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产脲酶菌诱导碳酸钙沉积及对重金属Cd2+/Pb2+的去除研究

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产脲酶菌诱导碳酸钙沉积及对重金属Cd2+/Pb2+的去除研究

作者：李成杰武汉科技大学

学位级别：硕士

由于工业的快速发展,重金属污染因其持续积累性和难降解性对环境构成了重大的威胁,解决环境中的重金属问题十分迫切。在诸多重金属处理方法中,微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)作为一项新兴和颇具前景的生物矿化技术开始应用于重金属的去除... 详细信息

由于工业的快速发展,重金属污染因其持续积累性和难降解性对环境构成了重大的威胁,解决环境中的重金属问题十分迫切。在诸多重金属处理方法中,微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)作为一项新兴和颇具前景的生物矿化技术开始应用于重金属的去除研究中。该技术主要原理为:在钙离子诱导下,产脲酶微生物通过生物脲酶的催化作用,将环境中的钙离子、重金属离子以碳酸盐矿物的形式沉积出来,从而实现钙离子和重金属离子的固定。本研究主要内容包括:产脲酶菌的筛选;温度、pH值、尿素浓度、Ca浓度对产脲酶菌生长及其产脲酶活性的影响;钙源类别对产脲酶菌MICP产物晶型的影响;基于最佳生理生化条件及钙源,分析产脲酶菌在MICP原理下对重金属Cd、Pb的去除效果,并对其去除重金属机理进行了初步探索。主要研究结果如下:(1)以经尿素驯化的活性污泥为来源,通过筛选培养基分离得到了3株具有产脲酶活性的菌株,分别将其命名为UPB1、UPB2、UPB3,经16S rRNA基因序列分析分别为芽孢杆菌属(Bacillus sp)、蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)、微球菌属(Micrococcus),其中芽孢杆菌属的菌株(UPB1)具有明显诱导碳酸钙沉积能力,其产脲酶活性可达11.33 mmol·L·min。(2)通过单因素试验探究温度、pH值、尿素浓度、Ca浓度对UPB1菌生长及产脲酶活性的影响,确定了UPB1菌MICP最佳培养条件:最适生长及产酶温度为30℃,最适p H为9.0,最适产脲酶的尿素基质浓度为30 g·L,最高效诱导碳酸钙沉积的Ca浓度为0.25 mol·L。(3)基于UPB1菌最佳生长、产脲酶活性最高的培养基,利用场发射电镜观察了UPB1菌诱导氯化钙、醋酸钙、乳酸钙、葡萄糖酸钙4种不同钙源生成的Ca CO晶型特征。结果表明:UPB1菌利用Ca Cl诱导形成热力学最稳定的菱面体形Ca CO(方解石);利用Ca(CHCOO)诱导形成由球霰石组成的CaCO(亚稳态形式CaCO);利用乳酸钙和葡萄糖酸钙诱导形成的CaCO晶型非常复杂,Ca CO晶体与晶体之间镶嵌组合成一个密集整体,其中利用乳酸钙诱导形成Ca CO晶体所组合成的整体并无规则形状,而利用葡萄糖酸钙所诱导形成的Ca CO晶体镶嵌组合成一个形状规则的球体。(4)基于最佳钙源Ca Cl,通过金相显微镜观察了UPB1菌诱导Ca CO沉积的动态过程,结果显示:UPB1菌诱导生成的CaCO晶体以菌体细胞为核心,Ca CO晶体粘附在菌体细胞壁上形成大量孔隙,随着MICP过程的不断推进,孔隙数不断增多,孔隙直径逐渐减小。Ca CO晶体形状表现首先为细小颗粒状,然后逐渐汇集成薄片状,进而形成菱面体型,在整个过程中UPB1菌为Ca CO晶体提供了有效的成核位点。(5)基于MICP原理,比较了UPB1菌在含Ca的培养基中及不含Ca的培养基中对重金属Cd、Pb的去除差异;其次通过SEM和EDS对其MICP产物进行了微观分析,初步探索了UPB1菌去除重金属机制;并采用一系列浓度梯度的盐酸对MICP产物进行了耐酸分析。结果表明:在含Ca的培养基中,UPB1菌对重金属Cd、Pb的去除率分别为95.94%、99.56%,高于不含Ca培养基中Cd、Pb的去除率87.06%、96.44%,但其形成的MICP共沉淀产物Ca Cd(CO)、Ca Pb(CO)不及Cd CO、PbCO耐酸。在重金属矿化过程中,脲酶起着关键的作用。其通过酶活性中心与底物分子之间短程非共价键(氢键、离子键和疏水键)作用,使得底物价键的形态发生变化或极化,然后重金属离子通过与已经发生极化的底物相结合而得以固定。其次由于Cd、Pb的离子半径与Ca接近,在UPB1菌诱导方解石沉积的过程中发生了置换反应,使得Cd、Pb进入方解石中形成共沉淀。

