红螺菌对铅离子吸附作用的初步研究
微生物诱导碳酸盐沉积介导的Cd^(2+)固定
中国环境科学 2021,41(12)：5912~5920 China Environmental Science 微生物诱导碳酸盐沉积介导的Cd2+固定朱广森,汪文军,吴峥,司友斌*(安徽农业大学资源与环境学院,农田生态保育与污染防控重点实验室,安徽合肥230036)摘要：实验室条件下,研究了碳酸盐矿化菌施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)的生长对Cd2+的耐受性和固定效果,以及羟基磷灰石对3种菌固定Cd2+的影响,通过扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、傅里叶红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)对碳酸盐矿化菌的诱导矿化产物进行了表征.结果表明,3种菌生长过程中B. pasteurii的脲酶活性最强,是P. stutzeri和B. subtilis脲酶活性的10倍左右,且P. stutzeri, B. subtilis, B. pasteurii产CO32-的最高浓度分别为588.19, 661.72, 1735.18mg/L,培养体系中pH值均呈现升高的趋势,最高pH值分别为8.23, 9.06, 9.52;Cd2+浓度在0~10mg/L范围内对P. stutzeri的生长影响较小,而当Cd2+浓度高于1mg/L时则会抑制B. subtilis和B. pasteurii的生长.初始Cd2+浓度为0.5mg/L时,培养120h, P. stutzeri, B. subtilis和B. pasteurii对Cd2+的固定去除率分别为96.37%, 99.40%, 97.57%;加入羟基磷灰石能够提高碳酸盐矿化菌对Cd2+的去除率.SEM和EDS结果显示,P. stutzeri和B. subtilis诱导形成的矿化产物多聚集在菌体周围或附着在菌体表面,呈球状或网状结构,表面疏松多孔,B. pasteurii的矿化产物附着在菌体表面,结构致密,呈不规则的球状; FTIR分析表明矿化产物中存在CO32-,结合XRD结果,证实3种菌诱导沉淀矿化产物主要是CaCO3,而Cd2+与Ca2+会以同晶置换的方式形成CdCO3晶体,B. pasteurii在诱导矿化的过程中可将Cd2+以Ca0.67Cd0.33CO3共沉淀的方式固定.关键词：微生物矿化；Cd2+；羟基磷灰石；碳酸盐沉淀中图分类号：X172 文献标识码：A 文章编号：1000−6923(2021)12-5912-09Immobilization of Cd2+ by microbial induced carbonate precipitation. ZHU Guang-sen, WANG Wen-jun, WU Zheng, SI You-bin* (Anhui Province Key Laboratory of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention, School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China). China Environmental Science, 2021,41(12)：5912~5920 Abstract：Under laboratory culture conditions, three carbonate mineralization bacteria, Pseudomonas stutzeri, Bacillus subtilis and Bacillus pasteurii were used to study the growth specialities, the resistance and removal of Cd2+ by the bacteria, and the effect of hydroxyapatite on Cd2+ immobilization. The scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectrum (EDS), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD) were employed to characterize the biomineralization products. The results showed that the urease activity of B. pasteurii was about 10 times than those of P.stutzeri and B.subtilis. The CO32- was produced and the pH of culture media had an increasing during the growth of the three bacteria. The highest CO32-concentrations were 588.19, 661.72, 1735.18mg/L, while the highest pH value could reach 8.23, 9.06 and 9.52 for P. stutzeri, B. subtilis and B. pasteurii, respectively. The growth of P. stutzeri was not affected within the Cd2+ concentration of 0~10mg/L, while the growth of B. subtilis and B. pasteurii were inhibited in the Cd2+ concentration beyond 1mg/L. With the initial Cd2+ concentration of 0.5mg/L and biomineralization for 120h, the removal rates of Cd2+ by P. stutzeri, B. subtilis and B. pasteurii were 96.37%, 99.40% and 97.57%, respectively. The addition of hydroxyapatite could enhance the immobilization of Cd2+ by the bacteria to a certain extent. SEM and EDS analysis showed that the mineralized products induced by P. stutzeri and B. subtilis were mostly clustered around or attached to the surface of the bacteria, with spherical, reticulated structure and porous surface, while the mineralized products by B. pasteurii were attached to the surface of the bacteria, with compact structure and irregular spherical structure. FTIR analysis suggested that there was CO32- in the mineralized products. XRD identified, the mineralized products CaCO3 induced by the three bacteria. The CdCO3 crystal were forms by isomorphic substitution of Ca2+ with Cd2+. As an alternative, Ca0.67Cd0.33CO3 co-precipitation were induced by B. pasteurii for Cd2+ immobilization.Key words：microbiological mineralization；cadmium；carbonate precipitation；hydroxyapatite近年来由于铅锌矿的开采、冶炼、大气沉降和农业化学用品的高通量投入等途径的增多,导致重金属镉(Cd)的环境污染问题日益严重[1].重金属Cd 通常存在于土壤,岩石和水体等环境中,经食物链传递到人体中,从而导致不可逆转的慢性肝损伤,骨质疏松症,癌症等疾病[2].据报道,我国Cd污染超收稿日期：2021−04−09基金项目：国家重点研发计划(2019YFC1805203);国家自然科学基金资助项目(42077123);安徽高校协同创新项目(GXXT-2021-061)* 责任作者, 教授,*****************.cn12期朱广森等：微生物诱导碳酸盐沉积介导的Cd2+固定 5913标土壤达7%[3].