摘 要

针对如何高效、经济的除去水稻田镉重金属已经成为水污染防治领域的热点问题，利用硫酸盐还原菌(SulfateReducingBacteria，SRB)沉淀分离镉重金属离子的微生物方法是很具有应用前景的处理方法之一。

本文章以优化SRB的还原活性为出发点，通过间歇式实验首先确定适宜的初始温度、pH值、碳硫源和C0D/S0₄^2-比值，然后讨论固定化载体对硫酸盐还原菌还原性能的影响。研究的结果表明，初始温度为35℃、pH值为7、硫酸钠为硫源以及初始COD/S0₄^2-比值为3时硫酸盐还原菌具有较高的生物活性。镉离子浓度由20mg/L降低至5.05mg/L，镉离子的去除率达到75%，实验效果良好。固定化载体后，利用载体经过正交试验分析，可知四个因素的最优水平是聚乙烯醇浓度8%、海藻酸钠浓度2%、交联剂浓度4%、交联时间18小时。采用较好的SRB固定化载体，硫酸盐还原菌的还原活性高。模拟处理镉污染废水，镉离子浓度由20mg/L降低至2.85mg/L，镉离子的去除率达到86%，微生物技术的处理效果好，同时使COD排放达标，避免SRB处理重金属废水而引入新的有机污染的可能性，有效防止微生物流失及抵抗外界水质的变化，并有效回收利用重金属。因此，本课题具有重要的理论意义和实用价值。

关键字：硫酸盐还原菌；固定化；镉污染；应用研究

Application of immobilized sulfate reduction bacteria in the treatment of cadmium pollution in paddy fields.

Qiang li(School of chemistry and life sciences，Wuhan university of technology，Wuhan430070)

Abstract：How to efficiently remove the heavy metals cadmium in rice paddies, the microbiological method for separating the cadmium heavy metal ions with sulfate reduction bacteria is one of the most promising methods.

This article starts with the optimization of SRB reduction activity，determining appropriate initial temperature, pH, carbon sulfur source and C0D/S0₄^2- ratio through the batch experiment, and then the influence of immobilized carrier on the reduction performance of sulfate reducing bacteria was discussed.The results show that the sulfate-reducing bacteria has higher biological activity in the initial temperature 35℃, pH value of 7, sodium sulfate as sulfur source and the initial C0D/S0₄^2- ratio of 3 .The concentration of cadmium ions decreased from 20mg/L to 5.05mg/L, and the removal rate of cadmium ions reached 75%. According to the orthogonal test analysis, the optimal level of the four factors is 8% of polyvinyl alcohol, 2% of alginate concentration, 4% of crosslinking agent, and 18 hours of crosslinking time. Using the better SRB immobilized carrier, the reduction activity of sulfate reducing bacteria was higher. In the simulated treatment of cadmium-contaminated wastewater, the cadmium ion concentration decreased from 20mg/L to 2.85mg/L,and the removal rate of cadmiumion reached 86%. Therefore, this topic has important theoretical significance and practical value.

Key word：Sulfate reducing bacteria；immobilized；Cadmium pollution；Research and application

