【摘 要】
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采矿、金属冶炼和电镀等工业活动使环境中的重金属水平不断增加,其中重金属Cd2+、Pb2+对生态环境和人类健康产生严重危害。生物膜可通过表面吸附和吸收、氧化还原反应影响环境中重金属的归宿和生物利用度。季节性河流增多而引发干旱-复水频率增加,导致河流水文情况发生变化,进而影响生物膜与重金属离子的相互作用。由于干旱-复水后生物膜对重金属的吸附和耐受能力的变化尚不清楚。因此,本研究将干旱胁迫和复水作用与生
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采矿、金属冶炼和电镀等工业活动使环境中的重金属水平不断增加,其中重金属Cd2+、Pb2+对生态环境和人类健康产生严重危害。生物膜可通过表面吸附和吸收、氧化还原反应影响环境中重金属的归宿和生物利用度。季节性河流增多而引发干旱-复水频率增加,导致河流水文情况发生变化,进而影响生物膜与重金属离子的相互作用。由于干旱-复水后生物膜对重金属的吸附和耐受能力的变化尚不清楚。因此,本研究将干旱胁迫和复水作用与生物膜的重金属耐受性和吸附性相结合,旨在探究生物膜经干旱胁迫和复水作用后对重金属的耐受及吸附行为。本研究采集天然河流中的生物膜及水样,利用4个旋转环形反应器进行生物膜培养,通过改变干旱-复水胁迫强度,对照组（Control）不做任何处理,其余三个反应器以1天干旱、1天复水为一个循环,分别进行1（C1）、3（C3）、5轮（C5）干旱-复水胁迫处理,探究生物膜经干旱胁迫和复水作用后对重金属的耐受及吸附行为,具体内容为:（1）采用动力学、等温线和竞争吸附模型探究生物膜对重金属Cd2+、Pb2+吸附性的变化;（2）通过测定β-葡萄糖苷酶活性进一步探究生物膜耐受性的变化;（3）结合生物膜的组成、表面形态特征、种群结构的变化及光谱分析,提出生物膜可能的耐受及吸附机理。结果显示如下:（1）干旱-复水后,生物膜厚度因部分微生物死亡,并在复水时引发脱落而降低,生物膜内胞外聚合物（Extracellular polymeric substance,EPS）含量呈先减小后增大再减小的趋势。此外,干旱-复水胁迫后生物膜内形成了不同的菌群,指示物种及功能发生改变,群落多样性降低。（2）吸附动力学模型表明,促使Cd2+、Pb2+附着到生物膜表面的过程涉及价电子的交换或共享。生物膜对Cd2+的吸附符合Freundlich模型,较高的Kf和n表明对照生物膜对Cd2+表现出更高的亲和力,而生物膜对Pb2+的吸附总体上更符合Langmuir模型,较小的RL表明C1生物膜对Pb2+表现出更高的亲和力。竞争性Langmuir模型表明,在二元混合的系列Cd2+、Pb2+溶液中分别观察到C3和C1生物膜协同效应,而其余生物膜中存在拮抗效应。结果表明,Cd2+与Pb2+间存在竞争关系,且干旱-复水会改变Pb2+与Cd2+的竞争关系。生物膜吸附Cd2+和Pb2+的过程中-NH、-COOH、-OH等官能团通过配位和络合作用与金属离子结合。（3）不同干旱-复水强度处理后,生物膜对Cd2+的耐受性增加,对Pb2+的耐受性先减小后增大,生物膜的吸附容量则呈相似的变化趋势。此外,生物膜内微生物种群变化及Pearson相关性分析表明,干旱-复水可诱发生物膜中EPS含量和微生物群落结构的变化,进而引起生物膜对Cd2+和Pb2+的吸附能力和耐受性的改变。综上所述,不同干旱-复水强度可诱导生物膜形成不同的耐旱策略。干旱-复水后生物膜的厚度、EPS含量、种群结构及功能发生改变,两种金属之间的竞争性相互作用以及两种金属结合位点的亲和力发生了变化。此外,干旱-复水引发生物膜中EPS含量和微生物群落结构的变化,进而引起生物膜对Cd2+和Pb2+的吸附能力和耐受性的改变。
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