关键词： MICP 产脲酶菌碳酸钙晶型 Cd2+ Pb2+

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茶多酚对产脲酶菌生长和脲酶分泌的影响

植物营养与肥料学报 2002年第1期8卷 119-121页

作者：邱业先汪金莲陈尚钘卢向阳罗泽民江西农业大学林学院江西南昌330045 湖南农业大学湖南长沙410128

尿素施入土壤后受土壤脲酶作用易导致氨的挥发和氮素损失。脲酶抑制剂能够抑制脲酶活性，减缓尿素水解，是提高尿素肥效的重要途径之一。因而脲酶抑制剂的寻找和应用倍受关注。国内外已开发出品种繁多的脲酶抑制剂，但多数脲酶抑制齐还... 详细信息

尿素施入土壤后受土壤脲酶作用易导致氨的挥发和氮素损失。脲酶抑制剂能够抑制脲酶活性，减缓尿素水解，是提高尿素肥效的重要途径之一。因而脲酶抑制剂的寻找和应用倍受关注。国内外已开发出品种繁多的脲酶抑制剂，但多数脲酶抑制齐还存在应用效果不稳定和对环境污染问题，制约了其应用。

关键词：尿素肥效脲酶抑制剂茶多酚产脲酶菌生长脲酶分泌

污染土中分离产脲酶菌矿化固定重金属的特性及机理研究

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污染土中分离产脲酶菌矿化固定重金属的特性及机理研究

作者：倪家琪宁波大学

学位级别：硕士

微生物矿化固定重金属是一种环境友好型、能源节约型的重金属污染土修复方法,颇具应用前景。本文从污染土中筛选分离并驯化出一种具有良好的尿素水解能力和耐高浓度重金属能力的高效产脲酶菌Bacillus HMsoil-01,对该产脲酶菌的生长特性... 详细信息

微生物矿化固定重金属是一种环境友好型、能源节约型的重金属污染土修复方法,颇具应用前景。本文从污染土中筛选分离并驯化出一种具有良好的尿素水解能力和耐高浓度重金属能力的高效产脲酶菌Bacillus HMsoil-01,对该产脲酶菌的生长特性进行研究,通过摇瓶振荡浸出试验及土柱浸出试验考察各种影响因素下Bacillus HMsoil-01矿化固定水中及土中Cu、Cd、Pb的特性,并结合扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)探讨产脲酶菌矿化固定重金属离子的机理。本文主要成果如下:(1)从天然重金属污染土中筛选分离出1株高效产脲酶菌株Bacillus HMsoil-01,其具有明显诱导重金属碳酸盐沉淀的能力,并对高浓度重金属具有较好的耐受性。确定Bacillus HMsoil-01最适生长条件为:培养温度为30?℃,p H值7.0,培养时间为28h。(2)菌株Bacillus HMsoil-01去除水中重金属离子的研究发现,当液体培养基中尿素浓度为0.75mol/L,钙离子浓度为1.0mol/L时,Bacillus HMsoil-01对Cu总体去除效果最佳,去除率为85.69%～98.37%;当液体培养基中尿素浓度为0.25mol/L,Ca浓度为0.5mol/L时去除Cd的总体效果最佳,去除率为74.86%～81.44%;当液体培养基中尿素浓度为0.25mol/L,Ca浓度为0.25mol/L时,去除Pb的总体效果最佳,去除率都达到100%。(3)对菌株Bacillus HMsoil-01矿化固定土中重金属的特性研究发现,在振荡浸出试验研究中,Bacillus HMsoil-01对不同浓度的三种重金属污染土的固定效果显著,固定率都在90%以上;其中在Cu污染土中,每次重金属浸出浓度都低于4.65mg/L,在Cd污染土中,每次重金属浸出浓度低于10.68mg/L,在Pb污染土中,每次重金属浸出浓度不高于0.31mg/L。在土柱试验中,Bacillus HMsoil-01对重金属污染土柱的固定效果比振荡浸出试验时更为显著,其中在Cu污染土柱中,每次重金属浸出浓度低于4.54mg/L,在Cd污染土柱中,每次重金属浸出浓度都在28.86mg/L以下,在Pb污染土柱中,每次重金属浸出浓度不高于0.22mg/L。(4)经SEM和XRD分析发现,Bacillus HMsoil-01固定Cu沉积物以CuCl(OH)(氯铜矿)的形式存在;Cd沉积物为Ca CO(方解石)和Cd CO(菱镉矿)的共沉物;Pb沉积物由Pb CO(白铅矿)和Ca CO(方解石和球霰石)构成。试验后土样中矿化产物以Ca CO(方解石)形式存在,且振荡浸出试验和土柱试验中方解石矿物含量相差无几;土样中没有发现Cu、Cd和Pb的重金属矿物。对比矿化产物可知,尿素水解的微生物诱导碳酸盐沉淀是基于高效产脲酶菌的一系列生物化学反应,细菌可吸附溶液和土壤中的重金属离子,与CO、OH反应,从而使重金属离子同细菌共沉淀,以固定重金属。

