（分析化学专业论文）微生物吸附剂吸附pb2离子的研究.pdf

摘要 摘要 随着现代工业的飞速发展，采矿、金属冶炼过程及电镀厂排出的含重金属 废水的污染问题变得越来越严重。重金属有毒性，且可以随着水体的流动发生 迁移，对环境和人类生存质量造成了严重威胁。传统的重金属处理方法存在缺 陷且有时难以达到理想效果，主要是因为这些处理方法产生的废渣会对环境产 生二次污染。生物吸附技术因其具有高效、经济、环保的特点，受到人们愈来 愈多的关注。但由于吸附机理复杂，人们对生物吸附机理的尚不清楚，有待进 一步的研究。因此，对于生物吸附剂吸附重金属离子的研究是很必要的，也是 本文研究的主要内容。本文主要包括：微生物吸附剂的筛选和培养；微生物吸 附剂培养条件的优化；吸附条件的实验：吸附规律和处理实际废水的研究；吸 附机理的初步探讨。 本文所用的微生物a - 2 ，可以有效吸附水中p b 2 + ，自电镀厂排污口土壤中 筛选得到，经鉴定为格兰氏阴性菌。培养条件对微生物吸附剂的吸附效率有很 大影响，培养试验研究结果得到的a 2 细菌的优化培养条件是：培养基p h 值 为7 0 ，培养温度为3 0 ，培养时间为4 8 h ，使用硫限制培养基和o 1 0 2 m o l l h c l 洗涤可以获得好的吸附效果。 本文研究了吸附条件对吸附效果的影响，试验结果显示：当溶液p h 值为 6 5 ，吸附温度为3 0 ，p b 2 + 离子的浓度低于1 2 0 m g l ，吸附剂用量为0 5 m g l 时，在2 0 m i n 之内可以获得较高的吸附率和较好的去除效果。采用a 2 生物吸 附剂处理电镀厂废水的实验中，其对于c d 2 + 、c r 2 + 、c u “、n i 2 + 、z n ：+ 都有较高 的吸附率，处理后出水达到国家排放标准。 研究了a 2 细菌吸附p b 2 + 离子的等温吸附曲线，并对其进行回归分析，得 到其吸附的f r e u n d l i c h 等温方程。红外研究发现，a 2 吸附重金属主要是其活 性基团与重金属离子发生了络合反应。 关键词：微生物，生物吸附，p b 2 + 离子 a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t t h ep o l l u t i o no fh e a v ym e t a l si ne n v i r o n m e n te s p e c i a l l yi nt h ep o l l u t e dw a t e r p r o d u c e di nt h ep r o c e s so fm i n i n g ，s m e l t i n gp r o c e s sa n de l e c t r o p l a t i n gp l a n t si sm o r e a n dm o r es e v e r ea n db e c o m e st h em a i na s p e c ti ne n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n m o r e o v e r h e a v ym e t a l sa r ep o i s o n o u s t h e yc a nd i s s o l v ea n dm o v et oa n y w h e r ei nw a t e r ，s o t h e i ri m p e r i l m e n tt ot h ee n v i r o n m e n ta n dt h eh u m a n sl i v i n gq u a l i t yi ss e v e r e 。w h i l e t h ec o n v e n t i o n a lt r e a t i n gm e t h o d sh a v es o m es h o r t c o m i n g sa n ds o m e t i m e sa r ed i f i c u l t t op r a c t i c e e v e nt h ew o r s e ，t h a tt h e yw i l lp o l l u t et h ee n v i r o n m e n tw h e nt h e ya r e p u m p e di n t ot h ee n v i r o n m e n ta g a i n a sam o r ee f f e c t i v e ，e c o n o m i c a l ，g r e e nm e t h o d ， b i o s o r p t i o nt e c h n o l o g yi sn o wg a i n i n gm o r ec o n c e r n b u ta tp r e s e n t ，t h em e c h a n i s m o fb i o s o r p t i o ni sn o ts o c o m p r e h e n s i v ea n dt h o