枯草芽孢杆菌CH-1降解羽毛产物对Cr(Ⅵ)的还原作用

本研究旨在探索一种对环境友好的方法以减少重金属六价铬Cr(Ⅵ)的毒性。采用枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)CH-1发酵羽毛,制备出富含半胱氨酸的羽毛发酵液(Feather Fermentation Broth,FFB)。实验结果显示FFB能够有效地将有毒的六价铬还原为相对无害的三价铬。通过对FFB的β-角蛋白酶酶活性、半胱氨酸浓度以及对六价铬Cr(Ⅵ)的还原率的测定。我们发现FFB中β-角蛋白酶酶活性在21 h左右达到最大值,而半胱氨酸含量在36 h达到最高值,Cr(Ⅵ)的还原效果最佳时间也是36 h。值得注意的是,即使经过高压高温处理,FFB对Cr(Ⅵ)的还原力并未受到影响,表明还原过程不依赖于生物酶的作用。进一步实验,将FFB上清原液浓缩5倍后处理重铬酸钾溶液,发现浓缩液的还原效果是原始上清液效果的1.5倍。研究表明枯草芽孢杆菌CH-1能较好地降解羽毛废弃物,水解产物中含大量半胱氨酸,对Cr(Ⅵ)具有显著的还原能力。综上所述,本研究提供了一种使用枯草芽孢杆菌CH-1无公害处理羽毛废弃物的新策略,并为其在循环农业生态系统中的应用提供了理论依据和精确计算方法。这一发现对于实现农业废弃物资源化利用,以及环境中有毒六价铬的安全处理具有重要意义。

Leucobacter spp.菌株Ch1还原高浓度Cr(Ⅵ)的研究

利用一株新分离的Cr(Ⅵ)还原菌Leucobacter spp.Ch1进行高浓度Cr(Ⅵ)还原的研究。发现生长于Luria Broth培养基中的Leucobacter spp.Ch1最大能还原1800mg/L Cr(Ⅵ),而休眠Leucobacter spp.Ch1细胞悬液可以完全还原2100mg/LCr(Ⅵ)。扫描电镜观察到还原Cr(Ⅵ)后的细菌末端黏附大团反应产物,电子顺磁共振分析确定产物的成分为Cr(Ⅲ)。在分批加Cr(Ⅵ)还原实验中,休眠Leucobacter spp.Ch1细胞悬液在1060min内还原了2368mg/L Cr(Ⅵ),重新加入的乳酸钠可以再次启动Cr(Ⅵ)的生物还原。结果表明,乳酸钠的存在是Leucobacter spp.Ch1还原Cr(Ⅵ)的必要条件,推测该物质在反应中起电子供体的作用。

Ch-1菌还原碱性介质中Cr(Ⅵ)的反应动力学

通过研究Ch-1菌还原碱性介质中Cr(Ⅵ)过程Cr(Ⅵ)浓度的变化规律,确定初始pH值和细菌接种量对反应速率的影响,建立不同条件下的反应动力学方程,计算相应的反应表观活化能,得到了按细菌接种量划分的Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的反应控制区域图。研究结果表明:当初始pH值为8～10时,Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的反应速率基本相同,当pH<8和pH>10时,反应速率逐渐减小。Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的反应为零级反应,但细菌接种量减少,反应速率减小,反应表观活化能增大。细菌接种量分别为50%,30%,20%,10%和5%时对应的反应速率常数分别为57.521 1,51.630 6,45.976 4,24.002 5和7.326 5,表观活化能分别为6.89,14.75,19.24,33.54和72.52 kJ/mol;Cr(Ⅵ)的细菌还原反应随着细菌接种量的增加逐渐由内扩散控制区转入混合控制区,当细菌接种量减少至近9%时,转入化学反应控制区,并由此确定了Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的最佳工艺条件:温度为30℃,pH值10,细菌接种量为20%。

外控电势对Ch-1菌株生长及Cr(Ⅵ)还原的影响

为进一步优化Ch-1菌株对碱性含铬废水的处理及铬渣的解毒效果,以细菌总数和6价铬的还原率为指标,详细考察了外控电位对Ch-1菌株生长及Cr(Ⅵ)还原的影响.结果表明,电极材料对细菌生长及其活性有一定的影响,不锈钢电极和铂电极体系对细菌生长及活性的影响基本相同,而采用石墨电极细菌的培养效果欠佳.静态培养和动态培养Ch-1菌株时,Cr(Ⅵ)的最终还原率与初始Cr(Ⅵ)浓度无关,24h时Cr(Ⅵ)的还原率均达到了100%;但就还原过程而言,动态培养对Cr(Ⅵ)的还原速率明显优于静态培养,外控电势能够增强或抑制Ch-1菌株的生长及活性,0^-900mV的负电位可以促进细菌的生长,而400mV以上的正电势对Ch-1菌株的生长有抑制作用.在-800^+200mV的电势范围内,Ch-1菌株还原6价铬的能力得到增强,在此范围外其还原能力受到抑制.

含铁黏土矿物与电子传递体强化生物还原固定地下水中Cr(Ⅵ)的过程和机理分析

为了提高微生物还原固定Cr(Ⅵ)的速率,实现地下水Cr(Ⅵ)污染物的快速有效去除,采用添加黏土矿物与电子传递体的方法,考察了含铁黏土矿物NAu-2和电子传递体AQDS单独/共存条件下对希瓦氏菌Shewanella oneidensis MR-1还原固定地下水中不同浓度Cr(Ⅵ)(0.1~2.0 mmol·L^−1)的影响。结果表明:单独添加NAu-2对不同浓度Cr(Ⅵ)生物还原过程均无促进作用;单独添加AQDS对不同浓度Cr(Ⅵ)(0.2~2.0 mmol·L^−1)生物还原过程均产生强化作用,强化系数达到1.33~3.90;同时添加NAu-2和AQDS时,不同浓度Cr(Ⅵ)(0.2~2.0 mmol·L^−1)生物还原时的强化作用均得到明显提升,强化系数达到2.02~10.49。此外,对比NAu-2和AQDS共存时对MR-1还原不同浓度Cr(Ⅵ)的协同促进作用,发现在低浓度Cr(Ⅵ)(0.1~0.5 mmol·L^−1)体系中未产生协同作用(协同系数<1.0),中、高浓度Cr(Ⅵ)(0.8~2.0 mmol·L^−1)体系中产生了明显的协同作用(SF>1.0),且在Cr(Ⅵ)浓度为1.2 mmol·L^−1时,协同效果最为明显(协同系数为2.98),说明NAu-2和AQDS对中、高浓度Cr(Ⅵ)(0.8~2.0 mmol·L^−1)还原过程的协同促进作用差异较大。通过对不同Cr(Ⅵ)浓度条件下NAu-2、AQDS与MR-1共存的复杂体系中Cr(Ⅵ)迁移转化过程和机理进行研究,可为实际Cr(Ⅵ)污染场地修复提供新的修复思路及参考数据。