废水中重金属污染日益严重,其中铅是一种很普遍的污染物。铅会对人和动物的生命组织体产生很强的毒性,因而对铅污染的修复研究不容忽视。随着对铅污染的研究深入,其处理方法也在不断的发展。微生物处理技术因其价格低廉、环境友好等优点而受到广泛的关注。白腐真菌是一种具有较强的有机物的降解能力的真菌,由于其具有较强的重金属吸附能力而使其近几年在重金属废水治理的应用研究中受到很大的关注。白腐真菌在应对有毒重金属的胁迫时会形成有效的防御体系。这些防御体系是基于菌体在胞内和胞外所产生的具有螯合络合重金属能力的物质,胞外作为重金属离子毒性钝化的第一环境尤为重要。白腐真菌产生的胞外分泌物通过调节菌体生存环境中的p H值、螯合作用、沉淀、稳定、固定等途径改变重金属的生物有效性和生物毒性,从而影响菌体对重金属的吸收。为了进一步探讨黄孢原毛平革菌对铅的生物去除机理,预测和控制重金属在环境中的去向,我们有必要从菌体在和铅离子接触的过程中为应对铅毒性所产生的一系列的胞外应答响应机制进行考察。本文将白腐真菌的模式菌种黄孢原毛平革菌应用于含铅废水的处理,研究了菌体对铅的吸附去除机理,系统地研究了黄孢原毛平革菌去除铅的过程中分泌的胞外小分子有机酸、硫醇化合物、胞外聚合物的响应特性及这些分泌物对铅的去除的作用机理,并进一步研究了这个过程中菌体去除的铅的生物活性,从而发展了基于黄孢原毛平革菌的含铅废水处理和稳定化技术和理论。本文的具体研究工作及成果包括以下4个部分的内容:第1部分为黄孢原毛平革菌对铅离子的吸附机理的研究。实验中采用的是培养成熟的菌体对废水中铅离子进行吸附去除,考察了环境中的p H、铅初始浓度、吸附时间和菌体的预处理对去除效果的影响,进一步分析了成熟菌体吸附去除铅的模式。研究中得到以下结果:(1)成熟菌体去除铅离子最适合的p H条件为5.0,对50 mg/L的铅的去除率可达64%。(2)随着铅离子的初始浓度逐渐增大,铅的去除率均处于60%-70%之间。等量的菌体所吸附的铅量逐渐增加,当初始铅离子浓度增大到200 mg/L时,比在实验组100 mg/L中的菌体吸附的铅量高3倍,这说明菌体对高浓度的铅离子启动了更加快速有效的去除吸附机制。(3)菌体对低于100 mg/L的铅离子的吸附可以在4 h内达到饱和,而对高于100 mg/L的铅离子则需要更多的时间。这可能是由于前期进行的是一个快速的表面吸附,而后进行的是铅离子向细胞内转移的过程,这一过程受细胞内代谢、细胞扩散过程的控制。(4)菌体对不同浓度的铅离子的吸附符合Freundlich吸附等温线方程,这说明成熟菌体吸附去除铅离子的过程是基于在不同表面间的吸附,各个吸附位点并不是等同的或者相互间不是独立的。通过红外光谱分析发现菌体表面的羟基、氨基、羧基、巯基官能团对铅的吸附起了重要的作用。各种菌体预处理会影响这些功能性官能团的数量和种类,并进一步影响菌体对铅离子的去除效果。第2部分着重研究了黄孢原毛平革菌分泌的胞外功能性分泌物应对铅离子毒性的响应特性。这些功能性物质是指含有羟基、氨基、羧基、巯基官能团的物质,包括低分子有机酸、硫醇化合物及胞外聚合物。研究中使用经预培养的黄孢原毛平革菌接触浓度范围为25-400mg/l的铅离子。在菌体生长过程中对这些功能性物质在水体环境中的含量变化进行了监测,并结合铅浓度的变化进行进一步分析。研究中得到以下结果:(1)菌体生长过程中各浓度的铅均得到了有效的去除。在菌体在生长到121h时,各实验组中的铅均被去除75%以上。与使用成熟菌体的去除效率对比要好得多,尤其有利于低浓度铅离子的去除。(2)胞外柠檬酸的含量远远小于草酸和苹果酸的含量。铅诱导菌体快速分泌更多的草酸并推迟环境中柠檬酸的分解,抑制苹果酸的分泌。