目录

第一章 绪论 1

1.1土壤镉污染的现状 1

1.2土壤镉污染治理研究方法 2

1.2.1传统土壤镉污染治理技术 2

1.2.2新型镉污染治理技术 3

1.2.3 微生物技术治理土壤镉污染研究进展 4

1.3课题研究的原理 5

1.4课题研究目的与意义 5

1.5研究课题的主要内容及技术路线 5

第二章 硫酸盐还原菌的筛选与纯化 7

2.1 实验材料与方法 7

2.1.1 菌源选取 7

2.1.2 实验仪器及试剂 7

2.1.3 培养基组成 8

2.1.4 硫酸盐还原菌株的筛选、分离与保存 9

2.1.5菌株的生长曲线测定 9

2.1.6 SO₄^2-浓度标准曲线的测定 9

2.1.7镉浓度标准曲线测定 10

2.2结果与讨论 11

2.2.1硫酸盐还原菌株的筛选、分离 11

2.2.2菌株的生长曲线的研究 12

2.2.3 SO₄^2-浓度标准曲线 12

2.2.4镉浓度的标准曲线 13

第三章 硫酸盐还原菌生长条件的优化 15

3.1硫酸盐还原菌的单因素实验 15

3.2结果与讨论 15

3.2.1不同COD/SO₄^2-比值对SRB生长及还原能力的影响 15

3.3.2不同硫源对SRB生长及还原能力的影响 16

3.3.3不同温度对SRB生长及还原能力的影响 17

3.3.4不同pH对SRB生长及还原能力的影响 18

第四章 固定化载体的优化与应用研究 19

4.1重金属镉的介绍及处理方法 19

4.2 SRB固定化颗粒制备 19

4.3固定化载体的正交试验分析 20

(1)因素水平 20

(2)正交实验表 20

4.4固定化载体正交实验模拟水稻田镉污染处理 20

4.5结果与讨论 21

4.5.1固定化载体正交实验分析 21

第五章固定化硫酸盐还原菌处理镉污染应用研究 23

5.1 固定化硫酸盐还原菌处理镉污染应用研究 23

5.2结果与讨论 23

5.2.1镉离子浓度对固定化载体处理镉污染的影响 23

5.2.2含水量对固定化载体处理镉污染的影响 24

第六章 结论与存在问题 26

5.1 结论 26

5.2 本研究存在的问题 27

参考文献 28

致谢 29

第一章 绪论

1.1土壤镉污染的现状

自上世纪 30 年代以来，随着工程技术的飞速发展，工业的快速扩张导致了大量的有色金属污染物被排放入生态环境中，环境质量严重下降，其中尤以农田土壤重金属污染最为严重^[1]。重金属镉(Cd)、汞(Hg)、铅(Pb)、砷(As)等生物毒性元素是农田土壤中主要的污染物质，锌(Zn)、铜(Cu)、钴(Co)等共同元素严重影响了一些特殊区域的土壤质量^[2]。其中，重金属镉严重伤害人类肾脏和骨骼等，能够不断累积在人体内，被认为是最有毒的重金属之一。并在“致癌物第九年度报告(2000) ”上被列为“人类致癌物质”^[3]。在日益突出的经济发展与环境污染矛盾下，我国也对土壤中镉含量做了严格的质量标准，如下表1-1。

表1-1土壤环境镉标准含量质量标准mg/kg

镉(Cadmium，Cd)是一种毒性极强的重金属元素，也是生物非必需元素^[4]。镉易通过农作物以及饮用水途径进入人体造成伤害，联合国世界卫生组织(WHO，World Health Organization)、和美国环境保护协会(USEPA，US Environmental Protection Agency)规定人体Cd的最大允许摄入量(ADI值)均为1μg·kg^-1·d^-1。它具有很强的人体细胞恶性转化能力。它还可与人体组织中的羟基(-OH)和巯基(-SH)等多种基团结合，产生镉蛋白，从而降低细胞生理活性所需的酶的生物活性。同时还对肾、肝等器官中大量酶的正常生理功能起到抑制作用，影响饮食过程中摄入的蛋白质、糖类等营养物质消化和吸收。此外，镉能够通过进入人体后，与锌蛋白酶直接发生亲合反应，从而使人体内的锌含量下降，让其需要锌的酶直接抑制，从而导致人体容易患上疾病，例如糖尿病等，并且可能诱发多种癌症。生态环境中镉的来源主要源于地球化学活动自然形成和人类工业生产的排放，前者大量存在于岩石矿物中，后者主要是指在工农业经营活动中直接或间接地将含镉污染物排放到环境中去^[5]。由于镉常被用于一些化学试剂制备和应用于一级电池生产行业，必然导致大量的含镉化合物进入土壤水体和大气环境中。在矿区，早期工业废水和废渣被人为排放入土壤中，因此该地区周边的土壤镉污染也最为严重。利用徐有宁等对秦岭小金矿区的土壤进行了研究^[6]，结果表明，该地区镉含量超过国家标准二级。国家土壤环境质量保护协会称土壤面积镉含量超标占当地土壤面积的7.8%，达到21.8 km²。欧丽等对赣南岿美山钨矿尾砂库地区生长的植物进行了研究^[7]，发现该地区中有15种植物对镉元素的富集作用大于10 mg·kg^-1。在过去的很长一段时间里，中国土壤镉污染一直没有得到足够的重视。直到近几年媒体暴露了“癌症村”、“骨痛”、“镉大米”等严重威胁人类健康的安全事故^[8]后，镉污染防治才逐渐显现出来，进入公众的视野。

