不同乙酸钠浓度条件下的EAB耐受Cd(Ⅱ)及产氢

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近年来对生物电化学系统(Bioelectrochemical Systems,BESs)用于去除重金属Cd(II)进行了大量研究,在BESs中微生物对Cd(II)的耐受浓度一般低于50 mg/L,远低于传统生物法对Cd(II)最高800 mg/L的耐受浓度。为了提高BESs中微生物对Cd(II)的耐受性,本实验选用四株耐受Cd(II)的电化学活性菌(Electrochemically Active Bacteria,EAB),然后探讨不同乙酸钠浓度下四株EAB对Cd(II)的耐受和产氢。当乙酸钠浓度由1 g/L升高至5 g/L时,四株EAB对Cd(II)的耐受浓度由60 mg/L提高至150 mg/L,相应的Cd(II)去除速率由1.48±0.05 mg/L/h提高至5.28±0.07 mg/L/h,产氢速率由0.0029±0.0001m3/m3/d提高至0.0257±0.001 m3H2/m3/d,这表明乙酸钠浓度的提高有利于提高四株EAB对Cd(II)的耐受浓度和产氢。随着乙酸钠浓度的提高,四株EAB的最高产氢速率的金属条件发生变化,其中X1、X3由20 mg/L提高到40 mg/L,X5、X7由40 mg/L提高到60 mg/L;X7产氢速率最高,可达0.0257±0.001 m3H2/m3/d。对于高浓度金属Cd(II)的存在,EAB本身具有的应激反应表现为两种,一种是细胞内的解毒机制,即细胞内基因表达产生的催化氧化酶(CAT)、超氧化歧化酶(SOD)、谷胱甘肽酶(GSH)的活性提高,达到解除生物毒性的作用。一种是分泌出大量的胞外聚合物,其中的多糖、蛋白质、核酸、脂质和腐殖质等组分将以结合重金属的方式将其去除达到解毒的作用,通过对四株EAB的胞外聚合物(EPS)进行三维荧光光谱分析,对各组分物质的荧光强度做体积积分计算可以发现,对于X1,主要是第V区域的腐殖酸,对于X5,主要是第III区域紫外区类富里酸的体积积分占比降低,这表明X1和X5是通过第V和第III区域去除Cd(II),达到解毒的目的;而对于X3和X7,主要是第II区域色氨酸类蛋白质、第IV区域微生物代谢物的体积积分占比降低,这表明X3和X7是利用第II、第IV区域与金属Cd(II)结合以去除Cd(II),降低Cd(II)对EAB的毒性。本研究为提高BESs中EAB对重金属的耐受,并提高其金属去除速率和产氢提供了一种新思路。
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