固体电子供体在微生物还原固定地下水中重金属的应用研究

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随着现代工业的快速发展,地下水中的重金属污染日趋严重,特别是工业中广泛应用的重金属钒和铬所产生的污染严重威胁了地下水生态系统。利用驯化后的微生物来解决地下水中V(V)和Cr(Ⅵ)的污染是有前景的修复方法,而由于地下水的寡营养特征,自养微生物修复尤为重要,但固体电子供体支持下的微生物重金属还原固定研究,当前此方面研究几近空白。本研究首先分别应用单质硫(S(0))和零价铁(Fe(0))作为唯一的电子供体自养生物还原V(V)。在120小时内V(V)去除率分别达到97.5±1.2%和86.6±2.5%。V(V)的还原产物为可在中性pH环境下发生沉淀的V(IV),S(0)被氧化为硫酸盐,Fe(0)被氧化为Fe(Ⅲ)。微生物群落分析发现了硫氧化、铁氧化与V(V)还原相关微生物,宏基因组数据分析发现了相关功能基因。然后,分别应用S(0)和Fe(0)作为唯一的电子供体自养生物还原Cr(Ⅵ)。在120小时内Cr(Ⅵ)去除率分别达到93.7±0.8%和99.3±1.0%。Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ),后者在中性pH下可自发沉淀。在实验周期后观察到了挥发性脂肪酸的残余。研究了初始Cr(Ⅵ)浓度、碳酸氢盐浓度对Cr(Ⅵ)的去除率与还原速率的影响。高通量测序结果揭示了此过程中的协同机制。最后,选取还原性含铁矿物作为电子供体自养生物还原V(V)。批实验证实所选含铁矿物作为电子供体都可以实现V(V)的去除,其中马基诺矿的效果最为突出,在120小时内,V(V)的去除效率为95.9±1.1%。随后应用连续流反应器研究马基诺矿自养生物还原V(V)在140天连续运行中的表现。16S rDNA测序结果显示,Proteiniphilum和Thiobacillus为该体系V(V)还原的主要功能菌属。本研究证实了固体电子供体可有效支持生物还原固定地下水中V(V)和Cr(Ⅵ),为受V(V)和Cr(Ⅵ)污染含水层的高效修复,提供了新的思路。
摘要第5-6页
abstract第6-7页
第1章 绪论第11-22页
    1.1 研究背景第11-13页
        1.1.1 钒的来源与危害第11-12页
        1.1.2 铬的来源与危害第12-13页
    1.2 地下水中重金属的修复技术第13-15页
        1.2.1 异位修复技术第13-14页
        1.2.2 原位修复技术第14-15页
    1.3 V(Ⅴ)与Cr(Ⅵ)污染地下水生物修复技术现状第15-17页
        1.3.1 V(Ⅴ)污染地下水生物修复技术现状第16页
        1.3.2 Cr(Ⅵ)污染地下生物修复技术现状第16-17页
    1.4 固体电子供体在微生物修复中的应用第17-19页
        1.4.1 单质硫的应用现状第17-18页
        1.4.2 零价铁的应用现状第18页
        1.4.3 还原性矿物的应用现状第18-19页
    1.5 研究目的、内容及创新点第19-20页
        1.5.1 研究目的第19页
        1.5.2 研究内容第19-20页
        1.5.3 研究创新点第20页
    1.6 技术路线第20-22页
第2章 单质硫与零价铁自养生物还原V(V)第22-44页
    2.1 引言第22页
    2.2 材料与方法第22-23页
    2.3 实验过程第23页
    2.4 实验仪器第23-25页
        2.4.1 理化性质测试第23-24页
        2.4.2 微生物测试第24-25页
    2.5 结果与讨论第25-43页
        2.5.1 V(Ⅴ)生物还原性能第25-28页
        2.5.2 反应产物的鉴定第28-30页
        2.5.3 反应过程和影响因素的研究第30-34页
        2.5.4 微生物群落的演化及其反应机制第34-43页
    2.6 本章小结第43-44页
第3章 单质硫与零价铁生物还原Cr(Ⅵ)第44-65页
    3.1 引言第44页
    3.2 材料与方法第44-45页
    3.3 实验过程第45页
    3.4 实验仪器第45页
        3.4.1 理化性质测试第45页
        3.4.2 微生物测试第45页
    3.5 结果与讨论第45-63页
        3.5.1 Cr(Ⅵ)生物还原性能第45-49页
        3.5.2 反应产物的鉴定第49-51页
        3.5.3 反应过程和影响因素的研究第51-54页
        3.5.4 微生物群落的演化及其反应机制第54-63页
    3.6 本章小结第63-65页
第4章 含铁矿物自养生物还原V(Ⅴ)第65-77页
    4.1 引言第65页
    4.2 材料与方法第65-67页
        4.2.1 可行性研究实验材料第65-66页
        4.2.2 连续流研究实验材料第66-67页
    4.3 实验仪器第67页
        4.3.1 理化性质测试第67页
        4.3.2 微生物测试第67页
    4.4 结果与讨论第67-75页
        4.4.1 还原性含铁矿物还原V(V)的可行性研究第67-69页
        4.4.2 柱实验中V(V)的去除性能第69-70页
        4.4.3 硝酸盐的生物还原性能第70页
        4.4.4 反应产物的鉴定第70-72页
        4.4.5 微生物群落的演化及其反应机制第72-75页
    4.5 本章小结第75-77页
第5章 结论与建议第77-79页
    5.1 结论第77-78页
    5.2 建议第78-79页
致谢第79-80页
参考文献第80-93页
附录第93页
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