生物矿化修复因其成本低廉,适应性强,原位无二次污染等特点[4],近年来逐渐成为环境修复领域的热点.微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)是近年来生物矿化领域研究热点之一[4].目前,国内外学者已将MICP成功应用于Pb, Cd, Zn, Cu, Sr和Ni等多种重金属及放射性金属污染修复[5-6].MICP技术关键在于微生物的选择,目前多以从污染土壤中筛选分离出稳定高效的溶脲菌为研究对象[7],例如P. stutzeri Pb12[8], Stenotrophomonas rhizophila A323, Variovorax boronicumulans C113[9]和Enterobacter sp.(CJW-1)[10]等.有研究表明,上述溶脲菌对污染土壤中的Pb, Cd, Zn等重金属具有较高的固定效果.此外,有些菌对环境的适应能力较强,如在10℃的低温条件下, Exiguobacterium undae YR10经过14d培养后可转化污染土壤中90%以上的Cd2+[11].有些研究还进一步证实MICP将可交换态重金属以碳酸盐结合态形式固定[12],或通过形成方解石、六方岩和白云石等生物矿物吸附等途径将重金属固定[10].然而微生物Pseudomonas stutzeri, Bacillus subtilis和Bacillus pasteurii对重金属Cd的固定机制以及化学材料的添加对微生物诱导碳酸盐沉积固定重金属效果的影响研究相对较少,因此,本研究可为环境生物矿化修复技术提供理论参考,也为微生物与化学材料联合修复重金属污染环境提供实践基础.本研究以P. stutzeri, B. subtilis和B. pasteurii 3种碳酸盐矿化菌作为对象,研究碳酸盐矿化菌生长过程中的脲酶活性、产CO32-能力、pH值变化,以及碳酸盐矿化菌对Cd2+耐受性和固定去除效果,探究了羟基磷灰石联合碳酸盐矿化菌对Cd2+固定的影响,并通过SEM, EDS, FTIR, XRD等表征矿化产物的特征,阐明碳酸盐矿化菌的生物矿化及固定Cd2+的作用机制,以期为微生物诱导碳酸盐沉积用于重金属污染土壤与地下水的生物修复提供理论参考.1 材料与方法1.1 试验材料无水氯化镉(CdCl2,分析纯,纯度≥99%),尿素(CO(NH2)2,分析纯,纯度≥99%),乙酸钙(Ca (C2H3O2)2,分析纯,纯度≥98%),均购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2),Ca/P物质的量比1.67,密度3.16g/cm3,粒径4.5μm,溶解度0.04mg/L,购自西安冰禾生物科技有限公司.菌种来源:施氏假单胞菌(P. stutzeri ATCC 17588)由中国微生物菌种保存库提供,枯草芽孢杆菌(B.subtilis A TCC 6633),巴氏芽孢杆菌(B.pasteurii ATCC 11859)由北纳创联生物技术有限公司提供.1.2培养基与菌悬液制备碳酸盐矿化菌培养基(NBU培养基):牛肉膏3.0g,蛋白胨10.0g,氯化钠5.0g,尿素20.0g, pH=(7.0±0.2),蒸馏水定容至1000mL.除尿素外其他组分121℃高压灭菌30min,然后将配制好的尿素溶液过0.22μm一次性无菌滤膜加入其中.菌悬液的制备[13]:在无菌条件下,将保存的P. stutzeri, B. subtilis, B. pasteurii接种到固体NBU 培养基中,在30℃,150r/min条件下培养24h,无菌条件下将碳酸盐矿化菌转移至已灭菌的液体NBU培养基中,培养24h后以4000r/min离心10min,用0.9%无菌生理盐水冲洗2~3次,使菌体重悬于无菌生理盐水.1.3试验方法1.3.1 碳酸盐矿化菌生长过程中脲酶活性,CO32-浓度及pH值变化测定采用电导率法测定微生物的脲酶活性,测量方法:取1mL菌液加入9mL 1.11mol/L的尿素溶液混匀,用电导率测定仪测量混合体系在25℃时5min电导率变化量,记录5min内的电导率平均变化量(mS/(cm⋅min))乘以稀释倍数即为菌液的脲酶活性(mmol/(L⋅min))[14].吸取2mL制备好的菌悬液接种到200mL已灭菌的培养基中,恒温振荡培养箱中30℃,150r/min连续培养72h,分别设置3组平行.培养过程中按照0,2,4,8,12,24,36,48,60,72h连续取样,每次取样5mL, pH计测定溶液pH值.CO32-浓度测定时按0,2,4,8, 12,24,48,72,96,120h连续取样,每次取样5mL,以4000r/min离心10min,然后取1mL,置于50mL锥形瓶中稀释5倍,采用化学滴定法(DZ/T 0064.49-1993)[15]测定[16].1.3.2 碳酸盐矿化菌对Cd2+耐受性试验吸取1mL制备好的菌悬液至Cd2+浓度分别为0,1,3,5,10, 15mg/L的100mL已灭菌的NBU培养基中,每组浓5914 中国环境科学 41卷度梯度设3组平行,30℃,150r/min下振荡培养72h,连续取样时间同1.3.1,每次取样3mL,测定各处理OD600值.其中尿素溶液配制好后过0.22μm一次性无菌滤膜加入培养基.1.3.3 碳酸盐矿化菌对Cd2+的固定试验吸取1mL制备好的菌悬液至含有0.5mg/L Cd2+和25mmol/L Ca2+ 的100mL已灭菌NBU培养基中,对照组接种等量无菌水,设置3组平行.置于30℃,150r/min下振荡培养120h,连续取样时间同1.3.1,每次取样5mL,4000r/min离心15min,利用ICP-MS测定上清液中Cd2+浓度.在培养120h后取适量样品进行扫描电镜与能谱分析,剩余样品以8000r/min离心15min,弃上清液,置于65℃烘箱中烘干4h后,用玛瑙研钵磨碎过200目筛后,对样品进行傅里叶红外光谱和X射线衍射能谱(XRD)分析.1.3.4 羟基磷灰石对碳酸盐矿化菌固定Cd2+的影响试验将100mg羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)加入到培养基中灭菌,冷却配制成200mL含1mg/L Cd2+的NBU培养基,再加入2mL制备好的菌悬液,对照组接种等量无菌水,设置3组平行,置于30℃, 150r/min下振荡培养120h, 连续取样时间同1.3.1,每次取样5mL, 4000r/min离心15min,利用ICP-MS 测定上清液中Cd2+浓度.1.4扫描电镜与能谱分析取20mL 1.3.3 中矿化样品于50mL离心管中, 4000r/min离心10min,弃上清液,以2.5%戊二醛固定4~12h,再以0.1mol/L磷酸盐缓冲液淋洗,4000r/ min离心10min,重复2次,弃上清液,依次以不同浓度乙醇梯度脱水,CO2临界点干燥仪干燥10h,镀膜处理后取适量样品进行扫描电镜(SEM,日立S-4800型)及能谱(EDS)分析,观察样品形貌和分析元素组成.1.5傅里叶红外光谱分析采用压片法制备样品,取1~2mg 1.3.3中矿化产物样品在玛瑙研钵中与干燥KBr粉末混合研磨均匀,装入模具内,在压片机上压制成片,进行傅里叶红外光谱(FTIR, Thermo Nicolette is50)分析[17].1.6X射线衍射能谱分析采用X射线衍射仪(XRD)[18]对1.3.3中制备的矿化产物进行分析,用Cu Kα射线检测,设置参数为36kV 和20mA,扫描角度为10°~70°,步长和扫描速度分别为0.02°和0.5°(2θ)/min.1.7数据处理Cd2+的固定去除率计算:R(%)=(C0-C t)/C0×100% (1) 式中:R为Cd2+去除率,%;C0为空白组Cd2+浓度,mg/L;C t为实验组Cd2+浓度, mg/L.采用Origin 9.1软件和Excel 2019进行数据处理、作图,XRD采用MDI Jade6软件分析,数据显著性分析用SPSS 22.0进行统计检验.2结果与分析2.1碳酸盐矿化菌生长过程中脲酶活性,产CO32-浓度及pH值变化不同种类的碳酸盐矿化菌代谢产生的脲酶活性存在较大差异.如图1a所示,3种菌接种至培养基中,最初生长较缓慢,脲酶活性相对较弱, P.stutzeri脲酶活性增加缓慢,24h后逐渐趋于稳定,B. subtilis脲酶活性在第72h达到最高;B. pasteurii前8h脲酶活性迅速增加,第24h达到最高,随后出现一定程度的下降,第48h后逐渐趋于稳定.3种碳酸盐矿化菌生长过程中产生CO32-浓度变化如图1b所示.B. pasteurii产CO32-的能力最强,P.stutzeri和B. subtilis相对较弱.培养初期12h, B. pasteurii产生CO32-的浓度增加很快,48h时达到1735.18mg/L,之后CO32-浓度趋于稳定.P. stutzeri 和B. subtilis在12h后CO32-的浓度开始增加,但增速较为缓慢,72h后均趋于稳定,产生的CO32-浓度分别为588.19和 661.72mg/L.