Leucobacter sp. CRB1菌还原铬（VI）的机理及其在铬渣解毒中的应用

论文摘要

铬渣污染是我国重大的环境问题,历年的堆存量已经达到600万吨,其中以六价形念存在的铬是对人体危害最大的八种化学物质之一,是国际公认的三种致癌金属物之一,因此铬渣六价铬污染的治理一直是环保领域的重大课题。本研究分离到一株高效铬还原菌命名为CRB1菌,可以将高浓度的六价铬还原为三价铬,实现六价铬的解毒处理,在生物法治理铬污染方面具有非常广阔的应用前景。基于微生物在极端环境下生存的胁迫机制,从长沙铬盐厂铬渣堆放场的重度铬污染环境中分离到高效六价铬还原菌株。菌株CRB1生长的最佳温度为35℃,最佳pH为8.0,最适盐浓度在0.1～0.5 mol/L之间,是一种中温、耐碱的轻度嗜盐菌。在最适条件下,该菌的世代时间为117 min:六价铬浓度小于1000mg/L时对细菌生长的影响较小;外控电势在-900～300 mv时可以促进细菌的生长。细菌生理生化特性的检测及16S rDNA的测序比对均证明该菌为白色杆菌属（Leucobacter.sp）的一个新种,其DNA序列已经提交至Genbank数据库。系统研究了铬还原菌Leucobacter sp.CRB1还原六价铬的行为特性,发现细菌在生长的过程中还原六价铬,其最适合的环境条件为pH 9.0,温度30℃,反应需要氧气的存在。培养液中乳酸钠的加入可以提高还原速率,最适浓度为4g/L。还原过程中较高的接种量可以减少还原所需时间,而较高六价铬浓度则会延长还原的过程。在休眠细胞反应体系中,六价铬的还原绝对需要细菌细胞的存在,细菌的代谢产物无任何还原能力,体系所需最佳还原条件与生长细胞基本相同。在此基础上首次建立了细菌还原六价铬能力的评价体系,提出了铬还原容量的概念。在最适条件下,六价铬对CRB1菌的最小抑菌浓度为1180 mg/L,生长细胞最大还原量为1820 mg/L,休眠细胞的最大还原量为2180 mg/L,还原速率为5.45 mg/L·min,体系的铬还原容量为2490 mg/L。为探究Leucobacter sp.CRB1菌还原六价铬的作用机制,采用扫描电镜、透射电镜以及EDXA、EPR等分析手段对还原反应前后细菌细胞形貌进行了直观的观察,并对还原反应沉淀产物的元素组成进行定性分析。结果表明,Leucobacter sp.CRB1对Cr（Ⅵ）的还原,是由铬还原酶催化的直接还原反应,还原反应在细菌体外发生,反应产物的主要组成元素为三价铬,反应产物成分为Cr（OH）3,六价铬还原活性物质主要位于细胞膜上。乳酸钠在CRB1菌催化还原六价铬的反应中起电子供体的作用,HPLC分析表明反应生成了醋酸钠以及少量丙酮酸钠,其中丙酮酸钠属反应的中间产物。在反应中每个乳酸钠分子可为Cr（Ⅵ）的还原提供4个电子,本身被氧化成醋酸钠。分别从化学动力学和酶促动力学的角度建立了CRB1菌在生长状态和休眠状态下还原六价铬的动力学模型。在最适条件下,当体系中初始六价铬的浓度小于2000 mg/L时,休眠细胞催化还原六价铬的反应是零级反应;当六价铬浓度大于2000 mg/L时,反应呈现一级反应的特征。生长细菌还原六价铬也符合零级反应的动力学特征。运用底物抑制的Monod方程建立六价铬还原的数学模型,亦可模拟反应的过程,但不如化学反应动力学方程准确。酶促动力学研究的结果说明该氧化还原反应由乳酸钠的氧化和六价铬的还原两个基元反应构成,每个基元反应均为单底物的酶促反应。针对原长沙铬盐厂铬渣污染的现状及铬渣的性质,依据CRB1菌还原Cr（Ⅵ）的有关机理,提出并研究了细菌柱浸解毒铬渣的工艺。