r o u g h t h a tt h e p r a c t i c e a n d d e v e l o p m e n to fb i o s o r p t i o nt e c h n o l o g yi sb a f f l e d s o ，t h es t u d y o nb i o s o r p t i o no ft h e h e a v ym e t a li o n si ni n d u s t r ye f f l u e n ti sv e r yn e c e s s a r ya n d t h i si st h ea i mo ft h i st h e s i s t h ec o n t e n t so ft h i st h e s i si s ：t h es e l e c ta n dc u l t u r eo fm i c r o o r g a n i s m ；t h e f u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fp r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r e so fm i c r o o r g a n i s ma n dt h eo p t i m i z e o fc u l t u r ec o n d i t i o n ；t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nb i o s o r p t i o no fh e a v ym e t a l s i n c l u d i n gt h es t u d yo ni t sa b s o r p t i o nd i s c i p l i n a r i a na n dt h ea b s o r p t i o ne x p e r i m e n to n t h ew a s t ew a t e rw i mh e a v ym e t a l ；t h ee l e m e n t a ls t u d yo nt h eb i o s o r p t i o nm e c h a n i s m t h eb a c t e r i as c r e e n e df r o mt h es o i lp o l l u t e db yt h ee l e c t r o p l a t i n gp l a n tw a s t e w a t e r i sn a m e da 一2 ，w h i c hi sg r a m - n e g a t i v e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w e dt h a ti th a d g o o da b s o r p t i o ne f f e c to np b 2 + b ya 2 t h ec u l t u r ec o n d i t i o no fm i c r o o r g a n i s mh a d o b v i o u sa f f e c t i o no nb i o s o r p t i o ne f f i c i e n c y t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n to nc u l t u r e c o n d i t i o ng o tt h eo p t i m u mc u l t u r ec o n d i t i o n so fa - 2 ：t h ec u l t u r et i m ei s4 8h o u r s ，t h e p hv a l u eo fc u l t u r em e d i u mi sa b o u t7 0 ，t h ec u l t u r et e m p e r a t u r ei s3 0 ，a n dt h es l i m i t e d c u l t u r em e d i u mi so p t i m u mt oh a v eh i g hr e m o v a lr a t e a n d0 1 0 2 m o l l h c l s o l u t i o na r e t h eb e s tp r e t r e a t m e n tt h a tc a l lp r o m o t et h er e m o v a lr a t e t h ee x p e r i m e n ta l s oi ss t u d i e dt h ee f f e c to fa d s o r p t i o nc o n d i t i o no fm i c r o o r g a n i s m o nb i o s o r p t i o n t h eo p t i m u ma d s o r p t