產(chǎn)菌核米曲霉G15對(duì)銅、鉛離子的抗性機(jī)制和吸附特性研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水體重金屬污染日趨嚴(yán)重。近年來(lái)，微生物吸附法因其材料來(lái)源廣泛、受環(huán)境條件影響較小、經(jīng)濟(jì)高效、不易產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。菌核是絲狀真菌菌絲體纏繞融合形成的抗逆組織，因此，產(chǎn)菌核真菌表現(xiàn)出對(duì)重金屬較強(qiáng)的耐受性。本實(shí)驗(yàn)室從龐泉溝自然保護(hù)區(qū)的森林土壤中分離出耐銅、鉛的產(chǎn)菌核曲霉G15菌株，rRNA-ITS序列分析結(jié)果和系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)表明，該菌株為米曲霉（Aspergillus oryzae）。本論文以該菌株作為吸附劑，對(duì)比了

2、菌絲體和菌核對(duì)銅、鉛離子的吸附特性與機(jī)理，為其進(jìn)一步應(yīng)用于重金屬?gòu)U水的處理提供理論依據(jù)。本論文的主要研究成果如下:
　　1、初步探索了產(chǎn)菌核菌株G15在平板培養(yǎng)過(guò)程中對(duì)銅和鉛的耐受性。G15對(duì)銅、鉛表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性，查氏酵母膏瓊脂(CYA)培養(yǎng)基中添加的Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)濃度高達(dá)300mg/l時(shí)，菌株仍能生長(zhǎng)。然而，不同濃度的重金屬均對(duì)G15的生長(zhǎng)分化表現(xiàn)出一定的抑制效果，CYA中的銅離子導(dǎo)致G15菌株菌落直徑減小，菌絲密度

3、顯著降低，高濃度（200-300mg/l）銅離子導(dǎo)致菌核成熟時(shí)間延遲46-53h。CYA中的鉛離子導(dǎo)致G15菌株菌核分化速率降低，明顯抑制分生孢子形成和菌絲生長(zhǎng)，抑制程度因鉛離子濃度不同而存在差異，此外，當(dāng)鉛離子濃度為25和100mg/l時(shí)，菌核的顏色明顯變淡。不同重金屬濃度下，生長(zhǎng)中的菌絲體和菌核對(duì)銅、鉛離子的胞內(nèi)外吸附實(shí)驗(yàn)表明重金屬吸附過(guò)程以胞外吸附為主，20-40％的重金屬離子被富集在G15菌株細(xì)胞內(nèi)。此外，菌核對(duì)兩種重金屬離子的

4、富集能力均大于菌絲體，表明菌核分化對(duì)重金屬富集過(guò)程有積極作用。
　　2、本試驗(yàn)在CYA中添加不同濃度的Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)，研究不用重金屬脅迫下A.oryzae G15菌絲體和菌核細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)過(guò)氧化水平、金屬硫蛋白(MT)水平及抗氧化代謝，探索該菌株對(duì)Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的抗性機(jī)制。結(jié)果表明銅、鉛脅迫導(dǎo)致G15菌絲體和菌核脂質(zhì)過(guò)氧化水平升高，表明銅和鉛誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)活性氧(Reactive oxygen species，ROS)的

5、生成，形成氧脅迫。銅脅迫導(dǎo)致菌絲體MT水平顯著升高，50-100mg/l的鉛脅迫同樣顯著提升菌絲體MT含量;菌核MT水平幾乎不受銅、鉛脅迫的影響。該結(jié)果表明，MT主要在G15生長(zhǎng)前期（菌絲生長(zhǎng)階段）被誘導(dǎo)活化以清除ROS及螯合重金屬離子，在菌核發(fā)育階段發(fā)揮作用很少。不同銅脅迫條件均導(dǎo)致菌絲體和菌核超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)活力升高，其中低濃度的銅脅迫更有利于CAT活力的上升;低濃度銅脅迫導(dǎo)致過(guò)氧化物酶(POD)活力升

6、高，而高濃度銅脅迫導(dǎo)致POD活力降低。鉛脅迫導(dǎo)致G15菌絲體與菌核SOD和CAT活力下降;菌絲體POD活力升高，菌核內(nèi)POD活力無(wú)顯著變化。上述結(jié)果表明G15通過(guò)胞內(nèi)抗氧化系統(tǒng)清除銅誘導(dǎo)生成的ROS，降低氧損傷，從而導(dǎo)致菌核生物量降低;而在鉛脅迫條件下G15體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)不足以清除鉛誘導(dǎo)的生成的ROS，導(dǎo)致菌核生物量增加。
　　3、以A.oryzae G15菌絲球和菌核作為吸附劑處理水溶液中的Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)，并優(yōu)化吸附條

