粘土矿物与锰氧化菌的吸附特性及对细菌生长和Mn（Ⅱ）氧化的影响

论文摘要

以往研究氧化Mn（Ⅱ）的菌株多为海相微生物,且氧化Mn（Ⅱ）的实验多在游离体系下进行,而生活在土壤环境中的细菌绝大部分被土壤颗粒吸附,吸附作用如何影响细菌的生长代谢,对锰细菌氧化Mn（Ⅱ）有何影响等相关报道较少。本文选取自红壤铁锰结核中筛选出的锰氧化细菌HN79,研究其生物学特征和氧化特性；探讨了粘土矿物与细菌吸附的测定方法,分析了细菌与粘土矿物（蒙脱石,针铁矿,高岭石和伊利石）的吸附与解吸特征,与游离态细菌对比初步探讨了矿物表面吸附态细菌的生长曲线及对Mn（Ⅱ）的氧化特点。通过研究获得以下结果：1.菌株HN79为革兰氏阳性芽孢细菌,菌体呈短杆状；对Mn（Ⅱ）有一定抗性；细菌的比表面积为1.14 m2/g（细胞干重）；pH7.0条件下细菌表面带负电荷,电荷量为-4.46μmol/m2。2.确定了细菌细胞的裂解条件以及测定细菌数量的最适方法：菌悬液碱裂解时间为30 min；裂解液NaOH浓度为0.4 mol/L；取蛋白质滤液0.5 mL作为考马斯亮蓝测定的显色体积,显色剂考马斯亮蓝（CBB）体积为5 mL；选择70%（w/v）蔗糖溶液分离吸附态和未吸附态细菌；离心分离矿物-细菌复合体的转速为4000 r/min。3.明确了粘土矿物对HN79细菌的吸附解吸特性。四种粘土矿物对细菌的等温吸附曲线符合Langmuir方程,吸附量由大到小顺序为：蒙脱石（40.86×109cells/g）>高岭石（28.10×109cells/g）>针铁矿（26.13×109 cells/g）>伊利石（21.76×109cells/g）；结合强度由强到弱为：伊利石>针铁矿≈高岭石>蒙脱石。随离子强度增加,细菌吸附量先增加后减小并趋于稳定。随pH增大吸附细菌的数量降低。解吸剂Tris-HCl、KCl和NaH2PO4-Na2HPO4分别对矿物表面饱和吸附态细菌的解吸特性是：四种矿物吸附态细菌都是经KCl解吸的细菌数量最大,经Na2HPO4-NaH2PO4解吸的数量最少。用上述三种解吸剂依次解吸矿物表面饱和吸附态细菌,解吸量由大到小顺序为：Tris-HCl >KCl>Na2HPO4-NaH2PO4;解吸等量吸附细菌的规律与之相反,且饱和吸附态细菌的总解吸率远高于等量吸附的解吸率。结合扫描电镜和红外图谱分析,HN79细菌细胞表面的羟基、磷酸基和羧基都参与了吸附过程,针铁矿与细菌之间有氢键形成。总之,细菌主要通过范德华力和静电力吸附在蒙脱石和高岭石表面；对于针铁矿,则以配位交换和氢键作用吸附；细菌与伊利石之间主要通过静电作用吸附,作用力稳定而且不易被解吸。4.初步探讨了不同吸附态细菌的生长情况及其对Mn（Ⅱ）的氧化特性。在游离态和吸附态细菌共存体系中,粘土矿物的存在促进细菌生长；当仅有吸附态细菌存在时,粘土矿物对细菌生长既有促进作用也有抑制作用,表现为对细菌生物量和适应期不同的影响。其中蒙脱石对不同状态细菌的生长均有明显的促进作用。矿物的表面特性通过影响与细菌的吸附影响细菌对Mn（Ⅱ）的氧化作用,不同矿物-细菌复合体氧化Mn（Ⅱ）能力：蒙脱石>针铁矿>高岭石≈伊利石。5.吸附态细菌经不同解吸剂解吸后,残留吸附态细菌的生长状况及其对Mn（Ⅱ）的氧化特性。四种矿物表面残留吸附态细菌的生长都比对照组游离态细菌慢,其中尤以KCl解吸的最为明显；蒙脱石促进残留吸附态细菌增长,缩短生长适应期；其他三种矿物均抑制残留吸附态细菌的生长。三组解吸处理的平均氧化率大小顺序为：NaH2PO4-Na2HPO4 （8.27%）>Tris-HCl （4.76%）>KCl（1.39%）。细菌吸附作用力种类的不同,影响细菌的生长代谢活性,从而影响其对Mn（Ⅱ）的氧化：吸附态细菌在氧化Mn（Ⅱ）过程中,起主要氧化作用的是以范德华力和静电力吸附的那部分细菌,而以专性吸附方式吸附到粘土矿物表面的细菌很难再氧化Mn（Ⅱ）。6.HN79及其复合态细菌形成的生物锰氧化物,以絮状或颗粒状被芽孢吸附和包被。多为短程有序、结晶较弱的纳米级结构。经XRD鉴定主要为黑锰矿

