深海细菌锰氧化物特性和对砷的氧化解毒研究

论文摘要

锰氧化微生物广泛存在于淡水、海洋、土壤、污泥沉积物等环境,主要通过直接和间接作用把可溶的Mn（Ⅱ）转化为不溶的高价锰沉淀。微生物介导产生的锰氧化物是一种高活性锰氧化物,具有特殊的晶体结构,对多种物质具有很强的吸附和氧化能力,影响着环境中营养元素和污染物的迁移转化。砷（As）是一种严重的环境污染物,其中As（Ⅲ）的毒性远高于As（Ⅴ）,且As（Ⅴ）带负电,容易从溶液中去除,因此净化含砷废水污染,有必要先氧化As（Ⅲ）为As（Ⅴ）,从而有效脱除As（Ⅲ）。本课题利用生物锰氧化物的氧化吸附能力治理As（Ⅲ）污染废水具有重大意义,不仅为生物锰氧化物产生机制、结构特征及其与重（类）金属离子之间的作用机制的研究提供理论基础,‘在重金属元素生物地球化学循环过程中的作用以及在重金属污染修复中的应用也有很大的应用潜力。本课题选取了分离自印度洋和太平洋的深海锰结核区的深海锰氧化细菌Marinobacter flavimaris MnI7-9和Lysinibacillus sp. Mn44,对其驯化培养后表现出明显的把Mn（Ⅱ）转化成不溶性Mn（Ⅳ）的氧化能力。本课题对这两株菌的生长、重（类）金属抗性进行了鉴定,并研究了MnI7-9菌和Mn44菌对Mn（Ⅱ）的去除特点、及其氧化过程的影响因子（如Fe（Ⅱ）、Cu（Ⅱ））等。本课题还以商业锰氧化物为对比参照,对MnI7-9菌生成的生物氧化锰的结构特点、氧化解毒类金属离子As（Ⅲ）的能力进行了研究。实验结果显示,MnI7-9菌和Mn44菌具有很强的氧化、去除Mn（Ⅱ）的能力。当Mn（Ⅱ）初始浓度为0～14 mmol/L,MnI7-9菌能去除培养基中95%以上的锰；Mn44菌能近100%去除初始浓度范围为0～2 mmol/L的Mn（Ⅱ）。研究发现MnI7-9菌和Mn44菌氧化过程受到Mn（Ⅱ）、Fe（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）存在的影响,且锰氧化效果随着Mn（Ⅱ）、Fe（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）初始浓度的变化而变化。当培养基中初始Mn（Ⅱ）浓度为10 mmol/L, Fe（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）浓度分别为0.2-0.3 mmol/L、0.04 mmol/L时,MnI7-9菌锰氧化效率达到最高值80.82%；Mn44菌氧化Mn（Ⅱ）的最优条件为培养基中加入Mn（Ⅱ） 2 mmol/L, Fe（Ⅱ） 0.2 mmol/LSEM和XRD分析发现,MnI7-9菌产生的生物锰氧化物含有水钠锰矿（δ-Mn02）和水锰矿（γ-MnOOH）两种高价锰晶型。生物锰氧化物附着于菌体表面呈层状结构,为高活性锰氧化物,具有高效处理含As（Ⅲ）模拟污水的能力：在共培养过程中,As（Ⅲ）的去除率为70%左右,且由As（Ⅲ）氧化得到的As（Ⅴ）未在上清中检测到,认为基本被MnI7-9菌产生的锰氧化沉淀复合物吸附。在生物锰氧化物收集后处理As（Ⅲ）的实验中,As（Ⅲ）浓度在96 h内从初始55.02μmol/L减少至5.55μmol/L,其中90%以上的As（Ⅲ）被氧化为As（Ⅴ）并存在于上清液中,但已经达到了解毒的效果。该研究为重金属的生物修复提供了有较大应用潜能的锰氧化菌,为As（Ⅲ）的氧化解毒机制研究提供了一定的科学依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 前言
• 1.1 锰及除锰的概况
• 1.1.1 锰的简介
• 1.1.2 锰与人类生活
• 1.1.3 锰污染与除锰技术
• 1.2 微生物对锰的氧化作用
• 1.2.1 微生物氧化锰的生理学功能
• 1.2.2 微生物对锰的氧化机制
• 1.3 砷及除砷的概况
• 1.3.1 砷的简介
• 1.3.2 砷的危害
• 1.3.3 砷污染及除砷技术
• 1.5 化学锰氧化物/生物锰氧化物与重（类）金属的互作
• 1.5.1 锰氧化物的结构特点
• 1.5.2 化学/生物锰氧化物的吸附能力
• 1.5.3 化学/生物锰氧化物的砷氧化能力
• 1.6 本实验室前期研究简介
• 1.7 研究的目的与实验技术路线
• 1.7.1 研究目的
• 1.7.2 技术路线
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验菌种
• 2.1.2 培养基及组分
• 2.1.3 主要试剂
• 2.1.4 主要仪器及器材
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 高效锰氧化菌的筛选及鉴定
• 2.2.2 MnⅠ7-9菌和Mn44菌的重（类）金属抗性
• 2.2.3 MnⅠ7-9菌和Mn44菌的生长曲线及Mn（Ⅱ）对生长的影响
• 2.2.4 Mn（Ⅱ）、Fe（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）对生物锰氧化过程的影响
• 2.2.5 MnⅠ7-9菌和Mn44菌氧化Mn（Ⅱ）的能力
• 2.2.6 生物锰氧化物的结构及特点
• 2.2.7 生物锰氧化物对（类）金属离子As（Ⅲ）的氧化、吸附特性
• 3 结果与分析
• 3.1 MnⅠ7-9菌和Mn44菌的鉴定结果
• 3.1.1 菌落形态及锰氧化性的LBB检测
• 3.1.2 16S rRNA基因鉴定
• 3.2 锰氧化菌MnⅠ7-9和Mn44对几种重金属的抗性
• 3.3 Mn（Ⅱ）对MnⅠ7-9和Mn44生长的影响及其生长曲线的测定
• 3.4 Mn（Ⅱ）及其他离子对锰氧化菌氧化去除锰的影响
• 3.4.1 MnⅠ7-9菌氧化去除锰的最佳Mn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Fe（Ⅱ）浓度
• 3.4.2 Mn44菌氧化去除锰的最佳Mn（Ⅱ）、Fe（Ⅱ）浓度
• 3.5 锰氧化菌对Mn（Ⅱ）的氧化去除
• 3.5.1 锰氧化菌MnⅠ7-9对Mn（Ⅱ）的氧化去除
• 3.5.2 锰氧化菌Mn44对Mn（Ⅱ）的氧化去除
• 3.6 生物锰氧化物的扫描电镜观察
• 3.7 生物锰氧化物的X射线晶体衍射分析
• 3.8 MnⅠ7-9产生的生物锰氧化物对As（Ⅲ）的氧化解毒
• 3.8.1 共培养实验生物锰氧化物对As（Ⅲ）的氧化解毒
• 3.8.2 MnⅠ7-9菌生成的生物锰氧化物对As（Ⅲ）的氧化吸附
• 4 讨论
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 发表文章情况
• 致谢