Cu2+在克雷伯氏杆菌细胞界面的迁移转化机理研究

论文摘要

随着现代化工业以及采矿业的高速发展,在生产过程中也排出了大量含有重金属的废水和废渣。这些废水和废渣中所含的重金属经过迁移进入地表径流、土壤以及地下水,最终会由食物链进入生物体内富集,并与生物体内的有机物结合转化为有毒物质,从而长期对生物组织产生严重的损伤。为了应对近年来越来越严重的重金属污染,经济、环保且高效的微生物修复技术成为了研究热点;其中,种类繁多的细菌被广泛应用于重金属污染的治理。要进一步发展和改良这一技术手段和工艺,必须掌握细菌对重金属的吸附和去除机理,然而时至今日,细菌去除重金属离子在细胞层面的机理和机制尚不够明确。只有掌握了重金属在细菌细胞内外的迁移转化机理,我们才能对目前被广泛应用于重金属污染治理的微生物活性污泥法的原理作出根源性的阐释,从而为改良微生物修复技术和工艺提供理论支撑。本文以产酸克雷伯氏杆菌作为试验用菌,研究了Cu2+在细菌细胞内外的迁移转化机理。其中:采用OD600生长曲线法测得了Cu2+对菌体的最小抑菌浓度（MIC）和菌体对Cu2+的最大耐受浓度（MTC）;采用差速离心法和密度梯度离心法分离了菌体细胞各组分,测得了吸附试验后Cu2+在菌体细胞各组分的分布量;采用XPS（X射线光电子能谱）全元素深度剖析法分析了不同初始Cu2+浓度下各元素在菌体细胞各组分的迁移与分布量变化;采用AES（俄歇电子能谱）分峰拟合的方法分析了Cu2+在细胞壁、细胞膜上的价态变化;采用FT-IR（傅里叶变换红外光谱）分析了菌体内对Cu2+起吸附作用的主导基团;使用K+通道阻断剂（绿曼巴蛇毒素）、Ca2+通道阻断剂（氯化镧）分析了Cu2+和Cu+在细胞壁、细胞膜界面的离子交换机理;最后通过吸附动力学分段拟合的方法研究了Cu2+在菌体细胞迁移的数学特征。结果表明:试验选用的最佳pH值为4.0;MIC=10mg/L,MTC=60mg/L;产酸克雷伯氏菌对Cu2+的去除率最大可达68.2%,单位质量的菌体对Cu2+的去除量最大可达102.45mg/g;当初始浓度小于20mg/L时,Cu2+不向细胞壁、细胞膜界面迁移,胞外聚合物对Cu2+的去除起主要作用;当初始浓度在2030mg/L之间时,吸附过程可分为3个阶段:第一阶段为胞外聚合物吸附阶段;第二阶段为胞外聚合物吸附,细胞壁、膜界面吸附,细胞内迁移转化三种方式共存;第三阶段胞外聚合物对Cu2+的吸附达到饱和,仅为细胞壁和细胞膜吸附、胞内迁移转化两种方式共存,但细胞壁、细胞膜对Cu2+的吸附速率大于Cu2+由细胞壁、膜界面向胞内迁移的速率;当初始浓度大于30 mg/L时,胞外聚合物、细胞壁和细胞膜对Cu2+的吸附均达到饱和,细胞壁、细胞膜对Cu2+的吸附速率等于Cu2+由细胞壁、膜界面向胞内迁移的速率,胞内Cu2+不断积累;Cu+会诱导菌体产生巯基硫蛋白,其与铜离子结合将其去除;Cu2+在细胞壁上发生了氧化还原反应,被还原为Cu+;Cu+与K+在细胞膜上发生离子交换,每交换进入细胞内一个Cu+,向胞外排出两个K+;Cu2+与Ca2+在细胞壁上发生离子交换,每交换进入细胞壁上一个Cu2+,向胞外排出一个Ca2+;当初始Cu2+浓度小于20 mg/L时,胞外聚合物对吸附起主导作用,吸附全过程符合准二级动力学模型;当初始Cu2+浓度大于20 mg/L时,在08小时的拟合区间,符合准二级动力学模型;在016小时的拟合区间,符合准一级动力学模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 重金属污染的危害
•   1.2 当前我国重金属铜污染的现状
•   1.3 土壤重金属铜污染控制技术研究现状
•   1.4 微生物对重金属的去除机理研究现状
•     1.4.1 细菌对重金属的溶解作用
•     1.4.2 细菌对重金属的吸附作用
•     1.4.3 细菌与重金属间的离子交换作用
•   1.5 微生物对重金属铜的去除机理研究现状
•   1.6 .研究意义、目标与内容
•     1.6.1 研究意义
•     1.6.2 研究目标
•     1.6.3 研究内容
•   1.7 技术路线
• 第二章 铜离子的最大耐受浓度（MTC）与最小抑菌浓度（MIC）的测定与克雷伯氏菌细菌形态的鉴定
•   2.1 试验材料
•     2.1.1 试验仪器
•     2.1.2 药品与试剂
•     2.1.3 克雷伯氏菌
