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《中南民族大学》 2008年
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驯化大肠杆菌对镍离子的去除及三种细菌对染料脱色行为研究

吴来燕  
【摘要】: 环境中重金属离子的污染较为隐蔽,不能被降解;而印染废水由于可生化性差、成分复杂、色度大、COD高,是目前对人类威胁最大的两大污染物。传统物理化学治理方法费用高、能耗大、易造成二次污染。目前,利用死菌体的生物吸附已成功处理了多种金属,但对Ni~(2+)吸附率普遍较低,而活细菌能将吸附在表面的金属或染料运送至胞内或释放降解酶,对其进行蓄积转化和降解。 论文以环境中常见细菌埃希氏大肠杆菌为对象,研究了培养基中Ni~(2+)浓度对大肠杆菌的生长周期及吸附行为的影响。在Ni~(2+)的培养基中对大肠杆菌进行三代驯化,通过分析驯化前后大肠杆菌的质粒DNA图谱,并采用红外光谱,透射电子显微镜、X射线光电子能谱、光学显微镜等仪器,对驯化过程中大肠杆菌的形貌及表面性质进行表征,探讨了驯化的初步机理。选择驯化效果较好的菌种,对镍离子模拟水样做去除实验,并将驯化前后大肠杆菌的吸附性能进行对比,实验证明吸附性能有所改善。此外,采用三种细菌对染料进行脱色,探讨用微生物对染料进行预处理的可行性。具体研究内容如下: (1)初始驯化镍离子浓度的选择 大肠杆菌对镍离子的应急反应是生化反应过程,它与培养基中Ni~(2+)的浓度密切相关,研究了培养基中Ni~(2+)浓度对大肠杆菌生长及吸附行为的影响,在Ni~(2+)培养基中,Ni~(2+)对大肠杆菌的抑制作用随其浓度升高而增强。大肠杆菌对Ni~(2+)的吸附量随细菌数量增加而升高,在稳定生长期达到最大。用红外光谱对大肠杆菌的表面官能团进行分析,推测大肠杆菌对Ni~(2+)的吸附以-OH,-COOH等表面的官能团为主,可能与蛋白质也有关。XPS分析了细菌表面O、N、S、P等元素的变化,推测蛋白质等生物的大分子参与了Ni~(2+)的吸附过程。TEM观察到Ni~(2+)引起大肠杆菌的形貌变化,镍离子的毒性也使细胞壁脆性增加。当培养基中Ni~(2+)浓度为30 mg·L~(-1)时,大肠杆菌对Ni~(2+)离子的吸附率较高,因此,选该浓度下培养的大肠杆菌,作后续驯化的菌种。 (2)大肠杆菌的应急驯化及其机理初探 大肠杆菌经三代驯化,发现驯化后大肠杆菌在镍离子培养基中的适应力增强,生长速度与驯化前后Ni~(2+)浓度梯度有关,梯度越小,大肠杆菌的生长越快。驯化菌的吸附性能也增强,吸附行为与驯化的Ni~(2+)浓度有关,第一代驯化的大肠杆菌对Ni~(2+)的最大吸附量出现在稳定期(30mg·L~(-1)、100mg·L~(-1)),分别将其接入Ni~(2+)浓度为20mg·L~(-1)和150mg·L~(-1)的培养基中进行第二代驯化,在前一浓度中驯化的大肠杆菌(大肠杆菌ⅡC、D)对Ni~(2+)的吸附出现两个峰,分别在对数生长期和稳定生长期,而后者(大肠杆菌ⅡE、F)只在对数生长期出现一个峰。将两者分别接入300mg·L~(-1)的Ni~(2+)培养基中继续进行第三代驯化,从20mg·L~(-1)的Ni~(2+)培养基中转接的菌株(大肠杆菌ⅢG)也出现两个峰,而在150mg·L~(-1)转接的(大肠杆菌ⅢH)却只有一个峰。FTIR分析了吸附过程中表面官能团的作用,除-OH峰外,酰胺峰也发生了较大偏移,此外,多糖的C-O峰也有偏移,这些生物大分子都可与镍离子结合。用光学显微镜,TEM分别观察驯化细胞的形貌变化,随驯化的Ni~(2+)浓度升高,细胞胞膜局部裂解,同时发生聚集现象。碱法裂解大肠杆菌提取质粒DNA,电泳结果显示,大肠杆菌细胞有质粒,但驯化前后质粒无变化。 (3)驯化大肠杆菌对镍离子的去除效果 为评价驯化菌的吸附性能,采集天然水体,不加营养物质,经过滤灭菌后加镍离子制备模拟水样,选用吸附效果最好的大肠杆菌ⅢG(0-30-20~(-1)50 mg·L~(-1)),去除模拟水样中的Ni2(+10 mg·L~(-1))。驯化菌对镍离子的耐性增加,它们在5 mg·L~(-1)和10 mg·L~(-1)的水样中的浊度(OD)值约为未驯化菌的3倍。在处理低浓度的Ni~(2+)水样时,驯化菌的去除率有较大提高,当水样中Ni~(2+)浓度为1 mg·L~(-1)时,驯化菌对镍离子的去除率是未驯化菌的3.16倍。红外图谱表明,更多的表面官能团参与了镍离子的去除过程。 (4 )大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及枯草芽孢杆菌对日落黄、亚甲基蓝的脱色作用研究 以阴离子染料(日落黄)和阳离子染料(亚甲基蓝)为研究对象,探讨不同细菌对染料的脱色行为。该染料在pH2.0-9.0范围内吸光度变化小,稳定性较好。脱色实验表明,细菌对染料的脱色包括吸附和降解两个过程,细菌对染料的吸附在稳定期最强,但在降解过程中,降解酶需经合成、分泌及酶解,导致了细菌对染料的最高脱色率不在稳定期,而在衰亡期。不同的细菌对两种染料的脱色效果有较大差异。大肠杆菌对亚甲基蓝的脱色率最高达60%,金黄色葡萄球菌对日落黄的脱色率最高为56%。
【学位授予单位】:中南民族大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:X703

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