甲烷基質(zhì)膜生物反應(yīng)器中釩酸鹽的生物還原及胞外聚合物的響應(yīng).pdf

1、釩(Ⅴ)是地殼中含量與鋅相當(dāng)?shù)倪^渡金屬元素，廣泛分布于含釩礦物如釩鈦磁鐵礦、釩鈾礦以及含碳化石有機(jī)物中，在金屬冶煉、電池生產(chǎn)、化學(xué)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。盡管釩是生物細(xì)胞必不可少的元素，但當(dāng)生物體內(nèi)含量超過1mg L-1時就會產(chǎn)生毒性。由于釩酸鹽與磷酸鹽具有相近的化學(xué)結(jié)構(gòu)，過量釩酸鹽在人體內(nèi)存在會抑制磷酸鹽代謝酶的活性，從而破壞細(xì)胞正常的形態(tài)和功能，損傷人體呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)。與V(Ⅴ)相比，V(Ⅳ)毒性低且易沉淀

2、，可以通過離心過濾等方法從水體中去除，因此，將V(Ⅴ)還原為V(Ⅳ)沉淀是實現(xiàn)廢水中釩酸鹽脫毒的可行方法。
　　國內(nèi)外對水體中釩酸鹽的去除方法主要包括物理法、化學(xué)法和生物法，其中生物處理手段反應(yīng)條件溫和、成本低廉、環(huán)保無污染，成為近些年來的研究熱點(diǎn)。某些微生物能以無機(jī)物（如氫氣）和有機(jī)物（如甲醇、乳酸等）為電子供體進(jìn)行釩酸鹽的還原，實現(xiàn)水體中釩酸鹽污染的去除，如能實現(xiàn)利用甲烷作為電子供體和碳源驅(qū)動釩酸鹽生物還原，則既能去除水體中的

3、污染物，又有效地減少了溫室效應(yīng)氣體甲烷的排放。
　　本實驗以甲烷基質(zhì)膜生物反應(yīng)器(CH4-MBfR)為載體，以微好氧甲烷氧化反硝化培養(yǎng)物為接種源，添加V(Ⅴ)的模擬廢水以富集釩酸鹽還原菌群。實驗過程中甲烷供應(yīng)量充足，四個階段中V(Ⅴ)進(jìn)水濃度分別為2、5、10、5mg L-1。反應(yīng)中微生物還原釩酸鹽能力持續(xù)增長。當(dāng)進(jìn)水污染物表面負(fù)荷為668mg m-2day-1時，穩(wěn)態(tài)時去除通量高達(dá)420mg m-2day-1，去除率為63％。高

4、濃度負(fù)荷后將進(jìn)水V(Ⅴ)濃度重新降低到5mg L-1（表面負(fù)荷363mg m-2day-1），污染物能夠被100％去除。本實驗證實了CH4-MBfR中的微生物能以甲烷為唯一的電子供體，實現(xiàn)對釩酸鹽的去除。
　　V(Ⅴ)的還原刺激了微生物細(xì)胞外聚合物(EPS)的分泌。實驗樣品中EPS的主要成分蛋白質(zhì)、多糖和腐殖酸類物質(zhì)濃度均高于初始培養(yǎng)物。EPS中這些組分的濃度在階段1，2和4中逐漸增加，含量變化趨勢與釩酸鹽去除效果有很好的相關(guān)性，

5、但在V(Ⅴ)表面負(fù)荷很高(668mg m-2day-1)的情況下，EPS含量會明顯減少。利用三維熒光光譜技術(shù)(3D-EEM)以及傅里葉變換紅外光譜技術(shù)(FTIR)對EPS進(jìn)行分析，結(jié)果表明，微生物細(xì)胞分泌的EPS主要成分為色氨酸和腐殖酸物質(zhì)，這兩種物質(zhì)在保護(hù)微生物細(xì)胞并結(jié)合V(Ⅴ)的過程中扮演著重要角色。FTIR結(jié)果顯示，多糖和腐殖酸中的OH-、COO-為EPS中的主要功能基團(tuán)，在釩酸鹽濃度升高時光譜圖像的峰強(qiáng)度明顯增大，表明在不利環(huán)境

6、條件下這兩個基團(tuán)起到了維持細(xì)胞的正常生理功能的作用。通過掃描電子顯微鏡(SEM)表征生物膜表面形態(tài)，發(fā)現(xiàn)膜上有大量礦物質(zhì)沉淀，能量色散X射線光譜(EDS)以及X射線光電子能譜(XPS)分析證明這些沉淀物質(zhì)很可能是被還原后的沉淀態(tài)V(Ⅳ)，且出水中未檢測到可溶解態(tài)V(Ⅳ)，說明V(Ⅴ)被完全還原為V(Ⅳ)沉淀。
　　高通量測序結(jié)果顯示，反硝化甲烷氧化菌Methylomonas(Gammaproteobacteria)和雌甾二醇降解反

7、硝化菌Denitratisoma(Betaproteobacteria)的相對豐度與V(Ⅴ)去除通量有很強(qiáng)的相關(guān)性，由于一些反硝化菌中的硝酸鹽還原酶具有還原釩酸鹽的能力，推測這兩種菌對體系中釩酸鹽的還原起到了重要作用。在生物膜上甲烷氧化菌Methylomonas和Methylococcus在生物膜上產(chǎn)生了富集，這兩種菌很可能在體系中行使了甲烷氧化的功能。甲醇氧化菌Methylophilu（嗜甲基菌屬）在體系中產(chǎn)生了富集，表明在反應(yīng)中甲烷