•   2.2 试验方法
•     2.2.1 产酸克雷伯氏杆菌（Klebsiella oxytoca）的培养与鉴定
• 2+试验最适pH值的确定'>    2.2.2 克雷伯氏菌吸附Cu²⁺试验最适pH值的确定
•     2.2.3 铜离子的最大耐受浓度（MTC）与最小抑菌浓度（MIC）的测定
•     2.2.4 克雷伯氏菌在环境扫描电镜（ESEM）下的形态观察
•   2.3 试验结果与讨论
•     2.3.1 菌种的分离鉴定结果
• 2+试验的最适pH值'>    2.3.2 产酸克雷伯氏杆菌吸附Cu²⁺试验的最适pH值
•     2.3.3 铜离子的最大耐受浓度（MTC）与最小抑菌浓度（MIC）的测定
•     2.3.4 克雷伯氏菌在环境扫描电镜（ESEM）下的形态观察
•   2.4 本章小结
• 2+在克雷伯氏菌细胞各组分的迁移规律研究'>第三章 Cu²⁺在克雷伯氏菌细胞各组分的迁移规律研究
•   3.1 试验材料
•   3.2 试验方法
•     3.2.1 细菌细胞菌体的分离提取及其铜离子含量的测定
•     3.2.2 细菌胞外聚合物的分离提取及其铜离子含量的测定
•     3.2.3 细菌细胞壁的分离提取及其铜离子含量的测定
•     3.2.4 细菌细胞膜的分离提取及其铜离子含量的测定
•     3.2.5 培养液及细胞内铜离子含量的测定
•   3.3 试验结果与讨论
•   3.4 本章小结
• 2+在克雷伯氏菌细胞壁、细胞膜界面的迁移转化机理研究'>第四章 Cu²⁺在克雷伯氏菌细胞壁、细胞膜界面的迁移转化机理研究
•   4.1 试验材料
•     4.1.1 试验仪器
•     4.1.2 试验药品与试剂
•   4.2 试验方法
•     4.2.1 XPS全元素深度剖析与AES（俄歇电子能谱）局部精细扫描
• 2+后的红外光谱分析（FT-IR）'>    4.2.2 菌体吸附Cu²⁺后的红外光谱分析（FT-IR）
• 2+与Cu⁺在菌体细胞界面上的离子交换机理探究'>    4.2.3 Cu²⁺与Cu⁺在菌体细胞界面上的离子交换机理探究
• 2+与Cu⁺在细胞壁和细胞膜上的氧化还原与离子交换联合作用机理'>    4.2.4 Cu²⁺与Cu⁺在细胞壁和细胞膜上的氧化还原与离子交换联合作用机理
•   4.3 试验结果与讨论
• 2+后菌体的X射线光电子能谱分析'>    4.3.1 吸附Cu²⁺后菌体的X射线光电子能谱分析
• 2+后的红外光谱分析（FT-IR）'>    4.3.2 菌体吸附Cu²⁺后的红外光谱分析（FT-IR）
• 2+与Cu⁺在菌体细胞界面上的离子交换机理'>    4.3.3 Cu²⁺与Cu⁺在菌体细胞界面上的离子交换机理
• 2+与Cu⁺在细胞壁和细胞膜上的氧化还原与离子交换联合作用机理'>    4.3.4 Cu²⁺与Cu⁺在细胞壁和细胞膜上的氧化还原与离子交换联合作用机理
•   4.4 本章小结
• 2+的吸附动力学模拟研究'>第五章 克雷伯氏菌对Cu²⁺的吸附动力学模拟研究
•   5.1 试验仪器、试剂
•   5.2 试验方法
•   5.3 试验结果与讨论
• 2+浓度的变化对Cu²⁺的吸附效果的影响'>    5.3.1 初始初始Cu²⁺浓度的变化对Cu²⁺的吸附效果的影响
• 2+的吸附动力学模拟研究'>    5.3.2 菌体对Cu²⁺的吸附动力学模拟研究
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论与建议
•   6.1 结论
•   6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间公开发表学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 宋英浩

导师: 林山杉

关键词: 克雷伯氏菌,铜离子,迁移转化,吸附作用,氧化还原,离子交换

来源: 东北师范大学

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: 东北师范大学

分类号: X172;X70

DOI: 10.27011/d.cnki.gdbsu.2019.000141

总页数: 58

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