甲烷作為唯一電子供體驅(qū)動六價鉻生物還原研究.pdf

1、我國水體環(huán)境中的重金屬污染日趨嚴重，其中，鉻污染現(xiàn)象較為突出。水體環(huán)境中鉻污染的來源大體分為三類:工業(yè)生產(chǎn)，日常生活及化學制品。鉻在水體中主要以三價(Cr(Ⅲ))和六價(Cr(Ⅵ)）形式存在。Cr(Ⅵ)在水體中具有高溶解度和高毒性，一般以陰離子形式存在。與之相反，Cr(Ⅲ)在中性或堿性條件下通常形成沉淀態(tài)的氫氧化物，并可以通過離心或過濾的方法去除。Cr(Ⅵ)的生物還原法是一種簡便高效的水體鉻污染修復方法，即微生物利用有機物或無機物作為電

2、子供體，以Cr(Ⅵ)作為電子受體，將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)。
　　甲烷(CH4)是一種強溫室氣體，常見于自然和人為活動中，主要來源于城市污水處理和垃圾填埋中的厭氧發(fā)酵過程，近年來在廢水生物修復中應用越來越廣泛。該生物學過程中，甲烷可以充當電子供體和碳源，為微生物的生長提供足夠的能量，從而驅(qū)動氧化態(tài)污染物的生物還原。甲烷基質(zhì)膜生物反應器(Membrane biofilm reactor, MBfR)能夠?qū)H4安全高效地傳遞給膜

3、上的微生物從而驅(qū)動微生物進行物質(zhì)和能量代謝，是一種去除廢水中Cr(Ⅵ)的理想工藝。
　　本論文研究了CH4作為唯一電子供體驅(qū)動Cr(Ⅵ)生物還原的微生物學過程，探究了不同的負荷的Cr(Ⅵ)，NO3-，SO42-及Se(Ⅵ）的還原動力學和還原過程中的相互作用，闡明了Cr(Ⅵ)生物還原過程的作用機制以及NO3-，SO42-及Se(Ⅵ)對Cr(Ⅵ)還原的影響機理。主要結(jié)論如下:
　　1) CH4-MBfR中Cr(Ⅵ)生物還原過程<

4、br>　　證實了微生物是能夠以CH4作為唯一的電子供體來驅(qū)動Cr(Ⅵ)的生物還原。當Cr(Ⅵ)是CH4-MBfR中的唯一電子受體時，隨著附著在生物膜上的微生物群落對Cr(Ⅵ)的不斷適應，微生物對Cr(Ⅵ)的還原能力不斷增強。實驗共持續(xù)90天，分為五個階段。最終，當進水Cr(Ⅵ)濃度為3mg-Cr/L，其表面負荷為370mg-Cr m-2 d-1時，去除效率達到了95％。通過XPS，TEM和EDS分析表明， Cr(Ⅲ)沉淀是Cr(Ⅵ)還原

5、的終產(chǎn)物，并且分布于細菌的胞內(nèi)和胞外。
　　2) CH4-MBfR中Cr(Ⅵ)和NO3-，SO42-及Se(Ⅵ)還原的相互作用
　　當Cr(Ⅵ)為CH4-MBfR中唯一電子受體時，進水表面負荷為500mg-Cr/m2-d的Cr(Ⅵ)全部被還原為Cr(Ⅲ);但當進水中同時含280mg-N/m2-d的NO3-時，Cr(Ⅵ)還原能力顯著降低(＜25％);當進水NO3-負荷為零時，Cr(Ⅵ)還原率僅恢復至70％。因此，NO3-對Cr

6、(Ⅵ)還原具有不可逆的抑制作用。
　　在CH4-MBfR中，當SO42-負荷從零增加到4.7mg/m2-d時，Cr(Ⅵ)去除率從60％(階段1)提高到70％;在SO42-負荷減少到零后，Cr(Ⅵ)去除率進一步增加到90％，表明硫酸鹽還原菌(SRB)在生物膜上富集，并驅(qū)動Cr(Ⅵ)的還原。然而，高負荷的SO42-(26.6mg/m2-d)會顯著抑制Cr(Ⅵ)的還原（還原率為40％）。同樣地，當CH4-MBfR進水中含0.5mg-Se

7、/L的Se(Ⅵ)時，Cr(Ⅵ)的去除率略微下降至60％;而當進水中不含Se(Ⅵ)時，Cr(Ⅵ)的去除率又回升到80％。
　　3) CH4-MBfR膜上的微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。
　　在CH4-MBfR中，隨著微生物以CH4作為電子供體驅(qū)動Cr(Ⅵ)的生物還原，Meiothermus(Deinococci)和Methylosinus（Ⅱ型甲烷氧化菌）逐漸成為了生物膜上的優(yōu)勢菌屬。群落結(jié)構(gòu)分析表明，甲烷氧化菌和鉻酸鹽還原菌之間的協(xié)

8、同作用是主要的生物學機制:甲烷氧化菌活化CH4，產(chǎn)生并釋放一些代謝中間體，鉻酸鹽還原菌利用這些中間體作為電子供體來驅(qū)動Cr(Ⅵ)的生物還原。
　　隨著NO3-的引入，膜上Meiothermus(Deinococci)相對豐度大幅降低，而Chitinophagaceae(一種反硝化細菌)的豐度顯著增加。這說明NO3-對生物膜上的微生物群落具有顯著影響。之后，當進水不含NO3-時，Pelomonas相對豐度顯著上升，表明其可能具有Cr

9、(Ⅵ)還原能力。此外，通過PICRUSt對功能基因進行預測，發(fā)現(xiàn)在引入NO3-后，生物膜上與鉻酸鹽還原有關的基因豐度顯著降低，而與反硝化作用和甲烷氧化過程有關的基因豐度卻有所增加。
　　與Cr(Ⅵ)共存的SO42-使得CH4-MBfR生物膜上演化出三個主導菌屬?；谶@三個菌屬的相對豐度與Cr(Ⅵ)和SO42-的負荷之間的相關性分析，我們得出:Methylocystis（Ⅱ型甲烷氧化菌）可同時還原Cr(Ⅵ)和SO42-，而Meiot