i o nc o n d i t i o n so fa 一2a t e t h ep hv a l u eo ft h e m i x e ds o l u t i o ni s6 5 ，t h ea d s o r p t i o nt e m p e r a t u r ei s3 0 c ，t h eb i o s o r b e n td o s a g ei s i i a b s t r a c t o 5 m g l ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no f p b 2 + b e l o w1 2 0 m g li sp r e f e r r e d t h ee x p e r i m e n to nt r e a t m e n to fw a s t ew a t e r 谢t hh e a v ym e t a l so fe l e c t r o p l a t i n g p l a n tb ya 2c e l ls h o w s t h a ti th a sg o o de f f e c to nc d 2 + 、c r 2 + 、c u 2 + 、n i 2 + 、z n 2 + t h e c o n c e n t r a t i o n so fa l lt h em e t a l sr e a c ht h es t a n d a r do fi n d u s t r yw a s t ew a t e rt r e a t m e n t t h ea d s o r p t i o ni s o t h e r mo fa - 2f o rp b 2 + i ss t u d i e da n di tm e e t st h ef r e u n d l i c h a d s o r p t i o ne q u a t i o nq u r ew e l l t h ei rs p e c t r u ma n a l y s i sa n ds t u d yo nc o n f i g u r a t i o n a n dc h e m i c a lc o n s t i t u e n to fa 一2i n d e x e st h a tt h em a i nb i o s o r p t i o nm e c h a n i s mi st h a t t h eh e a v ym e t a lc o m b i n e dw i t ht h ea c t i v eg r o u p so nt h ec e l lw a l l k e yw o r d s ：m i c r o o r g a n i s m ，b i o s o r p t i o n ，p b 2 + i o n i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：吴蛲林 沙万年1 月2 2 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：芬撕学位论文作者签名：昊础秤 b 7 年f 月川汨荔酊年j 月z 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：掷 刃s 年，月泣日 第1 章引言 第1 章引言 1 1重金属废水的来源与危害 随着现代工业的飞速发展，环境问题显得越来越严重其中含重金属的废水 以及大气中有害气体的污染，可直接或间接地造成人类和牲畜的永久性中毒，如 致癌和非直接性引发某些疾病i l 】。淡水或海洋中的水生生物对水体中的重金属 也非常敏感，即使很低的浓度也会对它们构成威胁。土壤或灌溉水中的重金属 会对植物生长产生不利影响，并且将在植物的叶、茎或根部富集，一直将其影 响波及整个食物链。重金属废水排入土壤，重金属在植物体内逐渐累积，导致 植物生长发育受阻甚至死亡，造成农业减产1 2 1 。实验表明，植物和动物吸收重 金属以后，通过食物链的作用，可使重金属富集系数( 生物体内污染物浓度与 环境中该污染物浓度之比) 达到1 0 0 0 至1 0 0 0 0 【) j 。 早在5 0 年代初期，重金属的环境污染问题就引起世界各国的普遍关注。特 别是发生在日本的由污染引起的“水俣病”和有镉引起的“骨痛病”事件、以 及在欧洲一些国家陆续发现重金属污染产生的严重后果，使得关于重金属污染 与防治的研究倍受重视。环境中的重金属，由于其化学行为和生态效应的复杂 性，近2 0 年来，一直是国际环境晃不衰的研究课题1 4 j 。 重金属废物来源广泛，涉及矿山、冶金、机械制造、化工、电子和仪表等 行业。特别是随着电子、半导体工业的迅速发展，不仅重金属废水的排放量迅 速增大，而且由于生产中多种有机添加剂和络合剂的使用，废水的成分变得更 加复杂、毒性更大、治理更加困难。另一方面，随着重金属毒理学的深入研究 及检测技术的发展，重金属废物的处理处置标准也逐步趋向严格。