铁细菌修复土壤中重金属污染的研究

摘要

随着农业生产和工业生产的迅速发展以及农药、化肥的大量使用，大量含重金属的污染物通过各种途径进入土壤，造成土壤严重污染。由于重金属不易被降解，易富集在活的生物机体中，重金属超标将严重危害着包括人类在内的各种生命体的健康与生存。因此，土壤中的重金属污染已经成为环境保护领域中的一个突出问题。
　　在前期实验中发现，铁细菌是一种具有加固效果的矿化菌，能够在其生长过程中形成有很大吸附性的活性胶泥，可改善土体的液化特性。此时，如果能利用其吸附性来处理重金属污染，将具有很好的开发利用价值。为此，本研究利用铁细菌来修复五种重金属(Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+和Cr3+)污染，研究了其对重金属离子的修复效果，并通过环境扫描电镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱等分析手段，进一步研究了生物修复机理。本研究所取得的主要结论如下:
　　(1)铁细菌生理特性研究结果表明:铁细菌可在标准培养基浓度为0.5～1.0倍，温度为25℃～35℃，pH为5～8的条件下生长。菌体的耐受性实验表明:铁细菌的最大Pb2+耐受浓度约为700mg/L左右，最大Cd2+耐受浓度约为100mg/L左右，最大Cu2+耐受浓度约为400mg/L左右，最大Zn2+耐受浓度约为500mg/L左右，最大Cr3+耐受浓度约为400mg/L左右。经过驯化，铁细菌对Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Cr3+五种重金属离子的耐受浓度分别达到1000mg/L、400mg/L、800mg/L、900mg/L、450mg/L左右。
　　(2)铁细菌修复水中重金属离子Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Cr3+的实验结果表明:在优化条件下（溶液中重金属离子浓度分别为200mg/L、20mg/L、110mg/L、150mg/L、60mg/L左右，培养基浓度浓度为1.0倍，温度为30℃，pH为7），铁细菌对Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Cr3+的最大去除率可分别达到90％、85％、83％、65％、70％左右。
　　(3)模拟污染土修复实验结果表明:经过一次菌悬液处理后，土壤中有效态Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Cr3+的含量分别减少了58.37％、34.15％、45.92％、50.45％、40.18％;经过二次处理后土壤中有效态重金属含量进一步降低，与未处理土壤相比有效态重金属含量分别减少了76.04％、49.89％、68.14％、70.28％、58.7％。其中，对土壤中有效态Pb2+和Zn2+的去除效果较为显著。
　　(4)扫描电镜(SEM)分析表明，铁细菌生成的沉积物表面的颗粒相对较大，修复重金属离子后，沉积物的表面密布了许多较小颗粒，为铁细菌的代谢产物与重金属离子的共沉产物。X-射线衍射(XRD)分析表明，修复前后沉积物均以无定型为主。修复重金属离子前后沉积物的红外光谱(FTIR)研究分析表明，铁细菌生成的沉积物表面具有羟基、羧基、硫酸基等活性基团，且沉积物均以吸附性较强的施氏矿物为主。重金属离子与这些活性基团的结合、共沉反应是修复重金属离子的主要机理。最后，通过分子生物学16SrDNA基因序列分析研究，鉴定铁细菌为Arthrobacter niigatensis。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 重金属污染的特点及危害

1．2．1 重金属污染的特点

1．2．2 重金属污染的危害

1．3 生物修复

1．3．1 生物修复法概述

1．3．2 生物修复法的研究现状

1．3．3 生物修复法的影响因素

1．3．4 生物修复机理

1．4 铁细菌修复重金属污染的研究现状

1．4．1 铁细菌的生物学特征

1．4．2 铁细菌对重金属的修复

1．5 研究意义、目的及内容

1．5．1 研究意义及目的

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

2 铁菌株生长特性及耐受性实验研究

2．1 引言

2．2 实验材料

2．2．1 主要实验试剂和仪器

2．2．2 菌种来源

2．2．3 培养基

2．2．4 重金属溶液的配制

2．2．5 铁细菌的培养及形态观察

2．3 实验方法

2．3．1 菌株的个体形态观察

2．3．2 铁细菌生长特性的研究

2．3．3 铁细菌对重金属离子的耐受性实验

2．3．4 铁细菌的驯化

2．4 结果与讨论

2．4．1 铁细菌生长特性研究结果

2．4．2 铁细菌对五种重金属离子的耐受能力

2．4．3 铁细菌的驯化

2．5 本章小结

3 铁细菌修复水中重金属污染的实验研究

3．1 引言

3．2 实验材料

3．2．1 生物材料

3．2．2 模拟废液

3．3 实验方法

3．4 分析方法

3．4．1 原理

3．4．2 标准曲线的绘制

3．4．3 待测液中重金属浓度的测定

3．5 实验结果分析

3．5．1 Fe3+与重金属离子的共沉过程

3．5．2 重金属离子浓度对铁细菌修复效果的影响

3．6 本章小结

4 铁细菌修复土中重金属污染的实验研究

4．1 引言

4．2 材料和方法

4．2．1 供试土壤

4．2．2 实验方法

4．2．3 分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 实验结果分析

4．3．2 讨论

4．4 本章小结

5 铁细菌去除重金属离子的机理研究

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 菌体的培养

5．2．2 沉积物的鉴定与表征

5．3 结果和讨论

5．3．1 扫描电镜观察

5．3．2 XRD分析

5．3．3 红外光谱分析

5．3．4 铁细菌的分子生物学鉴定

5．3．5 机理分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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