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由于工业废水的排放和其他人类活动,有毒重金属特别是Cd2+、Cu2+、Pb2+和Zn2+,正越来越多地被释放到环境中。重金属污染对动物和人类健康带来潜在的危害,其对环境的影响和在食物链中的累积增长,促进了开发可替代、高效、低成本的废水处理技术的研究,利用微生物作为吸附剂的处理方法得到了越来越广泛的关注。
了解微生物对重金属的吸附特性对生物修复重金属污染具有及其重要的意义。为了更好地认识使用生物吸附剂修复重金属的机制,该论文研究了抗性青霉菌和镰刀菌对不同浓度和复合种类的重金属Cd2+、Cu2+、Pb2+和Zn+的耐受性、生物吸附和生物积累能力,考察混合接菌和不同培养基对菌株吸附能力的影响;大型真菌毛木耳和银耳的死细胞和新鲜细胞的生物量吸附重金属的影响因子,包括溶液初始浓度、反应时间、不同吸附剂及复合重金属溶液中各离子间的竞争吸附,以及木耳的吸附动力学特性,通过分析菌丝体对重金属的生物积累和生物吸附的特性,评价不同处理条件对菌株吸收重金属产生的影响。
主要研究成果和结论如下:
1)抗性水平:本试验采用的青霉菌和镰刀菌对Cd2+、Cu2+、Zn2+和Pb2+具有很强的抗性。青霉菌抗重金属Cu2+、Cd2+、Zn2+和Pb2+的水平分别为150 mM,5 mM,150 mM,35 mM;镰刀菌抗重金属Cu2+、Cd2+、Zn2+和Pb2+的水平分别为10 mM,15 mM,100 mM,20 mM。
2)耐受性:镰刀菌对Cd2+和Cu2+的耐受性较强,青霉菌对Pb2+和Zn2+的耐受性较强。单金属污染时Pb2+对菌株的生长的抑制性最大,添加重金属对菌株的生长有明显的抑制作用,复合重金属的种类越多,对生长的抑制作用越明显。Cu2+对这两种菌的生长有促进作用,Cd—Zn处理混合接菌有显著的生长促进效应。培养基的种类影响菌株对重金属的耐受性:PDA培养各菌落的生长速率都较CDA培养快。
3)生物吸附能力:青霉菌和镰刀菌菌丝体对重金属的吸附能力表现出一定的差异,不论在单独或混合的重金属溶液中,对Pb2+的吸附率和吸附量都明显高于其他三种金属,菌丝体对Cd2+、Cu2+、Zn2+和Pb2+的最大吸附量分别为7.94,6.61,9.05和34.80 mg g-1。青霉菌和镰刀菌对Cd2+、Cu2+和Zn2+的吸附率随浓度的升高而下降,吸附量随浓度的增加先增大后减小;对Pb2+升高到较高浓度(Pbo=300 ppm)吸附率下降,吸附量先逐渐增加后变化不大。多种重金属的复合对菌丝体吸附重金属离子表现出抑制作用。PDB培养混合接菌对各复合重金属离子的吸附率和吸附量有明显的促进作用。CDM培养菌丝体对Pb2+的吸附量均高于PDB培养,培养基会影响菌丝体对重金属的吸附能力。菌丝体对重金属的吸附能力与其对重金属的耐受性无关。
4)生物积累能力:镰刀菌对重金属的积累量要大于青霉菌。PDB培养菌丝体对Zn2+和Pb2+的吸附量大于对Cu2+和Cd2+的吸附量,菌丝体对Zn2+和Pb2+的吸附量介于100~600 mg g-1之间,而对Cu2+和Cd2+的吸附量基本上都小于100 mg g-1。Cd—Cu—Zn处理,菌丝体对Cd2+、Cu2+和Zn2+的吸附量最大。菌丝体活细胞在生长过程中对重金属的生物积累量远大于菌丝体生长完成后的生物量对重金属的生物吸附量。
5)木耳吸附特性:溶液初始浓度增加到一定值(约100 ppm),吸附剂对四种金属的吸附率下降,而吸附量随着浓度的增加而增加。随着反应时间的增加,不同吸附剂对重金属的吸收总体呈上升趋势,但呈现出以下3种变化规律:(1)变化一直趋于平缓,吸附量增加幅度较小;(2)开始迅速增加,然后达到极大值,趋于平稳;(3)先缓慢增加,迅速达到一个峰值后吸附量下降,整个过程中会出现一个明显的波峰。
在多金属共存的溶液中干毛木耳,新鲜毛木耳对金属离子的吸附率和吸附量比同等试验条件下吸附单金属的值要小,而干银耳对Pb2+的吸附和新鲜银耳对Cu2+和Pb2+的吸附与单金属溶液中吸附量值相比变大或只是稍有下降。混合重金属溶液中四种吸附剂对金属离子的吸附量和吸附率都有Pb2+> Cu2+> Zn2+>Cd2+。不同吸附剂吸收重金属的能力强弱依次为新鲜白木耳>干白木耳>新鲜毛木耳>干毛木耳。准二阶吸附模型比准一阶,Elovich和双常量模型更好地描述了木耳对重金属的吸附动力学过程。拟合得到的最大吸附量分别为Cd2+25 mg g-1,Cu2+17.857 mg g-1,Pb2+29.412 mg g-1,Zn2+15.873 mg g-1。