一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法技术

本发明专利技术公开了一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法，属于污染物生物处理领域。富集驯化重金属污染土壤及水体中的原始菌群，后将富集的原始菌群及不同含铁矿物共同加入重金属废水中。含铁矿物作为（半）导体材料，具有一定的导电性，可以作为电子穿梭载体，介导电子传递过程。不仅可以强化厌氧微生物间的种间电子传递，实现群落的定向调控，还可以协同高价重金属的还原。本发明专利技术所需的含铁矿物广泛存在于自然界中，原料易得，操作简单，能显著调控厌氧微生物的还原活性，增强重金属污染物修复的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法
本专利技术涉及一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法，属于污染物生物处理领域。
技术介绍
微生物修复技术不需要破坏土壤结构，安全性高，投资成本低，是一项环境友好的技术，但其反应时间长，且易受到环境因素影响，比如温度、湿度、pH等，所以在实际应用中存在一定阻力。但综合而言，微生物修复任然仍是一项非常具有应用前景的技术。胞外呼吸菌的能量代谢过程主要依靠氧化有机物产生电子，再经“呼吸”链将胞内电子传递给胞外电子受体，并伴随着能量的产生。基于此，胞外呼吸菌一方面能氧化有机污染物，另一方面能还原高价有毒重金属，在污染物修复方面存在很大的应用前景。在微生物进行胞外厌氧呼吸过程中，除了利用自身存在的外膜蛋白-电子受体渠道之外，还可借助固体导电材料作为电子穿梭载体，实现远距离的电子传递过程，促进种间电子传递。铁是自然界中含量最为丰富的元素，铁循环被认为是介导全球碳循环，有机物转化、重金属元素迁移转化及地质变化发展的重要调控因素之一。在自然土壤和底泥中，普遍以Fe(III)矿物的形式存在，原料易得，价格低廉。微生物与矿物间的相互作用被认为是地质时期的主导因素，同时也是铁循环的重要驱动力。Fe(III)矿物可为微生物生长提供吸附位点，并且可作为胞外呼吸菌电子传递链的最终电子受体/电子传递体，参与到厌氧呼吸过程。在此过程中，Fe(III)矿物可出现电子穿梭效应或者铁循环现象，能够耦合高价重金属（如Cr(VI)和铀U(VI)等）的还原，协同修复重金属污染。
技术实现思路
<br>本专利技术的目的是在于克服原有修复技术的不足，通过添加适量的含铁矿物，显著提高了微生物厌氧体系中高价重金属还原的效率。据此提出了一种操作简单，原料易得，成本低廉、对环境无二次污染的高效厌氧生物还原高价重金属的技术手段。本专利技术采用的技术原理概括如下：含铁矿物的添加可以强化微生物种间电子传递实现高效的厌氧微生物处理高价重金属污染。主要原因为：（1）含铁矿物为（半）导体，具有良好的导电性。（2）含铁矿物能为微生物提供生长附着的粘附界面，促进其生长和繁殖，利于增大微生物含量，提高微生物之间的直接接触概率。（3）含铁矿物能改变微生物间相互作用方式，加强功能菌群的作用。（4）含Fe(III)矿物作为微生物的最终电子受体，接受电子发生矿物溶解，产生还原性Fe(II)离子，对高价重金属铀U(VI)、铬Cr(VI)、Mn(VI)、Hg(II)等进行化学还原，其还原效果显著高于单独微生物直接还原的效果。本专利技术采用的具体技术方案如下：基于含铁矿物介导的微生物还原高价重金属的协同方法，步骤如下：首先，将重金属污染的土壤或水体作为接种物，添加至通入氮气的厌氧培养基中进行驯化，直至微生物群落趋于稳定以完成驯化，得到富集的厌氧微生物。将厌氧微生物富集物接种至生物反应器中，向其中添加含铁矿物，并通入氮气，通过搅拌的作用，将其均匀混合。最后，保持重金属污染废水处理过程中的温度和搅拌速度。富集菌群时所选用的培养基为富集专用培养基。所述的方法中选用的厌氧培养基pH值调节至6.0~8.0。所述的方法中，厌氧培养基中通入氮气的时间为10-20min。所述的方法中，重金属污染土壤、泥和废水处理过程中温度保持25-35℃。所述的方法中，处理重金属的体系中，厌氧富集微生物的接种量为1%-5%。所述的方法，优选地，体系所用的含铁矿物包括磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿等。添加的含铁矿物需要经破碎过筛，选取160-300目之间的矿物颗粒。所述的方法，含铁矿物的添加量为1-5g/L。重金属污染废水\土壤\泥浆处理过程中，温度始终保持25-35℃，pH值范围为6.0~8.0。本专利技术提供了一种基于含铁矿物介导的微生物还原高价重金属的协同方法。