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一株抗Cd~(2+)菌株的筛选及其吸附性能研究

作　者: 孙永亮
导　师: 王弋博
学　校: 兰州交通大学
专　业: 微生物
关键词: 重离子诱变抗Cd2+菌株筛选吸附性能
分类号: X172
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着工业发展，重金属污染已经成为水体污染的重要元凶，如果不进行有效处理，会对生态环境和人类健康造成严重危害。传统重金属废水处理方法主要用于去除高浓度重金属离子，而生物吸附法以其吸附快、成本低、易操作等优点在处理低浓度重金属废水方面优势较大，发展前景极为广阔。本实验通过12C6+重离子束辐照诱变技术筛选到一株高耐受性Cd²⁺的菌株C2，初步鉴定为获山氏菌属（Beutenbergia）细菌。研究表明，C2对Cd²⁺抗性较好，Cd²⁺浓度≤100mg/L时，C2菌株可以生长繁殖，但其菌体生长能力随Cd²⁺浓度升高而降低。经过扫描电镜（SEM）分析发现，C2受到Cd²⁺胁迫时会产生大量胞外产物，这些产物能与Cd²⁺形成络合物，降低环境中的Cd²⁺浓度。C2菌粉对Cd²⁺的吸附过程受到初始溶液pH值、吸附剂投加量、吸附温度和时间的影响。研究结果表明，C2菌粉吸附Cd²⁺的最佳初始pH值为5.0，最佳投加量为1.0g/L，最佳吸附温度为20℃，最佳吸附时间为0.5-1.0h。将吸附数据和3种等温模型Langmuir、Freundlich和D-R拟合后发现，吸附过程可以较好的和3种等温模型拟合，其中与Langmuir等温模型拟合最佳，相关性R²达到0.99以上，吸附最大容量为97.18mg/g；根据Freundlich和D-R等温线拟合结果可知，菌粉对Cd²⁺的吸附过程为物理吸附。吸附动力学研究表明，在20-50℃之间，吸附菌剂不符合拟合一级动力学模型，但与拟合二级动力学模型相关性较好，R²在0.99以上，且理论值q2也与实际值较为接近；吸附热力学研究表明，菌粉C2对Cd²⁺的吸附反应可自发进行，反应自发率与温度呈反比，吸附Cd²⁺过程为放热过程，且固液相界面呈无序性。红外线图谱（FTIR）分析对比表明，菌粉吸附Cd²⁺后红外图谱峰形基本不变，但部分峰值产生漂移；吸附过程中的主要作用集团为醇羟基O-H键、氨基和酰胺基团；SEM检测发现细胞表面基团和Cd²⁺发生络合后，会填满菌粉表面空隙部位，形成凸起。将C2菌体采用悬滴法制备的固定化菌球表面光滑，直径在1.5-2mm，含菌量（干重）在10%左右。固定化以后的菌体吸附过程与菌剂相似，其最佳初始pH值、投加量、温度、时间分别为5.0、10.0g/L、20℃和4h。等温模型拟合发现，其吸附过程与菌粉一致，与Langmuir等温模型拟合最佳，吸附过程为物理吸附。吸附动力学研究表明，吸附过程符合二级动力学模型；热力学研究表明吸附反应能自发进行，吸附过程为放热过程，固液相界面呈无序性。菌株C2不仅可以耐受较高浓度的Cd²⁺，其菌体制成的吸附菌粉或固定化吸附剂都可以用于水相中Cd²⁺的吸附，吸附过程和吸附条件相似。较固定化吸附剂，菌粉达到吸附平衡所需时间较少；但固定化吸附剂后期处理过程较为简单，只需过滤即可从吸附液中分离吸附剂。因此，两种吸附剂各有利弊，都可进一步用于实际废水中重金属离子去除的研究。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 前言  12-23
  1.1 含镉废水的来源和危害  12-13
    1.1.1 含镉废水的来源  12-13
    1.1.2 含镉废水的危害  13
  1.2 微生物对重金属的抗性机制  13-16
    1.2.1 胞外作用  14
    1.2.2 胞内作用  14-16
  1.3 含重金属废水处理方法  16-18
    1.3.1 化学法  16-17
    1.3.2 物理法  17
    1.3.3 物理化学法  17-18
  1.4 生物吸附法  18-21
    1.4.1 生物吸附材料来源  18-19
    1.4.2 生物吸附机理  19-20
    1.4.3 生物吸附主要影响因素  20-21
  1.5 生物固定化技术  21
  1.6 重离子辐照技术  21
  1.7 课题研究目的、内容及创新点  21-23
    1.7.1 研究目的  21-22
    1.7.2 研究内容  22
    1.7.3 创新点  22-23
2 实验材料和方法  23-32
  2.1 实验材料  23-24
    2.1.1 仪器和药品试剂  23-24
    2.1.2 培养基  24
    2.1.3 菌种  24
  2.2 抗Cd~(2+)微生物的筛选和诱变  24-25