脲酶活性[mmol/(L⋅min)]12期朱广森等：微生物诱导碳酸盐沉积介导的Cd 2+固定 5915C O 32-浓度(m g /L )时间(h)0 8 16 24 3240 48 56 64 72p H 值时间(h)图1 3种碳酸盐矿化菌生长过程中脲酶活性、产CO 32-浓度及pH 值变化Fig.1 Changes in urease activity, CO 32- concentrations and pH during the growth of three carbonate mineralized bacteria3种碳酸盐矿化菌生长过程中pH 值变化如图1c 所示.P . stutzeri 生长过程中pH 值虽在不断升高,但上升较为缓慢,至生长平稳期时pH 值稳定在8.23左右.B.subtilis 在0~8h 出现pH 值降低的现象,可能是由于在最初生长过程中产生乳酸等酸性物质导致其pH 值下降,培养8h 后开始逐渐升高.培养24h 时pH 值上升到8.39,之后逐渐趋于平稳状态,最终pH 值稳定在9.06左右.B. pasteurii 生长过程中pH 值升高迅速,4h 时可达8.67,培养8h 可达9.25,24h 后达到最高pH 值9.52. 2.2 碳酸盐矿化菌对Cd 2+的耐受性如图2所示,随着Cd 2+浓度升高,碳酸盐矿化菌生长受到一定抑制作用.P . stutzeri 对Cd 2+的耐受性较强,Cd 2+浓度0~1mg/L 时对其生长有一定促进作用, Cd 2+浓度1~3mg/L 时对其生长影响不显著,Cd 2+浓度5~10mg/L 时,细菌生长减缓,Cd 2+浓度15mg/L 时细菌生长延滞期达到12h,对数生长期相对缩短.B. subtilis 生长过程中,Cd 2+浓度1mg/L 时对数生长期迟滞至24h 后,对数生长期也相对缩短,而Cd 2+浓度3~15mg/L 时该菌几乎不生长.B. pasteurii 生长过程中,Cd 2+浓度0~1mg/L 时其生长受抑制,对数生长期相对缩短,Cd 2+浓度1~3mg/L 时其生长受显著影响,对数生长期迟滞至36h 后,而当Cd 2+浓度5~15mg/L 时该菌几乎不生长.00.30.60.91.21.51.8O D600时间(h)00.40.81.21.62.02.4O D600时间(h)0O D600时间(h)图2 3种碳酸盐矿化菌对重金属Cd 2+的耐受性 Fig.2 The resistance of three carbonate mineralized bacteriato Cd 2+2.3 碳酸盐矿化菌对Cd 2+的固定如图3所示,3种碳酸盐矿化菌均对Cd 2+有较强的固定能力.P . stutzeri 对Cd 2+的去除24h 可达80.65%,120h 可达96.37%; B. subtilis 对Cd 2+的去除24h 即可达98.80%,120h 可达99.40%; B. pasteurii 对Cd 2+的去除24h 可达93.66%, 120h 达97.57%.此外,对照组出现Cd 2+含量降低,可能是由于有氧条件5916 中 国 环 境 科 学 41卷下空气中的CO 2进入含钙培养基中生成碳酸钙,从而与Cd 2+络合形成沉淀.0 16 32 48 64 80 96 112 128C d 2+浓度(m g /L )时间(h)图3 3种碳酸盐矿化菌对Cd 2+的去除效果Fig.3 Removal of Cd 2+ by three carbonate mineralized bacteria2.4 羟基磷灰石对碳酸盐矿化菌固定Cd 2+的影响如图4所示,加入羟基磷灰石(HAP),能够增强3种菌对Cd 2+的固定效果,HAP 联合碳酸盐矿化菌对Cd 2+的固定效果优于单独添加HAP.培养72h 时, HAP 与P . stutzeri , B. subtilis , B. pasteurii 联合作用对Cd 2+的固定去除率分别为85.8%, 87.9%和86.6%, 120h 时Cd 2+的固定率达95%以上,其中HAP 与B. pasteurii 联合固定效果最好.16324864 80 96 11212800.20.40.60.8 1.0C d 2+浓度(m g /L )时间(h)图4 羟基磷灰石联合碳酸盐矿化菌对Cd 2+的固定效果 Fig.4 Immobilization of Cd 2+ effect of hydroxyapatite combined with carbonate mineralization bacteria2.5 碳酸盐矿化菌固定Cd 2+的矿化产物特征分析图5中SEM 和EDS 分析表明,P . stutzeri 和B. subtilis 形成的矿化产物呈现不规则球状或网状结构,表面疏松多孔,并且大多聚集在菌体周围,部分产物附着在菌体表面,这一结构使其对重金属具有良好的物理吸附作用[19];B. pasteurii 的矿化产物结构致密,呈不规则的球状,并附着在整个菌体表面,有的将整个菌体包裹[20].EDS 结果显示,3种碳酸盐矿化菌的诱导矿化产物元素组成均含有C 、O 、Ca 和Cd,表明Cd 2+已被吸附固定.2µm24680102030405060计数(C P S )能量(keV)CdCaOC P . stutzeri2µm02468020406080100120计数(C P S )能量(keV)C OCa CdB. subtilis12期朱广森等：微生物诱导碳酸盐沉积介导的Cd 2+固定 59172µm2468102030405060计数(C P S )能量(keV)COCaCd B. pasteurii图5 3种碳酸盐矿化菌矿化产物SEM 和EDS 分析Fig.5 The SEM and EDS analysis of mineralization products by three carbonate mineralization bacteria4000 3500 3000 25002000 1500 1000500100200300400a P . stutaerib B. subtilisc B. pasteurii透过率(%)波数(cm -1)10561443697876图6 3种碳酸盐矿化菌矿化产物的FTIRFig.6 The FTIR of mineralization products by three carbonatemineralized bacteria球霰石方解石图7 3种碳酸盐矿化菌矿化产物的XRDFig.7 The XRD of mineralization products by three carbonatemineralized bacteria由图6可知,3种菌形成的矿物主要成分为碳酸盐.1443cm -1附近的吸收峰为CO 32-反对称伸缩吸收峰,1056cm -1附近吸收峰为碳氧对称伸缩吸收峰[21],876cm -1附近吸收峰为CO 32-面外弯曲吸收峰,697cm -1附近吸收峰为CO 32-面内弯曲吸收峰[16].图7中XRD 分析表明,P . stutzeri 在生长过程中产生的矿物主要是球霰石,B. subtilis 形成的矿化产物主要为方解石和球霰石,而B. pasteurii 矿化产物为方解石,XRD 特征吸收峰比较尖锐,表明形成矿物中含杂质少,结晶度好[22].经XRD 主要衍射峰与标准PDF 卡片检索发现,3种菌对Cd 2+固定的生物矿化产物主要存在形式为CdCO 3,其中B. pasteurii 的矿化产物以稳定的Ca 0.67Cd 0.33CO 3共结晶的形式产生共沉淀[23]. 3 讨论3.1 诱导碳酸盐沉积的微生物诱导碳酸盐沉积的微生物广泛分布在土壤和水体中.这些微生物主要包括芽孢杆菌属,假单胞菌属,克雷伯菌属和芽孢八叠球菌属等[24],而不同种类的微生物在诱导碳酸盐沉积过程中的产脲酶能力及脲酶活性,碳酸根的产量也存在较大差异[25].例如,Dhami 等[26]从印度安得拉邦石灰性土壤中分离到B. megaterium SS3 和B. thuringiensis ,其产脲酶分别为690和620U/mL,产生碳酸根能力分别为 1870和1670mg/L;Li 等[27]研究表明Terrabacter tumescens A12和B6的脲酶活性分别为14.81 和1.25U/mL.本研究选取的3种碳酸盐矿化菌,B. pasteurii 的脲酶活性最强[28],而P . stutzeri ,B. subtilis 相对较弱;脲酶活性的强弱从侧面反映出3种碳酸盐矿化菌产CO 32-能力的强弱,B. pasteurii 产CO 32-浓度最高可达1735.18mg/L,P . stutzeri 和B. subtilis 产生的CO 32-浓度分别为588.19和 661.72mg/L.3.2 微生物诱导碳酸盐沉积介导Cd 2+固定机制微生物诱导碳酸盐沉积可通过尿素水解[29]、光5918 中国环境科学 41卷合作用[30-31]、硫酸盐还原[32]、反硝化作用[33]等途径实现,其中微生物水解尿素诱导碳酸盐沉淀因其机理相对简单,过程消耗少,对环境友好等优点而被广泛研究.微生物诱导碳酸盐沉淀固定重金属的基本原理是,通过微生物代谢产生脲酶,水解尿素产生NH4+和CO32-,NH4+释放NH3使pH值升高,从而在碱性环境下,足够浓度的Ca2+与CO32-结合,在细菌表面形成CaCO3沉淀,进而将Cd2+以类质同象置换方式占据Ca2+位置而固定[34],或Cd2+与CaCO3形成共结晶的方式被固定[35].