海洋细菌Pseudoalteromonas sp.DSBS的磷镉沉淀研究

摘要

现代人类活动破坏生态系统中磷的循环，加速磷的单向流动，造成水体富营养化。同时由于可利用的磷资源面临枯竭，形成全球性磷危机。这使得以磷沉淀方式回收磷资源的研究越来越受到重视。自然界广泛存在的磷沉淀过程及其机制一直不够明确，严重限制水处理除磷率和磷回收率。海水和磷矿石中磷镉的相关性预示着微生物的解毒作用与磷的沉淀过程可能存在一定的内在联系。因此，本论文利用课题组前期发现的海洋高效磷镉去除菌Pseudoalteromonas sp.DSBS(P.sp.DSBS)对合成废水培养基中的磷镉的去除并形成沉淀的过程进行了研究，发展了好氧生物金属磷酸盐沉淀的相关理论基础，为水处理生物除磷和磷资源回收工艺改进提供理论指导。主要研究内容和结果如下:
　　首先通过对细菌去除磷镉过程中，上清液物质的动态变化、菌体不同位置磷镉的积累情况的监测，进行了统计学相关性和交互作用分析，明晰了细菌作用下体系中磷镉的迁移规律。研究表明，该菌在合成废水基中，8h内对9mg/L的磷有95.74％去除率，36h内对8mg/L的镉有97.53％的去除率，但磷镉的生物去除并不同步。在0-3h，细菌迅速吸收磷，并释放出H+抑制Cd(Ⅱ)离子的吸附;4-8h，磷基本去除，细菌分泌更多的胞外聚合物(EPS)和碱性物质，镉开始被EPS吸附去除;8h后，EPS中的磷镉最终以1.50-1.65的摩尔比在胞外沉淀，实现磷镉的同时去除和镉解毒作用，5mg/L可溶性磷酸盐可以解除8mg/L镉的毒性。
　　采用AFM、SEM、XPS、31P NMR、VisualMINTEQ软件模拟、解吸剂解吸等现代仪器分析技术和实验设计对生成的沉淀进行表征和分析。结果表明，菌体产生的碱性会改变镉的形态，毒性其降低，在菌体表面形成单独存在和呈葡萄簇形的直径为25-60nm的夹杂多糖的镉-磷-硫的纳米颗粒，胞外积累的磷中有32.89％为有机磷酯，Cd(Ⅱ)与PO4中的O配位结合。
　　对环境中其它常见形态磷源的研究表明，与无机磷源相比，菌株P.sp.DSBS对有机磷酯和多聚磷具有高效水解能力，表现出同样高效的除磷除镉性能。在甘油磷酸钠为磷源时更多的磷镉积累在EPS中，菌体表现出更高的沉淀能力。
　　根据上述研究结果，初步建立了P.sp.DSBS同时除磷除镉及其沉淀产生过程的生物化学机制模型。磷、细菌产生的EPS和胞外碱性物质在镉的去除和沉淀过程中发挥重要作用，在EPS中形成具有特定化学计量比的有机金属磷酸盐纳米沉淀，起到镉解毒作用。这一过程可能为地球化学循环中生物磷-金属沉积过程提供新的解释。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 磷循环的破坏

1．2 废水中磷的处理

1．3 自然界中的磷沉淀

1．4 微生物诱导的沉淀

1．4．1 海洋菌和活性污泥诱导的沉淀

1．4．2 微生物的金属沉淀机理

1．5 自然界中的磷镉

1．5．1 无机环境中的磷镉

1．5．2 微生物中的磷镉

1．6 Pseudoalteromonas sp．DSBS的特性

1．7 本研究内容和意义

1．8 研究技术路线

第二章 材料与方法

2．1 实验试剂和仪器

2．2 菌株和培养基

2．3 EPS的提取

2．4 菌体不同组分镉积累的测定

2．5 化学分析

2．6 解吸

2．7 统计分析

2．8 AFM和SEM

2．9 XPS、31P NMR和化学形态模拟

第三章 同时除磷除镉的过程研究

3．1 磷镉的同时去除

3．2 菌体EPS中多糖和蛋白量的变化

3．3 镉在细胞各部位的分布

3．4 磷镉浓度对胞内外磷镉分布的影响

3．5 胞外磷的积累过程

3．6 磷镉的分段去除

3．7 溶液磷镉浓度对生物量的影响

3．8 本章小结

第四章 磷镉沉淀研究

4．1 原子力显微镜和扫描电镜观察

4．2 菌体表面元素的XPS分析

4．3 EPS中磷的化学形态

4．4 Visual MINTEQ v 3.0对溶液中镉离子形态的预测

4．5 磷和镉的解吸

4．6 同时除磷除镉的生物化学机制

4．7 本章小结

第五章 其他形态磷源下的生物除镉

5．1 细菌对多种形态磷的去除

5．2 多种形态磷源下的同时除磷除镉

5．3 细菌对甘油磷酸钠的水解

5．4 甘油磷源下胞内外的磷镉积累

5．5 本章小结

第六章 结论和展望

参考文献

致谢

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