磷酸盐矿化菌的分离鉴定及对Cu的吸附和矿化作用

论文摘要

我国土壤的重金属点位超标率较高,不仅对粮食安全生产和生态系统健康构成威胁,而且还通过食物链的生物放大作用影响人体健康,使得土壤重金属污染问题成为了当前的研究热点。微生物诱导的矿化修复是一种可边生产边修复的绿色可持续技术,近年来逐渐受到人们的重视。因此本文试图从重金属污染土壤中分离获得可以进行磷酸盐矿化的土著细菌,并且进一步研究其对Cu的吸附和生物矿化作用,为基于微生物矿作用的重金属污染土壤修复提供优良菌种资源和技术支持,主要研究结果如下:从重金属污染土壤中分离获得了一株具有磷酸盐矿化潜力的菌株LRP3,该菌株在含植酸钠的培养基中生长24h后达到生长对数期,发酵液的pH可达8.33,所产植酸酶及碱性磷酸酶的活性最高可达50.06和1.8723 U·mL-1。菌株LRP3在生长过程中可产生胞外分泌物,在本实验条件下可达到2.7 mg·L-1,菌株LRP3对Cu2+的耐受浓度可达到120 mg·L-1。系统发育分析和生理生化特征表明菌株LRP3为拉恩氏菌。菌株LRP3的GenBank登录号为MH559341.1,在中国普通微生物菌种保藏管理中心的保藏号为CGMCC No.13347。菌株LRP3发酵液对重金属离子的去除能力大小顺序为Cu2+>Zn2+>Pb2+>Cd2+,并且无菌发酵液、胞外分泌物（EPS）及菌体细胞对Cu2+的去除率也都达到了80%以上。伴随阴离子为Cl-时,发酵液和无菌发酵液对Cu2+的去除率都多于伴随阴离子为SO42-时的去除率。菌株LRP3及其胞外分泌物对Cu2+的吸附分为快速和慢速两阶段。在pH为5.0、Cu2+浓度为50 mg·L-1、吸附时间为15min时菌体细胞对Cu2+的吸附率最高,达到了92.37%,吸附量为23.093 mg·g-1,吸附动力学符合准二级动力学方程,等温吸附模型符合Langmuir方程;胞外分泌物在最适pH为5.0、Cu2+浓度为50mg·L-1、吸附时间为10 min时对Cu2+的最高吸附率可达94.39%,吸附量为23.598mg·g-1,其对Cu2+的吸附动力学符合准二级动力学方程,等温吸附模型符合Freundlich方程。X-射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析、扫描电子显微镜和能谱分析表明胞外分泌物吸附Cu2+后呈球形,表面充满空隙,粒径为10μm左右,但不形成矿物晶体;菌体细胞吸附Cu2+后聚集性好,细胞紧密堆积,表面呈现不规则球状。但菌株LRP3发酵液可通过磷酸盐矿化作用形成粒径为10μm左右的微球形Cu3（OH）3PO4矿物晶体。而无菌发酵液也可通过磷酸盐矿化作用形成矿物晶体,但该矿物晶体为粒径为2μm左右微球形Cu5（PO4）2（OH）4矿物。红外光谱分析表明菌体细胞及EPS的羟基、羧基、酰胺基、磷酸基、酰胺I（蛋白质肽键）、多聚糖等官能团与Cu2+之间发生了相互作用,导致特征峰的位置、吸收强度出现明显的变化。菌体细胞及EPS添加量时的增加可增强细胞之间的凝聚性和粘附性使矿化产物更为紧密堆积。Cl-和SO42-作为伴随阴离子对矿化产物形貌无明显影响。菌株LRP3及EPS可以将土壤中有效态Cu快速固定,菌株LRP3对土壤中有效态Cu的固定作用呈现适应-快速-慢速三个阶段,发酵液培养5 d后土壤有效态Cu的含量下降了58.2%,30d后仍然下降;而利用无菌发酵液培养5 d后土壤有效态Cu的含量下降了53.4%,并在5 d后趋于稳定。与菌体细胞和胞外分泌物相比,菌株LRP3发酵液生物矿化作用固定的Cu2+对短期内的酸化和反复冻融具有很强的抗性作用。综上所述,本文从重金属污染土壤中分离获得的抗铜拉恩氏菌LRP3具有较强的产碱、产酶能力,对多种重金属有去除作用,并且发酵液及EPS对Cu2+还具有较强的吸附和生物矿化作用,形成的磷酸盐矿物在土壤中具有较好的稳定性。因此菌株LRP3的分离鉴定丰富了磷酸盐矿化菌的菌种资源库,在重金属污染土壤修复方面具有重要的应用价值。

