胞外聚合物对土壤矿物—希瓦氏菌还原Cr(Ⅵ)的影响

论文摘要

微生物在一定环境条件下分泌的胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances,EPS）,是包被在细菌表面和位于细菌群体间的一种三维胶状高分子聚合物,对细菌的理化性质,污染物迁移,生物成矿等方面有着重要的作用,同时也影响到细菌和矿物间的相互作用。本文以去除EPS前后的奥奈达希瓦氏菌（Shewanella oneidensis MR-1）为供试细菌,应用酸碱滴定、表面电荷分析和接触角测定比较了去除EPS前后细菌的差异,研究了它们与典型土壤矿物（高岭石、蒙脱石、针铁矿）形成复合体的理化性质和结构特征。此外借助还原动力学实验、死活染色实验、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、三维荧光光谱（3D-EEM）和X-射线光电子能谱（XPS）等技术比较了去除EPS前后细菌及其与矿物复合体对Cr（Ⅵ）还原的差异,探讨了胞外聚合物（EPS）对希瓦氏菌-矿物还原Cr（Ⅵ）的影响机制,主要获得以下结果:1.查明了细胞表面的EPS对希瓦氏菌表面性质的影响。去除EPS后的希瓦氏菌表面负电荷减少、疏水性降低、表面位点浓度减小且主要体现在羧基和羟基的位点浓度减少,但其表面官能团类型未发生变化,羧基、磷酸基及羟基是去除EPS前后希瓦氏菌表面的三种主要官能团。2.明确了EPS对希瓦氏菌还原Cr（Ⅵ）的作用。对不同浓度Cr（Ⅵ）的还原过程中,去除EPS的希瓦氏菌对Cr（Ⅵ）的还原速率和还原量均低于未去除EPS的希瓦氏菌,表明EPS有利于希瓦氏菌对Cr（Ⅵ）的还原。ITC结果表明,去除EPS前后希瓦氏菌在还原Cr（Ⅵ）过程中均为放热反应,但有EPS存在的还原反应在热力学上更有利于进行。死活染色实验结果显示去除EPS的希瓦氏菌活菌比例低于未去除EPS的希瓦氏菌,说明EPS降低了Cr（Ⅵ）对细菌的毒性。3.阐明了EPS对希瓦氏菌还原Cr（Ⅵ）的影响机制。紫外/可见吸收光谱和XPS分析结果显示,EPS中的外膜c-型细胞色素可作为Cr（Ⅵ）还原的末端还原酶,以及糖类的半缩醛基团可作为Cr（Ⅵ）还原的还原剂且被氧化为羧酸盐;通过荧光光谱分析发现,色氨酸类和芳香类蛋白质是EPS的主要荧光组分,且荧光强度的减弱,表明类蛋白质参与了Cr（Ⅵ）的还原过程,进一步促进了希瓦氏菌对Cr（Ⅵ）的还原。4.明确了EPS对希瓦氏菌-矿物复合体还原Cr（Ⅵ）的作用。代谢热活性分析表明,细菌表面EPS的去除会抑制希瓦氏菌-高岭石/针铁矿复合体系中细菌的活性,但增强了希瓦氏菌-蒙脱石复合体中细菌的活性。还原动力学结果显示,未去除EPS的希瓦氏菌-高岭石/针铁矿二元复合体对Cr（Ⅵ）的还原率均大于去除EPS的希瓦氏菌-高岭石/针铁矿二元复合体,表明细菌表面的EPS通过增强细菌活性可促进希瓦氏菌-高岭石/针铁矿二元复合体对Cr（Ⅵ）的还原,而细菌表面的EPS却抑制了希瓦氏菌-蒙脱石复合体对Cr（Ⅵ）的还原。5.EPS不仅可以有效地还原Cr（Ⅵ）,而且也影响着希瓦氏菌及希瓦氏菌-矿物复合体还原Cr（Ⅵ）的终产物。有EPS存在时,还原产物主要以Cr2O3、CrPO4的形式结合在希瓦氏菌及复合体表面,去除EPS后,还原产物主要以CrPO4的形式结合在复合体表面。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
•   1.1 Cr（Ⅵ）的微生物还原及机理研究
•   1.2 微生物-土壤矿物互作对Cr（Ⅵ）还原的影响
•   1.3 胞外聚合物（EPS）对微生物与重金属相互作用的影响
•     1.3.1 EPS的组成及性质
•     1.3.2 EPS对微生物吸附重金属的影响
•     1.3.3 EPS对微生物还原重金属的影响
•     1.3.4 EPS与重金属相互作用的研究方法
•   1.4 EPS对微生物-矿物互作的影响
•   1.5 研究目的和意义
•   1.6 技术路线
• 第二章 材料与方法
•   2.1 实验材料
•     2.1.1 细菌的培养及表面紧密结合态EPS的去除
•       2.1.1.1 细菌的培养
•       2.1.1.2 细菌表面EPS的去除
•       2.1.1.3 EPS的提取及纯化
•     2.1.2 矿物
