嗜冷型碳酸钙矿化菌对锶的固定化研究

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虽然国内外关于生物矿化与重金属污染治理及作用机理方面的研究已经取得了诸多重大成果,但通过对文献检索的统计看来,对生物矿化的探究多以碳酸盐矿物为主,而在碳酸盐矿化菌的相关研究中,则大多数以产脲酶微生物为研究重点。碳酸酐酶可以通过加速二氧化碳的可逆水合反应来提高碳酸根浓度,从而起到促进碳酸盐沉积的作用,在生物矿化过程中占据着举足轻重的地位。产脲酶微生物则是利用脲酶分解酶化底物尿素来增加环境中的碳酸根浓度,同时调节周围环境的酸碱度从而促进碳酸盐的沉积。不足的是该过程会产生氨气,因此从环境友好性和安全性的角度来讲,产碳酸酐酶微生物更具有研究价值。此外,虽然自然界中分布着众多可以促进碳酸盐沉积的微生物,但大多数被研究的微生物都来自于较常规的生存环境,本研究的实验菌株筛选自常年低温高海拔环境的黄龙自然风景区水体,因此实验菌本身具有嗜冷性的特性,同时通过实验验证了其产碳酸酐酶的特性和高度耐锶的特性,结合日前严重的重金属污染和放射性核素的污染,利用实验菌促进碳酸钙沉积的特点,在沉积的过程中同时对重金属锶进行固定,以达到控制污染的效果。本研究运用ICP、FT-IR、XRD、SEM-EDS等手段,通过对碳酸钙沉积体系和碳酸钙锶沉积体系中产物的沉积量、钙离子和锶离子的固定率、沉积产物的物相组成和微观形貌进行表征,来确定嗜冷型碳酸钙矿化菌对碳酸钙的沉积以及对重金属锶的固定化的影响,所得到的结果如下:(1)嗜冷型碳酸钙矿化菌18-10为Bacillus cereus,对重金属锶有较高的耐受性。在重金属耐受性实验中,实验菌在300mg/L的重金属锶浓度环境下生长情况依然不受影响,具有高度耐锶的特性,经16S rDNA检测其为Bacillus cereus,革兰氏染色结果呈阳性,形态特征为短杆状,且有芽孢,两头圆润,形状统一,长度为2μm3μm。(2)嗜冷型碳酸钙矿化菌18-10对碳酸盐的矿化沉积具有促进作用,能够提高共沉积离子的固定率,同时诱导球霰石的产生。通过对碳酸钙沉积体系和碳酸钙锶共沉积体系中沉积结果的比较,实验组的沉积量均高于空白组,且共沉积体系中沉积物的能谱结果显示,实验组沉积产物晶体中锶离子所占比例远高于空白组,表明嗜冷型碳酸钙矿化菌有利于沉积量的产生且能够提高共沉积体系中锶离子的固定率。此外,嗜冷型碳酸钙矿化菌及其代谢产物可能是诱导沉积体系中球霰石晶型产生的主要因素。(3)温度处于20℃25℃,沉积时间为7天时是碳酸钙锶共沉积和重金属锶固定化的最佳条件。在探究各因素对碳酸钙沉积及重金属锶固定化的影响中,20℃25℃温度范围内沉积产物的沉积量和体系中Ca2+、Sr2+的固定率都达到最高,且此时的沉积产物以方解石为主,温度过高或过低时,嗜冷型碳酸钙矿化菌的存在都会诱导球霰石晶型的产生,同时晶胞参数也随之减小,不利于碳酸钙锶的共沉积及其固定化,因此该温度为碳酸钙锶共沉积和重金属锶固定化的最适温度。沉积时间7天时,各体系的沉积量和固定率情况均达到最佳,沉积产物以方解石为主,在此时间之前,沉积体系生成的球霰石和钙锶共氧化物不利于碳酸钙锶的共沉积和固定化,而时间过长则可能发生复溶的情况,因此沉积时间以7天为最佳。(4)体系初始pH对沉积结果影响较小,过高的钙离子和锶离子浓度不利于碳酸钙锶共沉积和重金属锶固定化。各初始pH值的实验体系中沉积产物的物相和微观形貌未显示出明显的差异,但初始pH值介于78之间时所对应的沉积量最高,中性至碱性的初始环境有利于重金属锶的固定化。体系中过高的锶离子浓度和钙离子浓度不利于碳酸钙锶的共沉积和固定化,共沉积效果和固定化效果随着体系中离子浓度的升高而大打折扣,但过低的锶离子浓度和钙离子浓度在实验菌的存在下,会诱导球霰石晶型的产生,因此沉积体系中锶离子浓度保持在200 mg/L左右,同时钙离子保持在0.1mol/L以下时,碳酸钙锶共沉积和重金属锶固定化的效果最佳。
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