含铁矿物作为（半）导体材料，具有一定的导电性，可以作为电子穿梭载体，实现远距离的电子传递过程，强化厌氧微生物间的种间电子传递，实现群落的定向调控，协同高价重金属的还原，能显著降低重金属的毒性，实现环境污染物的修复。本专利技术所需的含铁矿物普遍存在于自然界中，原料易得，操作简单，能显著调控厌氧微生物的还原活性，增强重金属污染物修复的效果。附图说明图1为实施例1中磁铁矿介导的Cr(VI)还原情况图2为实施例2中赤铁矿介导的Cr(VI)还原情况图3为实施例3中黄铁矿介导的Cr(VI)还原情况图4为实施例4中不同矿物介导的Cr(VI)还原情况图5为实施例4中不同含铁矿物与Cr(VI)还原体系在属水平的群落结构组成和系统聚类分析具体实施方式本专利技术通过含铁矿物的添加，影响了微生物间的相互作用方式，定向调控微生物群落组成，促进微生物的种间电子传递，有效提高了厌氧生物反应器中高价重金属污染物的还原量及还原率。以下的实施方式旨在说明本专利技术的的目的、技术方案与优点，而不是对本专利技术的限定。在该技术思路的条件下做适当模拟与推演，都应作为本专利技术提交的权利要求书所确定的保护范围。实施例1称取1g湿润土壤和10mL铬液转入100mL的厌氧培养基中，在200rpm，30ºC条件下培养。待微生物培养至对数期时，离心过滤培养基中的土壤颗粒，转接时先将各培养基的菌液等量混合，再按10％的量再次转接富集，恒温培养至培养液发生浑浊。按1%的接种量，取1mL培养液转接到100mL的新鲜培养基中，作为接种用菌。为了尽量减少微生物多样性的丧失，所采用的培养基为富营养环境（LB）的培养基，培养基的组成为：10g/L蛋白胨、5g/L酵母提取物、10g/L氯化钠，用HCl、NaOH调节pH为7.0。以厌氧瓶为反应器，分别添加0.1g磁铁矿于100mL的培养液中，以1%的接种量添加富集的微生物菌群。重铬酸钾（K2Cr2O7）母液作为电子受体，有机物乙酸钠（CH3COONa）作为电子供体添加到培养基中，使体系初始Cr(VI)浓度达到50mg/L，CH3COO-浓度为10mmol/L。培养条件为30℃，200rpm，进行微生物-矿物协同还原Cr(VI)的实验。为了对比本专利技术的促进效果，同时设置两组对照，其中对照组1中不添加磁铁矿，其余参数与实验组相同；对照组2中只添加磁铁矿，不接种驯化的微生物，其他参数与实验组相同，结果如图1所示，磁铁矿协同微生物菌群还原的Cr(VI)总量显著大于菌群或磁铁矿单独还原Cr(VI)的量。实施例2以厌氧瓶为反应器，分别添加0.1g赤铁矿于100mL的培养液中，以1%的接种量添加富集的微生物菌群。重铬酸钾（K2Cr2O7）母液，有机物乙酸钠（CH3COONa）添加到培养基中，使体系初始Cr(VI)浓度达到50mg/L，CH3COO-浓度为10mmol/L。其中Cr(VI)为电子受体，CH3COO-为电子供体。培养条件为30℃，200rpm，进行微生物-矿物协同还原Cr(VI)的实验。取样检测Cr(VI)的浓度为了对比本专利技术的促进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法，其特征在于，步骤如下：将重金属污染的土壤、泥浆或水体作为接种物，添加至通入氮气的厌氧培养基中，进行驯化，直至微生物群落趋于稳定以完成驯化，得到厌氧微生物富集物；将富集物接种至厌氧生物反应器中，同时向其中添加含铁矿物与一定量的重金属，通入氮气，进行厌氧反应处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法，其特征在于，步骤如下：将重金属污染的土壤、泥浆或水体作为接种物，添加至通入氮气的厌氧培养基中，进行驯化，直至微生物群落趋于稳定以完成驯化，得到厌氧微生物富集物；将富集物接种至厌氧生物反应器中，同时向其中添加含铁矿物与一定量的重金属，通入氮气，进行厌氧反应处理。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：富集菌群时所选用的培养基为富集专用培养基。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所选用的厌氧培养基pH值调节至6.0~8.0。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：厌氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘敏，朱建裕，章可，陈芳，陈耀宗，何鹏，刘梦飞，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43