本研究中3种碳酸盐矿化菌在水解尿素过程中产生OH-会提高环境pH值和平衡碳酸氢盐,从而形成CO32-,重金属Cd2+与游离的CO32-形成CdCO3晶体,从而降低有效态Cd的含量,这与Fujita等[36]研究结果一致.也正是上述固定机制的存在,3种碳酸盐矿化菌对培养环境中的Cd2+表现出高效的去除效果.基于微生物诱导碳酸盐沉积固定Cd2+的机理,对3种碳酸盐矿化菌固定Cd2+的次生矿物进行表征.SEM分析发现3种菌产生的矿化产物主要位于菌体表面或者菌体周围,这可能是由于菌体表面带有更多的负电荷,有更多的非均相成核位点[37],使Ca2+被大量吸附在菌体表面,在CO32-和碱性环境中,会沉淀形成CaCO3结晶[38].FTIR研究证实在1443cm-1附近特征吸收峰为碳酸盐官能团的对称伸缩振动产生,在1100~1000cm-1范围内是碳氧伸缩键的特征吸收峰[39],纯方解石和球霰石的典型振动带处于876,848,745cm-1[40],本研究中的FTIR图谱呈现出相似的结果,也进一步表明3种菌形成的次生矿物主要是碳酸盐.XRD图谱分析显示, B. pasteurii产生的次生矿物中检测到方解石型CaCO3和Ca0.67Cd0.33CO3,而P. stutzeri的次生矿物主要是球霰石型CaCO3和CdCO3,B. subtilis的次生矿物为方解石型CaCO3,球霰石型CaCO3共存和CdCO3.含Cd 矿物形成的可能机制是,Cd2+通过同构取代Ca2+而形成CdCO3或是与方解石的固溶体[41-42],之前的研究报道中也出现过类似的化学成分和晶体形式[43].3.3 羟基磷灰石对碳酸盐矿化菌固定Cd2+的影响机制当培养环境中加入化学材料羟基磷灰石(HAP)时,在一定程度上会减缓微生物诱导碳酸盐沉积的速率,但HAP和菌体共存体系提高了Cd2+的去除效果.HAP(Ca10(PO4)6(OH)2)因其较大的比表面积,微溶于水,有良好的吸附特性,而被广泛应用于重金属治理.本研究中加入HAP,除自身结构会对Cd2+吸附外[44],其特殊的空间结构,良好的生物相容性亦可作为微生物的吸附剂[45],为菌体诱导碳酸盐沉淀提供成核载体.本研究中可能存在的机制为:根据沉淀溶解平衡,HAP会有一部分Ca2+ 溶解到环境中,以此作为钙源,被吸附在HAP上的菌体会诱导CaCO3沉淀,进而对Cd2+生物矿化固定.上述机制仅是根据本研究所做出的推断, HAP和菌体联合作用过程,以及对多种重金属的固定产物及其机理还需更深入细致的研究.4结论4.1碳酸盐矿化菌P. stutzeri, B. subtilis, B. pasteurii生长过程中,B. pasteurii d的脲酶活性和产CO32-能力最强,同时,3种菌的代谢均使培养体系pH 值升高.4.2Cd2+浓度在0~10mg/L范围时对P. stutzeri生长影响较小,而Cd2+浓度高于1mg/L时则会抑制B. subtilis和B. pasteurii的生长.P. stutzeri对Cd2+的耐受能力比B. subtilis和B. pasteurii强.4.33种碳酸盐矿化菌均对0~1mg/L Cd2+有较强的固定能力,120h时Cd2+的固定率可达95%以上;加入羟基磷灰石能够增强碳酸盐矿化菌对Cd2+的固定效果.4.43种碳酸盐矿化菌的诱导矿化产物是碳酸盐.P. stutzeri的主要产物是球霰石,B. subtilis的矿化产物为方解石和球霰石共存,而B. pasteurii矿化产物以方解石为主;Cd2+与Ca2+同晶置换以CdCO3的形式沉淀,部分以稳定的Ca0.67Cd0.33CO3共结晶的形式存在.参考文献：[1] Zang F, Wang S L, Nan Zhongren,et al. 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水稻对重金属镉和铅的吸收和运转及栽培环境的影响研究
水稻对重金属镉和铅的吸收和运转及栽培环境的影响研究一、本文概述本文旨在深入研究水稻对重金属镉（Cd）和铅（Pb）的吸收和运转机制，以及栽培环境对这些过程的影响。
水稻作为全球最重要的粮食作物之一，其生长环境中的重金属污染问题日益引起人们的关注。
镉和铅是两种常见的重金属污染物，它们在水稻田中的积累和转运对水稻的生长、产量和品质产生显著影响，同时也对人类健康构成潜在威胁。
因此，探究水稻对这两种重金属的吸收、转运机制以及环境因子对这些过程的影响，对于保障水稻安全生产、降低重金属污染风险具有重要的理论和实践意义。
本文将从水稻对重金属镉和铅的吸收和转运机制入手，分析水稻根部对重金属的吸收、茎部对重金属的转运以及籽粒对重金属的积累等过程。
本文还将探讨土壤pH、土壤有机质、灌溉水质等栽培环境因素对水稻重金属吸收和转运的影响。
通过综合分析这些因素，本文旨在为减少水稻对重金属的吸收和积累提供理论依据，为水稻安全生产和重金属污染防治提供科学指导。
二、水稻对重金属镉和铅的吸收机制水稻作为一种重要的粮食作物，其对环境中重金属的吸收和转运机制一直是环境科学和农业科学研究的重要课题。
特别是镉（Cd）和铅（Pb）这两种常见的重金属，由于其在环境中的广泛存在和潜在的生态风险，对水稻生长和产量构成严重威胁。
因此，研究水稻对重金属镉和铅的吸收机制，对于理解重金属在水稻体内的分布、积累和转运规律，以及优化水稻种植技术和降低重金属污染风险具有重要的理论和实践意义。
重金属镉和铅在水稻体内的吸收主要发生在根部。
根系通过主动运输或被动扩散的方式，将土壤中的重金属离子吸收进入根细胞。
其中，主动运输通常涉及到特定的转运蛋白，这些转运蛋白能够识别并转运重金属离子。
被动扩散则是指重金属离子顺浓度梯度进入根细胞，这一过程通常不需要额外的能量供应。
吸收进入根细胞的重金属离子，一部分会被细胞内的螯合剂（如谷胱甘肽、植物螯合肽等）结合，形成稳定的络合物，从而降低其对细胞的毒性。
螺蛳对重金属元素的富集作用
第29卷第3期 上海师范大学学报(自然科学版)V o l.29,N o.3 2000年9月 J.of Shanghai T eachers U niv.(N atural Sciences)Sep.2000螺蛳对重金属元素的富集作用袁维佳,俞膺浩,谷 瑗,陈 虹(上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234)摘 要:用原子吸收分光光度法研究了不同地点的水体和螺蛳体内的铜、锌、铬、镉、铅5种重金属的含量,结果显示水体中锌的含量最高达到17Λg LΛ其次是铜为3Λg L,铬和铅在1Λg L左右,镉的浓度最低,只有0.2Λg LΛ除了一个公园池塘水体中重金属浓度随季节夏、秋、冬的变化升高外,其他水体中重金属的浓度有不同程度的降低Λ与水体中重金属浓度相比较,螺蛳对这5种重金属都有富集作用,其中对锌和铜的富集可达到数十万倍,对铬的富集达数万倍,对镉和铅的富集达到近万倍Λ关键词:重金属;水体;螺蛳;富集中图分类号:Q95818 文献标识码:A 文章编号:100025137(2000)03200732070 引 言我国南方的水资源非常丰富,上海地区更处于江南水网地带,丰富的水体不仅是人们日常生活用水的来源,而且随着淡水养殖业的发展,食用水产品成为人们摄入蛋白质的主要途径Λ但是,随着乡镇企业的发展和城市部分污染严重的工厂迁入,上海郊区的水体受到不同程度的污染Λ重金属污染是水体污染的一种形式,它可以通过富集在生物体内积累,最终通过食物进入人体,影响人们的健康Λ然而,人们对各种水体中重金属污染的情况了解甚少,对各种水生动物和水产养殖品种中的重金属富集更是不清楚Λ我们选择上海地区几种较有代表性的水体作为测试对象,检测铜、锌、铬、镉、铅5种较常见重金属的浓度,其目的就是为监测上海地区水体重金属污染累积数据,为将来的水污染治理提供一个本底指标Λ有关海产的软体动物体内的重金属污染已做过一些研究[1～3],而淡水产的螺蛳则是江南水乡广泛分布的水生生物,对不同的重金属的富集程度如何,能否作为监测水体重金属污染的一种指示生物还需作大量的工作Λ收稿日期:2000205205作者简介:袁维佳(19572),男,博士,上海师大生命与环境科学学院教授Λ47 上海师范大学学报(自然科学版) 2000年1 材料和方法1.1 采集地点本实验材料的采集地点为邻近淀山湖的朱家角镇外的山海桥河和附近的鱼塘,黄浦江中下游陈行镇边的友谊河及旁边的鱼塘,上海师范大学校园和康健公园内封闭的池塘Λ1.2 采集样品测试的水样每两个月一次采水样500mL,用细口玻璃瓶装取带回Λ实验所用的螺蛳采自各采集地水体的岸边和水草上Λ在鱼塘里还带回鳊鱼、鲫鱼和螯虾以便与螺蛳作对照Λ1.3 处理材料由于原子吸收分光光度计有一定的检测范围,而水样品中的有些重金属含量微乎其微,不易被分光光度计测出,所以采集的水样要经过浓缩后再测Λ各水样取100mL置于烧杯中在电炉上加热,使其沸腾约20m in,将大部分水蒸发掉Λ将剩余水样转移到10mL的容量瓶中,加2mL HNO3消化后定容,待测Λ螺蛳、鳊鱼、鲫鱼、螯虾用蒸馏水洗涤后,去壳去鳞,取适量的肌肉(螺蛳取整个软体部分,鱼取背部肌肉,虾取尾部肌肉),置于培养皿中,放入110℃烘箱,6h,将生物样品烘干至恒重Λ用分析天平称取一定的量,将生物材料湿消化(化学氧化法)后,定容于10mL容量瓶中,待测Λ测得的数据来自水样的换算成Λg