溶磷微生物耦合羟基磷灰石修复重金属污染矿区土壤研究

作     者：何妮 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡亮

授予年度：2023年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 120405[管理学-土地资源管理] 

主      题：溶磷微生物 羟基磷灰石 生物矿化 微生物多样性 酸性矿区土壤 

摘      要：随着工业化快速发展,重金属污染问题日益加剧,对生态安全和人类健康造成了巨大的危害。与传统的重金属修复方式相比,微生物诱导磷酸盐沉淀(Microbial induced phosphate precipitation,MIPP)为治理重金属水土污染提供了一条高效且环境友好的修复途径。本研究制备了负载羟基磷灰石(hydroxyapatite,HAP)的产酸真菌黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium,PC)包埋小球,在最优条件下Pb(II)的去除效率为87.7%;黄孢原毛平革菌能够分泌草酸、甲酸和柠檬酸,其中甲酸的最大分泌量可达66.02 g/L;活死细胞染色结果表明与Pb(II)反应后黄孢原毛平革菌仍保持很好的生物活性。表征结果说明有机酸可以将羟基磷灰石转化为可溶性磷酸盐,最终以生成Pb10(PO4)6Cl2和Pb10(PO4)6(OH)2等矿物的形式实现Pb(II)的稳定。为了进一步明确溶磷微生物对重金属铅的矿化机理及矿化产物的分布位点,考察了洋葱伯克氏菌(Burkholderia cepacia)的溶磷能力,结果表明该菌对200 nm羟基磷灰石的溶解量可达224.85 mg/L;在最优条件下,Pb(II)去除率最高可达96.32%。细胞组分提取实验中发现Pb(II)主要是分布在细胞的周质空间内,并被扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)进一步验证。表征结果证实酰胺、羟基、羧基和磷酸盐等官能团参与了Pb(II)生物矿化;磷酸盐溶解、胞外吸附/络合及胞内沉淀是Pb(II)生物矿化的主要机制。开展了以黄孢原毛平革菌耦合羟基磷灰石修复重金属复合污染矿区土壤,结果表明HAP/PC能够有效地将不稳定的重金属Cr、Zn和As转化为稳定的化学形态,使稳定态的含量分别提高了53.01%、22.43%和35.65%。黄孢原毛平革菌分泌的有机酸能够有效促进羟基磷灰石的溶解,与原始土壤相比,土壤p H、有效磷和有机质的增加也证实了在重金属固定过程中的溶解-沉淀机制。此外,吸附和离子交换也在修复过程中发挥了重要作用。利用高通量测序手段探究了在修复过程中土壤微环境的响应机制,结果表明,培养基和单独的黄孢原毛平革菌加入会改变细菌的相对丰度,而羟基磷灰石的加入会改变土壤的性质,进而影响细菌多样性和群落组成。此外,羟基磷灰石溶解使得溶磷微生物脱硫杆菌属(Desulfitobacterium)和脱硫芽孢弯曲菌属(Desulfosporosinus)成为优势菌株。综合实验结果可知该修复体系对重金属有很好的稳定效果,为维护土壤生态安全提供了全新的途径。图53幅,表11个,参考文献180篇