铬渣堆场铬污染特征及其铬污染土壤微生物修复研究

摘要

我国是世界铬盐生产大国，年产量已超过16万吨，然而在其生产过程中产生大量含铬废渣。全国每年新排放铬渣约60万吨，历年累积堆存铬渣近400万吨。铬渣中含有0.3～1.5％可溶性CrVI)，经降雨和地表水的冲刷，Cr(VI)进入周围土壤和地下水，对环境造成严重污染，目前我国受Cr(VI)严重污染的土壤达1250多万吨。铬渣堆场已经列为我国土壤污染重点治理对象。我们国家目前急需修复铬渣污染土壤的关键技术。因此，本文以湖南某工厂铬渣堆场所引起铬污染特点为基础，以修复铬污染土壤为目标，进行系统的研究，获得如下结果： 湖南某厂铬渣堆场、渣堆周围以及厂外农业用地三个区域表层土壤总铬平均含量分别是我国土壤环境质量二级标准的5.6、7.6和5.0倍；这三个区域剖面土壤中总铬分别在土壤剖面40-60cm、20-40cm、0-20cm深度累积；铬渣淋溶出的铬可迁移至底土层；铬渣堆场土壤总铬以铁锰结合态为主，而铬渣堆场周围土壤总铬以残渣态为主；铬渣堆场和其周围表层土壤水溶性六价铬平均含量分别是对照区的137.5和30.1倍；厂外农作物芹菜、白菜及莴笋分别有50％、100％及75％的样品中可食部分铬含量超过我国食品铬限量卫生标准；工厂附近居民饮用水(井水)50％的样品中六价铬含量超过我国饮用水卫生标准。 铬污染已严重抑制铬渣堆场土壤三大微生物区系(细菌、真菌和放线菌)的活性。与对照区相比，铬渣堆场土壤细菌、真菌和放线菌数量分别下降89.9％、99.8％和99.9％。污染土壤中细菌、真菌和放线菌数量均与土壤总铬和水溶性六价铬含量呈负相关关系；室内培养试验也表明，六价铬均不同程度地抑制了土壤可培养细菌、真菌和放线菌的生长和降低其多样性，其中放线菌对铬污染最敏感。铬污染对土壤多酚氧化酶和过氧化氢酶活性没有明显抑制，对土壤碱性磷酸酶的活性有轻度抑制，而土壤脱氢酶的活性严重受到抑制，可见土壤脱氢酶活性对铬污染较敏感，可用于土壤铬污染生物学预警指标。 基于微生物在极端环境下生存的胁迫机制，从铬渣堆场铬污染土壤中分离出4株六价铬耐受菌，均为嗜碱性细菌；4株Cr(VI)耐受菌中只有一株具有较强的还原Cr(VI)的能力，24h内基本还原500mg/LCr(VI)。该细菌生长曲线表明其生长与其对Cr(VI)的还原并非同步进行，细菌的铬耐受力与其铬还原能力无直接关联；用扫描电镜对该铬还原菌还原Cr(VI)前后进行形貌观察，结果显示该细菌呈杆状，尾部生有鞭毛，表面附有少量丝状物质，还原Cr(VI)后，部分菌体末端黏附着一团不定形物质，细菌介质中也有大量的不定形物质聚积；采用EDAX和XPS对该菌还原Cr(VI)后的产物成分进行鉴定，结果表明Cr是产物中主要元素，Cr(VI)还原为Cr(Ⅲ)，且以Cr(OH)3形式存在；细菌生理生化特性的测试以及16S rDNA的测序及比对均显示该铬还原菌属Pannonibacter phragmitetus。 通过对培养基的优化，提出并研究了直接添加培养基激活Pannonibacter phragmitetus的活性来进行铬污染土壤的原位微生物修复新方法。在温度为30℃、土液比为1:1、碳源葡萄糖投加量为5g/kg、氮源化合物A投加量为5g/kg的情况下，该细菌能在4d内去除土壤总六价铬的效率达到92％，其中水溶性六价铬可基本上去除；5d后土壤中交换态六价铬去除率达到89％；10d后土壤碳酸盐结合态六价铬去除率达到84％。 铬渣堆场土壤的修复是由Pannonibacter phragmitetus对Cr(VI)还原作用的结果，有机质、铁氧化物和锰氧化物等土壤固相组分并未参与Cr(VI)的还原；同时细菌代谢产物及其胞外酶也未表现出对Cr(VI)的还原作用。细菌对Cr(VI)还原机理是其胞内酶的直接还原作用，且胞内酶在NADH的参与下完成对Cr(VI)的还原。铬还原酶是菌体本身的组成酶而不是诱导酶，即组成酶具有还原Cr(VI)的能力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1铬及铬渣的危害

