砷超累积植物内生菌对重金属砷、铅抗性及吸附性能的研究

摘要

在污染日趋严重的今天，污染物的治理己经越来越受到广泛关注。而传统的治理方法己渐渐不能满足现今治理污染物的需求，大量新型的处理技术正在研发当中。其中，生物法以其高吸附容量、环境友好性以及价格低兼等优势，展现出良好的应用前景。
　　湖南省石门县雄黄矿尾砂矿因长年采挖As2S3，造成附近区域砷污染严重，而蜈蚣草和大叶井口边草己经被证实为砷超累积植物，因此可以作为砷污染土壤的改良植物。然而，植物修复在处理污染的环境中具有局限性。比如，修复时间长，受环境因素影响大以及很难利用植物在大面积水体中进行处理。本实验将利用从砷超累积植物体内分离的内生菌对重金属砷、铅进行抗性以及相互作用展开研究：
　　1.超累积植物及其生长环境中砷含量的检测。从湖南省石门县雄黄矿尾砂矿采得蜈蚣草和大叶井口边草，并将土壤，植物的根，茎，叶分离后处理，最后利用原子荧光光谱法进行检测各样品中的砷含量。实验结果表明：第一，该地区土壤砷含量很高，污染严重，急需处理；第二，证实了蜈蚣草和大叶井口边草是重金属砷超累积植物，其中大叶井口边草和尾矿边上蜈蚣草中砷含量分布为叶>根>茎，而生长在矿渣上的蜈蚣草中砷含量分布为叶>茎>根。但两种植物体内砷含量的最高部位都为叶部，证实了植物对砷的吸收及转运途径是由下至上。以上实验结果与文献报道相符。
　　2.从超累积植物体内分离纯化高砷抗性内生菌并加以鉴定和进行相关生理生化性能的研究。实验证明蜈蚣草和大叶井口边草都具有砷超累积效应，且这种效应能够提供细菌一个良好的高砷环境，植物本身相当于一个细菌筛选器，从而可以使得纷繁复杂的分离纯化过程更加简单。利用这种优势，从这两种植物体内分离筛选出三株高砷抗性内生细菌，并命名为大叶 S03，大叶L01，尾矿L02，其对三价砷的抗性分别为7000 mg/L，6000 mg/L，6000 mg/L。经鉴定这三株内生菌分别为芽苞杆菌、芽苞杆菌和土壤杆菌。此三株细菌的砷抗性比目前文献中所报导的相关细菌的抗性还要强。实验还发现，同为砷超累积植物，蜈蚣草中分离所得的内生细菌的耐受性要比从大叶井口边草中分离得到的细菌要小，由第二章中实验所测两种植物体内砷含量的多少呈对应关系，也映证了细菌的抗性与其在所处环境一致性。
　　3.利用分离所得的活体高砷抗性菌进行与砷相互作用的研究。实验设计了多种可能性条件，如在有充足的养分条件下和在没有养分的条件下，细菌细胞对砷有无吸附作用进行探讨，实验结果表明无论有养分还是没有养分细菌活体细胞对砷的吸收能力都不明显。为了进一步说明细菌的高砷抗性和低砷吸附性，实验设计利用细菌与砷作用时细胞外EPS（胞外聚合物）的变化，从EPS的量的变化来侧面说明细菌抗性高无吸附的原因是否是由于EPS的作用。实验结果表明EPS的量随砷浓度的增加而减少，并非随砷浓度的增加而增加。因此，只能说明 EPS在内生菌对砷的抗性中起到一定的作用。最后利用原子荧光法对细菌能否将三价砷氧化成五价砷进行验证。实验结果表明三种细菌对三价砷都具有一定的氧化能力，且采自尾矿边草的内生菌的氧化能力最高。实验从侧面表明细菌的抗性原因很大一部分与氧化性有关。
　　4.利用高砷抗性内生菌对重金属砷、铅的吸附实验。将细菌扩大培养后灭活，再经离心烘干，碾磨过筛得到细菌粉末，并将该粉末用于三价砷，五价砷和铅离子的吸附实验。实验结果表明，该细菌粉末在任何pH范围内对三价和五价砷都没有吸附效果。由于植物内生菌对砷并无明显的吸附作用，实验首先考查了细菌对重金属铅离子的抗性，实验得出细菌大叶L01对铅离子的抗性可高达1000 mg/L。利用该细菌死体菌粉对溶液中的铅离子进行吸附实验。实验设计了三个铅离子浓度高低不同的溶液进行平行对比，并分别考查了溶液pH值，吸附剂用量，等温吸附实验，吸附动力学和吸附剂重复利用次数等实验因素。结果表明在生物吸附剂浓度为1 g/L，含铅离子水溶液pH为5.0的条件下大叶L01对铅离子的吸附效果最好。在铅离子初始浓度为100 mg/L的条件下，吸附剂大叶L01对铅离子等温吸附后经线性Langmuir拟合得该吸附剂理论最大吸附容量为93.6 mg/g。吸附剂L01对铅的吸附动力学表明吸附剂在短短的10 min内就可以达到平衡。吸附剂重复利用次数实验结果表明该吸附剂在重复使用5次后其吸附效果减少并不明显。此外，红外光谱（IR）、扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）等表征数据说明吸附剂大叶L01表面附有大量的孔穴和活性基团，对吸附铅离子起到了重要的作用。以上实验综合表明生物吸附剂大叶L01对铅离子的吸附效果很显著，在处理含铅离子的废水的应用中具有很好的前景。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 环境水污染现状

1.2 重金属污染的处理方法

1.3 超累积植物的开发与利用

1.4 植物内生菌的研究与利用

1.5 本课题研究的目的和主要内容

第二章 砷超累积植物生长环境中砷含量的分布

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4本章小结

第三章 砷超累积植物内生菌的分离纯化以及生理生化实验

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 内生菌与砷的相互作用以及其抗性的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4本章小结

第五章 高砷抗性菌用于吸附重金属铅的研究

5.1引言

5.2实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

硕士期间发表的论文

致 谢

声明