这一点体现 为需要检测的重金属类别的增加以及所需达到的重金属排放或浸出浓度的降低 【5 】 o 废水，根据其来源可分为生活废水和工业废水两大类。在我国，工业废水 是水体的主要污染源之一。因此，对工业废水进行有效的治理，提高水的重复 使用率是解决我国水资源紧缺问题的重要途径【6 7 】。 工业废水中的重金属主要有铅、锌、铜、汞、铬、镉、镍、钴、锰、钛、 钒、钼、锑、铋等，尤以前几种毒性更大【8 】。大多数重金属粒子的毒性与浓度 和作用时间有关，浓度越大，作用时间越长，致毒后果愈严重。铅不是人体的 必需元素，它可通过多种途径进入人体，且有蓄积作用，对健康危害甚大【9 ，l o 】。 我国制定的铅在环境中的允许限量标准为：在饮用水中为o 0 5 m g l ：工业废水 第1 章引言 排放标准中铅的最高允许排放浓度为1 0 m g l t l l l 。 近几十年来，随着现代工业的发展和人类自身活动的增加，大量带有重金 属的废水排入江河湖泊中，据统计，全球每年释放到环境中的重金属高达数百 万吨，其中铅为3 4 6 万吨，锌为2 7 6 万吨，铜为1 4 7 万吨，砷为1 2 5 万吨， 镉为3 9 万吨，汞为1 2 万吨，镍为3 4 6 万吨【1 2 】。由此可见，全球的重金属污 染是相当惊人的。一方面，重金属是对生态环境危害极大的一类污染物，严重 危害人类健康。另一方面，随着现代工业的发展，对重金属的使用越来越广泛， 从而造成重金属资源额相对缺乏。因此如何有效地回收重金属是当今环境保护 领域中的一个突出问题。 近年来，经过长期的观察和研究发现，重金属能在活性污泥中富集，于是， 许多研究者开始对这一现象进行深入细致的研究。经研究发现，细菌、真菌、 藻类等微生物能够吸附或富集重金属。目前较多用于吸附重金属的微生物种类 【i3 j 见表1 1 。由于在治理含重金属废水和被重金属污染的地表水、地下水方面的 有效性和经济上的可行性，微生物吸附法在去除水体中重金属的方面显示出独 到的优越性【l 训。 表1 1 微生物吸附剂的种类 t a b l e l 1c a t e g o r yo f t h eb i o s o r b e n t 种类微生物吸附剂 细菌枯草杆菌、氰基菌、芽孢杆菌、生枝动胶菌 酵母啤酒酵母、假丝酵母、产朊酵母 霉菌 黄曲霉、米曲霉、黑曲霉、产黄青霉、白腐真菌、黄绿青霉、 芽枝霉、微黑根霉、毛霉属 藻类 褐藻、鱼腥藻、黑角藻、小球藻、岩衣藻、马尾藻、节囊叶藻、 海带 1 2 重金属污染废水的治理现状 当前，在世界范围内，人们对重金属废水的治理愈加重视。对重金属废水 的处理技术进行了大量的研究，提出了许多处理方法。 重金属废水的处理方法目前主要有化学法、物理法，但更多的是把化学和 物理方法结合起来。目前通常采用的方法有中和凝聚沉淀法、硫化物沉淀法、 2 第1 章引言 电解法、膜分离法、离子交换法、活性炭吸附法、离子浮选法和萃取法等 1 5 , 1 6 。 中和凝聚沉淀法是在含重金属的废水中，投入中和剂使之生成氢氧化物沉 淀，再除去的方法。使用中和法应知道最适宜的p h 值和处理后溶液中的重金 属离子的浓度。若以m 2 + 表示金属离子，以m ( o h ) 2 表示氢氧化物，则反应式为： m 2 + + 2 0 h 一= m ( o h ) 2l 中和法在实际应用中要考虑共沉现象、络合现象对重金属沉淀的影响。 硫化法是在含金属离子废水中加硫化剂，使金属离子成为硫化物沉淀。由 于重金属离子与s 2 有着很强的亲和力，能生成溶度积很小的硫化物。金属离 子对s 2 亲和力顺序为： c d h g a g c a b i c u s b p b z n n i c o f e a s t i m n 前面的金属比后面的易形成硫化物，其溶度积也越小，处理起来较容易。 电解法是利用重金属的电化学性质。重金属离子在电解时能够从相对高浓 度的溶液中分离出来，然后加以利用。电解法主要用于电镀废水的处理，这种 方法的缺点是水中的重金属离子浓度不能降得很低，所以，电解法不适于处理 较低浓度的含重金属离子的废水l l 4 1 。 膜分离技术包括电渗析、隔膜电解等。电渗析是在直流电场作用下，利用 阴阳离子交换膜对溶液中阴阳离子选择透过性使水溶液中的重金属离子与水分 离的一种物理化学过程。运行中的主要问题使极化、结垢和腐蚀。隔膜电解是 以膜隔开电解装置的阳极和阴极而进行电解的方法，实际上它是把电渗析与电 解组合起来的一种方法，在实际操作使用时同样会遇到上述问题【1 4 】。 离子交换法是在离子交换器中进行，此方法借助离子交换剂来完成，在交 换器中，按要求装有不同类型的交换剂( 离子交换树脂) ，含重金属的液体通过 交换剂时，交换剂上的离子同水中的重金属离子进行交换，达到去除水中重金 属离子的目的。这个过程是可逆的，离子交换剂可再生，但目前受废水中杂质 的影响及交换剂品种、产量和成本的限制。 吸附法的作用机理是通过废水与吸附剂的接触，利用吸附剂的表面活性， 使重金属吸附或浓集于表面，然后将吸附重金属的吸附剂与废水分离，达到净 化的目的。目前常用的吸附剂有活性炭、吸附树脂、腐植酸系吸附剂等。由于 常规吸附剂的价格较昂贵，且吸附易饱和导致吸驸效率不高等缺点，限制了吸 附法的广泛应用。 