Rhodobacter sphaeroides H生物还原和积累六价铬的特性及机理研究

论文摘要

我国水体环境中的重金属污染现象日益严重,其中铬污染现象较为突出。不同价态的铬所造成的毒性差异较大,六价铬[Cr（Ⅵ）]的毒性就远大于三价铬[Cr（Ⅲ）]的毒性。将Cr（Ⅵ）还原为Cr（Ⅲ）的过程可以降低Cr（Ⅵ）的毒性。近年来,Cr（Ⅵ）的微生物还原法成为国内外学者研究的热点。本文以球形红细菌H菌株（Rhodobacter sphaeroides H）为试验菌种,研究了影响H菌株还原和积累Cr（Ⅵ）的因素,初步探明该H菌株对Cr（Ⅵ）的还原和积累的机理。主要结论如下:（1）H菌株对Cr（Ⅵ）的耐受浓度为300 mg/L;H菌株的活细胞是还原Cr（Ⅵ）的主体;在光照厌氧、光照好氧、黑暗厌氧、黑暗好氧四种不同培养条件下,H菌株均能还原Cr（Ⅵ）;在光照厌氧条件下,初始Cr（Ⅵ）浓度为100 mg/L,初始pH为7.0,接种量为5%和培养温度为30℃时,H菌株对Cr（Ⅵ）有较好的还原效果,96 h内对100 mg/L Cr（Ⅵ）的还原率最高,达98.4%;共存金属离子和含氧阴离子对H菌株还原Cr（Ⅵ）产生的影响效果不同,其中促进效果最显著的是Co2+,而抑制作用最大的金属离子为Cu2+。在4种含氧阴离子中,SO42-和PO43-对H菌株还原Cr（Ⅵ）的影响较大,其他离子的抑制作用均不明显;不同电子供体也可产生对H菌株还原Cr（Ⅵ）效果的影响,其中乳糖、葡萄糖、蔗糖和乙酸钠的促进作用最为显著,而麦芽糖和柠檬酸有明显抑制作用。此外,H菌株在还原较低Cr（Ⅵ）浓度时的反应动力学比较符合一级反应,而随着Cr（Ⅵ）浓度的增高,其反应级数介于一级和二级之间。（2）H菌株胞外及亚细胞组分体系中Cr（Ⅵ）和Cr（Ⅲ）随时间的变化关系表明,该菌株可以在96 h内去除上清液中98.4%的Cr（Ⅵ）,其中55.3%转化为细胞表面上的Cr（Ⅲ）,19.9%转化为细胞内的Cr（Ⅲ）,24.8%的Cr（Ⅵ）积累在细胞内。进一步研究胞外及亚细胞的组分对Cr（Ⅵ）的还原效果,发现细胞外组分对Cr（Ⅵ）的还原效果最佳,其次是细胞质和细胞壁组分。对细胞外组分进行还原物质活性的测定结果证明该组分是还原Cr（Ⅵ）的主要物质。针对胞外Cr（Ⅵ）还原酶的还原性质研究发现,其最适pH是7.0,最适温度为30℃,底物浓度为0.2 mmol/L。不同电子供体对酶活性的影响较大,其中NADPH提高了50%的还原效率。金属离子Cu2+、Fe2+和Ca2+对酶活性有较强的抑制作用,而Co2+和K+可以显著促进还原酶的活性。（3）FT-IR结果显示,H菌株的细胞壁积累Cr（Ⅵ）后,其羟基、氨基和酰胺等官能团在3300 cm-1和1656cm-1处出现强吸收峰;扫描电镜（SEM-EDX）的结果进一步证明了细胞壁在积累Cr（Ⅵ）后,Cr（Ⅵ）的毒性对H菌株的表面形貌及细胞结构产生了一定影响,使其细胞变得粗糙和不规则;透射电镜（TEM）的结果显示细胞内多处出现黑色致密颗粒,表明Cr（Ⅵ）或Cr（Ⅵ）的还原产物进入了细胞内部。经XPS和XRD表征结果证明了Cr（Ⅵ）被还原为Cr（Ⅲ）,其还原产物为Cr2O3。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 引言
•   1.1 铬的概述
•     1.1.1 铬的性质
•     1.1.2 铬污染来源
•     1.1.3 Cr（Ⅵ）的危害
•   1.2 Cr（Ⅵ）废水的处理技术
•   1.3 微生物还原Cr（Ⅵ）的研究进展
•     1.3.1 还原Cr（Ⅵ）的微生物
•     1.3.2 微生物对Cr（Ⅵ）还原机理
•   1.4 光合细菌研究进展
•     1.4.1 光合细菌概述
•     1.4.2 光合细菌重金属污染处理中的应用
•     1.4.3 球形红细菌在重金属污染处理中的应用
• 2 H菌株还原和积累Cr（Ⅵ）的特性研究
•   2.1 实验材料
