微生物作用下地下水中稳定铬同位素分馏效应

微生物作用下地下水中稳定铬同位素分馏效应

作者:师大云端图书馆 时间:2016-01-01 分类:参考文献 喜欢:4342
师大云端图书馆

【摘要】铬是土壤、地下水和地表水中常见的一种污染物,主要来自各种工业生产,包括采矿冶炼、化工原料等行业,通常以废气、废水和废渣的形式存在。这些含铬废气、废水和废渣一旦处理不当,将对水体、土壤和大气造成严重的污染,进而对人体健康和生态环境构成潜在的威胁。在地下水环境中,铬主要以Cr(III)和Cr(Ⅵ)两种形式存在。微量的Cr(Ⅲ)是一种营养物质,能促进机体的新陈代谢。而Cr(Ⅵ)则是一种致癌、致畸、致突变的物质,其毒性是Cr(III)的100倍。在自然界中,Cr(Ⅲ)的溶解性很弱,极易被固体表面吸附,而Cr(VI)主要以络合阴离子的形态存在,不易被吸附,具有很强的迁移能力。因此,将Cr(VI)还原为Cr(III)是地下水铬污染防治的主要策略。为此,及时而准确地掌握地下水中Cr(Ⅵ)的还原速率和还原程度成为地下水铬污染防治的关键。但是,由于稀释、对流和吸附作用的影响,要将还原作用引起的Cr(Ⅵ)的减少识别出来比较困难。铬同位素技术的应用解决了这一问题。在Cr(Ⅵ)的还原过程中,轻的同位素会优先发生反应而在产物中富集,而重的同位素则在剩余物中富集。通过测定地下水中铬同位素组成的变化情况可以定量地指示Cr(Ⅵ)的还原程度和速率。随着现代测试技术的快速发展,铬同位素的分析技术得到了不断改进。其中,MC-ICP-MS因操作简单,Cr用量少和省时等特点已成为一种发展趋势。目前,在国内尚无利用MC-ICP-MS测定铬同位素的报道。因此,建立基于MC-ICP-MS技术的铬同位素测试方法十分必要。大量的研究表明,还原作用是导致地下水中铬同位素分馏的主要原因。目前的研究大多集中于非生物作用下的铬同位素分馏。然而,在自然环境中存在大量的Cr(Ⅵ)还原菌,其对地下水中铬的还原作用可能有控制性作用。利用非生物还原条件下的铬同位素分馏规律识别地下水中Cr(Ⅵ)的还原程度可能存在较大的误差。因此,开展微生物作用下地下水中稳定铬同位素分馏效应的研究十分必要。一方面,可以完善当前铬同位素研究理论;另一方面,可为铬同位素在地下水污染防治中的应用,尤其是微生物修复技术的应用,提供更科学的理论依据。论文的主要内容可以分为以下几个方面:1、建立基于MC-ICP-MS的铬同位素分析技术(1)化学分离流程的确定在地下水环境中,氧化态的Cr(Ⅵ)主要以Cr042-和HCrO4等阴离子的形式存在,而还原态的Cr(Ⅲ)则以阳离子形式存在。基于不同价态离子存在形式的差异,利用离子交换树脂实现Cr的分离纯化。论文对Schoenberg等报道的阴离子交换法进行改进,并从基体元素的淋洗、回收率和整个实验流程Cr的本底值三方面对化学分离流程的可行性进行分析。结果表明,当淋洗介质HC1(0.1mol/L)的体积为12ml时,基本实现Cr(Ⅵ)与干扰离子的高效分离。8组含Cr(Ⅵ)水样的回收率为75.12-86.30%,接近Schoenberg等的报道(70-85%)。2组空白实验中Cr的本底值分别为6.1和5.5nng,远低于水样初始Cr的含量(2100ng),满足实验要求。以上结论表明Cr的分离纯化方案可行。(2)MC-ICP-MS仪器参数的确定在自提升模式下,利用0.1mol/LHNO3为载体,将溶解好的Cr(约为2mg/L)带到聚四氟乙烯微型雾化器中,将其雾化。雾化后的气溶胶以50μl/min的速度通过ThermoFinnigan的稳定引入系统(SIS)进入等离子体。样品测试时,选择中分辨率,约为6000。