离子浮选法是利用表面活性物质在气液界面处具有吸附能力的一种方法， 如在含重金属离子的水溶液中，加入具有和它相反电荷的捕收剂，生成水溶性 络合物或不溶性沉淀物，使其附着在气泡上，浮升至水面后作为浮渣进行回收。 离子浮选法对要除去的重金属离子应具有选择性吸附。 第1 章引言 溶剂萃取法是利用互不相溶的二液相之间的物质分配作用来进行元素分离 的。它的实质是溶质在废水中和溶剂中有不同的溶解度，溶质从水中转移到溶 剂中是靠废水中实际浓度与溶剂中平衡浓度之差。这个差值越大，萃取越容易。 一般选择溶质在溶剂里的溶解度越打越好，这样可以减少溶剂的用量，使萃取 获得满意结果。这种方法回收的重金属纯度高，但是，溶剂回收费用常常超过 操作费用。 以上所介绍的几种处理含重金属离子废水的方法由于受操作条件、经济条 件和环境条件的影响，往往处理后的出水水质达不到要求，要想达到要求还需 要进一步处理，同时需要对处理过程中的产物进行很好的处理与处置，否则会 造成二次污染【1 4 , 1 7 】。 1 3 微生物吸附重金属废水的研究进展 近几十年来，随着社会的进步和人们生活质量的提高，人们为了减少污染， 保护环境，从事了大量的从工业过程废水中去除有毒重金属；净化局部污染的湖 水；从工业过程废水及海水、湖水和河流中回收低浓度的贵重金属等方面的研究 1 8 , 1 9 】。同时，广泛地研究了微生物吸附重金属离子的特性。人们把具有从溶液 中分离重金属能力的微生物细胞或微生物的分泌物以及由细胞制备的衍生物通 称为微生物吸附剂。经过多年的研究，人们发现细菌、真菌、藻类等微生物能 够吸附或富集重金属，具体情况 2 0 1 见表1 2 。由于在治理含重金属废水方面的有 效性和比传统处理方法的优越性，近年来对微生物吸附重金属的研究得到了快 速发展。 4 第l 章引言 表1 2 微生物对金属离子的吸附作用 t a b l e1 2s o r p t i o no fm e t a l sb ym i c r o o r g a n i s m 微生物种类易吸附金属种类 动胶菌 链菌 柠橄酸细菌 仙影拳芽抱杆菌 枯草芽抱杆菌 大肠杆菌 根霉 黑曲霉 产黄育霉 小红醉母 马尾藻属 小球藻属 c u 2 + ，c r 3 + ，u 0 2 3 + u 0 2 3 + ，p b 2 + , z n 2 + c d 2 + z n 2 + n i 2 + a g + ，l a 3 + ，c u 2 + ，c d 2 + a g + ，l a 3 + ，c u 2 + ，c a 2 + u 0 2 3 + ，幡+ ，p b 2 + z n 2 + ，p b 2 + ，m n 2 + r a 2 + ，u 0 2 ”，p b 2 + ，c r 0 4 2 + n i 2 + ，c d 2 + p b 2 + ，c d 2 + a u 2 + ，c u 2 + ，p b 2 + ，a g + 1 3 1微生物吸附重金属的国内外研究现状 微生物吸附法作为一种新兴的处理技术，特别是在处理低浓度重金属污染 废水方面，有着极为广阔的应用前景【2 1 ，2 2 】。自从r u c h h o f l 提出用微生物吸附法 ( 活性污泥法) 去除废水中的p u 2 3 9 以后，国外对此进行了广泛的研究，而国内 对此的研究则起步较晚【2 3 1 。应用微生物吸附水溶液中有毒的重金属已有许多研 究者进行了尝试，并取得了很好的效果。g r e e n e 使用藻类去除水中的金【2 4 】； t s e z o s 和m a r a - n o n 使用真菌吸附水中的铀1 2 5 , 2 6 ；f e r g u s o n 和b r e u e 等利用泥炭 藓去除水中f e 、a 1 、p b 、c u 、c d 、z n 等金属离子【2 堙8 】；b a r k l e y 利用藻类吸附 有机废水中的c d 、c u 等金属离子【2 9 】；m a r k s p i n t i 等把泥炭藓固定在多孔的聚合 砜基质中成功地应用于去除含z n 、c d 、m g 等金属离子的酸性矿井水中，用聚 合砜固定泥炭藓制成的球状小粒机械强度大，化学性能稳定，容易再生，不膨 胀不收缩【z 6 j ；j o s h u c h a n g 等利用假单胞兰绿藻制备了两种生物吸附剂，一种是 用死的微生物细胞制备的，一种是用活的微生物细胞制备的，实验结果表明， 假单胞兰绿藻活的和死的细胞对重金属离子p b 、c u 、c d 都具有很强的吸附能 力，活的微生物细胞比死的微生物细胞吸附能力大，不同生长阶段的假单胞兰 第1 章引言 绿藻对p b 、c u 离子显示出不同的吸附能力，随着溶液p h 值的增加，吸附重金 属的能力增强，吸附剂用稀盐酸解吸后，对于p b 、c u 离子的吸附能力仍保持 在原吸附能力的9 8 以上。目前国外已经有使用死的微生物制成生物吸附剂去 除水中重金属的专利，例如：a m t _ b i o c l 触m 工艺就是利用某种微生物制成球 状吸附剂吸附水中重金属离子。在美国己有两个科研机构提供商业用途的生物 吸附剂，一个是以含微生物的废弃物为对象，另一个是以藻类为对象 3 0 - 3 1 】。 