采集的生物膜主要化学组分萃取分离及其对铅、镉的吸附热力学特征研究

张菁菁^[1]2004年在《采集的生物膜主要化学组分萃取分离及其对铅、镉的吸附热力学特征研究》文中研究指明重金属由于其在较低浓度即有较大毒性、不能自然降解、易在生物体内积累等特性，而成为水环境中一类重要的污染物，对环境和人体健康产生严重的危害作用。然而在自然水体中，重金属并不主要以自由离子的形态存在，而是结合在水中的生物体、悬浮颗粒物，以及表层沉积物等固相表面上。自然水体中，固相表面上通常都覆盖着一层生物膜，在污染物与表层沉积物之间形成了一个使污染物在到达固相并与之发生作用之前必然要穿过的隔离层。同时由于生物膜对污染物具有较高的吸附活性和丰富的吸附面积，使得生物膜对重金属有显着的吸附及富集作用，对持久性有机污染物可以通过膜上细胞和颗粒物的脱附和吸附作用，有选择性地吸收、新陈代谢。研究者们利用萃取—吸附—统计分析法对在自然水体中培养的生物膜进行了研究，发现在生物膜吸附重金属的过中，其中的铁、锰氧化物和有机质是起主要作用的组分。但是由于受到培养季节及培养时间的限制，在人工基质上培养的生物膜与实际生长在自然水体中的生物膜在吸附特性及组分含量、微生物结构上会有一定的差异。而且，生物膜生长过程中伴随着菌种的改变。与在人工基质上培养的生物膜相比，从岩石上直接采集的生物膜中的微生物结构更与水体环境相适应。因此，开展直接采集的生物膜主要化学组分分离及其对重金属吸附作用的研究，可以更真实的反映自然环境中实际生长的生物膜对重金属迁移、转化规律及生物有效性的影响，为进一步了解生物膜对重金属的吸附机制提供依据。本研究以自然水体培养的生物膜化学组分萃取分离技术为基础，通过对萃取剂的浓度、萃取液酸度，及萃取时间进行优化，选择适合于采集的生物膜的最佳萃取条件，对膜上金属氧化物（铁、锰氧化物）和有机质进行萃取分离。并对萃取前后的生物膜进行吸附实验，利用加和模型对所得的数据进行非线性拟合分析，比较直接采集的生物膜各组分吸附重金属能力的差异，及其在生物膜吸附重金属过程中做出的相对贡献。研究中选择松花江吉林市中上游临江门大桥处采集自然水体生物膜。将附着生物膜的岩石从岸边水中取出，利用塑料器具轻轻地将生物膜刮入盛有微量矿物盐溶液的塑料瓶内，在短时间内转移到实验室。将采集到的生物膜过10目筛，去除杂质，并利用沉淀法去除沙石，用搅拌器搅拌均匀。取不同体积（2.0，3.5，5.0，7.0，10.0 mL）经过处理、搅拌均匀的生物膜悬浊液，用定量滤纸过滤，测干重，对生物膜悬浊液的体积与其干重进行线性回归分析，建立生物膜悬浊液的体积与干重之间的关系模型，以此作为生物膜的计量方法。生物膜中有机质总量用化学需氧量（COD）来表示，COD的测定参照《环境工程手册环境监测卷》；铁、锰氧化物总量用25 mL 15% HNO3溶液萃取5 mL生物膜悬浊液24 h，并用WYX-9004型原子吸收分光光度计火焰法(FAAS)测滤液中铁、锰含量的方法获得。测得生物膜上铁、锰氧化物及有机质的含量分别为：266.80 ± 11.272 μmol Fe/g、19.35 ± 0.69 μmol Mn/g、98.08 ± 5.28 mg COD/g。其中铁、锰氧化物含量的比例约为15倍，与在向海湿地采集的生物膜的铁、锰氧化物含量比例接近，明显高于在自然水体中培养的生物膜中铁、锰氧化物的比例。本研究以应用于培养的生物膜的选择性萃取分离方法为基础，选用NH2OH·HCl和Na2S2O4分别作为单独萃取锰氧化物和同时萃取铁、锰氧化物的试剂，并对萃取条件进行了优化，选择出恰当的萃取剂浓度、萃取液酸度，以及萃取时间，使之适用于直接采集的生物膜的组分分离。结果表明：0.008 mol/L NH2OH·HCl + 0.01 mol/L HNO3萃取30 min可以用来有效分离锰氧化物，萃取率为80%，而对铁氧化物和有机质的影响较小，萃取率分别为11%和8%；0.8 mol/L Na2S2O4在pH 6.5条件下萃取40 min可有效同时萃取分离铁、锰氧化物，萃取率分别为73%和91%，而对有机质的萃取率只有5%。实验中所选用的萃取条件对目的组分的萃取率达到了73-91%，对非目的组分的萃取率不超过11%，因此，可以用选定的萃取条件对采集的生物膜的主要组分进行分离，并进行各组分对重金属（铅、镉）的吸附实验。将生物膜在上述选定的萃取条件下萃取，去除特定组分后，将萃取前后的生物膜转移到80 mL含有0.2-2.5μmol/L六种铅、镉浓度的吸附液中，并用0.01 M的HNO3和NaOH调节吸附液pH值6.0 ± 0.1，在25℃下连续振荡24 h，进行吸附热力学实验。吸附平衡后，将生物膜过滤，在100 mm培养皿中用25 mL、15%的HNO3溶液萃取24 h，用原子吸收分光光度计测定萃取液及平衡溶液中铁、锰、铅、镉的含量。用非线性拟合（NLSF）对吸附结果进行统计分析，估算生物膜中各组分对铅、镉的langmuir吸附参数，比较各组分的吸附特征。结果显示：通过加和模型应用NLSF法对未萃取及经不同萃取剂萃取后的生物膜吸附铅、镉的热力学数据进行拟合，可以很好地描述生物膜各组分吸附铅、镉的热力学特征。未经萃取的生物膜及生物膜各组分（铁、锰氧化物和有机质）对铅的吸附量明显高于镉，生物膜吸附前后，吸附液中铅浓度显着降低，而镉浓度的变化不如铅明显。生物膜吸附铅的Langmuir等温线的弯曲程度要大于镉，表?

