异化铁还原对Shewanella oneidensis MR-1降解磺胺类抗生素和还原Cr(Ⅵ)的影响

【摘要】：磺胺类抗生素(Sulfonamides,SAs)和铬化合物广泛应用于作为药物和工业生产,这些都对环境造成一定的污染,从而日益受到人们的关注。而铁还原微生物是一类能利用Fe(III),也能利用其他金属和有机化合物作为电子受体进行呼吸获能的微生物,其异化还原过程能影响多种金属、非金属的形态和分布,并促进有机化合物的分解。本文以铁还原微生物S.oneidensis MR-1为对象,分别研究了其对两种磺胺类抗生素(SPY、SMX)的降解和重金属Cr(VI)的转化作用及其影响因素,并对其降解和还原机理及其异化还原机制进行进一步的探究,主要研究内容和结果如下:1)在室内模拟培养条件下考察了S.oneidensis MR-1对SPY和SMX的降解特性。结果表明:S.oneidensis MR-1对SPY和SMX的最大耐受浓度均为60 mg/L;S.oneidensis MR-1对10 mg/L的SPY和SMX的降解率分别为23.9%和59.9%。通过影响因素研究发现,SPY和SMX的初始浓度越高,S.oneidensis MR-1对其降解率降低;初始pH在7.0~8.0范围较适宜菌株对抗生素的降解;当五种磺胺类药物混合在一起时,S.oneidensis MR-1对其的降解作用大小顺序为SMXSPYSTSM2SDZ。由降解产物推测SPY和SMX的可能降解途径是由S-N键断裂引起的,SPY首先生成2-AP、4-氨基苯磺酸,SMX生成3A5MI、4-氨基苯磺酸,其中4-氨基苯磺酸进一步转化生成4-氨基苯硫酚。2)研究了两种Fe(III)异化还原耦合S.oneidensis MR-1降解SPY和SMX的影响。结果表明:异化铁还原过程可以加速S.oneidensis MR-1对磺胺类抗生素的降解,对10mg/L的SPY和SMX的降解率达53.5%和97.9%,但Fe(OH)_3比Fe_3O_4更易被S.oneidensis MR-1利用。AQDS会通过促进微生物电子传递过程强化异化铁还原作用进而加速S.oneidensis MR-1异化铁还原过程对SMX的降解,电化学反应结果也发现其电子传递过程中电流响应值随着AQDS的浓度增大而逐渐增大。3)探讨了不同重金属对S.oneidensis MR-1的异化还原作用的影响,1mg/L的重金属(Pb~(2+)、Cd~(2+)、Zn~(2+)、Hg~(2+))对菌株异化还原降解SPY和SMX均存在不同程度的抑制效果。但S.oneidensis MR-1对As(V)几乎没有还原作用,而且会抑制其对抗生素的降解作用。4)不同初始浓度Cr(VI)对S.oneidensis MR-1的生长和代谢活性有一定的影响,并且会进一步抑制Cr(VI)的还原作用。通过对影响因素研究发现S.oneidensis MR-1对Cr(VI)的还原作用随着接种菌量的增加而增强;菌株最适还原pH为中性或弱碱性。通过SEM-EDS和XPS分析,菌体表面有Cr(VI)和Cr(III)两种物质存在,证实了S.oneidensis MR-1对Cr(VI)具有直接还原的作用。5)异化铁还原会加速S.oneidensis MR-1还原Cr(VI),但不同浓度Fe(III)的对Cr(VI)还原的影响不太明显,这可能是因为在异化铁的还原过程中,Fe(II)还原Cr(VI)的还原的同时又生成Fe(III),可以循环利用。AQDS同样对S.oneidensis MR-1异化还原Cr(VI)起到促进作用,AQDS在反应过程主要充当电子穿梭体的作用,促进了S.oneidensis MR-1的生物电子传递作用,从而促进其还原作用。通过SEM-EDS、TEM-EDS和XPS表征也证实了S.oneidensis MR-1优先利用Fe(III),将Fe(III)还原为Fe(II),Fe(II)进一步Cr(VI)还原,异化铁的间接还原促进了Cr(VI)的还原作用。且在细胞表面发现有Cr(III)的存在,还原后Cr(III)的形式有Cr_2O_3和Cr(OH)_3沉淀共同存在。