背景值(O.1mol/LHNO3)测定45个循环,样品测定70个循环,每个循环间隔3s。样品测试完后,利用0.1mol/LHNO3清洗仪器3min,使信号达到背景值。每5个样品后设置一个标准样品(SRM979)。(3)标准物质SRM979的53Cr/52Cr比值的测定通过测定标准物质SRM979的铬同位素组成来验证分析技术的可行性。利用已知组成的50Cr-54Cr双稀释剂(50Cr=48.37742±0.01025%,52Cr=2.30936±0.01544%53Cr=0.20116±0.00176%,54Cr=49.11206±0.01219%)对化学分离纯化和质谱测试整个流程进行校正。21组校正后的SRM979的53Cr/52Cr比值均落在其推荐值的误差范围内(0.11324-0.11354)。利用Isoplot软件求得21组SRM979的53Cr/52Cr加权平均值为0.11341±0.00002(2σ,95%置信度),精度为±0.17%o(2σ,95%置信度),达到国际水平,表明利用MC-ICP-MS技术测定铬同位素组成可行。2、Cr(Ⅵ)还原菌的还原特性研究Cr(VI)还原菌(QH-1)来自青海某化工厂铬盐生产车间被污染的表层土壤(可溶性Cr(Ⅵ)浓度为2432mg/Kg)。QH-1为革兰氏阳性菌,好氧。它具有一定的耐碱能力,在pH值为7-9的条件下能较好的生长:最佳生长温度为37℃。利用16SrRNA基因序列对QH-1进行鉴定,表明其为芽孢杆菌属(Bacillussp.)。QH-1具有较强的还原能力。当Cr(Ⅵ)初始浓度为25、50和100mg/L时,QH-1完全还原Cr(Ⅵ)所需时间分别为24、48和120小时;当Cr(Ⅵ)浓度为200mg/L时,264小时内Cr(Ⅵ)的还原率达99.5%以上。反应级数分析表明,QH-1还原Cr(Ⅵ)遵循一级反应方程。此外,Cr(Ⅵ)的还原率与其初始浓度呈明显的指数关系,当Cr(Ⅵ)初始浓度为25-200mg/L时,24小时内,还原率分别为98.97、64.49、30.66和6.30%。从细菌生长量和细胞形态两方面研究了QH-1对Cr(Ⅵ)的抗性。结果表明,当Cr(Ⅵ)初始浓度为25-200mg/L时,随着Cr(Ⅵ)浓度的增加,细菌生长受到的抑制作用更加明显。利用扫描电子显微镜观察Cr(Ⅵ)浓度为0-200mg/L时的细胞形态,发现随着Cr(Ⅵ)浓度的增加,菌体形态改变更加显著。菌体形态的改变可能是对Cr(Ⅵ)毒性的一种抗性适应。目前,已有不少关于Bacillussp还原Cr(Ⅵ)的报道。但是,大多数Bacillussp能还原的Cr(Ⅵ)浓度低于104mg/L,而Bacillussp.QH-1能有效还原200mg/L的Cr(Ⅵ)。因此,QH-1在铬污染治理方面具有较好的应用前景。3、Bacillussp.QH-1还原Cr(Ⅵ)机理研究为了弄清QH-1还原Cr(Ⅵ)的机理,我们对还原产物进行鉴定。能谱分析表明,菌体本身不含有Cr,而还原产物中有不可溶的Cr生成。此外,发生还原反应后,菌体的磷峰减弱,因此,推测部分沉淀是由Cr(Ⅲ)与磷酸根形成的。同时,我们研究了休眠的完整细胞、菌体培养代谢液和胞内粗酶液对Cr(Ⅵ)的还原。结果表明,休眠细胞不具备还原Cr(Ⅵ)的能力,而菌体代谢液和胞内粗酶液能还原Cr(Ⅵ)。QH-1还原Cr(Ⅵ)可分为两部分,其中,部分Cr(Ⅵ)在细胞外被QH-1新陈代谢所产生的可溶性还原酶还原;另外一部分Cr(Ⅵ)进入细胞内,被细胞内的还原性物质还原。为了深入研究QH-1还原Cr(Ⅵ)的机理,我们对QH-1进行全基因组蛋白序列分析。结果表明:QH-1有2个编码与铬抗性相关的铬转运蛋白的基因chrA。