1 3 2 微生物吸附重金属离子的特点 所谓生物吸附法就是利用某些微生物本身的化学成分及结构特性来吸附溶 于水中的重金属离子，在通过固液两相分离去除水溶液中的重金属离子的方法 【3 2 】。微生物不仅种类繁多，数量极大，分布广泛，而且具有繁殖迅速，个体微 小，比表面积大，对环境适应能力强等特点，因而成为人类最宝贵、最具开发 潜力的资源之一。作为分解者，微生物在地球生态系统的物质循环过程中起着 “天然环境卫士”的作用。它们几乎能降解或转化环境中存在的各种天然物质， 一旦新的物质出现，也能逐步通过自发或诱导产生新的酶系，从而具备新的代 谢功能。众所周知，重金属不能被微生物降解并且对它们有一定的毒害作用， 但是微生物对重金属又有一定的抗性和解毒作用，可以吸附和转化重金属。两 者间相互作用的研究可为微生物净化提供理论依据。近年来，正是基于微生物 对重金属的吸附作用，以净化有毒重金属污染或回收有经济价值重金属为目的 的微生物处理技术日益受到人们的青睐【3 引。 与传统的重金属污染废水治理技术相比，生物吸附法的吸附材料有着一个 吸引人的优点即生物吸附剂来源广泛，其中主要包括原核微生物中的细菌、放 线菌，真核微生物中的酵母菌、霉菌、藻类它们都具有吸附重金属离子的能力。 因此，可以利用发酵工业生物残渣作为生物吸附剂生产原料，此方法不仅可以 降低微生物吸附剂的生产成本，而且减少了发酵工业微生物残渣的处理费用具 有较好的经济效益。 一些微生物吸附剂在某种程度上可以说是一种特殊的离子交换剂，但又不 同于常规水处理离子交换器中使用的离子交换剂，微生物吸附剂中微生物是被 利用的对象，主要起作用的是微生物细胞。由于微生物细胞的特殊结构，对重 金属离子有很大的亲合性。对于许多细菌、真菌，藻类的研究结果表明这些微 生物的细胞对于不同的重金属离子表现出不同的吸附能力。微生物在吸附去除 水中重金属离子方面与普通的离子交换剂比较其主要优点是： a 作为吸附剂的微生物来源广，成本低； b 对多种重金属离子具有吸附作用，有较宽的吸附范围： 6 第1 章引言 c 具有较高的选择性； d 优质的微生物吸附剂吸附容量比普通离子交换剂大； e 水溶液中重金属离子浓度很低时，使用微生物吸附剂去除水中重金属离 子的效果明显高于普通的离子交换剂。 1 3 3 微生物吸附重金属离子的机理研究 近2 0 年来，不少学者对微生物的吸附机理进行了研究，提出了系列的观 点：表面络合、离子交换、静电吸附、氧化还原、酶促机理、微沉淀等。由于 微生物细胞成分的多样性，微生物吸附的机理取决于微生物的种类特性。对于 不同的微生物，如藻类、真菌和细菌，它们的细胞壁上主要组成成分的差异导 致了它们吸附机理的不同。此外，溶液中的重金属离子在一定程度上也影响着 微生物的吸附机理，例如h o l a n 曾指出铅和镍在同一种微生物吸附作用下有着 不同的吸附机理。随着微生物吸附研究的深入，越来越多的实验结果表明微生 物吸附是多种吸附作用的综合结果。 一般认为，微生物吸附主要由以下步骤完成： 重金属离子一吸附剂固液边界层一吸附剂表面一吸附剂微孔一与活性位点 结合从而被去除。如果吸附剂是活菌体，重金属还可能进入菌体细胞内进行胞 内微生物富集。 应该指出的是由于微生物吸附重金属的机理十分复杂，目前对微生物吸附 重金属离子的机理的研究还不够深入，尚在研究探索之中。 1 3 4 微生物吸附法在处理重金属废水中存在的问题 微生物吸附法以其独特的优点近年来在含重金属废水处理领域引起了人们 的普遍关注，并进行了广泛研究，取得了可喜的成果。但是对吸附机理的研究 还不透彻，对多种重金属离子共存体系的吸附效果的影响研究还不清楚，导致 了该法的工业化进程一直都很缓慢。其中多组分重金属离子的同时吸附过程和 工程化研究的欠缺是阻碍其发展的重要因素。因此，继续深入研究微生物吸附 机理，了解微生物有效吸附的化学成分，从而可能找出适宜于吸附目标重金属 离子的培养条件，提高微生物对目标重金属离子吸附的选择性。重视微生物吸 附容量与吸附条件和环境因素之间关系的研究。拓宽微生物吸附剂的范围，寻 找更多吸附量大、价格低廉且能同时吸附多种重金属离子的微生物是研究者必 须进行的工作。同时，随着基因工程技术不断发展，加强基因工程研究，构造 出具有强吸附能力的工程菌，可能是解决问题的有效途径。 7 第1 章引言 1 3 5 微生物吸附法处理重金属废水的应用前景 作为处理重金属废水的一项新技术与传统的重金属污染废水治理技术相比 较，微生物吸附法有以下优点【3 4 , 3 5 1 ： ( 1 ) 在低浓度情况下( 1 - - - 1 0 0 m g l ) ，重金属可以被有效地选择性去除； ( 2 ) 操作的p h 值和温度范围较宽( 一般p h 为3 - - 9 ：温度为4 9 0 c ) ； ( 3 ) 吸附量大，处理效率高： ( 4 ) 资金投入少，运行费用低： ( 5 ) 可有效地回收一些贵重金属； ( 6 ) 溶液中常见金属离子如k + 、n a + 、c a 2 + 、m 9 2 + 等对吸附影响很小： ( 7 ) 在后处理方面，用一般的化学方法就可以解吸微生物上吸附的重金属 离子，且解吸的微生物可再次利用； ( 8 ) 无二次污染。 