7、件，探討吸附特性。結(jié)果表明體系pH值對(duì)吸附效果影響顯著，pH5.0時(shí)，菌絲體和菌核對(duì)銅離子吸附效果最佳;菌絲體和菌核對(duì)鉛離子吸附量隨pH值增大而增加，pH6.0時(shí)，溶液中超過(guò)90％的鉛離子被吸附，因此選擇pH6.0作為最佳pH。吸附溫度、時(shí)間、吸附劑濃度均對(duì)吸附效果有一定影響，最佳條件為:附劑濃度為2g/l，吸附溫度為30℃，吸附時(shí)間為60min。此外，溶液中共存離子Na+、K+、Mg2+、Ca2+均抑制G15菌絲體和菌核對(duì)銅、鉛的吸附

8、，降低吸附效率。然而，低濃度KCl導(dǎo)致菌絲體對(duì)鉛離子的吸附量增加。
　　4、應(yīng)用吸附等溫模型和動(dòng)力學(xué)方程對(duì)吸附特性進(jìn)行分析，并對(duì)負(fù)載有銅、鉛離子的菌絲體和菌核進(jìn)行解吸、重建試驗(yàn)，進(jìn)一步分析其性能。本試驗(yàn)選擇Langmuir和Freundlich等溫吸附模型對(duì)米曲霉G15吸附銅、鉛離子的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。結(jié)果表明Langmuir模型更吸附符合過(guò)程，說(shuō)明該吸附過(guò)程主要是發(fā)生在吸附劑表面的單分子層吸附過(guò)程。由Langmuir方程計(jì)算所得的菌

9、核的對(duì)銅、鉛離子的最大吸附量Qmax分別為73.53和123.46mg/g，菌絲體對(duì)兩種離子的最大吸附量分別是35.84和60.61mg/g。與一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程相比，二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能夠更好地?cái)M合不同重金屬初始濃度下的吸附數(shù)據(jù)，而且，由二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合所得的平衡吸附量與實(shí)驗(yàn)值更為接近，表明整個(gè)吸附過(guò)程中同時(shí)存在物理吸附（表面吸附）和化學(xué)吸附（胞內(nèi)富集）。解吸試驗(yàn)結(jié)果表明，多于90％的銅、鉛離子能夠被鹽酸、硝酸和EDTA溶液洗脫，再次證實(shí)該

10、吸附主要發(fā)生于細(xì)胞表面，且菌絲體和菌核能夠被多次利用。
　　5、探索A.oryzae G15菌絲體和菌核對(duì)銅、鉛的表面吸附機(jī)制。通過(guò)自動(dòng)電位滴定，確定G15菌絲體和菌核表面電荷和官能團(tuán)在不同pH條件下的變化情況;利用掃描電子顯微鏡探索生長(zhǎng)菌株G15吸附銅、鉛離子過(guò)程中的表面特征變化;最后，利用X射線光電子能譜和傅里葉變換紅外光譜分析菌絲體和菌核吸附銅、鉛離子前后的表面元素和官能團(tuán)變化。XPS結(jié)果證實(shí)了菌絲體和菌核對(duì)兩種重金屬離子的

11、表面吸附。由SEM觀察可知銅離子和鉛離子毒害作用導(dǎo)致菌核表面形態(tài)發(fā)生明顯變化。結(jié)合PT、FTIR和XPS結(jié)果可知，菌株G15表面羧基在吸附過(guò)程中發(fā)揮主要作用，氨基也參與了吸附過(guò)程。此外，XPS全譜圖表明菌絲體細(xì)胞表面存在Na元素，吸附實(shí)驗(yàn)后Na吸收峰消失，說(shuō)明離子交換是G15菌絲體表面吸附銅、鉛離子的機(jī)制之一。由已知結(jié)果可知菌絲體和菌核對(duì)銅、鉛離子的吸附能力取決于其表面羧基數(shù)量，菌核表面羧基位點(diǎn)多于菌絲體，導(dǎo)致菌核吸附能力更強(qiáng)。然而，當(dāng)