关键词：微生物矿化产脲酶菌重金属污染土固定

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新型高效产脲酶菌培养条件优化试验研究

路基工程 2022年第4期 95-101页

作者：王德发中铁十八局集团第一工程有限公司河北涿州072750

在我国南方湿热气候环境筛选出原状土产脲酶细菌CX21,利用投射电镜对经革兰氏染色原状土细菌形态进行观察,通过比对原状土产脲酶菌的16SrRNA确定其细菌种类。采用紫外诱变技术获得一株新型高效产脲酶菌YB7,通过优化细菌培养环境,提高新... 详细信息

在我国南方湿热气候环境筛选出原状土产脲酶细菌CX21,利用投射电镜对经革兰氏染色原状土细菌形态进行观察,通过比对原状土产脲酶菌的16SrRNA确定其细菌种类。采用紫外诱变技术获得一株新型高效产脲酶菌YB7,通过优化细菌培养环境,提高新型高效产脲酶菌的脲酶活性并筛选出稳定、高效的菌株。结果表明:当pH值为9时突变菌的生长量更高,其酶活也更高;温度对突变菌酶活性具有较大影响,最佳生长温度为25~35℃;提高振荡器转速使得细菌生物量增加,当转速超过130 rpm后,菌液浓度有一定的降低,而转速150 rpm及以上的试验组虽然其细菌生物量有所增加,但细菌活性降低;通过优化突变菌的培养条件,突变菌YB7的酶活性可以达到0.79 ms/min,较原状土产脲酶菌提高了46%。

关键词：微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP) 产脲酶菌紫外诱变细菌筛选土体加固

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红壤晚稻田各类群微生物及产脲酶菌动态变化

江西农业大学学报 2000年第1期22卷 90-93页

作者：吴晓玉邱业先彭仁汪金莲陈文荣赵宝珍江西农业大学生物工程系江西农业大学林学院江西农业大学农学院

在晚稻四个不同生长期 (幼苗期、分蘖期、拔节长穗期和结实成熟期 ) ,测定三种不同类型红壤稻田 (肥田、瘠田和新垦田 )的耕作层中三大类群微生物及产脲酶菌数量消长情况。结果表明 :各类群微生物 (细菌、放线菌和真菌 )在晚稻不同生长... 详细信息

在晚稻四个不同生长期 (幼苗期、分蘖期、拔节长穗期和结实成熟期 ) ,测定三种不同类型红壤稻田 (肥田、瘠田和新垦田 )的耕作层中三大类群微生物及产脲酶菌数量消长情况。结果表明 :各类群微生物 (细菌、放线菌和真菌 )在晚稻不同生长期数量有变化 ,且消长情况各不相同 ;不同类型稻田各类群微生物数量略有差别 ,统计结果显示 ,不达显著水平 ;各类产脲酶菌在不同类型晚稻田的百分含量变化不很明显 ;它们在各类群微生物中的百分含量分别为 :产脲酶真菌 36 % ,产脲酶细菌 30 .8% ,产脲酶放线菌 18.7%。

关键词：红壤晚稻田微生物产脲酶菌数量消长

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铝土尾矿原位微生物选培及固化试验研究

应用基础与工程科学学报 2020年第5期28卷 1224-1234页

作者：苏建曹斐姝宋海农欧孝夺李小明广西博世科环保科技股份有限公司广西南宁530004 广西大学土木建筑工程学院广西南宁530004 湖南大学环境科学与工程学院湖南长沙410082

目前微生物处理技术多采用外掺菌种的方式,尾矿库处理后将作为复垦用地,掺入外源菌种有可能对其生态环境造成物种入侵.为探究自然筛选分离培养原位菌株生长特性及固化效果,从铝土尾矿库中定向分离出一株产脲酶菌,并获得其生长曲线、适... 详细信息

目前微生物处理技术多采用外掺菌种的方式,尾矿库处理后将作为复垦用地,掺入外源菌种有可能对其生态环境造成物种入侵.为探究自然筛选分离培养原位菌株生长特性及固化效果,从铝土尾矿库中定向分离出一株产脲酶菌,并获得其生长曲线、适宜温度、酸碱适应性、外加钙源及浓度等生长特性.之后分别对铝土尾粉砂及尾黏土掺入不同剂量该菌株菌液及相应反应胶凝液固化80h.试验表明,随菌液掺入量的增加,铝土尾矿土体压缩性逐步降低.当分别对1500g尾粉砂及尾黏土掺入80mL菌液及胶凝液后,其压缩系数av1-2较不掺入时分别降低了0.17MPa-1和0.10MPa-1,土体孔隙对微生物作用效果有较大影响;从微观结构上看,掺入产脲酶菌及胶凝液后尾粉砂及尾黏土试样孔隙面积分别减少了11.7%及6.2%,作用产物碳酸钙在尾粉砂中以填充颗粒孔隙为主,使孔隙等效粒径逐渐降低;对于碎屑状尾黏土,则以黏结作用为主,细小裂隙逐渐消失.

