成核剂对不同碳酸盐矿化菌诱导碳酸钙形成的影响

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微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)是利用体系中的脲酶与尿素发生反应,在Ca2+等金属离子存在时,能以碳酸盐矿物的形式沉积出来,以达到Ca2+与重金属离子共沉淀的目的。它是一种颇具远景的重金属固化修复技术。该方法同样适用于被重金属污染的水体和土壤的修复。该技术的缺点是微生物矿化时间长,结晶速度慢,因此,寻找一种加速矿化的方法是非常必要的。本研究以具有矿化能力的巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)和科氏葡萄球菌(Staphylococcus cohnii)为研究对象,对两种矿化菌的生长进行适应性评价,筛选出能够加速结晶的成核剂,探讨了成核剂柠檬酸钠调节单菌及混合菌诱导碳酸钙沉淀的影响。主要研究结果如下:(1)通过单因素试验探究pH值、尿素浓度、Ca2+浓度对巴氏芽孢杆菌及科氏葡萄球菌生长的影响,确定了菌株的最佳培养条件及耐受范围。科氏葡萄球菌的pH耐受范围6-11,耐盐性小于10%;巴氏芽孢杆菌的pH耐受范围5-12,耐盐性小于8%;科氏葡萄球菌的钙离子最适浓度为30 g/L,尿素最适浓度为35 g/L;巴氏芽孢杆菌的钙离子最适浓度为27 g/L,尿素最适浓度为15 g/L;尿素的平均水解速率为3.677mg/L?min。(2)通过单因素试验探究不同浓度Pb、Cr、Cd胁迫下巴氏芽孢杆菌及科氏葡萄球菌的生长情况。在本实验中,巴氏芽孢杆菌耐受Pb浓度可达5 mmol/L,Cd浓度低于1 mmol/L,Cr浓度可达5 mmol/L;科氏葡萄球菌耐受Pb浓度可达5 mmol/L,Cd浓度可达3 mmol/L,Cr浓度可达3 mmol/L。(3)选择6种成核剂,分别为柠檬酸钠、氧化镁、氯化镁、壳聚糖、二氧化硅、乙醇,利用偏光显微镜,探究晶体结晶速度。6种成核剂的结晶速度为:柠檬酸钠>氧化镁>氯化镁>壳聚糖>二氧化硅>乙醇。与空白相比较,成核剂作用下沉淀量几乎都呈增加的趋势,其中柠檬酸钠作用下沉淀量最多;成核剂对铅的去除效果有所提高,加入柠檬酸钠后对铅的去除率达到90%左右;不同成核剂下的终产物形态大小不尽相同,含有多晶型物。利用雨水浸泡法,研究不同成核剂作用下矿化产物的稳定性,经过雨水浸泡后,溶液中柠檬酸钠作用下形成矿物的铅浸出率最低,表明在成核剂柠檬酸钠的作用下,铅在沉淀物中的稳定性最好。(4)柠檬酸钠在生物矿化过程中对矿化产物的形态和多态性具有重要影响。我们利用偏光显微镜实时监测矿物的生长过程,通过称量计算矿化产物重量,表明了柠檬酸钠调节MICP及MICP-Binding时能够增加矿化沉淀量,加快晶体的结晶速度;通过扫描电镜(SEM)分析了矿化产物的形貌,通过X射线衍射(XRD)及傅里叶红外(FTIR)光谱分析了矿化产物的物相、基团,确定了矿化产物为球霰石,柠檬酸钠能够细化球形颗粒,能够增加CaCO3的成核位点,促进晶体结晶,使晶体多晶型化、结晶速度加快;利用原子吸收分光光度计(AAS)确定了柠檬酸钠调节MICP及MICP-Binding时能够提高铅的去除率;通过测定菌液的电导率、pH值确定了柠檬酸钠调节MICP及MICP-Binding对pH值、电导率无影响。实验结果证明了所提出的柠檬酸钠调节单菌及混合菌诱导碳酸钙沉淀的方案是可行的。
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