耐性微生物的馴化過程及對Cd2+的去除性能研究

劉上游 趙丹 陳米雪 秦洪康

（長沙理工大學水利工程學院，湖南長沙 410004）

1 引言

即使微量的重金屬（HMs）也會對環(huán)境及人體產生負面影響［1］。其中，Cd2＋會影響生殖系統(tǒng)、抑制酶活性并毒害腎臟和肝臟等器官［2］。近年來，工業(yè)化的快速發(fā)展以及頻繁的人類活動，加劇了HMs 向水環(huán)境中的釋放。因此，HMs 水污染問題已成為人類面臨的嚴重環(huán)境挑戰(zhàn)［3］。

有學者開發(fā)了包括離子交換和過濾等技術在內的各種技術［4］以應對HMs 水污染問題，但其存在效率低、成本高、工藝復雜等缺點［1，5-6］。因此，開發(fā)簡單高效且成本低廉的HMs 修復技術至關重要。耐性微生物技術因其具有針對性強、操作簡單的特點，引起了廣泛關注［7］。細菌作為常見微生物，也已被證明對HMs 具有優(yōu)異的吸收能力，如Paenibacillus sp.WP-1［8］。

本研究主要目的是從含鎘人工濕地生物膜中分離和篩選耐性微生物，對其馴化過程進行生長監(jiān)測、抵抗性能監(jiān)測和分析，并評估其在不同pH 下對鎘的去除效果。

2 材料與方法

2.1 試劑與材料

胰蛋白胨，酵母提取粉，BR（生化試劑），分別購自國藥集團化學試劑有限公司和廣東環(huán)凱微生物科技有限公司。硫酸鎘，AR（分析純），99%，購自上海麥克林生化科技有限公司。其余試劑均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。實驗用水均為超純水。

2.2 耐性微生物的培養(yǎng)與馴化

微生物取自人工濕地基質層生物膜，將其加入到LB 培養(yǎng)液中培養(yǎng)，每2 d 更換1 次培養(yǎng)液，使微生物保持較高生長活性。隨后取1 mL 微生物依次加入到不同濃度的含鎘LB 培養(yǎng)液中培養(yǎng)48 h，直至培養(yǎng)液中Cd2＋濃度為200 mg/L。在馴化的過程中，每隔0，1，3，6，9，12，24，48 h 通過紫外可見分光光度計監(jiān)測微生物的OD600值。

2.3 pH 變化對去除性能的影響

微生物培養(yǎng)至對數生長期后，取1 mL 微生物加入到初始濃度為40 mg/L，pH 變化范圍為2～6 的不同模擬廢水中，待反應平衡后取樣，通過0.22 μm 微孔濾膜過濾，并使用原子吸收分光光度計測定溶液中剩余鎘濃度。以上培養(yǎng)過程均在150 r/min、28 ℃的恒溫搖床中進行。

3 結果與討論

3.1 原始微生物生長狀態(tài)監(jiān)測

原始微生物的生長狀態(tài)監(jiān)測結果見圖1。如圖1所示，在沒有Cd2＋脅迫的情況下，微生物的OD600值在3～6 h 內增長速率最快，且能夠在6 h 內達到對數生長期。隨著時間的延長，微生物增速變緩。

圖1 原始微生物的生長狀態(tài)監(jiān)測結果

3.2 微生物抵抗性能監(jiān)測

耐性微生物在不同濃度Cd2＋脅迫下的生長狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 不同濃度Cd2＋脅迫下微生物的OD600 值及Cd2＋去除率

除200 mg/L Cd2＋脅迫下的微生物以外，其余濃度Cd2＋脅迫下的微生物均能在48 h 內達到對數生長期。隨著Cd2＋濃度的增加，達到對數生長期所需時間隨之延長，說明Cd2＋抑制了微生物的生長。25～125 mg/L Cd2＋脅迫下的微生物生長狀態(tài)相近，此時微生物仍有良好耐受性。Cd2＋濃度從150 mg/L 增加至200 mg/L，Cd2＋離子對微生物的抑制作用明顯。

微生物在高濃度Cd2＋脅迫下去除效果明顯低于低濃度下的去除效果，且48 h 高于24 h。微生物在25 mg/L Cd2＋脅迫下效果最佳，但48 h 去除率（55.96%）低于24 h 去除率（60.68%），這可能是微生物裂解死亡導致Cd2＋離子重新釋放。隨著Cd2＋濃度增加，去除率出現(xiàn)波動。75～125 mg/L Cd2＋脅迫下，微生物生長逐漸變緩且去除率呈總體下降趨勢，在125 mg/L 達到最低點，此時難以耐受的微生物死亡，微生物開始篩選。此后，Cd2＋脅迫加強，微生物難以正常生長，去除率開始上升并趨于穩(wěn)定，微生物得到篩選。

3.3 不同pH 下微生物對Cd2＋的去除效果

微生物對Cd2＋的去除效果明顯受pH 的顯著影響，見圖3。微生物在pH 為2 時的作用最差（10.1%），此時溶液中剩余Cd2＋濃度為35.95 mg/L。在pH 為6時效果最好，去除效率提升至96.1%，此時溶液中的剩余Cd2＋濃度為1.56 mg/L。這可能是因為酸性環(huán)境中微生物無法正常生存，因此難以發(fā)揮作用，而偏中性的環(huán)境為微生物生存創(chuàng)造了適宜的空間。

圖3 不同pH 下耐性微生物對Cd2＋的去除率

4 結論

本實驗將取自人工濕地基質層生物膜原始微生物培養(yǎng)、馴化，監(jiān)測微生物生長狀態(tài)和去除效果，并考察pH 變化對耐性微生物去除Cd2＋效果的影響。所得結論如下：

（1）隨著Cd2＋的濃度升高，微生物生長到對數生長期的時間隨之延長。

（2）微生物對25～125 mg/L Cd2＋脅迫具有良好的耐受性。150～200 mg/L 的高濃度Cd2＋脅迫下，Cd2＋離子對微生物的生長抑制作用明顯，部分微生物難以耐受并死亡，且此時微生物對Cd2＋的去除效果趨于穩(wěn)定，微生物得到篩選。

（3）耐性微生物對Cd2＋的去除效果受水環(huán)境中pH 的顯著影響，在酸性條件下，微生物對水中Cd2＋的去除效果受到明顯抑制，甚至可能抑制微生物自身生長繁殖。而偏中性的水質條件為微生物提供了適宜的生存環(huán)境，從而提高了微生物對Cd2＋的去除效果。