L,来自生物样品的换算成m g kgΛ1.4 测试仪器和条件实验所用的测试仪器是H ITA CH I28000原子吸收分光光度计Λ根据被测样品中重金属浓度的不同,我们使用了石墨炉法和火焰法两种测试方法,各自的仪器条件见表1,2Λ表1 石墨炉法仪器条件铜铬镉铅波长(nm)324.8359.3228.8283.3灯电流(mA)7.57.57.57.5干燥温度(℃)80～12080～12080～12080～120灰化温度(℃)600700300400原子化温度(℃)2700290015002000清洗温度(℃)2800300018002400狭缝(nm)1.31.31.31.3表2 火焰法仪器条件铜锌波长(nm )324.8213.8灯电流(mA )7.510狭缝(nm )1.31.3燃气压力(乙炔)(kg c m 3)0.30.2助燃气(空气)压力(kg c m 3)1.61.62 结 果2.1 不同水体中的重金属不同地点和不同水体中的重金属浓度变化较大(表3)Λ结果显示康健公园池塘水中的各种重金属浓度最低,只是其他水体中最高含量的8%～57%Λ在各种水体中锌的浓度为最高,达到了17.8Λg L Λ其次是铜最高,可达2.8Λg L Λ镉的浓度最小,只有0.2Λg L Λ铅和铬基本相似,在水体中最高可达1.1Λg L Λ表3 各地淡水中重金属含量Λg L ,n =3地点铜锌铬镉铅陈行友谊河1.0±0.5917.1±5.940.5±0.100.1±0.010.7±0.57陈行鱼塘2.6±0.6112.6±10.980.5±0.170.2±0.060.8±0.47康健园池塘0.9±0.172.5±1.910.3±0.210.04±0.0190.1±0.00上师大池塘2.8±1.1816.4±14.461.0±1.060.1±0.0260.6±0.35山海桥河2.5±1.519.2±1.730.5±0.560.1±0.091.2±0.20山海桥池塘2.9±1.278.3±2.370.4±0.380.1±0.031.0±0.20 随着夏、秋、冬季节的变换不同,水体中总的重金属浓度的变化是不同的(表4),友谊河和山海桥河水中的各种重金属浓度随季节的变化而降低,在不流动的池塘水和鱼塘水中康健公园池塘的重金属含量升高,上海师范大学校园池塘和陈行鱼塘的含量降低,山海桥鱼塘中的重金属含量变化不显著Λ从10月与2月的水体中重金属浓度相比较,镉和铅浓度随季节的变换下降较显著,而铜的变化最不明显Λ2.2 螺蛳对重金属的富集不同地点采集的螺蛳体内重金属含量见表5Λ在康健公园和上海师范大学池塘中采集到的螺蛳体内重金属含量都比较高,铜、锌、铅的含量是其他地点采集到的螺蛳体内含量的2倍左右Λ锌在螺蛳体内含量最高,可达到666.2m g kg ,而镉含量最低,只有0.1m g kg Λ57 第3期 袁维佳等:螺蛳对重金属元素的富集作用67 上海师范大学学报(自然科学版) 2000年表4 不同重金属元素不同季节浓度比较Λg L 地点时间铜锌铬镉铅陈行友谊河1999.100.322.00.60.111.31999.121.418.80.40.090.52000.21.210.50.50.090.2陈行鱼塘1999.103.325.10.70.251.31999.122.38.10.40.130.82000.22.24.60.40.170.4康健园池塘1999.100.71.10.10.030.11999.121.01.80.20.040.12000.21.04.70.50.060.1上师大池塘1999.104.231.12.20.081.01999.122.115.90.60.090.62000.22.22.20.20.050.3山海桥河1999.104.27.21.10.211.41999.122.010.10.020.181.02000.21.310.30.30.041.2山海桥池塘1999.101.510.20.10.090.81999.124.05.60.80.121.02000.23.18.90.20.071.2表5 各地螺蛳体内的重金属含量m g kg,n=3地点铜锌铬镉铅陈行友谊河75.0±2.96452.3±83.751.4±0.810.2±0.181.5±0.25陈行鱼塘28.4±0.54319.6±83.750.5±0.280.1±0.021.4±0.43康健园池塘182.8±89.25612.4±197.471.2±0.560.1±0.043.0±0.70校园池塘116.2±19.56666.2±97.461.0±0.060.2±0.0502.3±0.91山海桥河38.2±7.13251.6±11.340.4±0.250.1±0.061.5±0.74山海桥池塘363.7556.30.40.11.4 3 山海桥螺蛳只采到一次样品 与生活的水体中重金属浓度相比较,螺蛳对水体中的重金属有很强的富集能力,体内的重金属含量最少是水体的800倍,最多可达20多万倍Λ不同的重金属在螺蛳体内的富集程度是不同的(表6),对铜和锌的富集是对铬、镉、铅富集的几十倍Λ表6 不同地点螺蛳对重金属的富集友谊河陈行鱼塘康健园池塘上师大池塘朱家角河山海桥鱼塘铜水体含量(Λg L )1.02.60.92.82.52.7螺体含量(m g kg )75.028.4182.8116.238.263.7富集系数(×103)7511203421524锌水体含量(Λg L )17.812.62.516.49.28.2螺体含量(m g kg )452.3319.6612.4666.2251.6556.3富集系数(×103)2525245412768铬水体含量(Λg L )0.50.50.31.10.50.2螺体含量(m g kg )1.40.51.21.00.40.4富集系数(×103)3140.90.82镉水体含量(Λg L )0.100.180.040.070.140.09螺体含量(m g kg )0.170.050.130.150.080.07富集系数(×103)20.3320.60.8铅水体含量(Λg L )0.70.80.10.21.21.0螺体含量(m g kg )1.51.43.02.31.51.4富集系数(×103)2231211 与同一鱼塘中采集的其他动物相比较,螺蛳对铜的富集能力是鳊鱼和鲫鱼的近10倍,对锌的富集是鳊鱼和鲫鱼的数倍,螺蛳对铅的富集能力与鳊鱼和鲫鱼基本相似,而对铬和镉的富集不及鳊鱼和鲫鱼,只是它们的0.1～0.8倍Λ与螯虾相比较,螺蛳对锌和铅的富集能力超出2～3倍,对铬和镉的富集能力相似,而对铜的富集只是螯虾的0.6倍Λ3 讨 论本实验测试样品的采集选择了上海市郊区的两条河流:朱家角的山海桥河和和陈行的友谊河Λ朱家角位于上海西郊,邻近淀山湖Λ陈行位于上海市区南面,处于黄浦江中下游,且邻近市区,有大量的工厂,如化工厂、船厂等Λ同时还测试了以这两条河流为水源的鱼塘水体中的重金属浓度,以此检测不同地理位置和不同的水体状态对重金属含量有无显著影响Λ从结果看朱家角山海桥河水中的铜和铅的含量超过陈行友谊河,而锌的含量低于友谊河Λ随着郊区工业的发展,水体中重金属污染的程度与市区的无差别,甚至有超出的趋向Λ鱼塘是个封闭的环境,由于日照蒸发,水体中的重金属浓度从理论上讲应高于其取水的河流Λ但是,我们的测试结果显示在朱家角鱼塘水中的铬和镉的浓度低于河流,其他的重金属浓度与河流中的相等,这可能与重金属在鱼体内的富集有关Λ77 第3期 袁维佳等:螺蛳对重金属元素的富集作用87 上海师范大学学报(自然科学版) 2000年我们还测试了以雨水为来源的公园池塘和校园池塘,结果显示不养鱼的校园池塘水体中的5种重金属浓度都超过养鱼的公园池塘Λ而养鱼的公园池塘水体中的重金属含量是几种测试的水体中最低的,这可能与水体中的重金属被生物富集后没有补充来源有关Λ螺蛳是底栖的软体动物,从河流、池塘等岸边的底泥、沉积物和水生植物上摄入食物,虽然在不同的地点有较大的差异,但是对水体中的重金属铜、锌、铬、镉、铅均有很强的富集作用,我们的测试结果显示出螺蛳体内的重金属浓度是水体中数千倍至数十万倍Λ螺蛳对不同重金属的富集程度是不同的,对铜和锌的富集程度最高,对铅的富集较弱,对铬和镉的富集较差Λ在水体中重金属是以不同的结合态存在的,因而对水生生物的可给性是不同的Λ经研究长江南京段的水体中45%的铜为残渣态,而镉在水中的碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态的形式都在27%左右[4,5]Λ螺蛳对不同重金属富集的差异可能与之有关,作为底栖刮食的生物,以残渣形态沉淀在水底的重金属最容易被螺蛳摄入体内,我们在康健公园、上海师范大学校园池塘中采集到的螺蛳消化道内有大量的泥沙,结果测出的铜和锌的含量是其他地点采集到的2～9倍Λ这个观点还可用同一水体中鱼体内的重金属富集状况得到支持,鱼主要从水中的溶解态获得重金属,鱼对铜、锌的富集不及螺蛳,但对铬和镉的富集是螺蛳的1～10倍Λ螺蛳的这种对不同重金属的不同富集能力在其他软体动物中也同样观察到Λ在黄渤海的13种底栖软体动物中有9种表现为对锌的高富集能力,4种表现出对铜和锌的高富集[2],在长江河口采集到的河蚬体内铜和锌的含量是镉、铬、铅的几十倍至几百倍[6]Λ在螺蛳体内测得的铜和锌的绝对量比上述的任何一种软体动物都高,这一方面说明了螺蛳对这些重金属具有很强的富集能力,另一方面也说明内陆河水的重金属污染比海水严重得多Λ参考文献:[1] 翁焕新.