胞外聚合物在细菌吸附铜离子中的作用及机理研究

论文摘要

胞外聚合物（EPS, Extracellular Polymeric Substances）是细菌新陈代谢主动分泌或细胞裂解释放的一些大分子有机物的混合体,在细菌吸附重金属过程中有重要的作用。本文以枯草芽孢杆菌（B. subtilis, Bacillus subtilis）和恶臭假单胞菌（P.putida, Pseudomonas putida）为供试菌株,选取重金属铜离子为对象,结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）、电位滴定、等温滴定微量热（ITC）等技术手段,系统研究了EPS在细菌吸附铜离子过程中的作用,EPS与铜离子相互作用的机制,以及针铁矿-EPS复合体对铜离子的吸附机制,以期为土壤和水体的生物修复提供理论依据,主要内容如下：1.明确了EPS在细菌吸附重金属过程中的作用,结合电位滴定、FTIR技术初步揭示了去除EPS前后的细菌吸附Cu（Ⅱ）的机制。枯草芽孢杆菌和恶臭假单胞菌EPS被去除后,细菌表面所含的官能团种类没有发生变化,均含有羧基、磷酰基、羟基或氨基,但表面官能团浓度显著降低。EPS的存在可显著增加细菌对Cu（Ⅱ）的吸附量,在阳性菌B. subtilis表面,这种促进效果更为明显。EPS去除前后的枯草芽孢杆菌和恶臭假单胞菌在吸附Cu（Ⅱ）的过程中,磷酰基和羧基起了主要作用。2.阐明了B. subtilis的EPS吸附Cu（Ⅱ）的机理。EPS对Cu（Ⅱ）的最大吸附量达到573.77 mg·g-1,显著高于细菌的吸附量。EPS对Cu（Ⅱ）的吸附过程符合二级动力学方程,表明EPS表面质子与Cu（Ⅱ）的分配和交换的化学吸附是主要作用力。EPS对Cu（Ⅱ）的吸附是吸热、熵增的反应过程,EPS中羧基的C=O和磷酰基团的P=O通过配位交换与Cu（Ⅱ）结合,形成了内圈络合物。3.摸索了B. subtilis的EPS与针铁矿（Goe.）的复合条件,初步查明了针铁矿-EPS复合体对Cu（Ⅱ）的吸附机制。针铁矿与EPS复合比例为4：1,体系pH为3,反应30 min可得到EPS最大吸附的复合体。针铁矿-EPS复合体对Cu（Ⅱ）的吸附量大于针铁矿对Cu（Ⅱ）的吸附量,而小于EPS对Cu（Ⅱ）的吸附量,表明在EPS的存在下,可以增大针铁矿对Cu（Ⅱ）的吸附量。随着pH从2增加到6,三种物质对Cu（Ⅱ）的吸附量也随之增加。针铁矿和EPS形成复合体后,产生了P-O-Fe键,作为新的活性位点与羧基和羟基共同在吸附Cu（Ⅱ）的过程中起着重要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略语表
• 第一章 绪论
• 1 土壤重金属污染现状
• 2 土壤微生物与重金属的相互作用
• 2.1 胞内相互作用
• 2.2 胞表相互作用
• 2.3 胞外相互作用
• 3 细菌对重金属的吸附
• 3.1 不同种类细菌吸附重金属
• 3.1.1 芽孢杆菌属吸附重金属
• 3.1.2 假单胞菌属吸附重金属
• 3.1.3 蓝细菌吸附重金属
• 3.1.4 其他细菌吸附重金属
• 3.2 细菌吸附重金属的作用机理
• 3.2.1 离子交换
• 3.2.2 配位络合
• 3.2.3 氧化还原
• 4 细菌胞外聚合物对重金属的吸附
• 4.1 细菌胞外聚合物的类型
• 4.2 细菌胞外聚合物的物理化学性质
• 4.3 细菌胞外聚合物的提取
• 4.4 细菌胞外聚合物对重金属的吸附效能
• 4.5 研究胞外聚合物吸附重金属机理的技术手段
• 4.5.1 电位滴定
• 4.5.2 红外光谱
• 4.5.3 模型拟合
• 4.5.4 X射线光电子能谱
• 5 立题依据与意义
• 第二章 胞外聚合物在B.subtilis和P.putida吸附铜离子中的作用机制
