微生物還原Cr（Ⅵ）的特性與機(jī)理研究.pdf

1、鉻及其化合物在工業(yè)中被廣泛使用，導(dǎo)致大量含鉻廢水、廢渣產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。在鉻污染治理中，將毒性極強(qiáng)的六價(jià)鉻還原為毒性較小的三價(jià)鉻是減少鉻污染危害的關(guān)鍵。自然界中許多菌種具有Cr(Ⅵ)還原能力，因而用微生物法治理鉻污染已受到人們的廣泛認(rèn)可。本文對(duì)幾株不同細(xì)菌還原解毒六價(jià)鉻的特性和機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)研究與探討。 從Cr(Ⅵ)污染環(huán)境中分離篩選出一株Cr(Ⅵ)還原菌Cr-4，通過16SrRNA基因序列分析，被鑒定為炭疽芽孢桿菌(B

2、acillus anthracis)。該菌株對(duì)Cr(Ⅵ)具有較好的抗性，菌體能在Cr(Ⅵ)濃度高達(dá)125mg/L的液體培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，在含Cr(Ⅵ)50mg/L的液體培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，其細(xì)胞形態(tài)仍很完整。 對(duì)Cr-4菌株還原Cr(Ⅵ)的影響因素如碳源、培養(yǎng)基初始pH值、Cr(Ⅵ)初始濃度、菌液接種量、溫度、陰離子SO<,4><'2->和NO<3,><'->、重金屬離子Cu<'2+>和Zn<'2+>、外源菌種等進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，碳源

3、能明顯促進(jìn)Cr(Ⅵ)的還原，在本文采用的三種碳源中，蘋果酸的效果最好，其次是葡萄糖，再為琥珀酸。當(dāng)培養(yǎng)基初始pH=7.2，菌體還原50mg/L Cr(Ⅵ)48h，添加蘋果酸、葡萄糖和琥珀酸的處理Cr(Ⅵ)去除率分別達(dá)到98％、89％和83％以上，而同樣條件下未添加外源碳時(shí)，72h后Cr(Ⅵ)去除率才達(dá)到60％。培養(yǎng)基初始pH值對(duì)菌體還原Cr(Ⅵ)也有重要影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Cr-4菌株在初始pH為7.0-11.0時(shí)的還原效果明顯比初始pH為

4、4.0-6.0時(shí)要好。以葡萄糖為外源碳，還原50mg/L Cr(Ⅵ)72h后，初始pH為7.0-11.0的Cr(Ⅵ)去除率可達(dá)到85％-99％以上，而初始pH為4.0-6.0的去除率僅為35％-65％。菌體在Cr(Ⅵ)初始濃度為10-80mg/L時(shí)，都能有效還原Cr(Ⅵ)，但去除率隨初始濃度升高而降低。在菌液接種量為0.5％-5％范圍內(nèi)，接種量越多，Cr(Ⅵ)還原越快。對(duì)比菌體分別在20℃、37℃和47℃的還原效果，發(fā)現(xiàn)37℃的還原效果

5、最好。共存陰離子SO<,4><'2->、NO<,3><'->和25mg/L的Zn<'2+>，以及外源菌種(銅綠假單胞菌和產(chǎn)黃纖維單胞菌)都對(duì)Cr(Ⅵ)還原沒有影響，但100mg/L的Zn<'2+>對(duì)Cr(Ⅵ)還原有一定的抑制作用，而Cu<'2+>對(duì)Cr(Ⅵ)還原有顯著的促進(jìn)作用。 對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)與Cr(Ⅵ)還原的關(guān)系進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)二者緊密相關(guān)。隨著Cr(Ⅵ)細(xì)胞生長(zhǎng)量的增加，Cr(Ⅵ)被還原，當(dāng)Cr(Ⅵ)被還原至較低濃度時(shí)，細(xì)胞生長(zhǎng)

6、量又顯著增加。通過檢測(cè)胞內(nèi)粗酶液和培養(yǎng)代謝液對(duì)Cr(Ⅵ)的還原作用，對(duì)菌株還原Cr(Ⅵ)的機(jī)理進(jìn)行分析、研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)粗酶液能還原Cr(Ⅵ)，表明Cr-4菌株對(duì)Cr(Ⅵ)的還原存在酶促機(jī)理。同時(shí)，菌體以不同的碳源為電子供體還原Cr(Ⅵ)時(shí)，其機(jī)理有差異。以葡萄糖為碳源還原Cr(Ⅵ)時(shí)，有部分是代謝產(chǎn)物的間接還原作用，而以蘋果酸或琥珀酸為碳源時(shí)，Cr(Ⅵ)的還原主要通過菌體自身的直接還原作用來完成。此外，對(duì)還原Cr(Ⅵ)后的菌體進(jìn)行能