因此，在稻田环境中去除潜在的镉危害尤为重要。如何高效、经济的除去水稻田镉重金属已经成为水污染防治领域的热点。

1.2土壤镉污染治理研究方法

由于镉在生态体系中活性高，毒害作用强、存在形态复杂、极易被农作物根系吸收，已成为我国当下土壤重金属污染治理中最为突出的重金属元素^[9]。如何高效、经济的除去水稻田镉重金属已经成为水污染防治领域的热点。

1.2.1传统土壤镉污染治理技术

针对重金属镉污染的土壤治理研究，从20世纪60~70年代开始，一些发达国家例如西欧国家、美国等都在土壤重金属污染领域进行了较深入的研究。80年代，中国开始了初步的研究工作，科研团队确定了土壤重金属生态效应、临界含量地带性分布等研究方向。由于镉在生态体系中活性高，毒害作用强、存在形态复杂、极易被农作物根系吸收，已成为我国当下土壤重金属污染治理中最为突出的重金属元素^[9]。鉴于不同的土地结构、污染类型和镉重金属污染控制水平，相应的修复技术体系需要分别选择。经过几十年的积累和发展，中国在土壤镉污染修复技术方面取得了长足的进步。在传统的土壤工程管理方法的基础上，提出并改进了工程管理、化学处理、农业管理、生物处理和联合修复等修复技术。

工程管理是指用物理原理直接修复土壤中重金属镉的土壤，包括土壤法、表土法、土地冲洗法、吸附法、热分析法、电感应法等^[10]。热处理原理是挥发和冷却。通过加热土壤和收集土壤中的挥发性污染物。后处理；电动诱发法是指通过电力作用将土壤中重金属发生电解、电渗、电迁移和电泳作用，污染物质在阳极或阴极被转移走^[11]。然而，工程治理法因实行成本以及修复地环境条件复杂等问题，不具备在受大面积镉污染的土壤中施行的条件。

化学处理是通过添加化学试剂间接修复污染土壤。通过增加土壤有机质含量、阳离子取代量和粘土颗粒的比例，改变土壤系统的理化性质，土壤中重金属的化学效应是氧化还原、沉淀络合。吸附、抑制和拮抗作用^[12]。减少土壤系统中镉的迁移和生物有效性。常用的化学处理方法有原位化学稳定化、化学浸出和化学淋洗。化学治理法修复周期短，成本低，工艺过程简单，但受制于土壤环境因素，难以修复受污染严重的场地，并且长期使用化学治理对作物的生长会造成不利影响，因此难以大范围推广执行。

农业管理是以当地的土壤环境和气候条件为基础，人为地改变一些耕作管理制度，减轻重金属污染造成的危害^[13]。通过在受污染土壤上种植不进入食物链的植物，多种植物组合间作、轮作来改变土壤质地和环境中各项作物生长指标的措施以达到降低镉生物有效性的目的。如向日葵、玉米、大豆、水稻等，其中水稻根系中的重金属含量可吸收50%以上的作物，而玉米茎叶吸收的重金属含量占整个作物吸收量的40%。

1.2.2新型镉污染治理技术

目前，高技术生物控制技术及其组合修复技术被用于培养可在生物重金属中固定和积累的微生物超工程菌，并推广应用于固体废物污染领域。歌唱技术。生物管理领域还包括三个主要方向：动物、植物和微生物。

