Rhodobacter sphaeroides H生物还原和积累六价铬的特性及机理研究

摘要

我国水体环境中的重金属污染现象日益严重，其中铬污染现象较为突出。不同价态的铬所造成的毒性差异较大，六价铬[Cr(Ⅵ)]的毒性就远大于三价铬[Cr(Ⅲ)]的毒性。将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)的过程可以降低Cr(Ⅵ)的毒性。近年来，Cr(Ⅵ)的微生物还原法成为国内外学者研究的热点。本文以球形红细菌H菌株（Rhodobacter sphaeroides H）为试验菌种，研究了影响H菌株还原和积累Cr(Ⅵ)的因素，初步探明该H菌株对Cr(Ⅵ)的还原和积累的机理。主要结论如下： （1）H菌株对Cr(Ⅵ)的耐受浓度为300mg/L；H菌株的活细胞是还原Cr(Ⅵ)的主体；在光照厌氧、光照好氧、黑暗厌氧、黑暗好氧四种不同培养条件下，H菌株均能还原Cr(Ⅵ)；在光照厌氧条件下，初始Cr(Ⅵ)浓度为100mg/L，初始pH为7.0，接种量为5%和培养温度为30℃时，H菌株对Cr(Ⅵ)有较好的还原效果，96h内对100mg/L Cr(Ⅵ)的还原率最高，达98.4%；共存金属离子和含氧阴离子对H菌株还原Cr(Ⅵ)产生的影响效果不同，其中促进效果最显著的是Co2+，而抑制作用最大的金属离子为Cu2+。在4种含氧阴离子中，SO42-和PO43-对H菌株还原Cr(Ⅵ)的影响较大，其他离子的抑制作用均不明显；不同电子供体也可产生对H菌株还原Cr(Ⅵ)效果的影响，其中乳糖、葡萄糖、蔗糖和乙酸钠的促进作用最为显著，而麦芽糖和柠檬酸有明显抑制作用。此外，H菌株在还原较低Cr(Ⅵ)浓度时的反应动力学比较符合一级反应，而随着Cr(Ⅵ)浓度的增高，其反应级数介于一级和二级之间。 （2）H菌株胞外及亚细胞组分体系中Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)随时间的变化关系表明，该菌株可以在96h内去除上清液中98.4%的Cr(Ⅵ)，其中55.3%转化为细胞表面上的Cr(Ⅲ)，19.9%转化为细胞内的Cr(Ⅲ)，24.8%的Cr(Ⅵ)积累在细胞内。进一步研究胞外及亚细胞的组分对Cr(Ⅵ)的还原效果，发现细胞外组分对Cr(Ⅵ)的还原效果最佳，其次是细胞质和细胞壁组分。对细胞外组分进行还原物质活性的测定结果证明该组分是还原Cr(Ⅵ)的主要物质。针对胞外Cr(Ⅵ)还原酶的还原性质研究发现，其最适pH是7.0，最适温度为30℃，底物浓度为0.2mmol/L。不同电子供体对酶活性的影响较大，其中NADPH提高了50%的还原效率。金属离子Cu2+、Fe2+和Ca2+对酶活性有较强的抑制作用，而Co2+和K+可以显著促进还原酶的活性。 （3）FT-IR结果显示，H菌株的细胞壁积累Cr(Ⅵ)后，其羟基、氨基和酰胺等官能团在3300cm-1和1656cm-1处出现强吸收峰；扫描电镜（SEM-EDX）的结果进一步证明了细胞壁在积累Cr(Ⅵ)后，Cr(Ⅵ)的毒性对H菌株的表面形貌及细胞结构产生了一定影响，使其细胞变得粗糙和不规则；透射电镜（TEM）的结果显示细胞内多处出现黑色致密颗粒，表明Cr(Ⅵ)或Cr(Ⅵ)的还原产物进入了细胞内部。经XPS和XRD表征结果证明了Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ)，其还原产物为Cr2O3。

