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微生物固定化技术在室内养殖海水净化中的应用研究

作　者: 陈文宾
导　师: 王丽萍
学　校: 中国矿业大学
专　业: 环境工程
关键词: 固定化微生物纳米四氧化三钴重金属诱导驯化动态吸附试验
分类号: X55
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

重金属、有毒有机物排放入海后,被海洋生物吸收并随食物链积累与放大,严重损害海产品的质量,威胁生态环境与人类健康。因此,开展室内养殖海水主要污染重金属、有机物的有效净化技术研究,对于提高养殖海水环境质量和保证水产养殖业可持续健康发展具有重要意义。本文针对室内养殖海水污染特点和海水高复杂体系对重金属测定的化学干扰问题,研究和建立了测定重金属离子新方法;从海水中筛选出耐重金属离子的细菌,借助现代分子生物学技术对微生物进行研究;用海藻酸钠和四氧化三钴固定化,进行室内养殖海水中重金属吸附和有机物去除研究。借助XPS、XRD、FTIR、SEM等手段研究了海水中重金属离子去除机理。主要研究结论如下:1.合成了新型三氮烯类显色剂,建立了光度法测定海水中重金属离子铅（II）、锌（II）、汞（II）和镍（II）的新方法。这些方法具有分析简便、快速、准确度高特点,同时避免了国标测定方法中有毒试剂使用。2.从海水中筛选出对重金属有较好耐受性细菌。通过生理生化检测、显微镜镜检方法,并借助现代分子生物学技术对微生物进行鉴定,确定筛选的微生物为鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp. XJ2。经过多次诱导驯化后,菌体对Pb²⁺的最大去除率可以提高到95 %,吸附效果优于文献报道中绝大多数菌种。试验中发现菌体对其它重金属如Hg²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺和COD也有较高去除率,对海水中污染物净化表现出良好效果。3.以海藻酸钠作为包埋剂,同时添加硅藻土对鞘氨醇单胞菌进行固定化,制备固定化小球化学稳定性好,溶胀性及破裂率低,减少微生物流失,使用周期可达30天以上。固定化小球对海水中Pb²⁺饱和吸附量达到163.9 mg/g,且受海水中共存盐类影响较小。吸附Pb²⁺后,可以用EDTA解吸,解吸五次后对Pb²⁺解吸率仍可保持90%,可以重复使用降低成本。固定化小球在不同温度条件下表现出对Pb²⁺、Hg²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺等重金属离子良好吸附性能,可对不同季节养殖海水进行净化,重金属含量可达到海水水质II类标准。4.固定化小球吸附Pb²⁺动力学过程由液膜扩散与孔内扩散共同控制,满足准二级动力学模型条件,其等温吸附过程符合Langmuir模型。红外光谱及XPS研究表明,Pb²⁺主要是与C-H、C-O发生络合反应。XPS及XRD分析发现Pb²⁺与氧结合形成PbO无机微沉积晶体,这表明Pb²⁺在吸附剂上吸附主要是离子交换和无机微沉积过程。5.海藻酸钠固定化菌体具有生物吸附和生化降解两重功能。COD最佳去除条件为37℃,pH值7.0,搅拌强度120 r/min,振荡90 min,COD去除率达到86%,去除效果明显优于单独使用菌种的效果。净化后出水水质达到海水质量Ⅱ类标准。6.利用合成新型Co3O4纳米带材料吸附性能、再生性能好优点,去除养殖海水中重金属离子,其重金属吸附能力顺序为Hg²⁺ >Ni²⁺ >Pb²⁺ >Zn²⁺。处理后水质达海水水质II类标准。Co3O4负载鞘氨醇单胞菌制备复合吸附剂进行海水中重金属离子动态吸附试验,当流速为1.2 L/h,时间为100～120min左右,重金属离子去除率达到90%以上,处理后水质达海水质量I类标准;连续出水COD值均低于3.2 mg/L, COD去除率达85%。毒理学研究表明,纳米Co3O4粒子在吸附重金属过程中可能携带Pb²⁺进入细胞,使Pb²⁺在细胞膜或者细胞质中释放蓄积,联合导致对菌体的毒性。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
Detailed Abstract  10-28
1 绪论  28
1.1 海洋水产养殖中主要污染物的危害  28-30
  1.1.1 重金属污染对海洋养殖的危害  28-29
  1.1.2 有机质污染对海洋养殖的危害  29-30
1.2 养殖海水净化技术的国内外相关研究动态  30-34
  1.2.1 植物对重金属、有机物污染的净化作用  30-31
  1.2.2 海洋动物对重金属、有机物污染的净化作用  31
  1.2.3 微生物在海水净化中的应用  31-34
1.3 微生物固定化技术的应用  34-36
  1.3.1 微生物固定化方法  35
