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crvi吸附菌的筛选及其对crvi学位论文
Cr（VI）吸附菌的筛选及其对Cr（VI）
的吸附性能研究
摘要
生物吸附是一种新兴的重金属污染治理技术，生物吸附剂来源广泛、价格低廉，且对重金属去除效率高而无二次污染，具有良好的工业应用前景。
本课题选择污水处理厂、电镀厂的活性污泥及啤酒厂的啤酒酵母为菌种来源，筛选出最佳Cr（VI）吸附菌，并对该菌的Cr（VI）生物吸附特性进行研究，结果表明：
三菌种在相同的条件下处理含铬废液，啤酒酵母表现出最好的Cr（VI）生物吸附性能，吸附率达到72.6%；对啤酒酵母菌吸附Cr（VI）的生物吸附特性进行考察得出吸附反应进行的适宜反应时间为90min，最佳pH值为2，最适宜的Cr（VI）初始浓度为20mg/L，吸附剂最佳用量为0.3g，吸附性能随温度的升高而提高。
在室温（25℃）下，控制反应条件为以上最佳条件参数进行啤酒酵母菌吸附Cr（VI）的综合实验，此时的Cr（VI）去除率高达91.4%。
在此基础上用0.5mol/L的HCI对啤酒酵母菌进行预处理，可使其对Cr（VI）生物吸附性能得到进一步提升，达到了96.3%。
关键词：
生物吸附，啤酒酵母，Cr（VI），重金属
ABSTRACT
Bio-sorptionwasasortofnewtechnologyforheavymetalremoval,hadagoodprospectsforindustrialapplications，forithadhighlyheavymetalremovaleffectandwithoutsecondarypollution,aswellastheBio-absorbentwaslow-costandabundantinsource.
Activatedsludgeofsewagetreatmentplantsandelectroplatingplant,andthebrewer’syeastwerechosentobeasthesourcebacteriuminthisstudytoscreenoutthebestCr（VI）-adsorptionbacteria,andtodiscussitsadsorptioncharacteristicsofCr（VI）.Theresultsshowed:
Underthesameconditions,threespeciesweredealedwithwastewaterofchromium,brewer'syeastappearedthebestbio-sorptionperformanceofCr（VI）,withtheabsorptionrate72.6%;Andthefurtherexperimentforbeeryeastbio-sorptionCr（VI）gottheconclusionthat,theappropriatereactiontimewas90min,thebestpHvaluewas2,themostappropriateinitialconcentrationofCr（VI）was20mg/L,andthebestamountofabsorbentwas0.3g,increasingthetemperaturewouldimprovetheadsorptioneffectofbrewer’syeast.Atroomtemperature（25℃）,controllingalltheotherconditionswerethebestvaluesasaboveforthesyntheticalexperiment,Cr（VI）-bio-sorptionofbeeryeastreached91.4%.beeryeastpretreatedwith0.5mol/LHCIgotamorehighadsorptioneffect96.3%.