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试材料
• 2.1.1 培养基
• 2.1.2 细菌
• 2.1.3 去除EPS的细菌
• 2.1.4 Cu（Ⅱ）标准溶液
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 细菌生长曲线测定
• 2.2.2 处理前后的细菌对Cu（Ⅱ）的等温吸附实验
• 2.2.3 pH对处理前后的细菌吸附Cu（Ⅱ）的影响实验
• 2.2.4 处理前后的细菌吸附Cu（Ⅱ）的电位滴定实验
• 2.2.5 处理前后的细菌吸附Cu（Ⅱ）的红外光谱实验
• 3 结果与讨论
• 3.1 细菌的生长曲线
• 3.2 处理前后的细菌对Cu（Ⅱ）的等温吸附
• 3.3 pH对处理前后的细菌吸附Cu（Ⅱ）的影响
• 3.4 处理前后的细菌吸附Cu（Ⅱ）的红外光谱分析
• 3.5 处理前后细菌表面官能团的测定
• 4 小结
• 第三章 胞外聚合物与铜离子相互作用机制研究
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试材料
• 2.1.1 EPS提取
• 2.1.2 溶液配制
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 EPS中主要组分和元素含量测定
• 2.2.2 Cu（Ⅱ）选择性电极的校正
• 2.2.3 EPS对Cu（Ⅱ）的等温吸附实验
• 2.2.4 EPS对Cu（Ⅱ）的吸附动力学实验
• 2.2.5 离子强度对EPS吸附Cu（Ⅱ）的影响实验
• 2.2.6 pH对EPS吸附Cu（Ⅱ）的影响实验
• 2.2.7 EPS吸附Cu（Ⅱ）的红外光谱实验
• 2.2.8 EPS吸附Cu（Ⅱ）的等温滴定微量热实验
• 3 结果与讨论
• 3.1 EPS中主要组分和元素含量分析
• 3.2 Cu（Ⅱ）选择性电极的准确性评价
• 3.3 离子强度对EPS吸附Cu（Ⅱ）的影响
• 3.4 EPS吸附Cu（Ⅱ）的动力学过程
• 3.5 EPS对Cu（Ⅱ）的等温吸附
• 3.6 pH对EPS吸附Cu（Ⅱ）的影响
• 3.7 EPS吸附Cu（Ⅱ）的红外光谱分析
• 3.8 EPS吸附Cu（Ⅱ）的等温滴定微量热分析
• 4 小结
• 第四章 针铁矿-胞外聚合物复合体的制备及其对铜离子的吸附
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试材料
• 2.1.1 针铁矿
• 2.1.2 针铁矿和EPS溶液
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 吸附时间对针铁矿-EPS复合体形成的影响实验
• 2.2.2 针铁矿与EPS的比例对复合体形成的影响实验
• 2.2.3 pH对针铁矿-EPS复合体形成的影响实验
• 2.2.4 针铁矿、EPS和复合体对Cu（Ⅱ）的等温吸附实验
• 2.2.5 pH对针铁矿、EPS和复合体吸附Cu（Ⅱ）的影响实验
• 2.2.6 针铁矿-EPS复合体吸附Cu（Ⅱ）的红外光谱实验
• 3 结果与讨论
• 3.1 吸附时间对针铁矿-EPS复合体形成的影响
• 3.2 针铁矿与EPS的比例对针铁矿-EPS复合体形成的影响
• 3.3 pH对针铁矿-EPS复合体形成的影响
• 3.4 针铁矿、EPS和复合体对Cu（Ⅱ）的等温吸附比较
• 3.5 pH对针铁矿、EPS和复合体吸附Cu（Ⅱ）的影响
• 3.6 针铁矿-EPS复合体吸附Cu（Ⅱ）的红外光谱分析
• 4 小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录