铁改性卡氏变形杆菌吸附剂对水中锑的吸附优化及机理研究

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水环境中过量锑(Sb)所引起的环境污染受到越来越多关注。生物吸附除锑具有成本低、环境友好、吸附后重金属易回收等优点,近年来涌现出一系列关于生物吸附剂的研究报道,但这些生物吸附剂存在吸附容量低的缺陷,且铁盐改性杆菌吸附除锑的研究未见报道。因此,本研究围绕课题组前期从锑污染土壤中筛选获得的卡氏变形杆菌(Proteus cibarius DSHN0704)的氧化性及差异基因表达、优化培育及铁盐改性生物吸附剂(Fe(Ⅲ)改性卡氏变形杆菌吸附剂(FMPAs))的制备展开研究;此外,采用Box-Behnken响应曲面法对FMPAs吸附水中Sb(Ⅲ)及Sb(Ⅴ)的过程进行优化对比,并对改性及吸附前后的吸附剂进行表征,取得的主要研究成果如下:1.探究了卡氏变形杆菌的氧化特性及其机理。对卡氏变形杆菌的生长特性及氧化还原性能进行研究;此外,对菌株进行无参转录组测序,分析其在锑胁迫下差异基因表达情况。结果表明:(1)菌株对Sb(Ⅲ)具有较强的氧化能力,但只能将Sb(Ⅲ)部分氧化;相比于Sb(Ⅲ)而言,该菌株对Sb(V)具有更强耐受性,但不具备还原Sb(V)的能力。(2)卡氏变形杆菌中氧化还原酶的存在可能是其具备一定锑氧化能力的原因;硫化物:醌氧化还原酶(SQR)及过氧化氢酶(CAT)的存在可能是菌株具备耐锑性的原因;不同环境中的微生物代谢、碳水化合物代谢、能量代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢等通路可能为锑胁迫下的菌株提供了能量和生长所需物质。2.研究了卡氏变形杆菌的优化培育及FMPAs的制备。研究了在不同营养因子及环境影响因子作用下卡氏变形杆菌的优化培育,并对卡氏变形杆菌进行铁盐改性制备得到FMPAs。研究表明:(1)优化培育后菌株对Sb的去除率有明显提升,菌株对Sb(Ⅲ)的去除率最高可达24.90%。(2)优化培育后卡氏变形杆菌可能生成了更多胞外聚合物(EPS),从而产生更多与Sb(Ⅲ)结合的官能团,进而使Sb的去除率有较大提升。(3)改性后的FMPAs表面具有多块状粘结凸起,缝隙、孔洞等结构明显增加,提供了更多吸附点位,且Fe(Ⅲ)改性后铁成功负载于吸附剂表面。3.进行了FMPAs吸附Sb(Ⅲ)及Sb(Ⅴ)的优化研究。采用响应曲面优化法对FMPAs吸附去除Sb(Ⅲ)及Sb(Ⅴ)的过程进行对比研究,结果表明:(1)FMPAs吸附Sb(Ⅲ)的最佳条件为:吸附时间2.17 h,投加量3432.67 mg/L,p H=6.0,温度44.41℃,Sb(Ⅲ)初始浓度27.74 mg/L,预测精度达98.50%。(2)FMPAs吸附Sb(V)的最佳条件为:吸附时间3.0h,投加量1910.04 mg/L,p H=2.31,温度44.96℃,Sb(V)初始浓度24.80 mg/L,预测精度达97.91%。(3)FMPAs对Sb(Ⅲ)和Sb(V)都具有较好吸附效果,且在2~3 h内即可近似达到吸附平衡状态,在相同反应条件下,FMPAs对Sb(V)的吸附率要高于Sb(Ⅲ)。4.探讨了FMPAs对Sb(Ⅲ)及Sb(Ⅴ)的吸附去除机理。采用等温吸附、吸附动力学模型对吸附实验的结果进行拟合,并利用FTIR、SEM-EDS、XRD及XPS等现代表征技术进行改性及吸附前、后FMPAs的表征分析,探讨其吸附除锑机理。研究表明:(1)Langmuir及Pseudo-first-order模型能很好地拟合FMPAs对Sb(Ⅲ)和Sb(V)的吸附过程,吸附过程主要为化学吸附,且由边界层效应和外部传质效应所共同决定。(2)由表征结果可知FMPAs中存在多种官能团,Sb可替换Fe(Ⅲ),并与周围原子形成新的配合物,达到除锑目的。(3)FMPAs对Sb(Ⅲ)的去除是通过氧化和吸附的共同作用,而对Sb(V)的去除主要通过吸附作用。(4)FMPAs对Sb(Ⅲ)及Sb(V)的去除机理主要为Fe(III)改性卡氏变形杆菌过程中生成了Fe-O-OH、Polyose-Fe、Polyose-O-Fe(OH)2等化合物,其中的羟基被Sb(Ⅲ)及Sb(V)取代生成新的配合物Fe-O-Sb,X≡Fe-OH的-OH被Sb(Ⅲ)取代生成X≡Fe-Sb配合物,从而达到吸附除锑目的。
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