Keywords：
biosorption,brewer'syeast,Cr（VI）,heavymetals
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1研究背景1
1.2铬的基本性质1
1.2.1铬的物理化学性质1
1.2.2铬的生物效应2
1.2.3铬的危害2
1.2.4铬污染现状3
1.3含铬废水的处理方法3
1.4研究目的及主要研究内容4
1.4.1研究目的4
1.4.2主要研究内容4
2重金属吸附菌的筛选6
2.1材料6
2.1.1菌种与培养基6
2.1.2试剂及仪器6
2.2Cr（VI）分析方法7
2.2.1标准曲线的绘制7
2.2.2重金属吸附的表征与测定方法8
2.2.3菌种的筛选9
2.3筛选结果9
3啤酒酵母对Cr（VI）吸附的研究11
3.1啤酒酵母生物吸附剂的制备11
3.2不同吸附因素对吸附性能的影响11
3.2.1吸附时间对吸附性能的影响11
3.2.2pH值对吸附性能的影响12
3.2.3不同初始Cr（VI）浓度对吸附性能的影响13
3.2.4温度对吸附性能的影响14
3.2.5吸附剂量对吸附性能的影响15
3.3综合试验16
3.4吸附剂预处理对吸附性能的影响16
4结论与展望18
参考文献20
致谢22
1绪论
1.1研究背景
含重金属离子的工业废水主要来自机械加工、矿山开采业、电镀行业、钢铁
及有色金属的冶炼和部分化工企业[1]。
而电镀作为一种表面精饰工艺，己经成为机械、电子、仪器、仪表、轻工、航空等诸多行业和领域中提升产品质量档次的一种不可缺少的重要手段。
电镀工业已经成为我国重要的加工行业之一，在国民经济中占有举足轻重的地位。
因此电镀行业也成为铬污染最重要的行业。
排放到环境中的重金属在逐年增加，对受纳水体、土壤、大气及生物等都造成了严重的污染与危害。
因此，对该类污染物的处理一直备受关注，新的高效、低耗处理技术与工艺的开发也相应的成了该领域的研究热点。
其中重金属的生物吸附处理技术因具有多种显著的优点，而成为水体重金属污染治理的一个重要研究方向。
而重金属铬是中国环境优先控制污染物，对人体及其它生物具有很强的毒性，并且具有多种价态与存在形态，在不同的环境与生物作用下，价态与形态会相应地发生转变，铬的生物毒性与生物可利用性也会因此而发生改变[2]。
攀枝花市拥有多家矿山开采、电镀、钢铁及有色金属的冶炼和化工企业，对铬的需求量日益增加。
所以，对铬的吸附研究在重金属生物吸附处理研究中具有很好的代表性，本论文旨在探索一种可用于电镀或其它含铬废水的新型生化处理方法，筛选出对含铬废水具有高效吸附性能的菌株，研究吸附菌的生长及其对含铬废水的吸附性能，研究各种条件对吸附的影响，如溶液的pH值、温度等，从而得出最佳去除条件，为这种新型含铬废水处理方法提供理论支持。
1.2铬的基本性质
1.2.1铬的物理化学性质
铬是1797年法国化学家沃克兰在分析铬铅矿时首先发现[3]。
铬处于周期表中的第VI副族，原子量51.996，原子序数24，在地壳中的丰度为（重量%）0.02%。
铬有四种稳定的放射性核素：
50Cr，52Cr，53Cr和54Cr，其含量分别为4.355%，83.779%，9.501%和2.365%。
铬有多种氧化态：
+1，+2，+3，+4，+5,+6，0以及一2和一1，但其中以+2，+3和+6最为典型[4]。
在自然界中，主要以Cr（III）和Cr（VI）存在，常见的含铬化合物主要有三氯化铬、铬钒、铬酸盐和重铬酸盐[5]。
铬是银白色有光泽的金属，有典型的立方体结构，它是所有金属中最硬的
金属。
但它在很纯时相当软，有延展性，含有杂质时硬而脆，是具有较高熔点的硬金属。
铬的良好光泽和高的抗腐蚀性常用于电镀工业，如自行车、汽车、精密仪器零件中的镀铬制件。
