【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一種強(qiáng)氧化劑，具有強(qiáng)致癌變、致畸變、致突變作用，對(duì)生物體傷害較大。長(zhǎng)期接觸六價(jià)鉻化合物會(huì)導(dǎo)致人體產(chǎn)生肺癌、上呼吸道癌和腸胃癌，另外還有皮膚炎、過(guò)敏與濕疹性皮膚反應(yīng)等病癥、以及呼吸道病癥、眼部病癥、口腔黏膜病變、胃腸炎、腎功能障礙等 疾病 [4]。這些病 變經(jīng)常出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的工人身上，因?yàn)橹T如鉻酸、鉻酸鹽、重鉻酸及重鉻酸鹽的接觸，以及金屬加工所產(chǎn)生的粉塵、蒸氣暴露都有可能產(chǎn)生這些疾病。Cr(VI)廣泛存在于工業(yè)廢水中 , 如不經(jīng)處理直接排入水體 , 將對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類生存產(chǎn)生巨大危害 。 Cr(VI)的傳統(tǒng)處理方法 物理化學(xué)方法 (1)稀釋法和換水法 稀釋法就是把被重金屬污染的水混入未污染的水體中，從而降低重金屬污染物濃度，減輕重金屬污染的程度。此法適于受重金屬污染程度較輕的水體的治理。這種方法不能減少排入環(huán)境中的重金屬污染物的總量 ，又因?yàn)橹亟饘儆欣鄯e作用，所以這種處理方法目前漸漸被否定。換水法是將被重金屬污染的水體移出，換上新鮮水，而減輕水體污染的一種措施，該方法適用于魚(yú)塘等水量較小的情況。 4 (2)混凝沉淀法 許多重金屬在水體溶液中主要以陽(yáng)離子存在，加入堿性物質(zhì)，使水體 pH 值升高，能使大多數(shù)重金屬生成氫氧化物沉淀。另外，其它眾多的陰離子也可以使相應(yīng)的重金屬離子形成沉淀。所以，向重金屬污染的水體施加石灰、 NaOH、 Na2S 等物質(zhì)，能使很多重金屬形成沉淀。通常六價(jià)鉻離子以鉻酸離子的形式存在，在堿性條件下不易沉淀且毒性很高，而三價(jià)鉻毒性遠(yuǎn) 低于六價(jià)鉻，但六價(jià)鉻在酸性條件下易被還原為三價(jià)鉻。因此，常采用硫酸亞鐵及三氧化硫?qū)⒘鶅r(jià)鉻還原為三價(jià)鉻，以減輕鉻污染。 (3)離子交換法 離子交換法是利用重金屬離子交換劑與污染水體中的重金屬物質(zhì)發(fā)生交換作用，從水體中把重金屬交換出來(lái)，以達(dá)到治理重金屬污染的目的。經(jīng)離子交換處理后，廢水中的重金屬離子轉(zhuǎn)移到離子交換樹(shù)脂上，經(jīng)再生后又從離子交換樹(shù)脂上轉(zhuǎn)移到再生廢液中。 離子還原法和交換法費(fèi)用較低，操作人員不直接接觸重金屬污染物，但適用范圍有限，并且極易造成二次污染。電修復(fù)法淀去除，降低重金屬對(duì)水體的危害程度。這是目 前國(guó)內(nèi)處理重金屬污染普遍采用的方法。 (4)離子還原法 離子還原法是利用一些輕易得到的還原劑將水體中的重金屬還原，形成無(wú)污染或污染程度較輕的化合物，從而降低重金屬在水體中 5 的遷移性和生物可利用性，以減輕重金屬對(duì)水體的污染。 (5) 電修復(fù)法 電修復(fù)法是 20 世紀(jì) 90 年代后期發(fā)展起來(lái)的水體重金屬污染修復(fù)技術(shù)，其基本原理是給受重金屬污染的水體兩端加上直流電場(chǎng)，利用電場(chǎng)遷移力將重金屬遷移出水體。 Ridha 等提出，在一個(gè)碳的氈狀電極上，用電沉積法從工業(yè)廢水中除去銅、鉻和鎳的技術(shù)。 還 可以用電浮選法凈化含有銅、鎳、鉻和鋅等 重金屬的工業(yè)污水。此外，近年來(lái)還有人把電滲析薄膜分離技術(shù)應(yīng)用到污水重金屬處理實(shí)踐當(dāng)中。 生物修復(fù)法 (1)微生物修復(fù)法 重金屬污染水體的生物修復(fù)機(jī)理主要包括微生物對(duì)重金屬的固定和形態(tài)的轉(zhuǎn)化。前者是微生物通過(guò)帶電荷的細(xì)胞表面吸附重金屬離子，或通過(guò)攝取必要的營(yíng)養(yǎng)元素主動(dòng)吸收重金屬離子，將重金屬富集在細(xì)胞表面或內(nèi)部；后者是通過(guò)微生物的生命活動(dòng)改變重金屬的形態(tài)或降低重金屬的生物有效性，從而減輕重金屬污染， 如 Cr（ VI）轉(zhuǎn)變成 Cr（ III）而毒性降低。 