•     2.1.3 细菌-矿物复合体的制备
•     2.1.4 铬溶液的配制
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 EPS组分测定
•     2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
•     2.2.3 Zeta电位的测定
•     2.2.4 酸碱滴定
•     2.2.5细菌代谢热监测实验
•     2.2.6 细菌接触角和表面疏水性质的测定
•     2.2.7 Cr（Ⅵ）的还原动力学实验
•       2.2.7.1 有无EPS条件下希瓦氏菌对不同Cr（Ⅵ）浓度的还原
•       2.2.7.2 去除EPS前后的希瓦氏菌-矿物复合体对Cr（Ⅵ）的还原
•       2.2.7.3 不同EPS浓度对Cr（Ⅵ）的还原
•       2.2.7.4 Cr（Ⅵ）的测定
•       2.2.7.5 总铬的测定
•     2.2.8 细菌存活实验
•     2.2.9 傅里叶变换红外光谱
•     2.2.10 等温滴定量热测定
•     2.2.11 紫外/可见吸收光谱
•     2.2.12 三维荧光光谱
•     2.2.13 X-射线光电子能谱
• 第三章 结果与分析
•   3.1 有无EPS条件下的希瓦氏菌对Cr（Ⅵ）还原的对比研究
•     3.1.1 希瓦氏菌表面EPS去除前后的SEM图谱
•     3.1.2 希瓦氏菌表面EPS去除前后的表面电荷分析
•     3.1.3 去除EPS前后菌体的电位滴定分析
•     3.1.4 去除EPS前后希瓦氏菌的疏水性分析
•     3.1.5 去除EPS前后的希瓦氏菌对Cr（Ⅵ）还原动力学分析
•     3.1.6 去除EPS前后的希瓦氏菌还原Cr（Ⅵ）过程中总铬的变化
•     3.1.7 细菌活性分析
•     3.1.8 ITC分析
•     3.1.9 去除EPS前后的希瓦氏菌还原Cr（Ⅵ）的官能团分析
•     3.1.10 去除EPS前后的希瓦氏菌还原Cr（Ⅵ）后的表面价态分析
•   3.2 胞外聚合物（EPS）对Cr（Ⅵ）的还原
•     3.2.1 EPS的主要成分分析
•     3.2.2 EPS对 Cr（Ⅵ）还原的价态分析
•     3.2.3 不同EPS浓度对Cr（Ⅵ）的还原
•     3.2.4 EPS中外膜c-型细胞色素在还原前后的光谱分析
•     3.2.5 FTIR分析
•     3.2.6 EPS还原Cr（Ⅵ）的三维荧光光谱（3D-EEM）分析
•     3.2.7 XPS分析
•   3.3 胞外聚合物（EPS）对希瓦氏菌-矿物复合体还原Cr（Ⅵ）的影响
•     3.3.1 矿物及去除EPS前后的希瓦氏菌-矿物复合体表面电荷分析
•     3.3.2 去除EPS前后希瓦氏菌-矿物复合体的电位滴定分析
•     3.3.3 矿物对EPS去除前后的希瓦氏菌的代谢热活性分析
•     3.3.4 还原后希瓦氏菌的活性分析
•     3.3.5 去除EPS前后的希瓦氏菌-矿物复合体对Cr（Ⅵ）的还原动力学
•     3.3.6 还原Cr（Ⅵ）过程中总铬的变化
•     3.3.7 去除EPS前后希瓦氏菌-矿物复合体还原Cr（Ⅵ）的官能团分析
•     3.3.8 希瓦氏菌-矿物复合体还原Cr（Ⅵ）后的表面价态分析
• 第四章 讨论
•   4.1 胞外聚合物（EPS）对希瓦氏菌还原Cr（Ⅵ）的影响
•   4.2 胞外聚合物（EPS）对希瓦氏菌-矿物复合体还原Cr（Ⅵ）的影响
• 第五章 结论与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 谢金秋

导师: 黄巧云,戴珂

关键词: 希瓦氏菌,胞外聚合物,矿物,复合体,还原

来源: 华中农业大学

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

单位: 华中农业大学

分类号: X172

DOI: 10.27158/d.cnki.ghznu.2019.000634

总页数: 82

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