铬易与其它金属形成合金，因此铬在国防工业、冶金工业、化学工业方面有重要用途。
如铬钢，此种钢很硬且有韧性，是机器制造业的重要原料；而含铬12%的钢称为“不锈钢”，有极强的耐腐蚀能力。
含铬废水中的铬主要以Cr（VI）化合物存在。
进入水体中的铬，若以Cr（III）化合物形式存在，在酸性、弱酸性水中随水流动的迁徙能力高。
在碱性水中很容易生成氢氧化铬沉淀，因此很少或几乎不迁移。
所以Cr（III）在水中含量甚微其毒性又很低。
一般所说水中铬污染，主要是指Cr（VI）化合物的污染。
Cr（VI）和Cr（III）可以互相转化。
Cr（VI）和Cr（III）均对水中的生物有致死作用，从而影响水体的自净能力。
1.2.2铬的生物效应
铬是人和动物所必需的微量元素，特别是为保持正常的胆固醇代谢作用所必需的元素，维持人体健康的是三价铬。
体内铬与蛋白质、核酸以及各种低分子量的配体结合，参与机体的糖、脂肪等代谢，促进人体的生长发育。
铬对维持人体健康非常重要，其生理需要量很小，约1ug/kg即可满足机体的需要。
缺铬是引起动脉硬化的因子之一，糖尿病病人及中、老年人一般都需要补铬。
许多研究表明，铬的生物化学功能主要是作为胰岛素的加强素。
在依赖胰岛素的糖、蛋白质和脂质代谢中，己观察到铬的生物学效应。
据认为，体内铬与蛋
白质、核酸及各种低分子的配体结合后，参与机体的糖、脂质代谢等，促进人体的生长发育。
调查发现，高铬地区居民糖尿病发生率较低；而在缺铬地区糖尿病发生率较高。
动物实验发现，小鼠、大鼠严重缺铬时空腹血糖增高，糖尿病病发率增加，生长受到抑制；而补充铬后，上述症状得以纠正。
三价铬是人体必需微量元素，成人每天的需要量约0.06～0.36mg，但如果过量摄入三价铬也可对人体造成损伤。
1.2.3铬的危害
所有铬化合物浓度过高时都有毒性，但不同化合物的毒性不同。
三价铬对生
物体有有益作用，而Cr（VI）的毒性最大，是三价铬毒性的100倍，且易被人体吸
收并在体内蓄积。
海洋水生生物对铬有较强的富集能力，铬浓度为5mg/L时，鱼类即发生中毒，而浓度达20mg/L时可使鱼类死亡；土壤中过量的铬能抑制玉米、水稻、棉花、萝卜等作物的生长，使作物不同程度的减产，并可降低作物的发芽率，并减少作物根的数量。
大量实验证明，铬对作物的养分吸收和代谢具有重要的影响。
土壤中铬过多，会抑制有机物的硝化作用，并使铬在植物体内蓄积。
水中含铬在1ppm时可刺激作物生长，1～10ppm时会使生长减缓，到100ppm则几乎完全使作物停止生长，濒于死亡[7]。
铬以从消化道进入人体为主，也可经呼吸道进入人体，而人体对Cr（III）和Cr（VI）的吸收情况不同，胃肠道对Cr（III）的吸收率很低，约为0.5%，而对Cr（VI）的吸收率较高。
铬对人体的危害主要体现在如下几个方面：
1.对皮肤有刺激和过敏作用
Cr（VI）能引起皮肤病[8]，生产实践中发现在工人接触铬酸盐、铬酸雾的部位，如手、腕、前臂、颈部等处可能出现皮炎。
Cr（VI）经伤口进入皮肤后，会因腐蚀作用而引起铬溃疡（又称铬疮）。
愈合后会遗留下界限分明的圆形萎缩性伤疤。
2.对呼吸系统的损坏
Cr（VI）对呼吸系统的损害，主要表现为鼻中隔膜穿孔、咽喉炎和肺炎。
长期接触铬雾，可首先引起鼻中隔出血，然后鼻中隔膜糜烂，鼻中隔膜变薄，最后出现穿孔。
常接触铬雾还能造成咽喉充血，也可能引起萎缩性咽喉炎。
吸入高浓度的铬酸雾后，刺激黏膜导致打喷嚏、流鼻涕、咽痛发红、支气管痉挛、咳嗽头痛、气短等症状，严重者也可能引起肺炎等。
3.对内脏的损害
Cr（VI）经消化道侵入，会造成味觉和嗅觉减退以至消失。
剂量小时也会腐蚀心脏，引起肠胃功能降低，出现胃痛，甚至肠胃道溃疡，对肝脏还可能造成不良影响。
1.2.4铬污染现状