同时,在QH-1全基因组中有可能与铬还原相关的偶氮还原酶(azoreductase)基因azoR和硝基还原酶(nitroreductase)基因nitR。此外,QH-1可能存在水平基因转移事件。4、Bacillussp.QH-1作用下的铬同位素分馏效应研究本章主要从静态批实验和动态柱实验两方面开展了QH-1作用下的铬同位素分馏效应研究。(1)静态实验主要探讨了碳源(葡萄糖)浓度和环境变化因素(温度)对QH-1作用下的铬同位素分馏的影响。结果表明,葡萄糖对QH-1还原Cr(Ⅵ)具有促进作用。当葡萄糖浓度为18-1800mg/L时,Cr的分馏值(δ53Cr)为-1.37-4.41%o,且δ53Cr值与剩余Cr(VI)比例(f)遵循瑞利分馏模型。在相同反应时间内,葡萄糖浓度不同时,还原速率(SRR)十分接近。此外,当葡萄糖浓度为18-1800mg/L时,分馏因子ε分别为1.99、2.47、1.93和1.75%0,所有数据最佳拟合值为2.02%0。表明在该浓度范围内,葡萄糖浓度对QH-1作用下的铬同位素分馏影响较小。而在不添加葡萄糖的控制实验中,还原速率(SRR)与添加葡萄糖时较为接近,但分馏因子£值较大,为3.72%o,这可能与微生物的代谢途径有关。由此,我们可以得出,微生物作用下的铬同位素分馏不仅与还原速率相关,还与微生物的代谢途径密切相关。QH-1还原Cr(Ⅵ)为酶促反应,温度对其影响较为显著。研究表明,当反应温度为4、15、25和37℃时,分馏因子ε值分别为7.47、5.01、3.08和1.93%o。分馏因子ε随着温度的升高而减少,它们之间遵循指数关系:ε=9.489e(-0.035T)-0.762,相关系数R2为0.993。此外,随着温度的升高,还原速率(SRR)呈增大趋势。因此,我们认为还原速率(SRR)与同位素分馏因子ε呈负相关。对比发现,温度对QH-1作用下的铬同位素分馏影响比碳源浓度的影响更为显著。此外,我们借鉴硫酸盐同位素分馏模型,初步建立微生物作用下的铬酸盐同位素分馏的概念模型。(2)动态实验为了全面了解迁移作用对微生物作用下的铬同位素分馏的影响,我们以石英砂柱模拟饱和含水层,开展了QH-1作用下的铬同位素分馏的柱实验研究。结果表明,当Cr(Ⅵ)初始浓度为2.60、5.28和11.50mg/L时,出口处溶液中Cr(Ⅵ)浓度在一定范围内波动,这可能是迁移作用造成的。当Cr(V1)剩余比例f(C/C0)为0.06-0.74时,δ53Cr值为-0.08-3.65960。但是,f与δ53Cr值不再遵循瑞利分馏模型,而呈线性关系:y=-5.3253x+3.6569,相关系数R2=0.949。柱实验获得的分馏系数a为0.9949,较相同温度时的批实验大(a=0.9934),这可能与还原机制有关。在批实验条件下,Cr(Ⅵ)的还原是导致铬同位素分馏的唯一原因。而在柱实验条件下,铬的去除过程与其同位素分馏不是一个简单的还原过程,迁移作用可能会通过改变Cr(Ⅵ)的还原速率而影响其同位素分馏。因此,利用铬同位素技术监测地下水中Cr(Ⅵ)的还原程度时,需要加强这方面的考虑。本论文的创新之处:1.率先建立了微生物作用下的铬同位素分馏的概念模型,完善和丰富了微生物作用下的铬同位素分馏理论。2.改进了基于MC-ICP-MS的地下水中铬同位素分析流程,缩短了分离时间,精度达到国际同类研究水平。
【作者】徐芬;
【导师】马腾;
【作者基本信息】中国地质大学,地下水科学与工程,2014,博士
【关键词】地下水;Bacillussp.QH-1;Cr(Ⅵ)还原;稳定铬同位素分馏;

【参考文献】
[1]王浚吉.论我国刑法中的“致人死亡”[D].西南政法大学,刑法学,2012,硕士.