张瀚予^[2]2016年在《利用荧光标记法研究自然水体生物膜和小球藻对镉离子的吸附能力》文中研究指明近年来,重金属污染虽然有所好转,但我国总体污染水平还处于高位。在水中固相物质表面广泛存在的自然水体生物膜对自然水体中的重金属有着较强的吸附能力,并且二者中的重金属含量处于一个动态平衡的过程。因此,自然水体生物膜中重金属的含量在一定程度上反映了水体的污染情况。以往,自然水体生物膜对重金属吸附特征的研究都是建立在宏观定量的基础上,对于较为微观的研究则鲜有报道。本文利用CdTe荧光纳米晶对自然水体生物膜进行了荧光标记,探索了一种在湿态下,不破坏自然水体生物膜的形态及所吸附的镉离子的情况下,对镉离子的吸附情况进行原位分析的方法——荧光标记法。并以小球藻为例,研究了小球藻对镉离子的吸附能力。结果表明:利用水热法合成出的CdTe荧光纳米晶与不同浓度的镉离子结合后,尺寸有所增加,荧光发射波长会发生不同程度的红移。利用这种特性,对自然水体生物膜吸附的镉离子进行原位定量分析的方法可行。单独对小球藻吸附镉离子能力分析后发现,小球藻细胞膜上的镉离子浓度为241.2±33.3μM,细胞内部的镉离子浓度为231.2±32.1μM,细胞膜上富集的镉离子的浓度略大于细胞内部富集的镉离子的浓度,但不存在显着差异,镉离子在小球藻细胞中基本呈均匀分布。

参考文献：

[1]. 采集的生物膜主要化学组分萃取分离及其对铅、镉的吸附热力学特征研究[D]. 张菁菁. 吉林大学. 2004

[2]. 利用荧光标记法研究自然水体生物膜和小球藻对镉离子的吸附能力[D]. 张瀚予. 吉林大学. 2016

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