铬的污染主要来源于铬的冶炼、电镀、皮革、染料、颜料、油漆、制药、铬化合物制造企业等所排放的废气和废水[9]。
未经处理的电镀废液、制革废液等含铬浓度可高达600mg/L，超过我国工业废水排放标准的100倍。
水、空气、土壤中的铬，可通过食物链高度富集而更易吸收。
在美国，工业上每年使用超过50,000吨的金属铬，并每天向环境排放4500kg。
据统计，中国现有20多家铬盐厂，10多家生产铬和氧化铬的小厂，铬酸钠的年生产量己超过22万吨，铬渣的年排放量约为45万吨，而相当数量的含铬废水、废气、废渣等未经处理解毒就进行了排放。
世界卫生组织规定饮用水中三价铬的最高允许浓度为0.05mg/L，而Cr（VI）的最高允许浓度为0.01mg/L。
在我国，国家环境保护总局把含铬污染物列为重点治理的对象，铬的排放标准分别是总铬低于1.5mg/L，Cr（VI）低于0.5mg/L。
铬废水中的铬主要以Cr（VI）化合物存在，而已经发现Cr（VI）有致癌作用，对农作物及微生物的毒害也很大。
因此，必须对铬的冶炼、电镀、皮革、染料、制药等工厂、企业所排放的废气和废水进行相应的处理，以消除铬对人和其它动物的不利影响。
1.3含铬废水的处理方法
近年来，由于社会的不断进步和工业的持续发展，污水、污泥、土壤中重金属含量的超标对环境造成了潜在的危害。
由于重金属的毒害很大，人们对重金属废水处理技术的研究从未间断。
就常规方法而言，主要有化学沉淀、吸附、氧化还原、电解及萃取等，传统的物理或化学方法常伴随二次污染、运行费用高，处理问题单一，重金属去除不完全，对试剂和能量要求高，会产生有毒污泥或其它废物等问题。
随着生物技术的日趋成熟，加之微生物对各类污染物均有较强、较快的适应性，重金属的微生物吸附正在逐渐引起人们的重视[10]。
与传统的非生物吸附处理方法相比，生物吸附作为处理重金属污染的新技术具有以下优点：
生物材料来源丰富，品种多，成本低廉；设备简单，易操作，投资小，运行费用低；吸附量大，处理效率高；在低浓度条件下，重金属可以被选择性地去除；能应用的pH值和温度范围宽；可有效地回收一些贵重金属。
后处理方面，用一般化学方法就可以解吸生物体上吸附的金属离子，且解吸后的生物材料可循环利用[11]。
物吸附法作为一种新兴的处理技术，在处理低浓度的重金属废水方面有着极为广阔的发展前景。
1.4研究目的及主要研究内容
1.4.1研究目的
本研究的目的是探索一种可用于电镀或其它含铬废水的新型生化处理的方法，筛选出对含铬废水具有高效吸附性能的菌株，研究吸附菌的生长及其对含铬废水的吸附性能，研究各种吸附条件对吸附性能的影响，如溶液的pH值、温度等，从而得出最佳去除条件为这种新型含铬废水处理方法提供理论支持。
1.4.2主要研究内容
本课题研究的主要内容是：
在被重金属污染的地点采样，首先采集攀枝花市炳草岗污水处理厂、电镀厂下水道被重金属Cr（VI）严重污染的活性污泥；啤酒厂的啤酒酵母，对三种菌种进行基本扩大培养，对其进行对铬的吸附性能测试，从三种菌种中筛选出吸附性能较好的菌种，然后对选出的菌种采用平板划线分离的方式进行初筛、复筛，最终得到了一株对Cr（VI）具有高效吸附作用的菌株，对筛选出的菌种进行富集扩大培养，制作生物吸附剂，研究各种吸附条件对吸附菌对含铬废水的吸附性能的影响，如溶液的pH值、温度、Cr（VI）初始浓度等，从而得出最佳去除条件。
1、菌种的采集。
采集污水处理厂、电镀厂下水道被重金属Cr（VI）严重污染的活性污泥；啤酒厂啤酒酵母。
2、菌种的筛选。
将采到的样品分别用不同的培养基培养，培养后分别选出生长最好的菌种对其进行铬吸附性能测试得到吸附性能最好的菌株。
3、吸附性能的研究。
将第2步得到的菌株使用生长最好的培养基富集培养，制作生物吸附剂。
研究的pH值、温度、Cr（VI）初始浓度等对吸附性能的影响。
4、确定吸附菌最佳吸附条件。