[2]杨雅文.ZY酒厂配送中心选址问题研究[D].河南科技大学,物流工程(专业学位),2014,硕士.
[3]江世哲.形状记忆合金自复位隔震结构地震反应分析[D].西安建筑科技大学,结构工程,2004,硕士.
[4]周静.语篇分析理论在高中阅读教学中的实践研究[D].华中师范大学,学科教学论,2003,硕士.
[5]欧辉.重置期权的创新及其在随机利率情形下的定价[D].湖南师范大学,概率论与数理统计,2004,硕士.
[6]张静.陈钢“红色小提琴”作品研究[D].武汉音乐学院,音乐与舞蹈学,2014,硕士.
[7]唐韵成.T细胞免疫球蛋白粘蛋白3(Tim-3)在HBV相关肝细胞癌患者恒定自然杀伤T(iNKT)细胞上的表达及意义[D].河北医科大学,外科学(专业学位),2014,硕士.
[8]李俊浩.武术套路与武术散打运动员拳腿攻击时间比较分析[D].扬州大学,学科教学,2011,硕士.
[9]王凤梅.刑事司法中的社会调查报告研究[D].山东大学,法律(专业学位),2013,硕士.
[10]任新社.基于改进特征值的语音关键词提取[D].南京师范大学,教育技术学,2012,硕士.
[11]臧慧金.高师音乐校本课程资源开发研究[D].曲阜师范大学,艺术学,2013,硕士.
[12]徐晶.平头炭疽菌对大豆抗感品种的致病差异及其MAPK基因CtPMK1的功能研究[D].南京农业大学,植物病理学,2013,硕士.
[13]魏巍.重症急性胰腺炎死亡危险因素分析和风险预测模型的初步研究[D].遵义医学院,外科学(专业学位),2013,硕士.
[14]钱莉艳.关于对土默特左旗民族教育的研究[D].内蒙古大学,公共管理,2014,硕士.
[15]龚伟.面向无线异构融合网络的AAA及其工程设计[D].南京邮电大学,电子与通信工程(专业学位),2012,硕士.
[16]白晓旭,陈广华,霍凯.基于PC-PLC的虚拟电梯控制系统设计[J].计算机仿真,2014,06:443-446.
[17]郭妮娜.基于地理信息系统的虚拟战场态势显示系统研究与实现[D].北京邮电大学,电子与通信工程(专业学位),2013,硕士.
[18]胡威虎.我国中小证券投资者权益法律保护[D].新疆财经大学,经济法,2013,硕士.
[19]刘晓玲.双吡唑膦甲烷及其铜、钴配合物的合成研究[D].山西师范大学,化学,2013,硕士.
[20]李永胜.沟谷特征点簇的空间结构模型建立与分析研究[D].西北大学,地图学与地理信息系统,2013,硕士.
[21]李志贺.基于复合式集总参数法的过热器动态特性研究[D].东北电力大学,动力工程及工程热物理,2013,硕士.