目录

声明

1引言

1.1 铬的概述

1.1.1铬的性质

1.1.2铬污染来源

1.1.3 Cr(Ⅵ)的危害

1.2 Cr(Ⅵ)废水的处理技术

（1） 吸附法

（2）膜分离法

（3） 离子交换法

（4） 还原沉淀法

（5）电化学法

（6）生物法

1.3 微生物还原Cr(Ⅵ)的研究进展

1.3.1还原Cr(Ⅵ)的微生物

1.3.2 微生物对Cr(Ⅵ)还原机理

1.4 光合细菌研究进展

1.4.1 光合细菌概述

1.4.2 光合细菌重金属污染处理中的应用

1.4.3 球形红细菌在重金属污染处理中的应用

2 H菌株还原和积累Cr(Ⅵ)的特性研究

2.1 实验材料

2.1.1 菌种来源

2.1.2 实验仪器

2.1.3 主要试剂

2.2 实验方法

2.2.1 培养基的配制方法

2.2.2 不同体系对Cr(Ⅵ)的还原试验

2.2.3 H菌株对Cr(Ⅵ)的耐受试验

2.2.4 不同光照供氧对H菌株生长及还原Cr(Ⅵ)的影响试验

2.2.5 不同因素对H菌株生物还原Cr(Ⅵ)的影响试验

2.3 分析方法

2.3.1 菌体生物量测定方法

2.3.2 Cr(Ⅵ)标准曲线的绘制

2.3.3 总铬的测定

2.4 结果与分析

2.4.1 Cr(Ⅵ)的标准曲线

2.4.2不同体系下H菌株还原Cr(Ⅵ)的结果

2.4.3 H菌株对Cr(Ⅵ)的耐受能力

2.4.4不同光照供氧对H菌株生长及还原Cr(Ⅵ)的影响结果

2.4.5不同因素对H菌株还原Cr(Ⅵ)的影响结果

2.4.6 H菌株还原不同浓度Cr(Ⅵ)的动力学方程

2.5 本章小结

3 H菌株还原Cr(Ⅵ)的酶学性质

3.1 实验材料

3.1.1 菌种及其培养基

3.1.2 实验主要仪器

3.1.3 实验主要试剂

3.2 实验方法

3.2.1胞外及亚细胞组分中总Cr、Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的含量测定

3.2.2胞外及亚细胞组分的Cr(Ⅵ)还原能力测定

3.2.3 上清液中Cr(Ⅵ)胞外酶活性的测定

3.2.4 不同因素对胞外Cr(Ⅵ)还原酶活性的影响试验

3.2.5 蛋白含量的测定

3.3 结果与讨论

3.3.1 胞外及亚细胞组分中总Cr、Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的变化结果

3.3.2 Cr(Ⅵ)还原酶活性的定位

3.3.3上清液中Cr(Ⅵ)还原物质活性的测定结果

3.3.4不同因素对胞外Cr(Ⅵ)还原酶活性的影响结果

3.4 本章小结

4 H菌株还原Cr(Ⅵ)的产物表征

4.1 实验材料

4.1.1 菌种及其培养基

4.1.2 实验主要仪器

4.1.3 实验主要试剂

4.2.1傅里叶红外光谱（FT-IR）分析

4.2.2 扫描电镜（SEM）分析

4.2.3透射电镜（TEM）分析

4.2.4 X射线光电子能谱（XPS）分析

4.2.5 X射线衍射光谱（XRD）分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 Cr(Ⅵ)处理前后菌体FT-IR分析

4.3.2 SEM和TEM分析结果

4.3.3 XPS对铬的价态分析

4.3.4 XRD对还原产物的分析结果

4.3.5 球形红细菌还原Cr(Ⅵ)的机制

4.4 本章小结

5 全文总结

5.1 结论

5.2 展望与不足

5.3 论文的创新性

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