通过对吸附性能的影响的研究通过实验找出适合菌体吸附的最佳条件。
2重金属吸附菌的筛选
微生物对环境的适应能力很强，可通过基因突变、生理适应和抗性质粒转移等途径实现对污染物、有毒物质的适应与抗性。
在被重金属污染的环境中，重金属作为一类对生物体具有高度毒性的诱变剂、微生物杀菌剂，决定了污染环境中微生物的生态与分布。
在污染现场，重金属通过对环境营养物分布、形态及微生物细胞的影响，对微生物进行了一个长期的生理驯化过程。
重金属的毒性及其对微生物染色体直接或间接的作用，引起的染色体的碱基点突变及畸变，是一个自然的微生物基因工程场所。
因此，能在长期被重金属污染的环境中存活的微生物，必然会在生理和遗传物质上对重金属产生适应。
本研究正是利用了这一理论基础，在被重金属污染的地点采样，从攀枝花市电镀厂、污水处理厂下水道取被重金属Cr（VI）严重污染的污泥和啤酒厂的啤酒酵母，对其进行富集扩大培养，然后对它们进行吸附测试，筛选出吸附性能最好的菌种啤酒酵母。
2.1材料
2.1.1菌种与培养基
菌种：
攀枝花市电镀厂、污水处理厂下下水道的活性污泥和啤酒厂的啤酒酵母。
培养基：
1#培养基（啤酒酵母菌培养基）：
每升无离子水加20g葡萄糖、50g酵母粉、10g蛋白胨、自然pH值；
2#培养基（查氏培养基）：
葡萄糖30g、K2HPO41g、KCl0.5g、MgSO4·7H20
0.5g、FeSO4·7H2O0.01g、水1000mL、自然pH值、1210C湿热蒸汽灭菌20min；
3#培养基（牛肉膏蛋白胨培养基）：
牛肉膏1g、蛋白胨5g、酵母膏2g、NaCl5g、水1000mL、自然pH值、1210C湿热蒸汽灭菌20min；
4#培养基：
葡萄糖20g、KH2PO42g、K2HPO45g、（NH4）2SO40.2g、NaCl0.1g、酵母膏0.5g、水1000mL、自然pH值、1210C湿热蒸汽灭菌20min。
2.1.2试剂及仪器
1）实验药剂:
重铬酸钾（优级纯）二苯碳酸二肼（分析纯）
K2HPO4（分析纯）KH2PO4（分析纯）
（NH4）2SO4（分析纯）NaCl（分析纯）
KCl（分析纯）MgSO4·7H2O（分析纯）
FeSO4·7H2O（分析纯）、H2SO4（分析纯）
H3PO4（分析纯）HCl（分析纯）
邻苯二甲酸氢钾（分析纯）NaOH（分析纯）、
牛肉膏（生化试剂）琼脂（生化试剂）
蛋白胨（生化试剂）脲（生化试剂）
酵母膏（生化试剂）葡萄糖（生化试剂）
2）实验器具:
酒精灯、接种环、容量瓶、表面皿、锥形瓶、血球计数板等
3）实验设备:
电子天平（BS110S）离心分离机（LXJ-64-01）
恒温振荡器（THZ-C）分光光度计（722）
酸度计（pHs-3C）电热恒温水浴锅（HH.S21-6）
高压灭菌锅（CRMDX-280）电热恒温干燥箱（GZX-202）
2.2Cr（VI）分析方法
本实验采用二苯碳酸二肼分光光度法进行Cr（VI）的定量测定。
2.2.1标准曲线的绘制
参照《水和废水检测分析方法》书绘制Cr（VI）标准曲线[12]。
1）仪器
50m1具塞比色管、分光光度计。
2）试剂
（1）铬标准贮备溶液：
称取于110℃干燥2h的重铬酸钾（K2Cr207,GR）
0.28291g，用水溶解后，移入1000ml容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀。
此溶液六价铬浓度为0.1g/L。
使用当天配制此溶液。
（2）铬标准溶液：
吸取5.00mL铬标准贮备溶液置于500ml容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀。
此溶液六价铬浓度为5mg/L。
使用当天配制此溶液。
（3）1+1硫酸溶液：