  1.3.2 固定化微生物载体的研究现状  35-36
1.4 纳米材料在重金属去除中的应用  36-37
1.5 研究背景及意义  37-38
1.6 研究内容  38-40
2 海水中重金属测定新方法的建立  40-47
  2.1 显色剂的合成与鉴定(Synthesis and characterization of chromogenic Reagent)  40-43
    2.1.1 1-(4-安替比林)-3-(3-硝基苯胺)三氮烯的合成与鉴定  40-42
    2.1.2 1-(4-安替比林)-3-(对苯磺酸)三氮烯的合成与鉴定  42-43
  2.2 1-(4-安替比林)-3-(3-硝基苯胺)三氮烯与铅(Ⅱ)的显色反应  43-44
    2.2.1 试验方法  43
    2.2.2 测定条件的确定  43-44
  2.3 锌(Ⅱ)、镍(Ⅱ)、汞(Ⅱ)的测定  44-45
  2.4 海水中重金属测定  45
    2.4.1 巯基棉吸附、分离装置制备  45
    2.4.2 样品分析结果  45
  2.5 本章小结  45-47
3 耐重金属细菌的筛选与鉴定  47-55
  3.1 菌体初筛  47-49
    3.1.1 采样  47
    3.1.2 培养基  47
    3.1.3 初筛方法  47
    3.1.4 初筛结果  47-49
    3.1.5 生长曲线测定  49
  3.2 诱导驯化试验  49-52
    3.2.1 铅抗性能力的测定  50-51
    3.2.2 诱导吸附能力试验  51-52
  3.3 菌种的鉴定  52-54
  3.4 本章小结  54-55
4 海藻酸钠固定化菌体吸附铅的研究  55-95
  4.1 试验材料与方法  55-56
    4.1.1 试剂与仪器设备  55
    4.1.2 试验过程与方法  55-56
  4.2 固定化小球性能试验  56-57
  4.3 固定化小球吸附铅离子的单因素试验  57-64
  4.4 正交试验  64-66
  4.5 吸附动力学、热力学研究  66-74
    4.5.1 吸附动力学分析  66-70
    4.5.2 等温吸附研究  70-74
  4.6 样品表征及其吸附机理的研究  74-80
    4.6.1 SEM、EDS 分析  74-77
    4.6.2 红外光谱分析  77-79
    4.6.3 X 射线光电子能谱及X-射线衍射仪分析  79-80
  4.7 固定化小球净化养殖海水的试验研究  80-93
    4.7.1 单因素试验  80-86
    4.7.2 海藻酸钠固定化菌体小球吸附重金属离子的正交试验  86-93
  4.8 本章小结  93-95
5 海藻酸钠固定化菌体降解海水中COD 试验  95-103
  5.1 试验材料与方法  95
  5.2 单因素试验  95-99
  5.3 正交试验  99-101
  5.4 微生物包埋对COD 去除效率的影响  101-102
  5.5 本章小结  102-103
6 纳米四氧化三钴负载菌体对养殖海水中污染物的去除研究  103-140
  6.1 实验材料与方法  103-104
  6.2 纳米带的特点  104-105
  6.3 纳米带制备方法  105-107
    6.3.1 溶剂热法  105-106
    6.3.2 水热法制备四氧化三钴  106-107
  6.4 纳米四氧化三钴的表征  107-115
  6.5 纳米Co_30_4吸附铅离子试验  115-118
  6.6 吸附动力学、热力学研究  118-124
    6.6.1 吸附动力学研究  119-120
    6.6.2 等温吸附研究  120-124
  6.7 纳米四氧化三钴材料吸附重金属的机理研究  124-129
    6.7.1 电镜、能谱、红外光谱图分析  124-128
    6.7.2 Ht 滴定图  128-129
    6.7.3 吸附过程中pH 的变化  129
  6.8 Co_30_4负载鞘氨醇单胞菌动态吸附重金属研究  129-135
    6.8.1 复合生物吸附剂的制备  129-130
    6.8.2 动态吸附试验  130-135
  6.9 Co_30_4与重金属铅的协同作用对鞘氨醇单胞菌的毒理学研究  135-139
  6.10 本章小结  139-140
7 结论与建议  140-143
  7.1 结论  140-141
  7.2 研究创新点  141-142
  7.3 建议  142-143
参考文献  143-153
作者简历  153-155
学位论文数据集  155

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