耐油菌Lysinibacillus fusiformis转化Cr(Ⅵ)特性及修复Cr(Ⅵ)-润滑油复合污染土壤研究

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随着现代工业的迅速发展,以及人们认知水平的不断提升,重金属和石油烃复合污染问题开始得到更多的关注,以往忽略污染物交互胁迫作用而仅针对单一污染物的研究和处置存在明显不足。本研究以耐油铬还原菌Lysinibacillus fusiformis为主要研究对象,通过单因素条件优化,探究了碳源、氮源和不同环境因子对菌株耐油铬还原能力的影响,并结合响应面实验得到了菌株最优还原条件。在优化条件下分别考察了菌株耐油能力、Cr(Ⅵ)还原能力以及Cr(Ⅵ)-润滑油共去除能力,并利用X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外光谱(FTIR)技术检测Cr(Ⅵ)还原产物的存在形式,从而初步揭示Lysinibacillus fusiformis耐油还原Cr(Ⅵ)作用机制。此外,将菌液投加到复配的模拟Cr(Ⅵ)-润滑油污染土壤和化工厂旧址污染土壤开展修复实验,对其土壤修复效果进行了验证。主要研究结论如下:(1)通过对重庆市沙坪坝区某化工厂旧址污染土壤进行为期一个多月的驯化,从中分离、筛选到多株具有耐油还原Cr(Ⅵ)能力的菌株,对其中3株还原Cr(Ⅵ)能力较强的菌株进行鉴定,分别为解角质素微杆菌(Microbacterium keratanolyticum),纺锤形赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus fusiformis)和热带芽孢杆菌(Bacillus tropicus)。通过对3株菌株的生长条件及功能特性进行探究,最终选择耐油还原Cr(Ⅵ)能力最好的Lysinibacillus fusiformis菌株作为实验菌株。(2)Lysinibacillus fusiformis菌株在含500 mg/L润滑油的LB培养基中,能够耐受50-350 mg/L的Cr(Ⅵ),且在24 h内将50 mg/L的Cr(Ⅵ)完全还原。但该菌株在以润滑油为唯一碳源的无机盐培养基中,降解润滑油协同转化Cr(Ⅵ)能力较弱,通过添加少量胰蛋白胨后,激活了细胞生物还原Cr(Ⅵ)能力,菌株在6 d内能够将50 mg/L Cr(Ⅵ)还原至9.94 mg/L。(3)优化了培养基碳源、氮源及环境因素等条件。在碳源助剂中,葡萄糖对菌株还原Cr(Ⅵ)的促进作用最好,氮源助剂中,有机氮源比无机氮源促进作用好,但以成本控制为目的结合草酸铵具有较好的促进作用,最终以8 g/L的葡萄糖和草酸铵为无机盐选择培养基的碳源、氮源助剂。在优化条件下,菌株6 d内耐受500mg/L润滑油的同时实现了50 mg/LCr(Ⅵ)的完全还原。通过单因素实验、响应面法优化出菌株还原Cr(Ⅵ)的最佳参数条件为p H:7.5,温度:34.13℃,转速:158.05rpm,接种量:10.63%。最终还原条件参数设置为p H:7.5,温度:35℃,转速:160 rpm,接种量:10%。(4)明确了优化条件下Lysinibacillus fusiformis菌株耐油、还原Cr(Ⅵ)及共去除Cr(Ⅵ)-润滑油的能力,该菌株能够在50 mg/LCr(Ⅵ)存在下耐受500-14000 mg/L的润滑油,且在耐受500 mg/L润滑油的同时能够还原50-120 mg/L的Cr(Ⅵ);此外,对菌株共去除Cr(Ⅵ)-润滑油能力实验结果表明,该菌株能够实现30-70 mg/L Cr(Ⅵ)与250-1250 mg/L润滑油的共去除。(5)Lysinibacillus fusiformis菌株在Cr(Ⅵ)的胁迫下生长状况良好,细胞形态较完整,但部分细胞表面附着有黏性物质,通过XPS检测表明该菌株Cr(Ⅵ)还原产物以三价态的形式存在,说明菌株对Cr(Ⅵ)的去除主要是还原作用,结合FTIR图谱进一步分析推测胞外聚合物(EPS)可能参与了微生物还原Cr(Ⅵ)的过程,其Cr(Ⅵ)还原产物可能以Cr(Ⅲ)-EPS复合物的形式存在。(6)Lysinibacillus fusiformis菌株污染土壤修复效果较好,当润滑油、Cr(Ⅵ)浓度分别为1000 mg/kg、360 mg/kg;3000 mg/kg、360 mg/kg;5000 mg/kg、160mg/kg;5000mg/kg、360 mg/kg时,Cr(Ⅵ)和润滑油浓度都降低至建设用地土壤污染风险管控标准(GB 36600-2018)第一类用地筛选值(826 mg/kg、3.0 mg/kg)。将Lysinibacillus fusiformis菌株投加至化工厂污染土壤后,在35 d内Cr(Ⅵ)浓度由812mg/kg降低至361 mg/kg,石油烃浓度由7920 mg/kg降低至4650 mg/kg。
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