关键词：铝土尾矿尾矿固化原位微生物产脲酶菌生物诱导矿化碳酸盐沉积生物胶结

微生物技术在混凝土裂缝自修复中应用的研究进展(英文)

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硅酸盐学报 2013年第5期41卷 627-636页

作者：高礼雄孙国文石家庄铁道大学材料科学与工程学院石家庄050043

利用微生物诱导形成的碳酸钙沉淀来修复混凝土裂缝的技术得到了科研工作者广泛关注。该技术是预先在新拌混凝土中添加特殊微生物和合适的底物。一旦混凝土表面出现裂缝,混凝土中的微生物便与底物在裂缝处发生反应形成碳酸钙沉淀,所生成... 详细信息

利用微生物诱导形成的碳酸钙沉淀来修复混凝土裂缝的技术得到了科研工作者广泛关注。该技术是预先在新拌混凝土中添加特殊微生物和合适的底物。一旦混凝土表面出现裂缝,混凝土中的微生物便与底物在裂缝处发生反应形成碳酸钙沉淀,所生成的碳酸钙沉淀可以填充或者修复裂缝。阐述了混凝土中不同细菌种类下的裂缝自修复机理、影响裂缝自修复效果的因素、表征自修复效果的方法以及基于微生物技术修复混凝土裂缝后的性能。

关键词：自修复产孢子菌产脲酶菌裂缝修复微生物碳酸钙混凝土

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瘤胃细菌脲酶多样性与功能的研究进展

动物营养学报 2020年第12期32卷 5532-5539页

作者：张晓音赵圣国郑楠王加启中国农业科学院北京畜牧兽医研究所动物营养学国家重点实验室北京100193 华中农业大学动物科学技术学院武汉430070

瘤胃细菌脲酶和产脲酶菌是尿素利用的基础,影响着反刍动物的肠道健康和氮素平衡。本文综述了脲酶的结构特征及在尿素代谢中的作用、瘤胃产脲酶菌的多样性、瘤胃细菌脲酶活性及其影响因素和脲酶抑制剂在反刍动物中的应用等内容,以期为全... 详细信息

瘤胃细菌脲酶和产脲酶菌是尿素利用的基础,影响着反刍动物的肠道健康和氮素平衡。本文综述了脲酶的结构特征及在尿素代谢中的作用、瘤胃产脲酶菌的多样性、瘤胃细菌脲酶活性及其影响因素和脲酶抑制剂在反刍动物中的应用等内容,以期为全面认识瘤胃微生物提供新的方法和思路,为合理调控、提高反刍动物尿素的利用率提供参考依据。

关键词：脲酶产脲酶菌尿素瘤胃

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生物矿化促进造纸废水好氧除钙的技术研究

环境科学学报 2020年第3期40卷 922-929页

作者：陈逸帆张弛王书月徐新华程丽华浙江大学环境与资源学院

造纸废水厌氧出水中钙离子浓度高,容易引起后续活性污泥好氧曝气系统钙化,造成生化处理能力下降.本文利用富含产脲酶菌的驯化污泥对模拟厌氧出水进行生物矿化除钙.在序批式反应器中接种驯化污泥,在一定尿素浓度下研究除钙过程,并考察曝... 详细信息

造纸废水厌氧出水中钙离子浓度高,容易引起后续活性污泥好氧曝气系统钙化,造成生化处理能力下降.本文利用富含产脲酶菌的驯化污泥对模拟厌氧出水进行生物矿化除钙.在序批式反应器中接种驯化污泥,在一定尿素浓度下研究除钙过程,并考察曝气对除钙过程的影响.结果表明,当尿素投加量为0.5 g·L^-1时,不曝气条件下钙和有机物去除率分别达到50%和35%左右;曝气有利于吹脱二氧化碳,当曝气量为0.2 L·min^-1时,钙离子和有机物去除率均上升至80%左右,而持续提高曝气量无法进一步提高有机物去除率.综合运行成本和处理要求,曝气辅助生物矿化可以有效去除造纸废水厌氧出水中的溶解性钙离子.通过基因组测序发现驯化污泥中产脲酶功能菌主要来自厚壁菌门,特别是芽孢杆菌纲中的热杆菌属.

关键词：生物矿化钙化曝气造纸废水产脲酶菌