摘 要

随着工业化进程的加快，人们对于自然资源的需求量增加，在矿石开采、金属冶炼等人类活动中产生了大量含重金属的工业废水，随意的排放不仅导致土壤生产能力下降，同时通过食物链在人体内富集，对人体神经系统、免疫系统造成损伤，严重威胁着人们的健康。

目前，微生物处理法是治理Cd污染研究热点，具有治理成本低，修复效果彻底，无二次污染的优点。其中硫酸盐还原菌可以将SO₄^2-还原为S^2-，从而与土壤中重金属Cd结合，将重金属固化。产脲酶菌株可以将尿素水解为CO₃^2-与NH₄ 离子，在微生物诱导矿化过程中，镉离子生成碳酸盐沉淀。本将硫酸盐还原菌与产脲酶菌联合起来，使其共生、共养、共荣，使微生物作用朝向有益效果的方向发展，具体的实验内容与结果如下：

（1）对硫酸盐还原菌、产脲酶菌进行了筛选、分离、纯化，并对其进行了活性测定，培养4d后硫酸盐还原菌、产脲酶菌以及混合菌株OD₆₀₀分别为0.6843、0.3744、0.7291。氧化还原电位最低值分别为-321.4mv、-95.8 mv、-328.5 mv。

（2）本研究对硫酸盐还原菌-产脲酶菌复合菌进行镉离子成矿实验，除镉能力最优的条件是菌液比1:1、 pH=8、温度35°C。

（3）通过IR图谱可以看出，细菌生长过程中会消耗碳源，当pH增加到9的时候，发现沉淀中出现白色碳酸盐沉淀，与黄色的硫化镉沉淀共存。

（4）通过含镉酸性矿山模拟废水实验，综合考虑到除镉效率和最终处理效果，在污染废水镉离子浓度为15mg/L时，实际应用效果达到最佳水平。

关键词：复合菌剂；微生物诱导矿化；镉

Chinese abstract

With the acceleration of industrialization, people's demand for natural resources has increased, and a large number of industrial wastewater containing heavy metals has been produced in human activities such as ore mining and metal smelting. The random discharge not only leads to a decline in soil productivity, but also through the food chain. Enrichment in the body, causing damage to the human nervous system and immune system, seriously threatens people's health.
At present, the microbial treatment method is a research hotspot for the treatment of Cd pollution, and has the advantages of low treatment cost, complete repair effect and no secondary pollution. Among them, the sulfate reducing bacteria can reduce SO42- to S2-, thereby combining with the heavy metal Cd in the soil to solidify the heavy metal. The urease-producing strain can hydrolyze urea into CO32- and NH4 ions, and cadmium ions form carbonate precipitates during microbial induced mineralization. The sulfate-reducing bacteria and the urease-producing bacteria are combined to make them symbiotic, co-culture, and common prosperity, so that the microbial action develops in the direction of beneficial effects. The specific experimental contents and results are as follows:
(1) Screening, separation and purification of sulfate-reducing bacteria and urease-producing bacteria were carried out, and their activity was determined. After 4 days of culture, the sulfate-reducing bacteria, urease-producing bacteria and mixed strain OD600 were 0.6843, 0.3744 and 0.7291, respectively. . The lowest values ​​of redox potential were -321.4 mv, -95.8 mv, -328.5 mv, respectively.
(2) In this study, the cadmium ion mineralization experiment was carried out on the mixed strain of sulfate-reducing bacteria-urease-producing bacteria. The optimal conditions for removing cadmium were 1:1, pH=8 and temperature 35°C.
(3) It can be seen from the IR spectrum that the carbon source is consumed during the growth of the bacteria. When the pH is increased to 9, it is found that white carbonate precipitates in the precipitate and coexists with the yellow cadmium sulfide precipitate.

(4) Through the experiment of simulated wastewater containing cadmium acid mine, considering the cadmium removal efficiency and final treatment effect, the practical application effect is obtained at the best level when the cadmium ion concentration of the polluted wastewater is 100mg/L.