1.1.1铬的危害

1.1.2铬渣及其危害

1.2土壤铬的环境化学行为

1.2.1土壤中铬的含量及分布

1.2.2土壤中铬的来源

1.2.3土壤中铬的环境质量标准

1.2.4铬在土壤中的存在形态及其迁移、转化

1.3土壤中重金属污染的微生物学表征

1.3.1重金属污染对土壤微生物数量的影响

1.3.2重金属污染对土壤微生物群落结构的影响

1.3.3重金属污染对土壤酶活性的影响

1.4铬污染土壤的传统治理方法

1.4.1客土、换土法

1.4.2化学固定化／稳定化方法

1.4.3化学还原法

1.4.4化学清洗法

1.4.5电动修复法

1.5生物修复法治理铬污染土壤

1.5.1植物修复

1.5.2微生物修复-吸附法

1.5.3微生物还原法修复铬污染土壤现状

1.5.4微生物还原法修复铬污染土壤机制

1.5.5微生物还原法修复铬污染土壤面临的问题

1.6本课题的研究背景及内容

第二章铬渣堆场铬污染特征

2.1引言

2.2实验材料与方法

2.2.1研究区基本概况

2.2.2样品的采集与预处理

2.2.3土壤基本理化性质的测定

2.2.4土壤总铬提取及测定

2.2.5土壤水溶性六价铬提取及测定

2.2.6土壤不同形态铬的提取及测定

2.2.7蔬菜样品铬含量测定

2.2.8水样六价铬含量测定

2.3铬渣堆场周边土壤铬污染特征

2.3.1研究区土壤基本性质

2.3.2表层土壤总铬污染特征

2.3.3表层土壤铬污染评价

2.3.4总铬在各采样区间的空间变异结构

2.3.5表层土壤水溶性六价铬含量

2.3.6剖面土壤总铬迁移模式

2.3.7剖面土壤水溶性六价铬迁移模式

2.3.8土壤中铬赋存形态

2.4蔬菜铬污染特征

2.5铬渣堆场周边水环境污染特征

2.6小结

第三章铬渣堆场铬污染对土壤微生物的生态毒性

3.1引言

3.2实验材料与方法

3.2.1野外调查土壤

3.2.2室内培养试验用土壤

3.2.3试验设计及培养方法

3.2.4土壤微生物数量测定

3.2.5土壤微生物群落多样性分析

3.2.6土壤酶分析

3.2.7数据统计分析

3.3铬污染对土壤微生物群落毒性效应

3.3.1铬污染下土壤微生物总数的变化

3.3.2铬污染下土壤真菌数量和多样性的变化

3.3.3铬污染下土壤细菌数量和多样性的变化

3.3.4铬污染下土壤放线菌数量和多样性的变化

3.3.5土壤总铬与水溶性六价铬含量与微生物数量相关性

3.4土壤铬污染的酶学效应

3.4.1铬污染对土壤过氧化氢酶活性的影响

3.4.2铬污染对土壤脱氢酶活性的影响

3.4.3铬污染对土壤多酚氧化酶活性的影响

3.4.4铬污染对土壤碱性磷酸酯酶活性的影响

3.5小结

第四章铬渣堆场土壤铬还原菌的分离、筛选和鉴定

4.1引言

4.2实验材料与方法

4.2.1土壤样品

4.2.2培养基

4.2.3实验仪器

4.2.4铬耐受菌的采集

4.2.5铬耐受菌的分离

4.2.6铬耐受菌还原六价铬的能力检测

4.2.7菌种的生物学鉴定

4.2.8分析方法

4.3铬耐受菌的分离纯化

4.4铬耐受菌Cr(Ⅵ)还原活性与生长特性

4.4.1铬耐受菌还原Cr(Ⅵ)能力

4.4.2铬耐受茵在含Cr(Ⅵ)培养基中的生长状况

4.4.3铬耐受菌培养过程中pH变化

4.5铬还原菌BB还原Cr(Ⅵ)前后的形貌特征

4.5.1液体培养基颜色变化

4.5.2铬还原菌形态SEM观察

4.6还原产物的检测

4.6.1还原产物的EDAX分析

4.6.2还原产物的XPS分析

4.7铬还原菌BB种属鉴定及系统发育学分析

4.7.1细菌BB16S rDNA的测序

4.7.2 16S rDNA序列分析结果

4.7.3菌株的系统发育分析

4.7.4细菌BB生理生化特性

4.8小结

第五章土著微生物原位修复铬渣堆场铬污染土壤的研究

5.1引言

5.2实验材料与方法

5.2.1实验仪器

5.2.2培养基

5.2.3土壤样品

5.2.4 P.phragmitetus BB修复铬渣堆场铬污染土壤的影响因素

5.2.5 P.phragmitetus BB对铬渣堆场铬污染土壤的原位修复

5.2.6测定方法

5.3P.phragmitetus BB修复铬渣堆场铬污染土壤的影响因素

5.3.1碳源的影响

5.3.2氮源添加量的影响

5.3.3无机盐的影响

5.3.4培养基pH的影响

5.3.5温度的影响

5.3.6土壤湿度的影响

5.4 P.phragmitetus BB对铬渣堆场污染土壤的原位修复

5.4.1 P.phragmitetus BB对土壤总六价铬的修复

5.4.2P.phragmitetus BB对土壤不同形态六价铬的修复

5.5小结

第六章土著微生物修复铬污染土壤机理研究

6.1引言

6.2实验材料与方法

6.2.1实验仪器

6.2.2菌种

6.2.3培养基

6.2.4供试土壤

6.2.5土壤固相不同组分对土著微生物还原Cr(VI)的影响

6.2.6土著微生物P.phragmitetus BB酶液的提取

6.2.7粗酶液对Cr(Ⅵ)还原

6.2.8铬还原酶的定位

6.2.9细胞代谢产物提取

6.2.10 Cr(Ⅵ)的测定

6.3土壤固相不同组分对P.phragmitetus BB修复铬污染土壤的作用

6.3.1土壤有机质对P.phragmitetus BB修复铬污染土壤的影响

6.3.2土壤氧化锰对P.phragmitetus BB修复铬污染土壤的影响

6.3.3土壤铁矿物对P.phragmitetus BB修复铬污染土壤的影响

6.4微生物P.phragmitetus BB对Cr(Ⅵ)还原机理

6.4.1未外加NADH的粗酶液对Cr(Ⅵ)的还原

6.4.2 NADH参与下粗酶液对Cr(Ⅵ)的还原

6.4.3还原酶的还原特性

6.5小结

第七章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表或接受的学术论文及获奖情况