7、譜分析，發(fā)現(xiàn)菌體在培養(yǎng)基初始pH=9.0還原Cr(Ⅵ)時(shí)，沒有吸附鉻，而在培養(yǎng)基初始pH=7.2還原Cr(Ⅵ)時(shí)，通過陽離子交換吸附了少量三價(jià)鉻。對(duì)銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的抗Cr(Ⅵ)性能、還原Cr(Ⅵ)的影響因素和機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)果表明，銅綠假單胞菌對(duì)Cr(Ⅵ)的抗性比Cr-4菌株弱。40mg/L的Cr(Ⅵ)就對(duì)細(xì)胞形態(tài)產(chǎn)生了毒性影響，在Cr(Ⅵ)濃度100mg/L的液體培養(yǎng)基中，菌體24h內(nèi)沒有

8、出現(xiàn)生長(zhǎng)。三種碳源：葡萄糖、蘋果酸和琥珀酸都能促進(jìn)Cr(Ⅵ)的還原，其中蘋果酸的效果最好。菌體在培養(yǎng)基初始pH=7.0還原40mg/L Cr(Ⅵ)，72h后，未添加外源碳的處理Cr(Ⅵ)去除率僅為34％，而添加蘋果酸的處理去除率可提高到60％。菌體在培養(yǎng)基初始pH為8.0-11.0時(shí)的還原效果比初始pH為4.0-7.0時(shí)要好。以葡萄糖為外加碳源，還原40mg/L Cr(Ⅵ)72h后，培養(yǎng)基初始pH為8.0-11.0時(shí)Cr(Ⅵ)去除率可達(dá)

9、到95％以上，而初始pH為4.0-7.0時(shí)，去除率僅為10％-50％。菌體在Cr(Ⅵ)初始濃度為10-80mg/L時(shí)，均能還原Cr(Ⅵ)，但Cr(Ⅵ)去除率隨初始濃度升高而降低。菌液接種量(0.5％-5％)的增加能提高Cr(Ⅵ)的去除率。銅綠假單胞菌對(duì)Cr(Ⅵ)的還原不受共存陰離子SO<,4><'2->和NO<,3><'->的影響。低濃度的Zn<'2+>(25mg/L)就對(duì)Cr(Ⅵ)還原有明顯的抑制作用，而Cu<'2+>卻能明顯促進(jìn)Cr

10、(Ⅵ)的還原。 銅綠假單胞菌對(duì)Cr(Ⅵ)的還原機(jī)理與分離菌Cr-4相似，存在酶促機(jī)理。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，菌體以葡萄糖為碳源還原Cr(Ⅵ)時(shí)，Cr(Ⅵ)的去除有部分是代謝產(chǎn)物的還原作用，而以蘋果酸或琥珀酸為碳源時(shí)，Cr(Ⅵ)的去除主要通過菌體自身的還原作用完成，而沒有代謝產(chǎn)物的作用。還原Cr(Ⅵ)后菌體的能譜分析結(jié)果表明，菌體還原Cr(Ⅵ)時(shí)(培養(yǎng)基初始pH=7.0)通過陽離子交換吸附了三價(jià)鉻。 本文還研究了Fe(Ⅲ)對(duì)異化型鐵

11、還原菌——產(chǎn)黃纖維單胞菌(Cellulomonasflavigena)還原Cr(Ⅵ)的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)eCl<,3>和纖鐵礦能提高菌體對(duì)Cr(Ⅵ)的還原效率，但赤鐵礦對(duì)菌體還原Cr(Ⅵ)沒有明顯的促進(jìn)作用，這說明Fe(Ⅲ)對(duì)Cr(Ⅵ)還原的影響與鐵氧化物的性質(zhì)相關(guān)。另外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fe(Ⅲ)/Cr(Ⅵ)的初始濃度比較高時(shí)，Cr(Ⅵ)的去除率也相應(yīng)較高。pH的變化在一定程度上反映了Cr(Ⅵ)的還原狀況。 用分離菌Cr-4和銅