在最佳条件下,解毒后的铬渣浸出液达到国家污水综合排放标准（GB 8978-1996）;解毒后废渣的浸出毒性低于国家固体废物浸出毒性鉴别标准（GB 5085-1996）。解毒过程中细菌对铬渣表面具有溶蚀作用,铬渣中的某些物相在细菌作用下发生分解。解毒后渣中的Ca12Al14O33和Ca4Al2SO10·16H2O消失,方镁石（MgO）的含量也有较大降低,包裹于这些复杂化合物中的难浸Cr（Ⅵ）被释放,从而提高了铬渣中六价铬的浸出率和解毒效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 铬及其毒性
• 1.1.1 铬
• 1.1.2 铬的毒性
• 1.2 铬渣及其危害
• 1.2.1 铬渣的产生
• 1.2.2 铬渣的性质
• 1.2.3 铬渣的污染现状
• 1.3 铬渣污染的常规治理方法
• 1.3.1 硫化钠湿法解毒
• 1.3.2 硫酸亚铁湿法解毒
• 1.3.3 浸提—交换法处理铬渣
• 1.3.4 无钙铬渣湿法解毒技术
• 1.4 微生物除铬的研究现状
• 1.4.1 功能细菌的分离
• 1.4.2 功能细菌的还原特性
• 1.4.3 铬还原菌的应用研究
• 1.4.4 细菌除铬的机理研究
• 1.4.5 细菌除铬的动力学研究
• 1.5 本课题的研究思路及内容
• 第二章 实验材料及研究方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 菌种
• 2.1.2 培养基
• 2.1.3 铬渣
• 2.1.4 实验仪器及设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 样品采集
• 2.2.2 铬还原菌的筛选
• 2.2.3 培养条件
• 2.2.4 生长曲线
• 2.2.5 生理生化测试
• 2.2.6 16S rDNA序列分析
• 2.2.7 同源分析及系统发育树的建立
• 2.2.8 生长细菌还原六价铬
• 2.2.9 休眠细胞还原六价铬
• 2.2.10 细胞组分还原
• 2.2.11 分批加铬的还原
• 2.2.12 柱浸解毒实验
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 六价铬的测定
• 2.3.2 细菌浓度的测定
• 2.3.3 蛋白质浓度的测定
• 2.3.4 扫描电镜及能谱分析
• 2.3.5 透射电镜观察
• 2.3.6 高效液相色谱
• 2.3.7 还原产物的电子顺磁共振分析
• 2+浓度分析方法'>2.3.8 Ca²⁺浓度分析方法
• 2+浓度分析方法'>2.3.9 Mg²⁺浓度分析方法
• 2+浓度及Fe³⁺的测定'>2.3.10 Fe²⁺浓度及Fe³⁺的测定
• 3+浓度的测定'>2.3.11 Al³⁺浓度的测定
• 第三章 高效铬还原菌的分离、鉴定及生长特性
• 3.1 引言
• 3.2 高效铬还原菌的分离纯化
• 3.2.1 高效铬还原菌的采集
• 3.2.2 高效铬还原菌的富集及筛选
• 3.3 铬还原菌CRB 1的菌株及菌落形态
• 3.3.1 铬还原菌CRB 1的菌株形态
• 3.3.2 铬还原菌CRB 1的菌落形态
• 3.4 铬还原菌CRB 1培养特性
• 3.4.1 温度对CRB 1菌生长的影响
• 3.4.2 pH值对CRB 1菌生长的影响
• 3.4.3 氧气对细菌生长的影响
• 3.4.4 CRB 1菌的生长曲线
• 3.4.5 CRB 1菌世代时间的计算
