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重金属铜离子进入地下环境的第一道天然屏障是含有多孔介质的土壤水带层,也是微生物主要存在和运动的区域。在地下环境中,微生物通常以生物膜形式存在,并且微生物的生物膜影响重金属铜在地下环境中的迁移。本文以具有天然铜抗性的细菌(Cupriavidus gilardii CR3)活细胞为研究对象,探讨了C.gilardii CR3对重金属铜的吸附特性和机理,及重金属铜对C.gilardii CR3生物膜的影响,同时,研究了不同铜离子浓度在C.gilardii CR3生物膜-石英砂柱中的迁移。在此基础上,研究了生物膜对重金属铜迁移的影响及其生物膜胞外聚合物(EPS)作用。主要研究结论如下:(1)C.gilardii CR3对重金属铜的吸附特性。利用重金属抗性细菌C.gilardii CR3吸附重金属铜离子,研究pH、初始铜离子浓度和吸附时间对C.gilardii CR3吸附铜的影响,采用等温吸附和动力学模型拟合实验结果。发现C.gilardii CR3对铜离子吸附量随pH的增加而增加,最适的pH为5.0,实际最大吸附量是18.33mg/g;吸附过程符合Langmuir模型,理论预测的最大吸附量是18.25 mg/g,与实测数值接近;吸附过程分两步进行,即初始的快速反应和后续的缓慢反应;吸附过程符合二级动力学和颗粒内扩散方程,这些结果表明该吸附过程是单分子化学吸附和物理内部扩散共同作用。(2)C.gilardii CR3对重金属铜的吸附机理。通过Zeta电位、扫描电子显微镜-X射线能量散射能谱(SEM-EDX)和傅里叶红外光谱(FTIR)方法对吸附铜离子前后的C.gilardii CR3形貌和结构进行表征。Zeta电位表明静电引力使官能团发生去质子化,C.gilardii CR3表面负电荷吸附铜离子。SEM-EDX证明C.gilardii CR3对铜离子的吸附为表面吸附。FTIR结果显示参与吸附的官能团主要有羟基、羧基、磷酸和氨基等。此外,当铜离子存在时,C.gilardii CR3具有自我保护能力,分泌网状的EPS保护细胞受到破损,在实际应用中具有潜在的应用价值。(3)重金属铜对C.gilardii CR3生物膜的影响。利用不同浓度的LB培养基模拟细菌地下环境生存的营养条件,运用结晶紫染色方法分析确定C.gilardii CR3生物膜形成的最适营养条件,发现20%LB可以使C.gilardii CR3形成较好的生物膜。通过结晶紫染色法和CLSM分析32 mg/L铜离子可以促进抗性菌C.gilardii CR3分泌较多的蛋白和多糖,形成的生物膜面积最大。(4)重金属铜在C.gilardii CR3生物膜-石英砂柱中的迁移。在C.gilardii CR3生物膜-石英砂柱中注入12 h的20%LB使C.gilardii CR3短期饥饿,形成均匀稳定生物膜。生物膜柱对三种浓度的铜离子迁移都有影响,并且6.4 mg/L、32 mg/L和64 mg/L铜离子的穿透曲线(BTCs)在生物膜柱中呈现不规则的“几”字形,随着铜离子浓度升高,生物膜柱对铜离子的截留越小,穿透能力越大。另外,生物膜柱对铜离子的截留和生物量分布趋势一致,即实验柱两端较多,中间最少,并且铜离子在柱中截留主要是EPS对铜离子的吸附作用。