用于稳定捕获重金属离子的微生物粉剂研究

摘要

重金属污染已成为了全球性关注的问题，无论是土壤中还是水体中，各种重金属进入了人类食物链的最底层，并随着食物链进入人体，严重威胁着人类的身体健康。本文基于生物矿化原理，利用碳酸盐矿化菌生长代谢过程中产生的脲酶分解底物形成的碳酸根离子，同时与土壤中或水体中的重金属离子结合，使重金属离子转变成矿化物，从而降低重金属被植物吸收的风险和减少对自然环境的危害。为进一步推广微生物修复重金属离子污染技术的应用，本文采用真空冷冻干燥技术将碳酸盐矿化菌制成粉状菌剂，以方便微生物修复剂的运输和长期储存。本文首先对菌体所需要的离心条件和真空冷冻干燥技术所需要的工艺方法进行了研究。然后通过优化筛选的碳酸盐矿化菌的复合保护剂制备出较高活性的碳酸盐矿化菌冻干粉。最后对碳酸盐矿化菌粉的储存特性和应用特性进行了研究。
　　 研究结果表明:离心速度为6000r/min，离心时间10min条件下离心，活菌数达到最大5.616×108cfu/ml。将研制出的复合保护剂与碳酸盐矿化菌按如下条件混合:保护剂pH值为8，保护剂与菌体混合比例为1∶1，混合平衡时间为60min，预冻厚度为5mm，将混合后的菌液真空冷冻干燥24h后，可获得冻干存活率为78.4％的冻干菌粉。
　　 通过对菌粉在低温、常温和高温条件下的储存特性对比研究发现:冻干菌粉在低温储存条件下(-68～4℃)，菌粉酶活性在3个月内仍可保持80％以上，而其含水率从2.26％增长最高的2.51％;菌粉在4～25℃条件下可以储存10d左右;菌粉在25～40℃范围内储存3d后，发现活性降低50％以上，含水量增长到6.38％，而含水率的增高不利于微生物粉剂的储存。
　　 分别研究了温度、pH值、重金属离子种类对微生物粉剂的酶活性和使用效果影响。结果表明:环境使用温度低于20℃时，微生物粉剂的酶活性受到抑制;在20℃下，矿化产物产量与30℃相比减少了25％; pH在弱酸性条件(5＜pH＜7)下，形成的矿化产物产量与pH值为7的情况下相比减少了17％，而对于强酸性的污染体系，建议先调整pH至5以上后再进行修复实验。重金属锌离子对菌粉的酶活性基本没有影响，根据土壤中锌离子的含量，计算出菌粉的用量（记为1倍用量），就可达到较理想的矿化率(81.7％)。铜、铅离子对酶的活性有抑制作用，所以对于铜、铅或复合重金属污染，需要使用处理相同浓度锌离子时用量的2倍，以达到较理想矿化率，保证处理效果。通过菌粉在不同污染条件下对重金属处理效果的研究，以及与菌液对重金属Zn2+的处理效果对比，均证明了菌粉完全可以起到和菌液相近的处理效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 重金属污染及危害

1．2 固结重金属离子的方法

1．2．1 物理化学修复

1．2．2 生物修复

1．3 生物矿化修复重金属污染研究进展

1．3．1 国外生物矿化修复重金属污染进展

1．3．2 国内研究进展

1．4 真空冷冻干燥技术

1．4．1 冷冻干燥技术的特点

1．4．2 冷冻干燥技术步骤

1．5 本文主要研究内容及意义

第二章 固结重金属离子菌粉制备工艺研究

2．1 菌液离心条件的确定

2．1．1 离心条件对菌体的影响

2．1．2 确定最佳离心条件

2．2 装液厚度对冻干时间的影响

2．3 冻干保护剂的筛选和复配优化

2．3．1 冻干保护剂的初筛选

2．3．2 冻干保护剂的复配

2．4 保护剂与菌体混合条件对细胞冻干存活率的影响

2．5 1Kg菌粉的制备

2．6 本章小结

第三章 固结重金属离子菌粉的储存特性研究

3．1 研究方法

3．1．1 电导率表征碳酸盐矿化菌脲酶活性

3．1．2 比色法表征碳酸盐矿化菌脲酶活性

3．1．3 冻干菌粉残余水分含量的测定

3．1．4 活菌数的测定

3．2 菌粉复活条件的研究

3．3 不同保存条件下菌粉活性变化

3．3．1 低温保存

3．3．2 常温保存

3．4 不同保存条件下菌粉含水量变化

3．5 本章小结

第四章 固结重金属离子菌粉的应用特性研究

4．1 温度与pH对微生物粉剂的酶活性影响

4．1．1 温度对微生物粉剂的酶活性和用量影响

4．1．2．pH值对微生物粉剂的酶活性和用量影响

4．2 重金属离子对微生物粉剂的酶活性影响

4．2．1 Cu2+、Zn2+、Pb2+单一离子对活性的影响

4．2．2 重金属离子复合污染对菌粉活性的影响

4．2．3 重金属离子复合污染下矿化产物的形貌分析

4．3 菌粉与菌液对重金属离子去除效果的对比

4．3．1 菌粉与菌液对底物分解量的对比

4．3．2 菌粉与菌液对重金属离子的矿化粒径对比

4．3．3 菌粉与菌液形成的矿化产物形貌及成分对比

4．4 菌粉用量计算

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文清单

致谢