Cr(Ⅵ)与功能微生物相互作用及其产物迁移特性

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Cr(Ⅵ)是我国水体和土壤中典型的重金属污染物,严重威胁人体健康和生态系统稳定。微生物还原Cr(Ⅵ)因其成本低、效率高及可持续而被广泛关注。目前,微生物还原Cr(Ⅵ)研究集中在还原条件的优化及还原酶的研究,而有关胞外聚合物(Extracellular polymeric substance,EPS)在Cr(Ⅵ)还原过程中的作用机理及还原产物的相关研究较少,且微生物还原Cr(Ⅵ)常在有机质丰富的环境下进行,最终会形成可溶性Cr(III)复合物,其在环境中的赋存形态、稳定性及迁移转化机制尚不清楚。因此,本文通过分析不同培养条件对P.phragmitetus BB还原Cr(Ⅵ)和可溶性Cr(III)产生的影响,研究了P.phragmitetus BB还原Cr(Ⅵ)与EPS的相互影响,并模拟分析了可溶性Cr(III)在土壤中的迁移规律及环境稳定性,主要研究结果如下:(1)环境因素分析表明,P.phragmitetus BB还原Cr(Ⅵ)有较广泛的温度适应范围,且表现出较强的耐盐性。P.phragmitetus BB在30-45℃间可完全还原Cr(Ⅵ),最适温度为30℃,随着温度的升高,Cr(Ⅵ)还原效率有所下降。在0-6%的Na Cl范围内,还原效率随着盐度的增加而下降,但72 h内仍可完全还原Cr(Ⅵ)。不同种类和浓度碳源对P.phragmitetus BB还原Cr(Ⅵ)无显著影响,前12 h内对Cr(Ⅵ)还原效率的影响为:葡萄糖>蔗糖>淀粉。外源阴离子NO3-、NO2-和SO42-的添加对细菌生长和Cr(Ⅵ)还原均无显著影响。不同种类的外源重金属对P.phragmitetus BB还原Cr(Ⅵ)的影响效果不同,其中Pb2+、Cr3+和As3+对细菌的生长和Cr(Ⅵ)还原无显著影响,且P.phragmitetus BB还可同步去除溶液中的Pb2+,去除效率可达到57.74%;而Cu2+、Zn2+和Cd2+会显著抑制P.phragmitetus BB的生长和Cr(Ⅵ)还原,当Cu2+、Zn2+和Cd2+添加浓度大于50 mg/L时,72 h内P.phragmitetus BB无法彻底还原500 mg/L的Cr(Ⅵ)。阴离子表面活性剂SDS会抑制细菌的生长和Cr(Ⅵ)还原,而非离子性表面活性剂TW80对其有一定的促进作用。(2)分析微生物EPS对Cr(Ⅵ)的响应分析发现,P.phragmitetus BB表面EPS可提高其对重金属的耐受能力,促进细菌生长,且对铬有一定的吸附作用。研究显示,P.phragmitetus BB表面羧基中的C=O,胺基中的N–H,及芳香族化合物中的P=O和O–H均可与Cr(Ⅵ)反应,其中P=O主要存在于完整细胞中。在不同Cr(Ⅵ)浓度下,EPS的分泌情况为:多糖和蛋白均主要分布在SL-EPS中,在相同的处理条件下,多糖含量明显高于蛋白含量;当Cr(Ⅵ)浓度在0-200 mg/L时,蛋白均匀分布在溶解型EPS(SL-EPS),松散结合型EPS(LB-EPS)和紧密结合型EPS(TB-EPS)三部分中,含量随时间无明显变化,多糖则主要分布在SL-EPS中,前60 h内含量相对稳定,而在60 h后,多糖含量明显增加;当Cr(Ⅵ)浓度在300-1000 mg/L时,蛋白含量先增后减,其中SL-EPS中的蛋白含量显著提高(p<0.01),而LB-EPS和TB-EPS中的含量变化不显著,多糖含量在72 h内相对稳定,且含量明显低于Cr(Ⅵ)浓度较低时。(3)室内石英砂柱模拟迁移实验表明,可溶性Cr(III)溶液在c=4(c为稀释倍数)、p H=12时迁移穿透速度最快,且溶液的出流比与溶液中可溶性Cr(III)初始浓度和p H有一定的关系;吸附平衡结果显示,相同浓度下,p H值减小,吸附系数增加,在相同p H条件下,浓度降低,吸附系数增加;淋滤液TOC含量与总铬含量呈正相关,分析溶液中TOC穿透曲线发现,在碱性条件下,出流比达到峰值时间短,且下降速度快,而酸性条件下,到达峰值时间长,达到峰值后出流比下降速度先快后慢,表明酸性条件下TOC出流情况明显滞后于碱性条件下。因此,当可溶性Cr(III)浓度较低时,更易随水溶液迁移;当酸碱条件发生改变时,对可溶性Cr(III)的迁移会有一定影响,在酸性条件下,可溶性Cr(III)易降解,降解后Cr(III)易形成沉淀,被介质吸附进而在环境中滞留;而碱性条件下,可溶性Cr(III)存在状态稳定且迁移能力较强,环境风险更高。
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