重金属在牡蛎中的生物积累及其影响因素的研究[J]Λ环境科学学报,1996,16(1):51253Λ[2] 贺广凯.黄渤海沿岸经济贝类体中重金属残留量水平[J]Λ中国环境科学1999,16(2):962100Λ[3] 蔡立哲,洪华生,洪丽玉Λ菲律宾蛤仔对Zn,Pb的积累特征[J]Λ环境科学学报,1999,19(3):3192322Λ[4] 杨震.水环境中重金属的生物可给性研究进展河流重金属污染研究[M]Λ北京:中国环境科学出版社,1986:3172337Λ[5] 杨震,章惠珠,孔莉Λ长江南京段沉积物中铜、镉形态对水生生物富集的影响[J]Λ中国环境科学,1996,16(3):2002203Λ[6] 叶属峰,陆健健,孙平跃Λ长江河口两种大型底栖动物对Zn,Cu,Pb,Cd,C r的富集作用Λ中国动物科学研究[M]Λ北京:中国林业出版社,1999,4202425ΛAccu m ula tion of Cu ,Zn ,Cr ,Cd andPb i n the Sna il B ellamya spYU AN W ei 2jia ,YU Y ing 2hao ,GU Yuan ,CH EN Hong(Co llege of L ife and Envirom en t Sciences ,Shanghai T eachers U n iversity ,Shanghai 200234,Ch ina )Abstract :T he concen trati on s of Cu ,Zn ,C r ,Cd and Pb in the w ater and in the snail B ellam y a sp from several rivers and poo ls in Shanghai w ere studied w ith an atom ic ab so rp ti on spectrom eter .T he resu lts show that ,in the w ater ,the concen trati on s of Zn ,Cu ,C r ,Pb and Cd reach to 17Λg L ,3Λg L ,1Λg L ,1Λg L and 0.2Λg L respectively .T he concen trati on of the heavy m etal dropped w ith the season s from summ er to w in ter excep t in a poo l of a park .T he snail can accum u late the five heavy m etals .T he concen trati on s of Zn and Cu in snail are several hundred thou sand ti m es mo re than that in the w ater .T he concen trati on of C r is several ten hou sand ti m es h igher in snail than that in the w ater .T hat of C r and Pb are several thou sand ti m es than that in the w ater .Key words :heavy m etal ;w ater ;snail ;accum u lati on97 第3期 袁维佳等:螺蛳对重金属元素的富集作用。
PEI二硫代氨基甲酸盐交联材料的制备及吸附镉、铜、铅离子
PEI二硫代氨基甲酸盐交联材料的制备及吸附镉、铜、铅离子胡绍中;周悦;周立宏;曾庆乐【摘要】聚乙烯亚胺(PEI)与戊二醛缩合发生交联,缩合形成的C=N(碳氮双键)用硼氢化钠还原,最后再跟二硫化碳反应,形成PEI接枝二硫代氨基甲酸盐的交联高分子重金属离子吸附材料.考察该高分子材料吸附镉(Ⅱ)、铜(Ⅱ)、铅(Ⅱ)重金属离子;对其作用机理进行了初步探究.实验证明,随着pH值和重金属离子的浓度的增加,高分子材料对重金属离子Cd2+、Cu2+、Pb2+的吸附容量均呈现先快速增加然后趋缓的趋势,对镉(Ⅱ)、铜(Ⅱ)、铅(Ⅱ)的吸附容量分别达到205.99,215.02和451.79 mg/g.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2018(049)011【总页数】6页(P11145-11150)【关键词】聚乙烯亚胺;二硫代氨基甲酸酯;重金属离子;络合吸附;交联高分子;吸附材料【作者】胡绍中;周悦;周立宏;曾庆乐【作者单位】成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室,材料与化学化工学院,成都610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室,材料与化学化工学院,成都 610059;成都理工大学,成都 610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室,材料与化学化工学院,成都 610059【正文语种】中文【中图分类】TB3240 引言重金属由于其毒性以及生物难降解性而形成持久性污染，对环境伤害极大，而且一旦进入人体，会引起蓄积，当浓度超过一定量时会严重影响人体新陈代谢，从而引发各种疾病[1-2]。
我国重金属污染尤为突出，其来源主要是采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属超标制品等人为因素。
近年来频发的重金属污染事件时刻提醒着我们对其治理迫在眉睫。
沼泽红假单胞菌的研究分解PPT课件
PA前景RT FO展U望 R
前景展望
广泛应用于废水的净化
01 如高浓度有机废水、重金属废水、养殖废水等，其存在于废水中时，能大量同化氮磷并降解废
水中的有机物，降低高浓度有机废水毒性，调节水体pH，使废水得以净化，同时不带来二次 污染，且能改善水质质量。
广泛应用于饲料添加剂和水产养殖中的饵料
02 菌体富含类胡萝卜素、维生素、矿物质、蛋白质等多种营养物质，氨基酸种类相当齐全，大大提
沼泽红假单胞细菌
沼泽红假单胞菌是研究和应用较为广泛的一种光合细菌,属于外硫红螺菌科红假单胞 菌属,细胞直径0. 6～0. 9μm。革兰氏染色阴性。光合色素为叶绿素a、b和类胡萝 卜素。最佳生长方式是利用各种有机化合物作碳源和电子供体进行光照厌氧培养。 厌氧条件下以氢、硫代硫酸钠、硫化氢等作电子供体可光自养生长。
体和降低水中硫化物的作用。 ➢ 反应式为：2H2S+CO2=（CH2O）菌体+H2O+2S
10
作用机理
能量代谢途径
沼泽红假单胞菌等光合细菌胞内具有能光合作用的载色体，这些载色体为球状或胞状， 由细胞膜分化而成，直径约在60-100nm之间，包含着大量类胡萝卜素和叶绿素，能进 行光合磷酸化反应和光氧化还原反应。
17
实际应用
02 在水产养殖业水处理中的应用
净化水质方面
✓ 稳定水体pH、提高溶氧量。 ✓ 降低化学耗氧量和氨氮的量。 ✓ 提高水域生态生产力水平。
➢ 邓晓皋等人研究发现添加有沼泽红假单胞菌的混合菌对温室养鳖场水中氨氮 （20%）、BOD（20%）、COD（15%）等有机物质有很好的去除作用。
➢ 张信娣在三角帆蚌养殖水体中施用红假单胞菌，发现其可稳定养殖水体pH 值，降低水体中营养物质量，降低COD，并且可以有效控制水体中有害细 菌数量，防止水质恶化。 18
红壤和黄褐土根际土对铅的吸附特性
定的理论依据 ， 为武汉市 园林绿地土 壤的管理和 改 良提供
两侧土壤 Ｐ ｂ 污染的预测采用 的方法都是 土壤 重金属 累积模
式 ， 对 Ｐ ｂ污染 进行 了宏观 预测和分 析 。近年 来 的研 究表 明， 土壤 Ｐ ｂ污染 现象 比较 普遍 ， 特别 是在 污灌 区 和公 路两 侧 。Ｐ ｂ在土壤中的积累、 迁移和转化受制于其在 土壤体系 中的生物 、 物理过程 和氧化还原 、 沉淀溶解 、 吸附解吸 、 络合解
（ 湖北省武汉市园林科学研究所 ， 湖北武汉 ４ ３ ０ ０ ８ １ ）
摘要： 采用 根垫法盆栽 试验获得 根际 与非 根际土壤 ， 并用 等温平衡 吸附法研究 根际与非 根际土壤对 铅的吸附特 点。结果 表明 ， 根际土壤铅 吸附量 比相 应的非根际土壤高 ， 但在 含 Ｐ ｂ ¨溶液浓度 为 ０～ ０ ． ５ ｍ ｍ ｏ ｌ ／ Ｌ条件下 ， 根 际土壤 铅吸附量与非根际土壤差别不大 ， 几乎全部吸附 。随着 Ｐ ｂ 浓度 增加 ， 根际土壤 吸附量迅 速增加 ， 根际土壤铅 吸附量 与非根际土壤之差变大 。并且红壤 、 黄褐土的根际土壤和非根 际土壤对 Ｐ ｂ 吸附有显著差异 。 关键词 ： Ｐ ｂ ； 吸附 ； 黄褐土 ： 红壤 ； 根际 ； 非根 际
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３—０ ２—１ ６ 基金项 目： 湖北 省武 汉市园林 局资助项 目（ 编号 ： ［ ２ ０ １ ２ ］ ２ ９号 ） 。 作者 简介 ： 王 朴（ １ ９ ７ ９ 一） ， 男， 湖北荆州人 ， 硕士 ， 工程 师， 从事 园林 土壤质 量研究 。Ｔ ｅ ｌ ： （ ０ ２ ７ ） ８ ６ ４ １ ８ ４ ２ ８ ； Ｅ—ｍ ａ ｉ ｌ ： ６ ２ ０ ７ ６ ８ ３ ＠ｑ ｑ ． ｃ ｏ ｍ。
