硝化不动杆菌AL-6对Mn(Ⅱ)的去除机制研究及Mn(Ⅱ)污染环境治理应用初探

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中国作为世界最大的电解金属锰生产国,其产量占世界电解锰产量的98.5%。电解锰渣是在电解锰制备工序过程中锰矿经酸浸中和等步骤产生的固体废弃物,是电解锰行业中的重点污染物。近几十年来,我国电解锰渣的储存量已超过1.6亿吨,每年约产生近1000万吨的电解锰渣。雨水冲刷和渗滤作用导致了电解锰渣中大量可溶性的Mn(Ⅱ)和NH4+-N随渗滤液进入地下水和土壤环境,造成严重的环境污染。由于Mn(Ⅱ)和NH4+-N去除过程中所需要的氧化还原电位(ORP)、溶解氧(DO)浓度和p H均不同,导致了用单一处理系统同时去除Mn(Ⅱ)和NH4+-N是具有挑战性的。微生物法在处理环境污染问题中具有较大的潜力而备受关注,相比于传统的物理化学法其在经济性,持续性和去除效率方面具有巨大优势。本文重点探求一株能在硝化反应的同时去除Mn(Ⅱ)的细菌,用于应对Mn(Ⅱ)和NH4+-N对环境造成的复合污染问题。研究菌株同步去除Mn(Ⅱ)和NH4+-N的能力及其反应代谢机制,使细菌在环境修复中发挥效力,为提高Mn(Ⅱ)和NH4+-N处理效率提供理论支撑。本文研究了不同浓度Mn(Ⅱ)和NH4+-N下AL-6菌株对Mn(Ⅱ)的去除性能,分析了Mn(Ⅱ)去除与硝化行为的相互作用过程。研究了细胞锰代谢过程和氧化活性因子的位置分布。通过扫描电子显微镜(SEM),能量色散光谱仪(EDS),X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等技术手段探索了AL-6菌去除Mn(Ⅱ)的机理。同时将菌株AL-6应用于模拟的Mn(Ⅱ)污染环境包括土壤环境和地下水环境,初步探究了菌株AL-6的环境修复应用潜力。实验结果发现:(1)课题组前期从来自于污水处理厂的活性污泥中分离筛选出一株具有异养硝化-好氧反硝化功能的菌株,被鉴定为鲍曼不动杆菌菌株AL-6(Acinetobacter baumannii AL-6;Gen Bank登录号:KY930369)。将菌株AL-6以1%(v/v)的比例接种到含100 mg/L的Mn(Ⅱ)和NH4+-N的硝化培养基中,在条件为30℃和120rpm的情况下培养144 h。菌株AL-6在96 h生长进入稳定期,其OD600值达到最大为0.962左右。在144 h后Mn(Ⅱ)和NH4+-N的去除率分别为98.9%和61.8%。(2)菌株AL-6对不同Mn(Ⅱ)浓度(25、50、100、200、300 mg/L)的去除效率分别为17.4%、96.8%、98.9%、99.0%、98.7%,在不同Mn(Ⅱ)浓度下对100 mg/L NH4+-N的去除率分别为60.69%(不含Mn(Ⅱ)的空白组)、50.5%、62.6%、61.8%、64.2%、67.2%。发现在一定范围内随着Mn(Ⅱ)浓度的升高,刺激了菌株的生长和促进了对Mn(Ⅱ)的去除效率。与此同时,一定浓度Mn(Ⅱ)的存在能够促进NH4+-N的去除,同时会积累一定的中间产物。(3)菌株AL-6在不同氨氮浓度下(30、50、100、150、200 mg/L)对100 mg/L的Mn(Ⅱ)进行去除实验发现144 h后Mn(Ⅱ)剩余浓度分别为1.26、1.60、1.93、24.30、94.16 mg/L。氨氮浓度的增加明显抑制了锰的去除,推测原因可能是对电子受体(DO)的竞争抑制结果。(4)研究了胞内外锰代谢机制和对氧化活性因子分布进行定位发现,细胞外效应在锰的生物吸附和氧化过程中起主导作用,尤其是细胞外氧化过程。通过SEM-EDS、FTIR、XRD发现培养在含锰培养基中的细菌细胞表面附着有大量的片状物质,主要成分是Mn O2和Mn2O3。表明了菌株AL-6主要是通过将Mn(Ⅱ)转化成高价态的锰氧化物从而去除水体中的可溶性锰。此外,Mn-O官能团的出现以及Mn、O元素水平的增加进一步证实了生物氧化信息。-OH、N-H和-CH2基团的变化以及新官能团(如C-H和C-O)的出现为Mn2+的吸附和键合提供了更多可能性。(5)对菌株AL-6在模拟土壤锰污染环境的修复潜力进行了初步探究,发现菌株AL-6能够有效固定土壤环境中的重金属锰,有效阻止锰离子在土壤中的迁移过程。细胞吸附和官能团络合作用以及重金属氧化还原反应在土壤重金属锰固定化中起到主要作用。而且,在模拟的锰污染地下水环境中发现菌株AL-6能够适应Mn(Ⅱ)和NH4+-N污染的复杂水体环境,能够有效去除地下水中的锰,具有潜在的应用潜力。
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