生物锰氧化物的合成及其在重金属去除中的应用

摘要

锰氧化菌是一类系统高度分化的微生物，具有氧化Mn2+，生成不溶的Mn3+/Mn4+锰氧化物的能力。目前针对纯培养的锰氧化菌的研究较多，而对微生物群落的研究却很少。从实际应用出发，锰氧化群落比锰氧化纯菌具有更大的研究价值。本论文从辽东湾近海底泥中驯化得到锰氧化微生物群落。对得到的群落结构进行16S rRNA基因测序，并研究了不同培养条件对群落的生长量和锰氧化性能的影响，最后对群落产生的锰氧化物进行了表征。结果表明，驯化过程中，微生物群落结构发生改变。在门水平上，Proteobacteria的丰度体现出先下降后上升的趋势，在 PJ_1_ini中占总细菌丰度的56.72%，而在PJ_1_1mM和PJ_1_2mM的群落中分别占35.1%和76.12%。微生物群落能够在Mn2+的浓度高达5 mM时，仍具有锰氧化活性；金属离子对群落的锰氧化性能具有不同的影响，Zn2+、Co2+等离子，不同程度的抑制群落的锰氧化性能，而 Fe3+的加入，则能显著提高群落的锰氧化速度；在pH为7.0和盐度低于3.5%时，对微生物的生长和锰的氧化最有利。通过X射线衍射和N2吸附脱附等温线分析，确定了产物为无定型结构，其比表面积在31-41 m2 g-1之间。
　　为了后续研究反应器中锰氧化群落/生物锰氧化物对重金属的去除效果，首先考察了群落产生的锰氧化物本身对重金属的去除情况。根据上述的研究得出Fe3+能够加速锰氧化微生物氧化的过程，因此，在培养锰氧化群落时加入了Fe3+。然后对得到的生物锰氧化物进行表征，结果表明，生物锰氧化物中含有C、O、N、Mn、Fe等元素，其比表面积为81.426 m2 g-1。随后研究生物锰氧化物对金属离子的吸附性能，结果表明，生物锰氧化物对Pb2+的吸附能力最强。红外光谱和激发-发射荧光光谱扫描结果发现，生物锰氧化物中的酰胺基团、羧基基团、类色氨酸和类芳香蛋白质成分参与了Pb2+的结合。热动力学结果表明，准二级动力学模型和 Langmuir吸附等温线模型能够很好的解释生物锰氧化物对Pb2+的吸附过程，最大吸附量为507.61 mg g-1，其对Pb2+的吸附是自发进行的放热过程，属于单层化学吸附。
　　最后，尝试在反应器中富集锰氧化群落，原位产生生物锰氧化物，用于Mn2+的去除。构建了曝气生物滤池（BAF）反应器和移动床生物膜反应器（MBBR），研究两种反应器对Mn2+的去除效果。研究发现，BAF反应器对Mn2+的去除效果一直不稳定，而且当BAF反应器发生生物膜脱落时，影响了出水水质。MBBR反应器在运行过程中对 Mn2+的去除率一直维持在一个较高的水平，运行期间，对起始浓度为5.5 mg L-1的Mn2+的去除率可达86.53%，因此，MBBR反应器适合用于富集锰氧化菌，并在原位产生锰氧化物。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 重金属污染现状

1.2 锰氧化菌

1.3 锰氧化物

1.4 研究目的、内容和研究路线

2 锰氧化微生物群落的驯化及锰氧化特性研究

2.1 材料和方法

2.2 结果与讨论

2.3 结论

3 生物锰氧化物的特性及其对重金属的吸附

3.1 材料和方法

3.2 结果与讨论

3.3 结论

4 生物膜反应器对Mn2+的去除

4.1 BAF生物膜反应器对Mn2+的去除

4.2 MBBR生物膜反应器对Mn2+的去除

4.3 结论

结论

1 结论

2 展望

3 创新点

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