蒙脱石对重金属的吸附研究
2 常见的阳离子交换能力的顺序
为
：
Li+>Na+>K+>NH4+>Ca2+>Ba2+
蒙脱石的改性及研究进展
蒙脱石常见
的改性方法
3
柱撑法
将有机或无机大分子阳离子插 入蒙脱石层间、经过一定的处 理使阳离子支撑在蒙脱石层间。
柱撑法
蒙脱石的改性及研究进展
1
最常见的取代基是 聚合羟基铝离子
目前有多种阳离子被用于制备相 应的柱撑蒙脱石，如金属螯合物、 金属原子簇衍生物等。
4.1蒙脱石吸附Pb2+、Cr3+、Cd2+的实验研究
结果与讨论
离子浓度与吸附率的关系
4.1蒙脱石吸附Pb2+、Cr3+、Cd2+的实验研究
结果与讨论
蒙脱石层间距的变化主要与 层间水化阳离子半径及水化 形成的层间水分子层数有关
反应前后蒙脱石XRD衍射图
金属阳离子的离子半径大小为 Pb2+＞Cd2+＞Cr3+＞Ca2+＞Na+
取上清液用原子吸 收分光光度计测定 滤液中重金属离子
的残余浓度
4.3聚羟基铝柱撑蒙脱石吸附重金属离子实验研究
改性粘土的X射线衍射特征
结果与讨论
PMt,CMt及原矿的X射线衍射特征谱线
400℃的高温已经破坏了聚合羟 基铝的聚合结构,使其变为低分子 的羟基,因而其层间距接近典型的 钠化蒙脱石的层间距。
无毒性 和抗紫 外线性
03
PART 01
第三部分
蒙脱石的改性及研究 进展
蒙脱石的改性及研究进展
有机 改性
无机
硫酸钡对环境中重金属的吸附和修复研究
硫酸钡对环境中重金属的吸附和修复研究随着工业化的发展，环境污染问题也日益突出。
其中，重金属污染尤为严重。
重金属在自然界中是难以降解的，而且具有毒性，会对生态环境和人体健康造成极大的危害。
因此，对重金属污染的治理研究也越来越受到人们的关注。
硫酸钡可以作为一种有效的重金属污染控制材料使用，其具有良好的吸附性能，可用于重金属的吸附和修复。
本文将重点介绍硫酸钡对环境中重金属的吸附和修复研究。
一、硫酸钡对重金属的吸附作用硫酸钡的吸附性能与其晶体结构特点有关。
硫酸钡晶体中阳离子与阴离子排列有序，离子之间的空隙较小，难以容纳大分子，但是可以容纳小分子如气体、离子和水分子等。
因此，对于重金属离子，其尺寸较小，可以较好的被硫酸钡吸附。
研究表明，硫酸钡对于大多数重金属离子都具有吸附作用。
比如，铅、镉、铬、铜等重金属离子都可以通过硫酸钡被有效地吸附降解。
研究还发现，硫酸钡的吸附性能受多种因素影响，如溶液中重金属离子浓度、硫酸钡粉末颗粒大小和晶体表面性质等。
此外，硫酸钡的两性离子性质也能影响其吸附性能。
在一定的条件下，硫酸钡对重金属离子的吸附效率可以达到90%以上。
二、硫酸钡对重金属的修复作用硫酸钡不仅具有吸附重金属离子的功能，还可以通过化学作用修复重金属污染。
这是由于硫酸钡晶体结构中的硫离子具有良好的还原性能，可以将一些重金属氧化态还原为比较稳定的离子态。
同时，硫酸钡还可以通过与重金属形成较强的化学结合，将重金属离子固定在矿物晶胶中，从而达到修复作用。
研究发现，硫酸钡在修复重金属污染方面有很好的应用前景。
例如，通过将硫酸钡与Fe(II)和Fe(III)配合使用，可以将铬(VI)还原为铬(III)，从而达到修复作用。
此外，硫酸钡还可以和Ca(HCO3)2一起使用，对镉离子进行“削峰填谷”，降低环境中的镉污染。
三、硫酸钡对重金属污染处理的应用展望硫酸钡作为重金属污染处理的控制材料，具有许多优势，如良好的吸附性能、高效的修复效果、成本低廉等。
废弃啤酒酵母对重金属离子的吸附特性研究
蠡 黼掰鲢 ｌ 蕤 虢 蕤 ０ 瓣 蟹 蓍 程 ｌ鹱 ｌ
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张利祥 ，孙志武 ，吴
（． １ 哈尔滨市环境保护局 ，哈尔滨
宁。 ，戚秀云
１０ ７ ； ５０ ６
１０ ７ ） ０ ６ ５
１０ ７ ；２ 哈尔滨市环境保护科学研究院 ，哈尔滨 ５０ ６ ．
根 据 国家统计局公布 的数 字 ，我 国仅２０年一年产 Ｈ Ｏ 或Ｈ ｓ ０３ Ｎ ０ 浸泡２ ｈ 夜 ，并用 去离子水 洗净 ，置 于 ４过
生 的废 啤酒酵 母量就 达４９ ～ ．万ｔ ． ７４ ，这 些废酵 母大 多 烘箱 中１ ０ ～１０Ｃ 万 ℃ ２ ￣烘干备用 ，以减少重金属离子对实 ｌ
下一步 实验及扩大生产应 用奠定 了重要基础 。 关键词 ： 生物吸 附； 酒酵母； 啤 重金属 离子； 解吸
中图分类号 ：７ ３ Ｘ０ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ：０ ６ ５ ７ ２ １ ）１－ ０ ４ ０ １ ０－ ３ ７（０ １ ０ ０ ４ — ５
１ 引言
随着 电镀 、制革 、防腐 、染料等工业 的发展 ，人类
３ 哈尔滨市环保产 业办公 室，哈尔滨 ．
摘 要： 重金属 污染 问题 已成 为当今世界性 的水 污染治理难题 ，也是全球性的环境 问题之一。 实验 采用
发酵工业产生的废啤 酒酵母为生物吸附材料 ，通过静态吸附实验 ，研究其对重金 属 离子ｃ ｂ ｕ 和Ｐ 的吸 附可 行性及各种 实验 条件对吸 附性 能的影响 ，得 出最佳工艺条件 并对其动 力学和热力学吸附过程进行分析 。为
实验。所得结 果见 图３ 。
１ ０ ８ ０
分别 以吸附量和吸 附率对时间作 图，结果如图１ 。
金属-有机框架Ce-BTC对中性红的吸附研究
第51卷第7期 辽 宁 化 工 Vol.51，No. 7 2022年7月 Liaoning Chemical Industry July，2022
收稿日期： 2022-04-21 作者简介： 刘青（1983-），女，贵州省安顺市人，讲师，硕士研究生，2011年毕业于贵州大学生态学专业，研究方向：现代分析技术、环境保护等。
金属-有机框架Ce-BTC对中性红的吸附研究 刘 青 （安顺学院 化学化工学院，贵州 安顺 561000） 摘 要： 印染废水的处理一直是当前环境污染的主要问题。其中，材料吸附是解决印染废水污染问题较为可行的方法之一，金属有机框架（MOFs）作为一类新兴的多孔材料已广泛应用于有机染料的吸附去除。以Ce(NO3)3·6H2O和均苯三甲酸(H3BTC)为原料，采用水热法制备了Ce-BTC，并应用于模
拟废水中中性红的吸附降解能力，系统研究了初始中性红溶液pH值、吸附剂用量以及吸附的时间、温度对吸附率的影响。结果表明：在50℃下用0.2 g的Ce-BTC吸附40 min，中性红吸附率为80.3%。 关 键 词：Ce-BTC；金属-有机框架；吸附性能；中性红 中图分类号：TQ424.25 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2022）07-0906-04
随着城市化进程的加快，清洁的地表水已成为短缺，淡水资源的有限性，日益严重的水污染危机引起了研究人员的广泛关注。其中染料是多个行业排放的水污染物之一。染料在水中的污染由于颜色的变化及其毒性而剥夺了水质[1]。某些类型的染料含有致癌物质（如苯或萘）。如果没有有效的处理，这些水会对人类健康和生物体造成严重危害。此外，由于染料分子不会自降解且对光非常稳定，因此废水的修复带来了困难[2]。 目前处理废水中的染料常用的有膜过滤、离子交换、化学沉淀、活性吸附等方法[3-4]。在这些方法中，吸附由于其简单性和有效性而在染料去除应用中起着至关重要的作用[5]。 几十年前，多孔材料已被证实是一种很好的吸附剂，按时间顺序排列，从活性炭、沸石和 Zeotype材料等等[6-9]。多孔碳因其坚固、便宜且环保是使用最广泛的碳之一。然而，当多孔碳在低浓度下用作带电染料的吸附剂时，吸附效率低[10-11]。因此，寻找新的吸附材料是当前的趋势。近年来，金属有机骨架（MOFs），一种新型的高结晶多孔材料，已经出现并在吸附和分离方面显示出巨大的潜力[12]。MOFs 由金属离子和有机配体连接在一起形成巨大的多样性网络。与传统多孔材料相比，MOFs材料显示出一些优越的特性，包括高表面积、可设计的孔结构和通过金属离子和有机配体的变化可调节的物理化学性质[13]。由于其优异的性能，MOFs是气/液吸附和净化的有希望的候选者。肖蜜[14]等人设计并合成了Cd-MOF材料，并研究了Cd-MOF吸附剂和染料分子之间的匹配效应、尺寸排阻和电荷的相关性。X射线单晶衍射表明，Cd-MOF呈现出独特的双层螺旋配位框架，四聚体水部分容纳在开放通道中。Cd-MOF的Zeta电位表明它是一个带负电的框架，倾向于与阳离子染料颗粒进行静电相互作用，表明 Cd-MOF 对亚甲基蓝 (MB)阳离子染料具有良好的吸附能力。王文强等[15]以PVP为表面活性剂，通过简单的沉淀法成功合成了具有大表面积的普鲁士蓝类似物Zn3[Co(CN)6]2·nH2O纳米球。
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2005,No.4
粮食与饲料工业
CEREAL&FEEDINDUSTRY
收稿日期:2005-01-11
作者简介:刘大岭(1963-),女,博士,教授,研究方向为生物化学与新活性物质。