论文目录

摘要

Abstract

第一章前言

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 重金属污染修复现状

1.2.2 微生物修复研究现状

1.2.3 微生物矿化研究现状

1.3 研究内容

1.4 技术路线

第二章材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 主要仪器设备

2.1.2 主要实验药品

2.1.3 主要培养基

2.2 磷酸盐矿化菌的分离与鉴定

2.2.1 菌株分离

2.2.2 菌株LRP3 生长、重金属抗性、产酶、产碱、产膜特征研究

2.2.3 菌株鉴定

2.3 菌株LRP3 发酵液对重金属的去除作用

2+、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺的去除作用'> 2.3.1 菌株LRP3 发酵液对溶液中Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺的去除作用

2+的去除作用'> 2.3.2 菌株LRP3 发酵液不同成分对Cu²⁺的去除作用

2+的影响'> 2.3.3 菌体细胞及胞外分泌物含量对菌株LRP3 去除Cu²⁺的影响

2+的影响'> 2.3.4 伴随阴离子对菌株LRP3 去除Cu²⁺的影响

2+的吸附特征研究'> 2.4 菌株LRP3 菌体细胞及其胞外分泌物对Cu²⁺的吸附特征研究

2.4.1 pH值对吸附的影响

2.4.2 时间对吸附的影响及吸附动力学

2+浓度对吸附的影响及等温吸附模型'> 2.4.3 初始Cu²⁺浓度对吸附的影响及等温吸附模型

2+的吸附产物特征分析'> 2.4.4 Cu²⁺的吸附产物特征分析

2.5 菌株LRP3对Cu的矿化研究

2.5.1 菌株LRP3 发酵液对不同重金属的矿化产物形貌分析

2.5.2 菌株LRP3 及其EPS的生物矿化产物特征分析

2.5.3 菌体细胞及其EPS含量对矿化产物形貌的影响

2.5.4 伴随阴离子对菌株LRP3 的矿化产物形貌的影响

2.6 菌株LRP3 及胞外分泌物对Cu污染土壤的模拟修复研究

2.6.1 供试土壤及其基本理化性质

2.6.2 菌株LRP3 对土壤中有效态Cu的固定作用

2.6.3 矿化产物稳定性研究

2.6.4 对Cu形成的矿化产物特征分析

2.7 分析测定方法

2.7.1 酶活性的测定

2.7.2 磷酸根浓度的测定

2.7.3 吸附率及吸附量

2.7.4 吸附动力模型

2.7.5 吸附等温模型

2.7.6 重金属的定量分析

2.7.7 土壤基本理化特性测定

2.7.8 矿化产物的XRD、红外光谱、扫描电镜与能谱测定

2.8 数据统计与分析

第三章主要研究结果

3.1 磷酸盐矿化菌的分离与鉴定

3.1.1 菌株分离筛选

3.1.2 菌株鉴定

3.2 菌株LRP3 对重金属的去除作用

2+、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺的去除作用'> 3.2.1 菌株LRP3 发酵液对Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺的去除作用

2+的去除作用'> 3.2.2 菌株LRP3 发酵液不同成分对Cu²⁺的去除作用

2+去除的影响'> 3.2.3 菌体细胞及EPS含量对Cu²⁺去除的影响

2+的影响'> 3.2.4 伴随阴离子对菌株LRP3 去除Cu²⁺的影响

2+的吸附特征'> 3.3 磷酸盐矿化菌及其胞外分泌物对Cu²⁺的吸附特征

2+最佳p H值的确定'> 3.3.1 菌株LRP3 及其胞外分泌物吸附Cu²⁺最佳p H值的确定

3.3.2 时间对吸附的影响及吸附动力学

2+浓度对吸附的影响及等温吸附曲线'> 3.3.3 初始Cu²⁺浓度对吸附的影响及等温吸附曲线

3.3.4 对Cu的吸附产物特征分析

3.4 菌株LRP3 对重金属的矿化作用

3.4.1 菌株LRP3 发酵液对不同重金属的矿化产物特征

3.4.2 菌株LRP3及EPS对 Cu的生物矿化产物特征

3.4.3 菌体细胞及EPS含量对Cu的矿化产物形貌的影响

3.4.4 伴随阴离子对菌株LRP3 发酵液的矿化产物形貌的影响

3.5 菌株LRP3 及胞外分泌物对Cu污染土壤的模拟修复研究

3.5.1 菌株LRP3 对土壤中有效态Cu的固定作用

3.5.2 环境因子对Cu所形成矿化产物稳定性的影响

2+的矿化作用'> 3.5.3 发酵液不同成分对土壤中Cu²⁺的矿化作用

第四章讨论与分析

4.1 磷酸盐矿化菌的矿化潜力分析

4.2 Cu的生物吸附

4.3 微生物诱导的磷酸铜矿化机理

4.4 Cu污染土壤的矿化修复

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

5.3 创新点

参考文献

作者简介

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 车驰

导师: 李明堂

关键词: 生物矿化,生物吸附,磷酸盐矿物,拉恩氏菌,土壤修复,重金属

来源: 吉林农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 吉林农业大学

分类号: X53;X172

DOI: 10.27163/d.cnki.gjlnu.2019.000701

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