新型醌介体改性材料的制备及其强化含氮芳香化合物和Cr(Ⅵ)生物还原研究

摘要

目前，有毒难降解有机污染物和重金属类物质造成的水污染问题相当严峻。微生物修复法是控制这两类污染物的有效途径。然而，在厌氧条件下，微生物代谢缓慢及自身电子转移的局限性，导致这些污染物的厌氧还原速率较低。醌类物质能够加速电子从初级电子供体到最终电子受体的传递速度，使污染物的还原速率提高一到几个数量级。因此，醌类物质在上述环境污染物化学/生物还原中的应用受到人们的关注。由于溶解态醌会随出水流失对环境造成二次污染，固定化醌更具有实用价值。基于上述背景，本论文旨在开发新型醌介体改性材料，研究其强化含氮芳香化合物及六价铬还原性能，并探索细菌对醌介体改性材料的基因表达响应。
　　以涤纶布(PETFC)为载体，应用两步共价化合方法制备得到醌介体改性涤纶布(AQS-PETFC)，并研究了AQS-PETFC强化含氮芳香化合物还原的性能。结果表明:涤纶布表面醌基固定量可达到0.012 mmol·g-1 cloth;AQS-PETFC(0.05 mM)可将多种偶氮染料及硝基芳香化合物的厌氧生物还原速率提高1.6-3.7倍;AQS-PETFC可用作生物载体，长期工作时表面的醌基基团可能会被微生物及其分泌物覆盖，需定期进行清理。
　　以还原后的氧化石墨烯(RGO)为载体，应用两步共价化合方法，制备得到醌介体改性石墨烯(AQS-RGO)，并研究了AQS-RGO强化偶氮染料酸性黄36(AY36)化学/生物还原的性能。结果表明:在石墨烯表面醌基固定量可达到0.016 mmol AQSg1 RGO;AQS-RGO既可以强化AY36的化学还原，也可以强化其生物还原;AQS-RGO强化AY36化学还原时，最适pH为6，温度影响遵循Arrhenius趋势;AQS-RGO强化AY36生物还原有剂量依赖性，本实验中100 mg·L-1的剂量强化效果最好。
　　以氧化石墨烯(GO)为载体，通过一步醌基化反应得到醌基氧化石墨烯(Q-GOs)，并研究了Q-GOs强化Cr(Ⅵ)生物还原的性能。研究表明:2-氨基蒽醌(AQ)和2-氨基-3-氯-1，4-萘醌(NQ）的固定效率分别约为2.69 mmol AQ·g-1 GO和1.93 mmol NQ·g-1GO;从活性污泥中筛选出一株兼性厌氧铬还原菌，经形态生理特性和16S rDNA鉴定命名为Acinetobacter sp.HK-1，菌株HK-1还原铬的最适条件为1g·L-1葡萄糖，pH为7，温度为35℃，此时铬还原速率为3.82 mg·h-1·g-1 cell;当反应体系中加入50 mg·L-1 NQ-GO时，相同条件下铬还原速率可达到190 mg·h·-1·g-1 cell，同浓度的AQ-GO强化效果不如NQ-GO;加入醌介体改性氧化石墨烯能够提高铬还原酶的活性，使细胞膜的铬还原酶活性提高18.1倍，细胞质和周质混合物的铬还原酶活性提高7.3倍。
　　以大肠杆菌MG1655为模式菌株，采用基因芯片技术研究了大肠杆菌对固定醌(AQSim)以及高极性偶氮染料酸性红18(AR18)的响应，同时采用RT-PCR技术验证了基因芯片数据的准确性，用基因敲除技术验证了基于芯片数据的可能机理。研究表明:在AQSim和AR18还原的过程中，大肠杆菌体内的基因响应是非特异性的，并且大肠杆菌细胞更容易适应AQSim体系;大肠杆菌体内有多条电子传递路径，本实验中，基于基因nrfABCD的传递路径是最重要的一条路径;位于电子传递链前端的脱氢酶(FdhF和YqhD)和末端还原酶(DmsABC，FrdBCD和NrfABCD)，都能影响醌还原及偶氮染料还原的速率。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

缩写符号表

1 绪论

1．1 含氮芳香化合物废水控制技术研究进展

1．2 含铬废水控制技术研究进展

1．3 醌介体强化还原环境污染物研究进展

1．3．1 醌介体种类

1．3．2 强化机理

1．3．3 影响因素

1．3．4 固定化

1．4 本论文的研究思路、意义与研究框架

2 醌介体改性涤纶布的制备及其强化含氮芳香化合物生物还原研究

引言

2．1 材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 海藻希瓦氏菌生长特性研究

2．2．2 醌介体改性涤纶布的表征

2．2．3 醌介体改性涤纶布生物亲和性研究

2．2．4 醌介体改性涤纶布强化特性研究

2．2．5 生物膜对醌介体改性涤纶布强化作用影响的研究

2．3 本章小结

3 醌介体改性石墨烯的制备、表征及其强化偶氮染料厌氧还原研究

引言

3．1 材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 醌介体改性石墨烯的表征

3．2．2 醌介体改性石墨烯介导酸性黄36化学还原研究

3．2．3 醌介体改性石墨烯介导酸性黄36生物还原研究

3．2．4 还原产物鉴定

3．2．5 强化机理分析

3．3 本章小结

4 醌介体改性氧化石墨烯的制备、表征及其强化六价铬生物还原研究

引言

4．1 材料与方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 铬还原菌的分离、鉴定及还原铬条件优化

4．2．2 醌介体改性氧化石墨烯的表征

4．2．2 醌介体改性氧化石墨烯对Cr(Ⅵ)生物还原影响的研究

4．2．3 强化机理分析

4．3 本章小结

5 微生物对醌介体改性材料基因表达响应研究

引言

5．1 材料与方法

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 大肠杆菌的生长特性

5．2．2 基因芯片

5．2．3 实时RT-PCR

5．2．4 基因敲除

5．2．5 电子传递路径分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介