这说明当黄孢原毛平革菌面对铅离子毒性的胁迫时,菌体分泌的草酸是主动应对铅离子毒性,而苹果酸和柠檬酸都是被动地响应。(3)环境中有机酸的蓄积会导致ph值的下降,但这个变化并未减缓菌体对铅的去除。这说明在生长中的菌体去除铅的过程中,当ph处于4-6范围内时它并不是一个严格的限制因素。(4)更高浓度的铅离子诱导菌体分泌更多的硫醇物质,其中大部分是属于蛋白类硫醇化合物。随着铅浓度的增大,蛋白硫醇所占的比例越大。以上实验结果说明并不是所有的胞外硫醇类物质都是发挥着同样的防御作用,蛋白类硫醇是黄孢原毛平革菌对铅毒性采取的一个主要胞外防御机制。(5)环境中过高的铅离子会减缓菌体在某一时段内对糖类相对的代谢速率,但是并不影响菌体整个生长进程中的代谢速率变化。更大铅离子毒性诱导菌体分泌更多蛋白质到培养液中,蛋白质最高含量均出现在第5天。第3部分研究了黄孢原毛平革菌分泌的胞外功能性物质在铅去除过程中发挥的作用。这些功能性物质螯合了铅离子后会粘附在菌体胞外聚合物层中从而达到将铅从水体中分离的目的。研究中将菌体周围吸附的胞外聚合物层分离并对其中的低分子有机酸、硫醇化合物、胞外聚合物及铅含量进行检测,并进一步分析各种功能性物质含量对菌体吸附的铅量的影响。研究得到以下结果:(1)环境中更高的铅离子诱导菌体吸附更多的草酸。胞外聚合物层中草酸的降解伴随着培养液中铅的浓度出现的一定程度的增大,这种影响在高浓度铅实验组中更大。胞外聚合物层中草酸含量和铅含量有较明显的相关性。以上结果说明当黄孢原毛平革菌面临高浓度的铅离子毒性时,草酸在去除和钝化铅离子方面发挥着很重要的作用。(2)铅诱导菌体吸附更多的蛋白类硫醇化合物,减少了对非蛋白类硫醇化合物的吸附。菌体吸附的硫醇含量和铅含量相关性不明显,这可能和硫醇化合物含量较小有关。(3)菌体周围吸附的胞外聚合物主要是由糖类组成,蛋白质含量较小。铅诱导菌体吸附更多胞外聚合物并推迟其中成分含量的减小,这些响应特性有利于菌体吸附更多的铅离子并保护菌体细胞免受外界侵害。胞外聚合物中铅含量与培养液中初始铅离子浓度呈正相关,胞外聚合物中铅量占菌体去除总铅量的比例不断减小,以上结果说明在菌体去除铅的前期胞外聚合物起到了最主要的作用。(4)随着铅浓度的增大,草酸含量和胞外聚合物含量的相关性逐渐增强,而硫醇化合物含量和胞外聚合物含量的相关性却逐渐减弱,这说明胞外聚合物含量的增加有助于固定吸附更多的草酸。第4部分为黄孢原毛平革菌吸附去除的铅的稳定性的研究。EDTA可以提取菌体吸附去除的所有具有生物可利用性的铅,研究中利用EDTA对菌体去除的铅进行提取研究铅的生物稳定性。(1)成熟菌体去除的铅的稳定性受到环境中p H、菌体预处理及初始铅离子浓度的影响。在p H高于6.0环境中菌体去除的铅较容易被解吸,p H 5.0的环境最适宜成熟菌体对铅离子的稳定。菌体预处理不利于其对铅的稳定化,活性菌体吸附的铅的解吸率均比灭活菌体吸附的铅的解吸率要低。这说明活菌的生长代谢活动对于铅离子的稳定化具有非常重要的意义。活菌体对初始浓度越低的铅离子稳定化效果越好。(2)菌体生长过程中对铅的去除和稳定化过程几乎同时进行,在121 h之后菌体去除的铅保持在20%左右的提取率,处于较稳定的状态,也是对环境危害较小的状态。经ESEM-EDAX分析发现经EDTA提取之后菌体表面吸附铅类物质减少,但是提取前后菌体表面铅类物质元素组成成分类似。经过XRD进一步对提取后的菌体进行分析发现剩余的铅类物质是草酸铅和磷氯铅类物质。本论文研究揭示了黄孢原毛平革菌去除和稳定化铅的机理,探究了菌体产生的功能性物质对铅的响应特性及其作用,并在选择合适的微生物水处理技术时首次将去除的铅的稳定性进行了考虑研究。本研究可为进一步完善白腐真菌与重金属之间的相互作用的研究奠定基础,并为促进白腐真菌处理含重金属废水的发展提供方法参考和理论依据。