 内生细菌LKR02的生物修复

4.5 实验小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

致 谢