Key words: composite microbial agents; microbial induced mineralization; cadmium

目录

中文摘要 I

第一章 绪论 1

1.1 水体镉污染现状 1

1.2 镉污染危害 1

1.3 水体镉污染治理研究进展 2

1.3.1传统水体镉污染治理技术 2

1.3.2 新型镉污染治理技术 2

1.4 微生物技术治理水体镉污染研究进展 3

1.5 硫酸盐还原菌与产脲酶菌复合菌剂的作用机理。 3

1.6研究课题的目的及意义。 5

1.6.1 研究课题的目的及意义 5

1.6.2 研究课题的主要内容及技术路线 5

第二章 硫酸盐还原菌株与产脲酶菌株的筛分、纯化及其活性研究 6

2.1 引言 6

2.2 实验材料与方法 6

2.2.1 菌源选取 6

2.2.2 实验仪器及试剂 6

2.2.3 实验方法 7

2.2.3.1 培养基配方及实验试剂 7

2.2.3.2 硫酸盐还原菌株的筛选、分离与保存 8

2.2.3.3产脲酶菌株的筛选、分离与保存 9

2.2.3.4SRB菌株、产脲酶菌株、混合菌株的生长曲线测定 9

2.2.3.5 SRB-产脲酶菌混合菌株耐受镉离子浓度的测定 9

2.3 结果与讨论 10

2.3.1 SRB、产脲酶菌的筛选、分离与保存 10

2.3.2菌株生长曲线的研究 10

2.3.3SRB-产脲酶菌混合菌株耐镉离子浓度的研究 11

2.4本章小结 13

第三章SRB-产脲酶菌混合菌株对Cd² 成矿能力探究 14

3.1引言 14

3.2 实验材料与方法 14

3.2.1 SRB-产脲酶菌混合菌株培养基 14

3.2.2 实验仪器及药品 14

3.2.3 混合菌株的矿化实验 15

3.2.4 镉离子标准曲线的测定 16

3.3结果与讨论 16

3.3.1 SRB-产脲酶菌混合菌株对Cd² 的诱导成矿 16

3.3.2 不同pH影响下混合菌株的成矿特性 17

3.3.3不同温度影响下混合菌株的成矿特性 19

3.3.4不同菌液比影响下混合菌株的成矿特性 21

3.3.5矿化产物红外图谱分析 23

3.4 本章小结 25

第四章SRB-产脲酶菌混合菌株模拟废水应用 26

4.1引言 26

4.2实验材料及方法 26

4.2.1废水的取样、菌源以及培养基 26

4.2.3实验材料与仪器 26

4.2.4实验方法 26

4.2.4.1不同pH对镉离子固化的影响 26

4.2.4.2不同镉离子浓度的影响 27

4.3实验结果 27

4.3.1不同pH对镉离子固化的影响 27

4.3.2不同镉离子浓度的影响 28

4.4结论 30

第五章 结论与存在问题 31

5.1 结论 31

5.2 本研究存在的问题 31

致谢 32

参考文献 33

第一章 绪论

1.1 水体镉污染现状

随着当今社会经济的高速发展，工业的快速扩张导致土壤中重金属元素富集日益加剧，高浓度的重金属主要通过金属矿山、金属冶炼、化学生产、工厂排放和污水灌溉等人类活动引入到环境中，进而严重威胁着人们的身心健康。我国每年因重金属污染导致粮食减产超过1000万吨，被重金属污染的粮食多达1200万吨，合计经济损失至少200亿元。重金属不像有机污染物，重金属不可生物降解，如锌、铜、镉、铅等可以在人体内富集，从而对人体的免疫系统、泌尿系统、骨骼、神经系统、生殖系统造成损伤。其中Cd超标率达到7%，位于无机污染物超标率的榜首^[1-3]。