此外，微生物作为吸附剂进行废水处理，或回收重金属，方面有着来源 广泛的优点，另方面，目前开发出的某些微生物吸附剂不论在价格还是在性 能上都可以同类产品相抗衡。因此，微生物吸附技术在处理重金属污染和回收 贵重金属方面有着广阔的前景。深入进行这方面的研究，具有较好的生态效益、 社会效益和经济效益，微生物吸附技术具有广阔的应用前景。 1 4 本研究的主要内容 鉴于上述研究工作的现状，本文主要就以下几个方面进行了系统的研究工 作： ( 1 ) 试验用微生物的筛选及培养； ( 2 ) 对筛选到的微生物的培养条件进行优化，找出适宜的培养条件； ( 3 ) 微生物吸附重金属离子的试验及吸附规律的研究 ( 4 ) 微生物吸附重金属离子作用机理的初步探讨； ( 5 ) 试验用微生物菌株对电镀厂含重金属废水的吸附处理试验。 第2 章试验材料和方法 第2 章实验材料和方法 2 1 微生物筛选和培养 2 1 1菌株来源 本试验从上海市宝山欣昌电镀厂排污口土壤中分离并纯化得到两株对重金 属有抗性的细菌。通过吸附试验，选取其中对重金属吸附能力较强的一株菌a 一2 为实验对象。 2 1 2 菌株分离方法 本实验采用如下方法( 见图2 1 ) ：首先将土壤样品置于生化培养箱中进行 增殖培养，然后把培养液稀释成各种稀释度的悬浮液，再在平板培养基( 牛肉 膏蛋白胨培养基) 上进行涂布，培养一定时间后，将培养长出的单个菌落接种 在斜面培养基( 牛肉膏蛋白胨培养基) 上，获得单菌落纯微生物，最后进行筛 选培养以及吸附实验以筛选出具有吸附活性的微生物菌株。 含菌土壤 l 增殖培养 l 稀释平板法分离微生物 l 挑取菌落，获得单菌落纯微生物菌株 l 复筛，得到具有吸附活性的菌株 图2 1 具有吸附活性的微生物的筛选过程 f i 9 2 。1s c r e e np r o c e s s so ft h eb i o s o r b e n t 9 第2 章试验材料和方法 2 1 3 菌株鉴定 按一般细菌常用鉴定方法和b e r g e y sm a n n u a lo fs y s t e m a t i c b a c t e r i o l o g y ) ) ( 第九版) 进行鉴定。 芽孢染色方法见“微生物学”； 荚膜染色方法见“环境工程微生物学”。 2 1 4 培养基的制备及灭菌 ( 1 ) 培养基配方 增殖培养基： 7 2 固体培养基： p h _ 7 0 - - 。7 2 ( 2 ) 培养基的制备 牛肉膏5 9 ，蛋白胨1 0 9 ，n a c l 5 9 ，蒸馏水1 0 0 0 9 ，p h = 7 o 牛肉膏5 9 ，蛋白胨1 0 9 ，n a c l 5 9 ，琼脂2 0 9 ，蒸馏水1 0 0 0 9 ， a ) 称量：按照试验用微生物培养基配方，逐一称取各种药品放入烧杯中。 b ) 溶解：将蒸馏水加入到上述烧杯总使各种成分溶解，难溶的物质，例如 蛋白胨、牛肉膏等可加热促进其溶解，待全部溶解后，加水补足加热蒸 发的水量。制备固体培养基，加热熔化琼脂时要不断的搅拌，避免琼脂 糊底烧焦。 c ) 调节p h 值：初配好的培养基往往不能符合所需要的p h 值，故需用p h 试纸检查，并以一定浓度的盐酸溶液和氢氧化钠溶液调节培养基溶液p h 值至所需范围。 d ) 分装：将调节好p h 值的培养基分装于试管或锥形瓶中( 注意防止培养 基玷污管口或瓶口，避免浸湿棉塞引起杂菌污染) 。一般制作斜面培养 基时，每支试管装的量为试管高度的1 4 l 3 。 e ) 斜面培养基的制作：将已灭菌的试管装的琼脂培养基取出，在超净工作 台上，趁热斜置在木棒上，使试管内的培养基斜面长度为试管长度的 1 4 - - - , 1 3 ，待培养基凝固后即成斜面。 f ) 分离培养基：将灭菌后的固体培养基冷却至5 0 左右，在超净工作台上， 右手拿装有培养基的锥形瓶，左手拿培养皿，以中指、无名指和小指托 住皿底，拇指和食指夹住皿盖，靠近火焰，将皿盖掀开，倒入培养基后 将培养皿平放在桌上，使其冷凝，陈化半天后，倒入已灭菌的重金属溶 液，使培养基表面涂布上一层不同浓度的重金属离子溶液，做成分离用 l o 第2 章试验材料和方法 培养基。 g ) 单菌落菌株培养基：制作方法同分离培养基，不需涂布重金属溶液。 ( 3 ) 灭菌 本实验采用高压蒸汽灭菌法 a ) 加水：加水至锅底隔板下的标线。 b ) 装锅：把需灭菌的器物放入锅内( 器物不可装得太满，否则灭菌不彻底) ， 关严锅盖，启动电源开关，开始灭菌。灭菌温度为1 2 1 c ，压力为1 0 5 k g c m 2 。 c ) 结束：灭菌结束，待锅内温度降至8 0 c 以下，打开锅盖，取出器物，备 用。 2 1 5 菌种的分离和接种传代 ( 1 ) 细菌纯种分离( 稀释平板法) a ) 将所取土壤在液体培养基中进行增殖培养l d 。 b ) 稀释水样：将1 瓶9 0 m l 和5 管9 m l 的无菌水排列好，按1 0 、1 0 - 2 、 1 0 。、1 0 4 、1 0 。5 及1 0 击依次编号。在无菌操作条件下，将l o m l 增殖培 养后的菌液置于第一瓶9 0 m l 无菌水( 内含玻璃珠) 中，手摇1 0 m i n 使 其均匀。