红螺菌对铅离子吸附作用的初步研究刘大岭,林伟雄,梁郁强(暨南大学生命科学院生物技术实验室,广东广州 510632)
摘 要:研究了红螺菌对Pb2+的吸附情况。结果表明:红螺菌中有可能存在着某种对铅具有较高亲合性的生物活性物质,具有潜在的减少或是清除动物铅中毒饲料添加剂的开发价值。此外,还通过正交实验对红螺菌的培养,得出了光照强度、接种量、酵母量和培养温度4个因素的最适值分别为1200lx、20%、1.5g/L和25℃。关键词:饲料;红螺菌;铅离子;吸附;培养;优化中图分类号:S816.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6202(2005)04-0038-03
PreliminaryStudyonSorptionofLeadIonbyRhodospirillum
ABSTRACT:ThesorptionofleadionPb2+byRhodospirillumwasinvestigated.TheresultsshowedthattheremightbeintheRho2dospirillumcertainkindofbioactivesubstance,whichhashigheraffinitytoleadandsoispotentiallyvaluablefordevelopmentofafeedadditivetodecreaseoreliminateleadpoisoningofanimals.Theoptimizationofoptimumcultivationwiththeorthogonaldesignedexperi2mentwasinvestigated,too.Theappropriateilluminationintensity,quantityofinoculationandyeastaswellascultivationtemperatureareabout12001x,20%,1.5gand25℃respectively.KEYWORDS:feed;Rhodospirillumsp.;leadion;sorption;cultivation;optimization
光合细菌(photosyntheticbacteria,简称为PSB)是一种能够利用光能进行生长和繁殖的水生原生生物,主要分布在水沟、沼泽、河川、活性污泥和土壤中[1]。研究表明,PSB的菌体无毒,蛋白质含量高达64.15%～66.0%,含有丰富的B族维生素,类胡萝卜素、辅酶Q、抗病毒物质和生长促进因子,作为高营养的饲料添加剂已推广应用于鱼虾养殖、禽类饲养的动物养殖业中[2]。例如,在中国对虾育苗中添加PSB,每立方米水体出苗量可提高5.1万尾,糠虾幼体可提高存活率22%;用PSB喂养肉鸡,可提高成活率5%～7%,肉鸡增重15%～17%,料肉比降低33%左右[3]。另外,PSB因其独特的光能异养特性而能忍受高浓度有机物,具有去除和分解有机物的能力[4]。那么,我们可以设想将PSB作为高营养的饲料添加剂的同时,提高其中吸附重金属的有效成分,在提供动物丰富营养的同时,减少或清除动物体内的重金属,达到一举两得的效用。铅是分布广泛的有害重金属,毒害性强,作用时间长,对人体健康,尤其对儿童的生长发育有很大的危害。对光合细菌的研究主要集中在生理生化分析和饲料添加剂方面,而对Pb2+的吸附作用暂时未见报道[5、6]。在PSB的成员中,红螺菌科是研究得最多的对象。由此,本文以红螺菌(Rhodospirillumsp.)作为研究对象,对红螺菌吸附Pb2+的情况做初步的研究,以期为上文的设想提供实验依据。笔者也初步探讨了培养基以及培养条件对红螺菌生长的影响。1 材料和方法1.1 菌体红螺菌、啤酒酵母(由暨南大学微生物实验室提供)。1.2 材料VanNiel培养基:酵母膏1～2g、NH4Cl1g、MgCl20.2g、K2HPO40.5g、NaCl1g、NaHCO35g;配成固体时加入20g琼脂。啤酒酵母培养基:葡萄糖20g、蛋白胨2g、酵母膏2g、硫酸镁0.05g、蒸馏水1000ml,pH值为5.0;配成固体时加入20g琼脂。二甲酚橙:2.5×10
-3
mol/L。
乙酸铅溶液:称取100mg乙酸铅,溶于1000ml蒸馏水。1.3 方法1.3.1 红螺菌的培养将红螺菌菌种接种到VanNiel固体培养基复苏,培养2d后,转至150mlVanNiel液体培养基中;培养4d后,将150ml菌液加入到350mlVanNiel培养基上进行扩大培养。培养条件为自然pH值,温度28℃,光照强度10001x(2个25W白炽灯作光照灯源),放置恒温培养箱中密闭静置培养。培养10d后,收取菌体,用去离子水洗涤3次,60～70℃烘干,粉碎,4℃放置待用。1.3.2 啤酒酵母的培养刘大岭等:红螺菌对铅离子吸附作用的初步研究/2005年第4期39
将啤酒酵母菌种接种到啤酒酵母固体培养基上,培养2d后,挑取菌块加到150ml液体培养基中培养3d,再转到350ml液体培养基中进行扩大培养。培养条件为28℃摇床上(200r/min)。培养5～6d后,收取菌体,用去离子水洗涤3次,60～70℃烘干,粉碎,4℃放置待用。1.3.3 Pb2+工作曲线的制定配制一系列浓度的乙酸铅溶液。Pb2+用分光光度法测定,在一定范围内吸光度与Pb2+浓度成正比[8]。抽取4ml六次甲基四胺—盐酸缓冲液于小烧杯中,滴入2滴二甲酚橙,将上清液逐滴加入烧杯溶液中(4滴左右),待1min后,Pb2+与二甲酚橙生成红色络合物,于580nm处测吸光度。1.3.4 菌体对Pb2+的吸附以及Pb2+浓度的测定称取1g红螺菌菌体,溶于100ml去离子水中,得浓度为10g/L的菌液。取10ml相应浓度的乙酸铅溶液(pH=6.5),高压灭菌,冷却后加入1ml红螺菌菌液,于28℃摇床上(200r/min),1h后,离心10min(5000r/min),取上清液用于Pb2+浓度的测定,测定方法同1.3.3。2 结果2.1 红螺菌对Pb2+吸附的动力学红螺菌的菌悬液浓度为10g/L,乙酸铅溶液浓度为100mg/L。红螺菌菌体对Pb2+的吸附以及作用后Pb2+浓度的测定方法见1.3.3。根据Pb2+的工作曲线,计算出不同时间红螺菌对Pb2+的吸附量和吸附率,见图1。图1 红螺菌对Pb2+的吸附能力由图1可知,红螺菌对Pb2+是一个快速吸附的过程,经过15min后,吸附率已经达到96%;1h左右达到吸附平衡,吸附率为98.5%,最大吸附量为98.5mg/(g菌体)。可以认为,一般经过20～30min的快速吸附后,红螺菌差不多达到吸附平衡,随后处于一种相对的平衡状态。2.2 酸碱处理对红螺菌吸附Pb2+的影响将1g红螺菌菌体分别放入浓度为1mol/L的10mlHCl和NaOH中,在37℃温度浸泡2h后,取出用蒸馏水洗至中性,离心收取,溶解成10g/L的红螺菌菌悬液。取1ml红螺菌菌悬液与10ml100mg/L的乙酸铅溶液作用,结果见表1。表1 酸碱预处理对吸附量的影响组 别酸处理组碱处理组对照组Pb2+吸附率/%39.596.898.5 由表1可知,经过酸处理后,红螺菌吸附Pb2+的能力明显下降,吸附率只有39.5%,吸附量为39.5mg/(g菌体),是对照组的40%。这是由于Pb2+是通过与细胞壁上官能团中的H+发生离子交换所致[9]。经过碱处理后,对红螺菌吸附Pb2+的能力几乎没有影响,吸附率为96.8%,与对照组差异不大。2.3 热处理对红螺菌吸附Pb2+的影响10g/L红螺菌菌悬液,在100℃温度灭活30min后,取1ml红螺菌菌悬液与10ml100mg/L的乙酸铅溶液作用,方法同1.3.4,结果见表2。表2 热处理对红螺菌吸附铅的影响
组 别热处理组对照组Pb2+吸附率/%71.098.5
由表2可知,经过热处理后,红螺菌被灭活,但仍对Pb
2+
表现出较强的吸附性,吸附率为71.0%,是对照组的72%。可见,红螺菌对Pb2+的吸附主要是物理或化学的表面吸附,
Pb2+大部分都吸附或络合在细胞表面。
2.4 红螺菌对不同浓度Pb2+吸附的研究
配制8、9、10、20、30和40mg/L系列浓度的乙酸铅溶液,
分别取10ml与1ml的10g/L的红螺菌菌悬液作用,方法同1.3.4,结果见图2。
图2 红螺菌对Pb2+的吸附能力由图2可知,浓度为10g/L的红螺菌对Pb2+吸附下限为10mg/L。2.5 红螺菌与啤酒酵母对Pb2+吸附作用的比较
据报道,啤酒酵母对于Pb2+具有较强的亲合能力,最大吸附量为107mg/g,吸附率为33%
[10]
,但实验条件和本实验
不一样。为了给红螺菌的铅亲合力一个评价,本文把红螺菌与啤酒酵母在相同实验条件和菌浓度(细胞个数相当)下对Pb2+的吸附情况进行了一个比较。
10g/L的红螺菌菌悬液的细胞个数由以下公式计算得到:y=10.799x+2.7819,R2=0.9922[7]。算得浓度约为2.0×107个/ml。取100g/L的啤酒酵母菌液,用血球板计数
后,稀释成浓度为2.0×107个/ml的菌液(14g/L)。取1ml
红螺菌菌悬液和10ml不同浓度的乙酸铅溶液作用,方法同1.3.4,结果见图3。
图3 红螺菌与啤酒酵母对铅离子吸附能力的比较从图3可知,在相同的菌浓度下,啤酒酵母对于本实验浓度的Pb
2+(<40mg/L)几乎没有吸附作用。由此可见,红
螺菌对低浓度Pb2+的亲合能力是优于啤酒酵母的,表现出良