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 土壤粘粒与微生物吸附作用研究进展
• 1.1.1 吸附理论模型
• 1.1.2 土壤粘粒与微生物作用的相互影响
• 1.1.3 土壤粘粒与微生物相互作用研究的新方法
• 1.2 生物锰氧化物的研究
• 1.2.1 微生物对锰的氧化机制研究
• 1.2.2 生物锰氧化物的矿物学研究
• 1.2.3 生物锰氧化物的环境行为
• 1.3 研究意义与技术路线
• 1.3.1 研究目的和意义
• 1.3.2 技术路线
• 2 供试锰氧化菌株的基本特性
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 供试菌种
• 2.1.2 培养基
• 2.1.3 锰氧化菌的形态观察
• 2.1.4 锰氧化菌生理生化实验
• 2.1.5 锰氧化菌生长曲线的测定
• 2.1.6 锰氧化菌比表面积的测定
• 2.1.7 锰氧化菌表面电荷密度的测定
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 锰氧化菌形态观察
• 2.2.2 锰氧化菌生理生化鉴定结果
• 2.2.3 锰氧化菌的生长曲线
• 2.2.4 锰氧化菌的比表面积
• 2.2.5 锰氧化菌的表面电荷密度
• 2.3 小结
• 3 粘土矿物与细菌吸附特性及其影响因素分析
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 粘土矿物样品的制备
• 3.1.2 细菌悬液的制备
• 3.1.3 细菌细胞裂解条件的确定以及测定方法的选择
• 3.1.4 粘土矿物对细菌吸附影响因素的研究
• 3.1.5 矿物表面吸附态细菌的解吸实验
• 3.1.6 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析
• 3.1.7 扫描电镜（SEM）分析
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 粘土矿物的表面性质
• 3.2.2 细菌细胞裂解条件以及测定方法的确定
• 3.2.3 粘土矿物吸附细菌的影响因素
• 3.2.4 矿物表面吸附态细菌的解吸
• 3.2.5 FTIR分析
• 3.2.6 SEM分析
• 3.3 小结
• 4 游离态与复合态细菌对Mn（Ⅱ）的氧化
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 吸附态细菌的生长及其对Mn（Ⅱ）的氧化实验
• 4.1.2 不同解吸剂对饱和吸附态细菌解吸后残留吸附态细菌的生长曲线及对Mn（Ⅱ）的氧化实验
• 4.1.3 游离态和吸附态细菌形成锰氧化物的扫描电镜和能谱分析
• 4.1.4 游离态和吸附态细菌形成锰氧化物的X-射线衍射分析
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 吸附态细菌的生长及其对Mn（Ⅱ）的氧化
• 4.2.2 不同解吸剂解吸后残留吸附态细菌的生长曲线及对Mn（Ⅱ）的氧化
• 4.2.3 SEM-EDX分析
• 4.2.4 XRD鉴定
• 4.3 讨论
• 4.4 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表及撰写的论文
• 致谢