黄孢原毛平革菌去除水体重金属的应用基础研究

摘要

近年来,各类水环境中重金属污染日趋加剧已成为全球性的问题。其中镉、铜、锌及其化合物是常见的水体重金属污染物,因其难降解性和富集性严重危害着包括人类在内的各种生命体的健康与生存,如何去除这些污染物已经成为环境治理的关键问题。
　　 微生物法处理重金属污染废水,以其吸附剂价格低廉、无二次污染等优点被广泛应用于水体治理中。许多生物材料以其良好的降解功能显示出在水处理中的良好应用前景。本论文中,采用黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)为吸附剂去除废水中的重金属离子,将其应用于含Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)等重金属离子的废水的生物修复上,对吸附过程的影响因素及吸附机理进行了详细的探讨。本研究考察pH、温度、吸附时间以及重金属初始浓度对P.chrysosporium吸附水体重金属离子的影响;通过傅里叶红外光谱(FTIR)分析确定了表面吸附官能团;采用一级动力学模型和二级动力学模型来描述吸附过程中的动态变化;并用Langmuir模型方程和Freundlich模型方程对重金属离子的吸附等温线数据进行拟合,以此来探讨其吸附机理。
　　 本研究采用kirk液体培养基对P.chrysosporium进行培养,扩大培养时间为72h,控制条件使其自动形成一定大小的菌丝球,用此活菌体来吸附废水中的重金属离子。
　　 研究结果表明,环境条件对P.chrysosporium吸附重金属离子的影响十分明显。P.chrysosporium对Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附中,在最佳吸附条件pH5.5～6.5、温度为37℃、吸附6h即可达到吸附平衡。在此条件下P.chrysosporium对Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的最大吸附容量分别为66.23 mg/g、74.78mg/g和54.12 mg/g。通过对实验数据进行动力学方程模拟可知,二级动力学方程比一级动力学方程更适合描述P.chrysosporium对这三种离子的吸附,这表明吸附过程中吸附速率与没有发生反应的吸附位点数量的平方成正比。Langmuir等温模型对Cd(Ⅱ)的实验数据拟合相对较好,吸附剂对Cd(Ⅱ)最大吸附量可达68.03mg/g。
　　 傅立叶红外变换光谱(FTIR)表明在吸附镉的过程中,P.chrysosporium菌体细胞壁上羟基和羧基等官能团起着主要的吸附作用。利用环境扫描电镜(SEM-)表征吸附前后菌体表面变化,发现菌体表面结构发生了明显改变。在菌体吸附Cd(Ⅱ)后,菌体表面产生了大量含Cd(Ⅱ)的结晶颗粒。能谱(EDX)和傅里叶红外变换光谱(FTIR)表明,氨基酸和蛋白质参与了P.chrysosporium吸附重金属的反应。以上研究结果表明,P.chrysosporium有良好的吸附性能,在生物吸附方面有良好的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

第1章 绪论

1.1 重金属的环境污染

1.1.1 重金属的污染特点

1.1.2 几种常见重金属的来源、性质和毒性

1.2 重金属废水传统处理技术

1.2.1 化学法

1.2.2 物理化学法

1.3 生物吸附法

1.3.1 生物吸附法概述

1.3.2 生物吸附剂的特性

1.3.3 生物吸附机理

1.3.4 生物吸附的影响因素

1.3.5 生物吸附剂的吸附模型

1.4 白腐真菌及其吸附重金属离子的研究进展

1.4.1 白腐真菌的生物学特征

1.4.2 白腐真菌对重金属的吸附

1.5 本课题的研究目的及内容

1.5.1 研究内容和意义

1.5.2 研究的技术方案

第2章 黄孢原毛平革菌对含Cd(Ⅱ)废水的去除

2.1 实验仪器与试剂

2.1.1 实验主要仪器

2.1.2 去离子蒸馏水的制备

2.1.3 实验主要试剂的制备

2.2 实验材料

2.2.1 菌种来源

2.2.2 培养基

2.2.3 菌丝球培养

2.3 Cd(Ⅱ)的测定与计算方法

2.4 实验方法

2.4.1 pH值对吸附镉的影响

2.4.2 接触时间对吸附镉的影响

2.4.3 温度对吸附镉的影响

2.4.4 溶液中Cd(Ⅱ)的初始浓度对吸附的影响

2.4.5 胞外可溶性蛋白质的测定

2.4.6 傅里叶变换红外光谱分析

2.4.7 电镜扫描和能谱分析

2.5 结果分析

2.5.1 pH值对吸附镉的影响

2.5.2 接触时间对吸附镉的影响

2.5.3 温度对吸附镉的影响

2.5.4 Cd(Ⅱ)的初始浓度对吸附的影响

2.5.5 Langmuir与Freundlich等温吸附模型模拟

2.5.6 吸附动力学模型模拟

2.5.7 胞外可溶性蛋白质与重金属的响应

2.5.8 傅里叶变换红外光谱分析

2.5.9 电镜扫描和能谱分析

2.6 结论

第3章 黄孢原毛平革菌对含Cu(Ⅱ)废水的去除

3.1 实验仪器与试剂

3.1.1 实验主要仪器

3.1.2 去离子蒸馏水的制备

3.1.3 实验主要试剂的制备

3.2 Cu(Ⅱ)的测定与计算方法

3.3 实验方法

3.3.1 pH值对吸附的影响

3.3.2 接触时间对吸附的影响

3.3.3 温度对吸附的影响

3.3.4 溶液中Cu(Ⅱ)的初始浓度对吸附的影响

3.4 结果分析

3.4.1 pH值对吸附铜的影响

3.4.2 接触时间对吸附铜的影响

3.4.3 温度对吸附铜的影响

3.4.4 Cu(Ⅱ)的初始浓度对吸附的影响

3.4.5 Langmuir与Freundlich等温吸附模型模拟

3.4.6 吸附动力学模拟结果分析

3.5 结论

第4章 黄孢原毛平革菌对含Zn(Ⅱ)废水的去除

4.1 实验仪器与试剂

4.1.1 实验主要仪器

4.1.2 去离子蒸馏水的制备

4.1.3 实验主要试剂的制备

4.2 Zu(Ⅱ)的测定与计算方法

4.3 实验方法

4.3.1 pH值对吸附的影响

4.3.2 接触时间对吸附的影响

4.3.3 温度对吸附的影响

4.3.4 溶液中Zn(Ⅱ)的初始浓度对吸附的影响

4.4 结果分析

4.4.1 pH值对吸附的影响

4.4.2 接触时间对吸附锌的影响

4.4.3 温度对吸附锌的影响

4.4.4 Zn(Ⅱ)的初始浓度对吸附的影响

4.4.5 Langmuir与Freundlich等温吸附模型模拟

4.5.6 吸附动力学模拟结果分析

4.6 结论

第5章 黄孢原毛平革菌去除水中重金属的两阶段方法

5.1 实验仪器与试剂

5.1.1 实验主要仪器

5.1.2 去离子蒸馏水的制备

5.1.3 实验主要试剂的制备

5.2 Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的测定与计算方法

5.3 实验方法

5.4 结果分析

5.5 结论

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读硕士学位期间所申请国家发明专利目录