金屬離子在好氧微生物顆粒上的界面作用.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的不斷發(fā)展，水環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，廢水生物處理技術(shù)是解決水污染問題的重要手段之一。與傳統(tǒng)的絮體活性污泥相比，好氧微生物顆粒由于其優(yōu)異的沉降性能和良好的生物活性而受到普遍關(guān)注。重金屬污染指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染，已經(jīng)十分普遍。在微生物生長(zhǎng)代謝過程中，微量的重金屬是微生物生活所需物質(zhì)，但是過量反而抑制微生物的生長(zhǎng)代謝甚至引起死亡。因此研究微生物顆粒與金屬之間的相互作用對(duì)于維持生物系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本論文

2、從好氧微生物顆粒的界面吸附特性研究出發(fā)，探討了好氧微生物顆粒與金屬離子相互作用的界面過程，解析了重金屬對(duì)好氧微生物顆粒生理生化特性的影響，并在量化計(jì)算的指導(dǎo)下對(duì)微生物顆粒表面進(jìn)行修飾強(qiáng)化了微生物顆粒與重金屬的相互作用界面行為。主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)果如下：
　　 1.研究了好氧微生物顆粒與分子染料之間相互作用，評(píng)價(jià)了好氧微生物顆粒的表面特性。研究結(jié)果表明好氧微生物具有很強(qiáng)的結(jié)合分子染料的能力，其最大結(jié)合常數(shù)為56.818 mg/g

3、 SS；利用染料分子探針結(jié)合單分子層模型判定含水好氧微生物顆粒比表面積為72.32 m2/g SS；熱力學(xué)分析表明好氧微生物顆粒對(duì)染料的吸附是自發(fā)、吸熱過程。
　　 2.考察了二元金屬體系中好氧微生物顆粒與金屬離子之間的界面作用過程和作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)金屬離子與好氧微生物顆粒最大結(jié)合系數(shù)分別為55.25mg/g Co(pH7)和62.50 mg/g Zn(pH5)；二元金屬的添加導(dǎo)致了金屬之間的競(jìng)爭(zhēng)，減少了金屬與顆粒的結(jié)合量；二

4、級(jí)動(dòng)力學(xué)速率方程能夠很好的擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推斷顆粒與金屬的相互作用的速率限制步驟為電子交換或共用電子引起的化學(xué)反應(yīng)過程；好氧微生物顆粒與Co(Ⅱ)相互作用的初始反應(yīng)速率大于與Zn(Ⅱ)作用速率；光譜和能譜分析顯示好氧微生物顆粒界面上的官能團(tuán)(如羥基和羧基)是顆粒界面上發(fā)生反應(yīng)的主要活性位點(diǎn)。
　　 3.采用傅里葉紅外光譜(FTIR)和X射線光電子能譜(XPS)技術(shù)，深入探討了不同來源的微生物顆粒胞外聚合物(EPS)與金屬離子的界面

5、作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)好氧微生物顆粒分泌的緊密束縛型EPS(TB-EPS)含量高于松散束縛型EPS(LB-EPS)，其主要成分都為多糖和蛋白質(zhì)；對(duì)Zn2+和Co2+，LB-EPS與金屬離子之間比 TB-EPS具有更大的結(jié)合能力，且兩種類型的EPS與金屬離子相互作用都符合單分子層作用模型；與一元金屬體系相比，二元金屬的加入引發(fā)了金屬之間對(duì)活性位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)減少了金屬與EPS之間的結(jié)合量；光譜及能譜分析顯示，EPS表面羥基，氨基和羧基基團(tuán)參與了與金

6、屬離子的相互作用。LB-EPS與金屬相互作用時(shí)，LB-EPS不僅起到了絡(luò)合劑的作用，同時(shí)絮凝作用強(qiáng)化了LB-EPS與金屬的相互作用能力。
　　 4.解析了金屬離子的長(zhǎng)期加入對(duì)好氧微生物顆粒微生物活性和群落多樣性的影響。結(jié)果表明，Cu(Ⅱ)的加入大大降低了好氧微生物顆粒生物質(zhì)的濃度，生物活性以及生物多樣性；而Ni(Ⅱ)對(duì)好氧微生物顆粒生物多樣性的毒性作用比較小，且好氧微生物顆粒體系提高了微生物對(duì)鎳離子的耐受水平。即使在鎳濃度為15

7、 mg/L時(shí)，Ni(Ⅱ)仍然一定程度上刺激了好氧微生物顆粒的生物產(chǎn)量和生物活性。微生物顆粒對(duì)金屬耐受性的提高主要是因?yàn)槲⑸镱w粒為微生物提供了一個(gè)緩沖區(qū)使得微生物可以逐漸適應(yīng)高的金屬濃度，使得微生物得以繼續(xù)生長(zhǎng)或者微生物的重新分布以滿足其微環(huán)境的需求；同時(shí)高的生物量和高的EPS含量都有利于降低金屬離子對(duì)好氧微生物顆粒的毒性。
　　 5.在密度泛函理論的指導(dǎo)下，強(qiáng)化了金屬離子在好氧微生物顆粒表面的界面行為，探討了聚乙烯亞胺修飾和好

8、氧微生物顆粒與金屬離子之間的作用機(jī)理。密度泛函理論計(jì)算結(jié)果顯示游離的Cu2+或是水合銅離子，都更傾向作用于氨基的N位；聚乙烯亞胺表面修飾強(qiáng)化了好氧微生物顆粒與金屬離子的相互作用，其最大結(jié)合參數(shù)分別為71.239 mg/g Cu(Ⅱ)和348.125 mg/g Cr(Ⅵ)；FTIR分析顯示氨基參與了表面修飾的好氧微生物顆粒與金屬離子的相互作用；XPS結(jié)果顯示好氧微生物顆粒表面存在Cr(Ⅲ)離子，說明微生物顆粒與Cr的相互作用不但包括表面修