•     2.1.1 菌种来源
•     2.1.2 实验仪器
•     2.1.3 主要试剂
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 培养基的配制方法
•     2.2.2 不同体系对Cr（Ⅵ）的还原试验
•     2.2.3 H菌株对Cr（Ⅵ）的耐受试验
•     2.2.4 不同光照供氧对H菌株生长及还原Cr（Ⅵ）的影响试验
•     2.2.5 不同因素对H菌株生物还原Cr（Ⅵ）的影响试验
•   2.3 分析方法
•     2.3.1 菌体生物量测定方法
•     2.3.2 Cr（Ⅵ）标准曲线的绘制
•     2.3.3 总铬的测定
•   2.4 结果与分析
•     2.4.1 Cr（Ⅵ）的标准曲线
•     2.4.2 不同体系下H菌株还原Cr（Ⅵ）的结果
•     2.4.3 H菌株对Cr（Ⅵ）的耐受能力
•     2.4.4 不同光照供氧对H菌株生长及还原Cr（Ⅵ）的影响结果
•     2.4.5 不同因素对H菌株还原Cr（Ⅵ）的影响结果
•     2.4.6 H菌株还原不同浓度Cr（Ⅵ）的动力学方程
•   2.5 本章小结
• 3 H菌株还原Cr（Ⅵ）的酶学性质
•   3.1 实验材料
•     3.1.1 菌种及其培养基
•     3.1.2 实验主要仪器
•     3.1.3 实验主要试剂
•   3.2 实验方法
•     3.2.1 胞外及亚细胞组分中总Cr、Cr（Ⅵ）和Cr（Ⅲ）的含量测定
•     3.2.2 胞外及亚细胞组分的Cr（Ⅵ）还原能力测定
•     3.2.3 上清液中Cr（Ⅵ）胞外酶活性的测定
•     3.2.4 不同因素对胞外Cr（Ⅵ）还原酶活性的影响试验
•     3.2.5 蛋白含量的测定
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 胞外及亚细胞组分中总Cr、Cr（Ⅵ）和Cr（Ⅲ）的变化结果
•     3.3.2 Cr（Ⅵ）还原酶活性的定位
•     3.3.3 上清液中Cr（Ⅵ）还原物质活性的测定结果
•     3.3.4 不同因素对胞外Cr（Ⅵ）还原酶活性的影响结果
•   3.4 本章小结
• 4 H菌株还原Cr（Ⅵ）的产物表征
•   4.1 实验材料
•     4.1.1 菌种及其培养基
•     4.1.2 实验主要仪器
•     4.1.3 实验主要试剂
•   4.2 实验方法
•     4.2.1 傅里叶红外光谱（FT-IR）分析
•     4.2.2 扫描电镜（SEM）分析
•     4.2.3 透射电镜（TEM）分析
•     4.2.4 X射线光电子能谱（XPS）分析
•     4.2.5 X射线衍射光谱（XRD）分析
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 Cr（Ⅵ）处理前后菌体FT-IR分析
•     4.3.2 SEM和 TEM分析结果
•     4.3.3 XPS对铬的价态分析
•     4.3.4 XRD对还原产物的分析结果
•     4.3.5 球形红细菌还原Cr（Ⅵ）的机制
•   4.4 本章小结
• 5 全文总结
•   5.1 结论
•   5.2 展望与不足
•   5.3 论文的创新性
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 康鹏洲

导师: 白红娟

关键词: 六价铬,三价铬,球形红细菌,还原和积累,还原产物

来源: 中北大学

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: 中北大学

分类号: X703;X172

总页数: 83

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