动物修复技术是利用在各类土壤中生存能力较强的低等动物如蜈蚣、昆虫、蜘蛛、蚯蚓等能够一定程度吸收重金属镉的生物，将其投放于土壤环境中以达到降低镉污染土壤中镉含量的目的。研究发现蚯蚓对土壤中Pb和Cd有明显富集作用，并能改变其分布规律，蚯蚓粪对镉也有一定的富集作用。目前这种技术进行镉污染修复的研究还停留在理论研究以及实验室内小范围模拟土壤的治理阶段，难以推广应用于实际土壤环境中。

植物修复是指通过植物本身的主动吸收、根际吸取、自身分解等作用固结土壤中毒害污染物的技术总称。它是一种具有广阔前景的新型技术，不仅具有良好的绿化效果，还能够在修复过程中增加土壤的有机质含量，适合在发展中国家推广使用。我国学者在这一方向也做过大量科学研究，已筛选出镉超高富集植物有商陆、龙葵、小白酒花、园锥南芥、十字花科、禾本科等^[14]，它们都对受镉污染的土壤具有优秀的修复能力；此外，在自然环境中，一些未见到的农田杂草和观赏草本植物也是镉污染土壤修复的超积累植物的来源。

生物治理是指利用生物的各类生化作用来抑制或改善重金属污染^[15]。如菌根真菌与高等植物形成共生关系后，可以降低植物地上部分重金属含量，更多积累于植物的地下部分，改善根际微生态环境，减轻重金属的毒害作用；接种镉、锌、镍污染土壤后，菌根真菌对紫花苜蓿、黑麦草和红三叶等植物的耐重金属性增加；接种丛枝菌根真菌后，白三叶对土壤中Zn的吸收可明显减少，菌根真菌可通过植物根系钝化Zn。 Janouskov^[16]等植物栽培试验表明，菌根菌丝能富集大量的Cd² ，促进镉在土壤中的钝化，大大降低了镉对各种植物的毒性。

1.2.3 微生物技术治理土壤镉污染研究进展

生物治理法因其独一无二的优势在如今的重金属污染治理领域中占有重要的一席。而在生物治理中的微生物处理技术又具体包含有细菌修复、真菌修复和藻类修复重金属这三大类别。细菌作为土壤环境中数量最庞大、分布范围最广的生物，它的细胞带有负电荷，使菌体具有阴离子特性，能够吸引环境中游离的重金属阳离子，并与细胞表面上的羧基阴离子和磷酸阴离子发生吸附络合作用而被固定。细菌具有很好的吸附重金属的能力。真菌修复主要是吸附和转化修复重金属污染的两大功能。前者指真菌本身的被动吸收。真菌细胞壁上的多孔结构和其表面活性配体的合理排列为金属离子提供了良好的结合位点。同时，细胞壁上的糖蛋白可以通过络合作用吸附一定量的重金属。

本文采用硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria，SRB)还原硫酸盐，然后在细菌浸出液中选择性沉淀有价金属离子。利用H₂S与废水中的重金属离子发生反应，产生低溶解度的金属硫化物沉淀，可有效地处理低浓度的重金属硫酸浸出液的用途^[17]。SRB还原菌对镉污染的处理存在着复杂的分离作业、苛刻的操作场地和大量的细菌损失等问题。因此，固定化技术被用于处理废水。硫酸盐还原菌包埋固定化，为微生物提供一个高效稳定的微环境体系，有效的去除废水中的镉重金属，同时使COD排放达标，避免SRB处理重金属废水而引入新的有机污染的可能性，有效防止微生物流失及抵抗外界水质的变化，并有效回收利用重金属^[18]。由于微生物技术效果好、成本低、无二次污染，引起了人们的广泛关注。因此本课题采用硫酸盐还原菌来模拟处理镉污染水稻田具有重要的理论意义和实用价值。

1.3课题研究的原理

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