外源刺激剂强化芽孢杆菌高效修复Cr(Ⅵ)污染水体OA北大核心CSTPCD

目前,利用微生物修复六价铬[Cr(Ⅵ)]污染的土壤和水体已经在实验室及场地大量应用,但由于土著微生物的竞争及场地的寡营养条件,导致外源铬(Cr)高效还原微生物定殖困难。鉴于此,本研究从成本低廉且无二次污染的氮源型/碳源型/矿物型/离子型的微生物刺激剂筛选出发,探讨了不同刺激剂添加方式(非包埋型和包埋型)对抗铬芽孢杆菌(Bacillus sp.)高效还原Cr(Ⅵ)的影响,并采用扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDS)对芽孢杆菌表面进行表征。结果表明,甘蔗粉(碳源型)、豆粕粉(氮源型)、钙离子[Ca(Ⅱ),离子型]、蒙脱石(矿物型)这四种刺激剂的添加显著增加了芽孢杆菌对Cr(Ⅵ)的还原效率,进一步利用单因素多水平试验确定了它们的最佳投加量分别为10 g∙L^(-1)、10 g∙L^(-1)、10 mmol∙L^(-1)、8 g∙L^(-1),在第8天时与裸菌相比,分别添加这4种刺激剂的芽孢杆菌对Cr(Ⅵ)的还原率分别提高了17.48、15.56、11.70、18.84个百分点。在单因素试验的基础上,挑选2个效果最佳的刺激剂甘蔗粉和蒙脱石,利用响应曲面法建立了混合型刺激剂(甘蔗粉+蒙脱石)与菌的最佳投加量,结果显示甘蔗粉投加量为8 g∙L^(-1)、蒙脱石投加量为6 g∙L^(-1)、菌剂投加量为0.3%(V/V)时,培养8 d后,与裸菌相比,添加混合刺激剂的芽孢杆菌对Cr(Ⅵ)还原率增加了32.53个百分点,显著高于单一非混合刺激组。考虑到刺激剂直接加入环境亦会被土著微生物利用,导致对外源铬还原微生物刺激作用的长效性差,本研究还探究了包埋型缓释刺激剂对芽孢杆菌还原Cr(Ⅵ)的长效刺激作用,结果发现,在包埋型刺激剂的辅助下,芽孢杆菌对Cr(Ⅵ)的还原能力随着时间延长而不断增加,其Cr(Ⅵ)还原率分别从86.08%(第2天)增加到97.09%(第28天),添加了非包埋型混合刺激剂的菌从86.92%(第2天)下降到75.93%(第28天)。SEM观察修复28 d的菌,发现未加任何刺激剂的裸菌出现严重皱缩,部分断裂,形态结构不完整;添加非包埋混合刺激剂的菌出现轻微皱缩,点状断裂,形态结构较为完整;而添加包埋型刺激剂的菌光滑,形态结构完整,表面有绒毛状产物,EDS显示绒毛状产物O和Cr含量相对于其他元素较多,包埋型刺激剂提升了菌细胞表面参与的铬固定,降低了铬对细菌细胞的毒性。研究表明,混合刺激剂还原效果优于单一非混合刺激组,确定最佳投加量分别为甘蔗粉(8 g∙L^(-1))、蒙脱石(6 g∙L^(-1))和菌剂(0.3%)。利用非包埋型刺激剂有利于短期内快速提升菌对Cr(Ⅵ)还原,而包埋型刺激剂使菌还原Cr(Ⅵ)具有长效性并有效地降低了Cr(Ⅵ)毒性。