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胞外聚合物在细菌吸附铜离子中的作用及机理研究

魏行  
【摘要】:胞外聚合物(EPS, Extracellular Polymeric Substances)是细菌新陈代谢主动分泌或细胞裂解释放的一些大分子有机物的混合体,在细菌吸附重金属过程中有重要的作用。本文以枯草芽孢杆菌(B. subtilis, Bacillus subtilis)和恶臭假单胞菌(P.putida, Pseudomonas putida)为供试菌株,选取重金属铜离子为对象,结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)、电位滴定、等温滴定微量热(ITC)等技术手段,系统研究了EPS在细菌吸附铜离子过程中的作用,EPS与铜离子相互作用的机制,以及针铁矿-EPS复合体对铜离子的吸附机制,以期为土壤和水体的生物修复提供理论依据,主要内容如下: 1.明确了EPS在细菌吸附重金属过程中的作用,结合电位滴定、FTIR技术初步揭示了去除EPS前后的细菌吸附Cu(Ⅱ)的机制。枯草芽孢杆菌和恶臭假单胞菌EPS被去除后,细菌表面所含的官能团种类没有发生变化,均含有羧基、磷酰基、羟基或氨基,但表面官能团浓度显著降低。EPS的存在可显著增加细菌对Cu(Ⅱ)的吸附量,在阳性菌B. subtilis表面,这种促进效果更为明显。EPS去除前后的枯草芽孢杆菌和恶臭假单胞菌在吸附Cu(Ⅱ)的过程中,磷酰基和羧基起了主要作用。 2.阐明了B. subtilis的EPS吸附Cu(Ⅱ)的机理。EPS对Cu(Ⅱ)的最大吸附量达到573.77 mg·g-1,显著高于细菌的吸附量。EPS对Cu(Ⅱ)的吸附过程符合二级动力学方程,表明EPS表面质子与Cu(Ⅱ)的分配和交换的化学吸附是主要作用力。EPS对Cu(Ⅱ)的吸附是吸热、熵增的反应过程,EPS中羧基的C=O和磷酰基团的P=O通过配位交换与Cu(Ⅱ)结合,形成了内圈络合物。 3.摸索了B. subtilis的EPS与针铁矿(Goe.)的复合条件,初步查明了针铁矿-EPS复合体对Cu(Ⅱ)的吸附机制。针铁矿与EPS复合比例为4:1,体系pH为3,反应30 min可得到EPS最大吸附的复合体。针铁矿-EPS复合体对Cu(Ⅱ)的吸附量大于针铁矿对Cu(Ⅱ)的吸附量,而小于EPS对Cu(Ⅱ)的吸附量,表明在EPS的存在下,可以增大针铁矿对Cu(Ⅱ)的吸附量。随着pH从2增加到6,三种物质对Cu(Ⅱ)的吸附量也随之增加。针铁矿和EPS形成复合体后,产生了P-O-Fe键,作为新的活性位点与羧基和羟基共同在吸附Cu(Ⅱ)的过程中起着重要作用。


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