即为1 0 。浓度的菌液，用l m l 无菌移液管吸取l m l1 0 j 浓度 的茵液于一管9 m l 无菌水中，将移液管吹洗三次，摇匀即为1 0 之浓度菌 液。同样方法，依次稀释到1 0 击。 c ) 平板制作：取十三套无菌培养皿编号，1 0 - 3 、1 0 4 、1 0 、1 0 击各三个， 另1 个为空气对照。取1 支l m l 无菌移液管从浓度小的菌液开始，分 别吸取l m l 菌液与相应编号的分离培养皿内( 用移液管在菌液中吹泡 使菌液充分混匀) 。顺时针和反时针来回转动培养皿，使菌液在培养基 平面上充分展开，倒置，于3 0 培养2 4 - 4 8 h ，然后观察结果。 ( 2 ) 斜面接种 a ) 接种前将桌面擦净，将所需的物品整齐的放在桌上。 b ) 将试管贴上标签，注明菌名、接种日期、接种人姓名等。 c ) 点燃酒精灯。 d ) 将一支平面培养基菌株和一支待接种的斜面培养基放在左手上，拇指压 住两支试管，中指位于两支试管之间，斜面向上，管口齐平。 e ) 右手先将棉塞拧松动，以便接种时拔出。右手拿接种环，在火焰上将环 烧红以达到灭菌( 环以上凡是可能进入试管的部分都应灼烧) 。 f ) 在火焰旁，用右手小指、无名指和手掌夹住棉塞将它拔出。试管口在火 焰上微烧圈，将管1 ：3 上可能沾染的少量菌或带菌尘埃烧掉。将烧过的 1 l 第2 章试验材料和方法 接种环伸入培养皿内，先触及没长菌的培养基，使环冷却，然后轻轻挑 取少许菌种，将接种环抽出管外迅速伸入待接种试管底部，在斜面上由 底部向上划曲线。抽出接种环，将试管塞上棉塞并插在试管架上，最后 再次烧红接种环则接种完毕。 ( 3 ) 液体接种 由斜面接种到液体培养基的方法。用接种环挑取斜面培养基上的菌种一 环送入液体培养基中，使环在液体表面与管壁接触轻轻研磨，将环上的菌种 全部洗入液体培养基中，取出接种环塞上棉塞。将试管轻轻撞击手掌使菌体 在液体培养基中均匀分布。最后将接种环烧红灭菌。 2 1 6 细菌富集培养方法 将按配方配制好的微生物液体培养基分装在2 5 0 m l 三角瓶中，每瓶装液体 培养基1 0 0 m l ，经高温灭菌后，冷却至室温，在超净工作台进行液体接种，在 空气浴振荡器进行培养，3 0 ，2 0 0 r m i n ，培养4 8 h 。将培养液在4 0 0 0 r m i n 下 离心1 5 m i n ，弃去上清液，用二次蒸馏水洗涤菌体2 次，弃去上清液，菌体置 于7 0 超低温冰柜中冷冻过夜，在冷冻干燥机内进行冷冻干燥得到干燥菌体， 再将此菌体配成2 9 l ( 以干重计) 的悬浮液备用。 2 1 7 复筛方法 取2 5 m l 菌体悬浮液，置于1 0 0 m l 塑料瓶中，分别加入一定量p b ( i i ) ，z n ( i i ) 离子试液，使最终溶液体积为5 0 m l ，菌体浓度为l g l ，重金属离子浓度为 1 0 0 m g l 。用稀n a o h 或h n 0 3 溶液调节体系p h 值为5 ，在2 5 下恒温振荡 4 h ，在4 0 0 0 r r a i n 下离心分离1 5 m i n ，用原子吸收分光光度计测定上清液中重金 属离子的残留量。 2 1 8 细菌生长曲线的绘制方法 比浊法是根据菌悬液的透光量间接地测定细菌的生长情况的方法。细菌悬 浮液的浓度在一定范围内与透光度成反比，与光密度( o d 值) 成正比，因此 可以利用分光光度计测定菌悬液的光密度来推知菌液的浓度，并将所测的o d 值与其相对应的培养时间作图，即可绘制出该菌内在一定条件下的生长曲线， 此法快捷、简便。将未接种的培养基倒入比色皿中，在6 0 0 n m 波长上调节零点， 作为空白对照，并对不同时间培养液从o h 期依次进行测定，对浓度大的菌悬液 1 2 第2 章试验材料和方法 用未接种的培养基适当稀释后测定，使其o d 值在0 1 0 0 6 5 以内，经稀释后 测得的o d 值要乘以稀释倍数，才是培养液的实际o d 值。 2 2 培养条件的优化试验 2 2 1 培养时间对微生物吸附活性的影晌试验 挑取纯培养的a 一2 菌落于10 0 m l 液体培养基中，3 0 。c ，2 0 0 r m i n 摇床培养， 每隔1 2 h 取培养液2 m l 与3 支小试管中。其中一份培养液经离心分离后，置于 6 0 烘箱内，烘至恒重，用电子天平称量细胞干重；一份用于测定o d 6 0 0 值； 另一份根据细胞干重配成一定o 5g l 的悬液，进行吸附试验。 2 2 2 培养基p h 对吸附效果的影响试验 为了考察培养基p h 值对微生物生长及吸附效果的影响，将培养基的成份 固定不变，用稀n a o h 和h c i 调节培养基的p h 值，然后挑取纯培养的a 一2 菌 落于10 0 m l 液体培养基中，3 0 ( 2 ，2 0 0 r m i n 摇床培养4 8 h 后，做吸附试验。 2 2 3 培养温度对吸附效果的影响试验 将培养基的成份固定不变，改变培养温度，挑取纯培养的a 一2 菌落于1 0 0 m l 液体培养基中，2 0 0 r m i n 摇床培养4 8 h