将硫酸（H2SO4,ρ=1.84g/ml，GR）缓慢加到同体积的水中，混匀。
（4）1+1磷酸溶液：
将磷酸（H3PO4,ρ=1.69g/ml,GR）与水等体积混匀。
（5）显色剂：
称取二苯碳酸二肼0.2g，溶于50ml丙酮中，加水稀释至100m1,摇匀，贮于棕色瓶，于冰箱中。
色变深后，不能使用。
3）分析步骤
（1）取50.0mL水样于50mL比色管中。
另取9支50mL具塞比色管，分别0，0.20，0.50，1.00，2.00，4.00，6.00，8.00及10.0ml铬标准溶液。
（2）向上述各比色管中加入0.5mL1+1硫酸溶液和0.5mL1+1磷酸溶液，摇匀。
再加入2m1显色剂，摇匀，静置5～10min。
（3）在540nm波长、用5cm比色皿、以纯水为参比，测定吸光度[13]。
测定结果为表1：
表2.1Cr（VI）吸附标准曲线
C（Cr6+）mg/L
吸光度A
0.02
0.002
0.05
0.023
0.1
0.057
0.2
0.114
0.4
0.228
0.6
0.349
0.8
0.476
1
0.576
图2.1Cr（VI）吸附标准曲线
方程为：
Y=0.586X-0.0063
其中X：
Cr（VI）农度,mg/L
Y：
吸光度
R2=0.9998
2.2.2重金属吸附的表征与测定方法
在若干瓶一定浓度的Cr（VI）水溶液中分别加入一定量的菌体在摇床中吸附，以测定菌株对Cr（VI）的吸附能力。
Cr（VI）的吸附率用每隔一定时间取上清液1～2mL，于Cr（VI）的最大吸收波长540nm下测定其吸光度（A），以不加菌丝球的吸光度（Ao）为对照，根据Cr（VI）的标准曲线可以计算出（A）与（Ao）所对应的Cr（VI）浓度（C）与（Co）[14]，吸附率用下式计算：
P（%）=（C0一C）/C0×100%
2.2.3菌种的筛选
1）平板划线分离的方法
（1）将融化并冷至约500C的牛肉膏蛋白胨琼脂培养基倒入无菌培养皿内，使凝固成平板[15]。
（2）操作
用接种环挑取一环菌种，左手拿培养皿。
中指、无名指托住皿底，拇指和食指夹住皿盖，将培养皿倾斜，左手拇指和食指将皿盖半掀开，右手将接种环挑一点菌苔伸入培养皿内，反复涂抹在直径为lcm大小的面积上，烧接种环，冷却后，从上述涂菌处划出7～8条直线，前3～4条线从涂菌处划出，后3-4条线可不通过涂菌处，划线时接种环与平板表面成30～40度的角，轻轻接触不要使接种环划破表面；如上述灼烧、划线操作重复数次，划满整个平板，划线完毕盖好皿盖，倒置300C培养24～48h后出现单菌落。
2）菌种的筛选
图2.2为本研究分离与筛选Cr（VI）吸附菌的步骤示意图。
将取自电镀厂下水道的活性污泥l0mL用玻璃珠打散[16]，加入90mL三重蒸馏水搅匀，吸取5mL接入上述1～4#各培养基中，于150r/min，30℃的摇床中富集培养。
将啤酒发酵液用1#培养基进行富集培养。
将样品富集培养后通过测定各菌种对Cr（VI）的吸附率进行初筛，将初筛得到菌种采用平板划线法分离提纯菌种。
富集培养得到的纯菌种。
图2.2筛选Cr（VI）吸附菌的步骤示意图
2.3筛选结果
取Cr（VI）浓度为10mg/L的铬溶液，分别加入等体积的菌体，自然pH值，室温，吸附1小时，离心分离取上清液测吸光度。
计算吸附率。
结果为表2.2：
表2.2不同菌体的吸附率
所加菌体
电镀污泥
废水污泥
啤酒酵母
吸光度A
2.671
2.214
1.716
吸附率%
54.3
62.1
72.6
由上表可知在相同条件下分别对三种菌体进行吸附性能测试，啤酒酵母的吸附性能最好。
吸附率达到72.6%，因此，选择啤酒酵母进行下面的研究。
3啤酒酵母对Cr（VI）的吸附研究
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