• 3.4.6 铬还原菌CRB 1的耐盐性能
• 3.4.7 六价铬浓度对细菌生长的影响
• 3.4.8 氧化还原电势对细菌的影响
• 3.5 CRB 1菌种属鉴定及系统发育学分析
• 3.5.1 细菌的部分生理生化特性
• 3.5.2 CRB 1菌16S rRNA的测序
• 3.5.3 16S rRNA序列分析结果
• 3.5.4 菌株的系统发育分析
• 3.6 小结
• 第四章 LEUCOBACTER SP.CRB 1还原六价铬的行为特征
• 4.1 引言
• 4.2 生长中的细菌还原六价铬
• 4.2.1 环境因素对六价铬生物还原的影响
• 4.2.2 还原体系内部因素对还原的影响
• 4.3 细菌休眠细胞还原六价铬
• 4.3.1 反应体系的建立
• 4.3.2 初始pH值对还原的影响
• 4.3.3 电子供体的影响
• 4.3.4 不同浓度细胞还原六价铬
• 4.3.5 不同浓度六价铬的还原
• 4.4 CRB 1菌还原六价铬能力的评估
• 4.4.1 铬耐受力的测试
• 4.4.2 最大还原量的测试
• 4.4.3 还原速率的测试
• 4.4.4 还原容量
• 4.5 小结
• 第五章 CRB 1菌还原六价铬的机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 酶催化的直接还原
• 5.3 细菌生长与六价铬还原的关系
• 5.3.1 外界因素如何影响铬还原
• 5.3.2 细菌的生长与六价铬还原的关系
• 5.4 还原酶的定位
• 5.4.1 铬还原菌的电镜观察
• 5.4.2 细胞铬还原酶的定位
• 5.5 还原产物的检测
• 5.5.1 还原产物的EDAX分析
• 5.5.2 还原产物的EPR分析
• 5.6 电子供体
• 5.6.1 电子供体的比较
• 5.6.2 还原容量和乳酸钠的关系
• 5.6.3 反应产物成分的确定
• 5.7 反应历程的确定
• 5.7.1 反应物及产物的定量分析
• 5.7.2 丙酮酸钠为反应中间产物
• 5.7.3 反应方程式的确定
• 5.8 小结
• 第六章 LEUCOBACTER SP.CRB1菌还原六价铬的动力学模型研究
• 6.1 引言
• 6.2 化学反应动力学模型
• 6.2.1 休眠细胞还原六价铬
• 6.2.2 生长细菌还原六价铬
• 6.3 酶促动力学模型
• 6.3.1 休眠细胞还原动力学
• 6.3.2 生长细菌的还原动力学
• 6.4 小结
• 第七章 LEUCOBACTER SP.CRB1菌解毒铬渣的研究
• 7.1 引言
• 7.2 长沙铬盐厂铬渣的性质
• 7.2.1 铬渣的物相组成
• 7.2.2 铬渣中Cr（Ⅵ）的存在形态
• 7.2.3 长沙铬盐厂铬渣浸提特性
• 7.3 铬渣柱浸生物解毒的研究
• 7.3.1 工艺流程
• 7.3.2 制粒的必要性
• 7.3.3 粒径对铬渣中Cr（Ⅵ）浸出率的影响
• 7.3.4 温度对铬渣中Cr（Ⅵ）浸出率的影响
• 7.3.5 pH值对铬渣中Cr（Ⅵ）浸出率的影响
• 7.3.6 最优条件下实验
• 7.4 铬渣解毒机理的初步探讨
• 7.4.1 解毒前后残余Cr（Ⅵ）形态分析
• 7.4.2 解毒前后铬渣形貌观察
• 7.4.3 解毒过程中其它金属离子的浸出
• 7.4.4 解毒前后铬渣X射线衍射分析
• 7.4.5 细菌作用机制的推测
• 7.5 小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表学术论文及获奖情况
• 致谢