截至到2019年，我国约有75%的河流及湖泊受到不同程度的镉污染，地下水有50%左右受到镉污染。这些水体中的镉污染主要是镉被应用于电镀工业，化工业中，进而产生了工业废水被排入到河流以及湖泊中，随着生态系统的循环污染到大面积的其他水源。近10年以来我国也发生了很多重大污染事件：2018年浏阳化工程废渣、废水、粉尘、原料产品运输与堆存泄露事件，2013年广西龙江河含镉废水排放超标事件。这些镉污染事件的频发，对与当地的水域土壤造成了严重的危害，不仅造成了严重的经济损失，更危害着人们的健康。

1.2 镉污染危害

镉是一种具有生物毒性的重金属，并且镉的化合物大多数也具有很强的生物毒性^[4]，镉在人体内的半衰期长达6.2到18年，被联合国世界卫生组织列为危害人类健康的第一致癌物。正常环境下的镉浓度不会对生物造成毒害作用，但是镉的游离态和络合物态很容易造成镉污染，而随着近年来城市化进程的加快，镉的三废排放以及日常含镉的污染物处理不当使镉极易进入到环境之中，从而导致环境中游离态和络合物态的镉超标。

进入到人体内的镉元素，能够与羟基，氨基的蛋白质分子相结合，从而影响人体内酶的活性，使很多需要酶进行调节的系统作用受到了抑制，因此肝脏肾脏的功能收到了抑制，还会改变肾小管细胞的通透性，使人体对于摄入蛋白质和糖类等营养物质的吸收受到了阻碍，导致人体容易患上糖尿病，蛋白尿病等疾病，使尿钙和尿酸的排除量增加，容易引发多种癌症。此外环境中超标的镉，被植物吸收后会影响植物的细胞分裂和正常的生长，造成植物生物量下降^[5]，影响到中国9亿农民的收入。超标的镉也会在植物细胞内积累，会出现如“镉大米”这类有毒食物影响人类的健康。镉污染还会影响到微生物的新陈代谢，会使自然环境中的微生物的活性降低，微生物的种类和数量减少，微生物生态结构发生明显改变。

1.3 水体镉污染治理研究进展

1.3.1传统水体镉污染治理技术

传统的水体镉污染治理技术主要有：化学沉淀法、化学絮凝法以及吸附法。化学沉淀法主要是通过向水体投放生石灰等碱性物质，通过控制溶液中的pH值,使溶液维持在碱性条件，Cd² 离子可以Cd(OH)₂、CdCO₃以及CdS的形式沉淀下来从而使Cd² 从溶液中分离出来。化学絮凝法主要是向被污染的水体直接投放絮凝剂，（例如：金属盐、高分子材料以及微生物胞外分泌物）从而与Cd² 直接发生化学反应或者是絮凝反应生成难溶解的物质从污染的水体中分离出Cd² 离子。吸附法是通过投放比表面积较大的多孔性物质（如活性炭）到水体中，利用吸附作用将水体中超标的Cd² 吸附在活性炭表面去除的方法，不同的吸附剂由于处理的机理不相同，可以分为物理吸附，化学吸附，离子交换吸附。虽然吸附法的成本较低，但是在实际的处理过程中，由于其选择性较差，需要考虑的有pH，流量、流速、镉的浓度等许多因素，处理效果不能达到预期的标准。虽然水体重金属污染处理领域的研究团体对传统方法进行了很大的改进，这些传统的水体镉污染治理技术虽然在发生重大污染事件的时候会采用，但是这些传统方法往往效率低下，并且消耗的化学物质以及能源较多，使处理成本很高，不利于工厂的经济发展，并且容易产生二次污染。

1.3.2 新型镉污染治理技术

近年来，许多生物处理技术也被应用到处理重金属，生物处理方法主要是利用动物、植物或者是微生物，通过生物作用来降低环境中的污染物的含量，使自然环境修复到之前未被破坏的状态。生物修复技术相较于传统的物理化学处理方法简便，并且成本较低，修复效果彻底，不会造成二次污染的特点，符合国家的环境保护要求^[6]。

