接种白腐真菌改善含铅农业固废微环境及其作用机理的研究

摘要

针对目前农业废物受重金属污染日益严重的现象,本课题考察了在不同pb2+浓度下,接种白腐真菌降解农业固体废物的情况,以及白腐真菌对不同浓度铅污染钝化能力的差异,同时研究了铅在固态发酵过程中的迁移和转化。本课题旨在通过对白腐真菌的典型菌种——黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)与重金属交互作用的基础分析,确定该生物吸附剂的在不同浓度pb2+作用下对农余废物中主要成份.木质纤维素的降解能力的影响。通过对接种白腐真菌的稻草基质中pb2+迁移转化的研究,并借助傅立叶红外变换光谱等技术手段,来分析探索白腐真菌对pb2+的胞外钝化机制进行探索;并结合电脑软件工具对作用官能团种类和数量进行分析,进一步量化钝化规律。最后对强化白腐真菌吸附重金属开展了进一步的研究。
　　 首先,实验通过考察在6个不同铅浓度下,接种的白腐真菌在固态发酵基质中的代谢情况,发现低浓度的pb2+对白腐真菌生物量、酶活性以及胞外分泌的有机酸有促进作用,高浓度pb2+有抑制作用。低浓度的铅离子能促进白腐真菌MnP的生成,同时白腐真菌胞外分泌物草酸含量也有增加。相对于高浓度pb2+对白腐真菌酶活性的强烈抑制作用,白腐真菌胞外分泌物草酸受其影响相对要小得多,在发酵后期草酸含量与Pb2+成正相关。
　　 本课题考察了白腐真菌在降解含铅稻草中的能量流动、碳源的循环、以及不同浓度pb2+对白腐真菌降解木质素行为的干扰情况。研究结果显示出白腐真菌对重金属的毒性有一定的抗性。在固态发酵初期,pb2+对白腐真菌降解木质素等复杂有机物产生相对较强的干扰,且pb2+浓度越高干扰越大,降低了白腐真菌对复杂有机物的降解水平。发酵中后期白腐真菌逐渐适应了Pb2+毒性,发酵基质中的能量循环慢慢恢复,结果表明白腐真菌在分解木质素等较难降解的有机物的同时能逐渐适应低浓度Pb2+的毒性。
　　 本课题通过对不同形态的pb2+的在固态发酵过程中分配系数的变化进行研究,从而了解pb2+的迁移和转化情况。通过对Pb2+的水溶交换态、碳酸盐结合态、Fe-Mn氧化物结合态、有机结合态和残留态五种形态在固态发酵前后分配系数的变化情况,具体分析了不同浓度pb2+对白腐真菌钝化pb2+的影响及原因,同时发现基质中的腐殖酸对对pb2+的钝化作用也很明显,pb2+生物活性降低使其达到环境能够忍受的毒性。在50 mg/kg pb2+浓度下白腐菌表现出最好的降解性能且对pb2+的钝化作用最强。实验证明接种白腐真菌改善被铅污染的农业废物具有很强的可行性。
　　 为了解白腐真菌对重金属的吸附潜力,实验采用了电位滴定法结合MATLAB数学软件计算的方法,对白腐真菌生物的吸附官能团进行了定量分析。电位滴定结果表明,在三个Ph范围内存在着可以提供H+的官能团。结合傅立叶红外变换光谱,利用计算机软件MATALB计算,白腐真菌在吸附重金属方面存在的3个重要官能团,它们分别为0.12 mmol/g干样的羧基(pKi5.00),0.22 mmol/g干样的磷酸基(pKi7.32),以及0.23 mmol/g干样的酚羟基(pKi10.45)。与MATAB软件对白腐真菌吸附pb2+功能基团的分析结果相符。本实验结论为接种白腐真菌处理含铅固废提供理论依据,以充分发挥白腐真菌钝化重金属的潜力。最后,为强化白腐真菌对重金属的钝化能力,本论文在基于磁性纳米基础上固定化白腐真菌,研究出新型磁性生物吸附剂,以提高其对重金属抗毒性和耐受力。
　　 本课题考察白腐真菌与pb2+的交互作用机理,并对白腐真菌胞外钝化Pb2+机理进行了初步研究,同时在对强化白腐真菌吸附能力的研究中取得一定成果。本课题的研究成果对相关专业的科研工作者有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

第1章 绪论

1.1 重金属污染现状及其目前治理技术

1.1.1 重金属污染现状

1.1.2 铅污染现状

1.1.3 重金属的存在对固态发酵处理农业固废的影响

1.2 农业固体废物的现状

1.2.1 农业固体废物的主要成分

1.2.2 农业固体废物的生物降解

1.2.3 木质素的降解生物及其降解能力

1.3 白腐真菌的概述及其研究情况

1.3.1 白腐真菌研究的历史发展过程

1.3.2 黄孢原毛平革菌的分类地位

1.3.3 黄孢原毛平革菌的生长和代谢特点

1.3.4 白腐真菌改善农业固废微环境的可行性

1.4 白腐真菌与重金属交互作用的研究进展与展望

1.4.1 重金属对白腐真菌生理影响的研究

1.4.2 白腐真菌吸附重金属的机理研究

1.4.3 白腐真菌吸附重金属技术发展现状

1.4.4 白腐真菌吸附重金属存在的问题及应用展望

1.5 本课题的研究目的及意义

第2章 固态发酵基质中Pb2+对白腐真菌代谢水平的影响研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验方法

2.2.3 分析方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 不同浓度pb2+对白腐真菌生物量的影响

2.3.2 不同浓度pb2+对白腐真菌酶活性的影响

2.3.3 不同浓度pb2+对白腐真菌胞外分泌物的影响

2.4 本章小结

第3章 接种白腐真菌对改善含铅固废基质中能量流动的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料

3.2.2 实验方法

3.2.3 分析方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 pH值的变化

3.3.2 有机碳、有机氮以及C/N的变化

3.3.3 木质纤维素含量的变化

3.3.4 腐殖质含量的变化

3.4 本章小结

第4章 固态发酵中接种白腐真菌对pb2+的迁移与转化的影响

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验方法

4.2.3 分析方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 pb2+结合五态的变化

4.3.2 DTPA-Pb的变化

4.3.3 腐殖酸铅的变化

4.4 本章小结

第5章 固态发酵过程中白腐真菌对pb2+钝化机理的研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.2.1 实验材料

5.2.2 分析方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 傅立叶变换红外光谱分析

5.3.2 黄孢原毛平革菌吸附剂的点位滴定

5.3.3 吸附官能团定量

5.4 本章小结

第6章 固态发酵基质中固定化白腐真菌吸附pb2+的初步研究

6.1 前言

6.2 实验部分

6.2.1 实验材料

6.2.2 实验方法

6.2.3 分析方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 最佳吸附条件的确定

6.3.2 四种吸附剂对pb2+吸附效果的比较

6.3.3 在固态发酵基质中的应用展望

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读博士学位期间发表的论文目录

附录B 攻读学位期间申请的专利

附录C 攻读学位期间参与的研究课题

附录D 对官能团的定量的MATLAB程序

致谢