[22]包乌吉斯古冷.前列腺癌骨转移中医证型及证素分布的研究[D].北京中医药大学,中医内科学,2013,硕士.
[23]常春光,汪定伟,胡琨元,郑秉霖,李慧莹.基于两级CBR的钢铁企业动态调度系统研究[J].控制与决策,2004,10:1109-1112+1116.
[24]袁赛.基于EFIT的钢轨弹性波数值仿真研究[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2014,硕士.
[25]唐淳.高温及外场作用下碳纳米管大变形物理力学问题研究[D].南京航空航天大学,2009.
[26]黄根兰.出口导向型中小企业技术创新与发展研究[D].天津商业大学,国际贸易学,2013,硕士.
[27]徐红梅.蓝田供电局物资管理的内部控制分析[D].西南交通大学,工商管理(专业学位),2014,硕士.
[28]吴松.基于WEB平台的桂林防雷信息综合处理系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程(专业学位),2012,硕士.
[29]张文.基于STM32的同步碎石封层车控制系统的研究[D].西安工业大学,控制工程,2014,硕士.
[30]赵群涛.子群的(?)-补性质对有限群结构的影响[D].苏州大学,基础数学,2013,硕士.
[31]徐增梅.喷射流式采集器流化域特性的实验研究与数值模拟[D].东北大学,化工过程机械,2010,硕士.
[32]张磊.富勒烯甲苯溶液的激发态吸收动力学研究[D].苏州大学,光学,2013,硕士.
[33]邢岩.图书营销信息管理系统的设计与实现[D].山东大学,计算机技术(专业学位),2013,硕士.
[34]季红雷.中小型有限公司破产重整制度研究[D].郑州大学,民商法学,2013,硕士.
[35]张立宏.调频连续波激光雷达中可调谐半导体激光器的研究[D].哈尔滨工业大学,光学,2013,硕士.
[36]刘娟.双阱中两玻色子量子隧穿的相干控制[D].湖南师范大学,原子与分子物理,2013,硕士.
[37]贺驰光.非制冷红外焦平面温控电路设计[D].华中科技大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[38]李娟.健脾化湿祛瘀法促进DVI术后快速康复的临床研究[D].广州中医药大学,中西医结合临床(专业学位),2013,硕士.
[39]唐立平.邓小平注重矛盾特殊性思维的探析[D].中共中央党校,马克思主义哲学,2013,硕士.
[40]周溪溪,宋国华,于雷.面向排放量化的低速区间机动车比功率分布特性与模型[J].环境科学学报,2014,02:336-344.
[41]黄婉庆.高中地理作业生活化研究[D].华东师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[42]李滨,韦化,农蔚涛,崔长江,阳育德.互联电网CPS下AGC控制参数的优化[J].电力系统自动化,2009,18:37-41.
[43]王婉.形成性评价在初中英语写作教学中应用的实证研究[D].渤海大学,学科教学(专业学位),2014,硕士.
[44]戚鹏飞.地震波吸收衰减补偿研究[D].中国地质大学(北京),地球探测与信息技术,2013,硕士.
[45]代新新.招商银行投资价值分析[D].安徽大学,金融,2014,硕士.
[46]陈刘红.低剂量激素替代治疗对绝经后妇女动脉粥样硬化的影响[D].苏州大学,妇产科学,2013,硕士.
[47]王静.中国股票市场发展对货币政策的影响研究[D].天津财经学院,金融学,2004,硕士.
[48]汪洁.论新时期以来乡土小说中“鬼怪叙事”[D].南京师范大学,中国现当代文学,2011,硕士.
[49]王莉静.双圆弧齿轮的啮合特性及有限元分析[D].太原理工大学,机械设计与理论,2004,硕士.
[50]陆国栋,孙健,朱慧.教师教学发展的融合理念与现实探索[J].中国高等教育,2014,06:32-34+46.

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