水体动物修复法是选择利用特定的鱼类和贝类等水生生物，将他们投放在受污染的水域，通过动物的日常摄入食物进而实现富集水域中镉的污染物，最后将这些水生生物通过捕捞移除水域来首先受污染水域的修复工作。目前这类修复方法由于造价成本昂贵和修复周期较长只存在理论研究和实验室小规模的模拟水体镉污染治理之中，实际应用并不广泛。此外由于水域面积广阔，条件繁多复杂，实验模拟结果并不能与实际一致，且水生生物移动性强，污染物会迁移，分散到未污染的水体，因此并不是一种高效的修复方法。

植物修复法是利用特定的植物对污水中氮磷等无机营养盐的吸收、转化和富集作用，将水体中的污染物质以另外一种形态存在于植物体内，再通过人工收割植物将重金属Cd² 从水体中去除，达到净化水质，水体的修复工作。相较于水生动物修复的方法，植物修复法治理的效果更加好，价格会更加便宜，由于水生植物的移动性差，不会出现二次污染，是一种具有前景的生物修复方法^[7]，但是由于植物自身的特性对于不同物质的吸收不相同，不能同时固化大量的镉离子，并且植物修复法的治理周期也是较长，受气候环境影响较大，在治理河流湖泊镉污染上尚有太多的缺陷。

1.4 微生物技术治理水体镉污染研究进展

微生物技术是生物修复技术近年来新发展起来的具有广阔前景的技术，主要是通过利用水体中的微生物对Cd² 等重金属进行吸附、沉淀以及固化，改变污染物在水体中的形态，从而降低Cd² 在受污染水体中的浓度，达到治理水体镉污染的目的。微生物技术可以主要分为以下三种修复方法：细菌修复、真菌修复和藻类修复。

细菌是微生物中最大的同时也是分布最广的群体，在微生物修复技术中目前研究是最多的。由于细菌的细胞壁带有负电荷，可以和环境中的重金属阳离子相结合使重金属被固定在细菌表面。细菌对于重金属的吸附能力很强，例如ziagova^[8]等人的研究发现单胞菌，对于Cd² 的最大吸附量可以达到278mg/g。并且细菌的抗镉能力也很强，例如夏彬彬^[9]等研究发现胶质芽孢杆菌最大Cd² 耐受浓度在100 mg/L左右。

真菌修复早在19世纪就被发现可以用来去除环境中的重金属离子，主要是通过吸附和转化重金属离子来修复环境。其中吸附主要是通过真菌细胞壁上的活性基团与重金属发生活化反应，并且真菌细胞壁上的多孔机构可以使其活性配位体在细胞的表面合理的排列，由此可以使活性配体易于和金属离子相结合，以及细胞壁上的多糖可以发生络合反应来吸收重金属离子。，例如Fomina^[10]等使用XAS和XAM技术证实了含氧官能团与重金属的固化作用。

藻类修复是国内外近几十年出现的热点研究，藻类微生物是光合自养生物，对于水体中的重金属离子吸附性强，吸附量大并且吸附的速度较快，利用藻类生物处理工业废水，能够节约成本并有效的处理重金属，但由于目前研究较少，比较常见的是利用海藻和褐藻来处理重金属离子。

1.5 硫酸盐还原菌与产脲酶菌复合菌剂的作用机理。

在水体重金属污染的治理中，研究者通过大量的实验发现很多生物过程单一微生物仅仅只会微弱的进行甚至是无法进行，因此必须利用两种或者是多种微生物，在共存的条件下，使菌群协同共生，从而让微生物作用更加优化和有效^[11-13]。

硫酸盐还原菌是通过异化作用还原硫酸盐的一类细菌的统称。在自然界中有极强的生存能力并分布广泛。在厌氧的条件下硫酸盐还原菌可以氧化很多种有机碳，并以硫酸盐或者是亚硫酸盐为最终电子受体进行还原硫酸盐的过程。硫酸盐还原菌可以将有机碳源作为电子供体，将SO₄² 还原为S^2-，产生的硫化氢可以使水体中的重金属如镉生成不可溶的金属硫化物的沉淀，可以从水体中轻易的去除掉重金属离子^[14-15]。具体的反应如下：

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