    2.2.1 菌株鉴定  24-25
    2.2.2 重离子辐照筛选抗性菌株  25
    2.2.3 C2菌株最佳生长条件探索  25
    2.2.4 C2生长曲线测定  25
  2.3 C2对Cd~(2+)的抗性及抗性机理研究  25-26
    2.3.1 菌体C2对Cd~(2+)抗性研究  25
    2.3.2 菌体C2对Cd~(2+)的抗性机理研究  25-26
  2.4 吸附液和吸附剂制备  26-27
    2.4.1 Cd~(2+)溶液配制  26
    2.4.2 吸附剂制备  26-27
  2.5 吸附剂性质及吸附机理研究  27
    2.5.1 菌粉  27
    2.5.2 固定化颗粒  27
  2.6 吸附实验  27-28
    2.6.1 pH值  27
    2.6.2 吸附剂投加量  27-28
    2.6.3 吸附温度  28
    2.6.4 吸附时间  28
    2.6.5 吸附率（Q）和吸附量（q）  28
  2.7 等温线模型  28-30
    2.7.1 Langmuir等温线模型  28-29
    2.7.2 Freundlich等温线模型  29
    2.7.3 Dubimim-Radushkevich(D-R)等温线模型  29-30
  2.8 动力学和热力学研究  30-31
    2.8.1 动力学研究  30
    2.8.2 热力学研究  30-31
  2.9 数据处理方法  31-32
3 C2辐照筛选和特性研究  32-40
  3.1 引言  32
  3.2 抗性菌株筛选  32
  3.3 菌株鉴定  32-34
    3.3.1 形态观察  32-33
    3.3.2 C2测序结果  33-34
    3.3.3 BLAST同源性比较  34
  3.4 C2最佳生长条件探索  34-36
    3.4.1 最佳接种量  34-35
    3.4.2 最佳初始pH值  35
    3.4.3 最佳培养温度  35-36
    3.4.4 C2生长曲线测定  36
  3.5 C2抗镉性能研究  36-38
    3.5.1 C2抗镉能力测定  36-37
    3.5.2 C2抗镉机理研究  37-38
  3.6 吸附剂研究  38-39
    3.6.1 菌粉  38
    3.6.2 固定化颗粒  38-39
  3.7 本章小结  39-40
4 菌粉对Cd~(2+)的吸附研究  40-52
  4.1 引言  40
  4.2 Cd~(2+)在水相中的分布  40
  4.3 吸附影响因素  40-43
    4.3.1 初始pH值对吸附效果的影响  40-41
    4.3.2 吸附剂投加量对吸附效果的影响  41-42
    4.3.3 吸附时间和温度对吸附效果的影响  42-43
  4.4 等温线模型  43-47
    4.4.1 Langmuir等温线模型  43-44
    4.4.2 Freundlich等温线模型  44-45
    4.4.3 Dubimim-Radushkevich(D-R)等温线模型  45-47
  4.5 动力学研究  47-48
  4.6 热力学研究  48-49
  4.7 菌粉吸附Cd~(2+)机理研究  49-51
    4.7.1 菌粉红外线扫描  49-50
    4.7.2 菌粉吸附Cd~(2+)SEM分析  50-51
  4.8 本章小结  51-52
5 C2固定化吸颗粒对Cd~(2+)的吸附研究  52-62
  5.1 引言  52
  5.2 吸附影响因素  52-54
    5.2.1 初始pH值对吸附效果的影响  52-53
    5.2.2 吸附投加量对吸附效果的影响  53-54
    5.2.3 吸附时间和温度对吸附效果的影响  54
  5.3 等温线模型  54-58
    5.3.1 Langmuir等温线模型  54-55
    5.3.2 Freundlich等温线模型  55-56
    5.3.3 Dubimim-Radushkevich(D-R)等温线模型  56-58
  5.4 动力学研究  58-59
  5.5 热力学研究  59-60
  5.6 本章小结  60-62
6 结论和后续研究方向  62-64
  6.1 实验结论  62-63
  6.2 后续研究方向  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-69
读硕士期间发表的论文  69

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