大多數(shù)硫酸鹽還原菌（ sulafte 一 reducing bacterium， SRB）都可以利用硫酸鹽、硫代硫酸鹽等作為電子受體 , 以乳酸鹽、氫氣、乙酸鹽等作為電子供體 , 將高價(jià)態(tài)的金屬如 :Cr(VI)錳（ IV）鐵（ III）锝（ VI）等還原為低價(jià)態(tài)、易沉淀的形式。利用微生物還原 Cr(VI), 不僅去除效率高 , 而且運(yùn)行成本低。 (2)動(dòng)物修復(fù)法 6 應(yīng)用一些優(yōu)選的魚(yú)類以及其它水生動(dòng)物品種在水體中吸收、富集重金屬，然后把它們從水體中驅(qū)出，以達(dá)到水體重金屬污染修 復(fù)的目的。研究發(fā)現(xiàn)，一些貝類具有富集水體中重金屬元素的能力，如牡蠣就有富集重金屬鋅和鎘的能力。據(jù)報(bào)導(dǎo)，若以濕量計(jì)算，牡蠣對(duì)鎘的富集量可以達(dá)到 34g/kg。 但 動(dòng)物修復(fù)法需馴化出特定的水生動(dòng)物，并且處理周期較長(zhǎng)、費(fèi)用高，再則后續(xù)處理費(fèi)用較大 [] ，所以在實(shí)際應(yīng)用中推廣難度較大。 (3)植物修復(fù)方法 20 世紀(jì) 80 年代前期， Chaney 提出利用重金屬超富集植物的提取作用清除土壤重金屬污染這一思想后。經(jīng)過(guò)人們不斷地實(shí)踐、總結(jié)和歸納才形成了植物修復(fù)的概念。植物修復(fù)被定義為利用自然或基因工程植物來(lái)轉(zhuǎn)移環(huán)境中的重金屬或使 環(huán)境中的重金屬無(wú)害化，是目前生物修復(fù)技術(shù)中研究最熱的一類。 對(duì)于鉻超富集植物，到目前為止，在美國(guó)、澳大利亞、新西蘭等國(guó)已發(fā)現(xiàn)能富集重金屬的超富集植物 500 多種，其中有 360 多種是富集 Ni 的 植 物 。 對(duì) 于 鉻 超 富 集 植 物 ， 得 到 學(xué) 者 們 認(rèn) 同 的 有Dianiccolifera Wild 和 Suterafodina Wild 兩種，鉻最高含量分別為1500mg/kg、 2400mg/kg，均高于鉻超富集植物的參考值 1000mg/kg。國(guó)內(nèi)報(bào)道的濕生禾本科植物李氏禾也對(duì)鉻具有較好的富集能力。因此，采用一些水生鉻超富集植物用于鉻污 染水體修復(fù)是可行的。這些方法有一定效果 ,但耗資較大 ,或周期較長(zhǎng) ,還可能造成二次污染 []。有 7 很大的局限性 。 (4)生物吸附 自然界中生物吸附劑的來(lái)源十分廣泛，許多生物體都具有優(yōu)越的金屬吸附能力。具有從溶液中分離金屬能力的由生物體制備的衍生物通稱為生物吸附劑。其中具有價(jià)值的生物吸附劑主要來(lái)源于微生物和植物等，如細(xì)菌、真菌、藻類和植物類副產(chǎn)品等。實(shí)驗(yàn)表明，這些吸附劑均表現(xiàn)出對(duì)不同重金屬的吸附能力。例如真菌中的 AsPergillu、 foetidus、 Rhiz 即 usnigrieans、 ， orus、 對(duì) Cr 分別表現(xiàn)出了 4 12 11mg/g 的吸附能力 []。 硫酸鹽還原細(xì)菌 (Sulfatereducing bacterium, SRB), 是指一類具有能把硫酸鹽、亞硫酸鹽、 硫代硫酸鹽等硫氧化物以及元素硫還原形成硫化氫這一生理特性的細(xì)菌的統(tǒng)稱 [], 共包括脫硫弧菌屬、 脫硫單胞菌屬等 12 個(gè)屬。廣泛存在于土壤、海水、河水、地下管道以及油氣井等缺氧環(huán)境中。在伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)第九版中 SRB 被歸納到第 7 類群中，有 4 組 14 個(gè)屬。早在 1924 年， BENGOUGH 和 MAY就認(rèn)為 SRB 產(chǎn)生的 H2S 對(duì)埋在地下的鐵構(gòu)件的腐蝕起著重要作用，1934 年，荷蘭學(xué)者庫(kù)爾和維盧特提出了 SRB 對(duì)金屬腐蝕作用的機(jī)制；隨后，邦克（ 1939）、 HEDELAI（ 1940）、史塔克和威特（ 1945）也證實(shí)腐蝕的主要細(xì)菌有鐵細(xì)菌（好氧）和 SRB(厭氧 )，土壤中鋼鐵 8 的腐蝕主要是后者。研究表明在無(wú)氧或極少氧情況下 ,它能利用金屬表面的有機(jī)物作為碳源 ,并利用細(xì)菌生物膜內(nèi)產(chǎn)生的氫 ,將硫酸鹽還原成硫化氫 ,從氧化還原反應(yīng)中獲得生存的能量 . 近年來(lái)，微生物法處理含鉻廢水越來(lái)越受到重視，許多微生物具有較高的耐鉻性，并 且能在好氧或厭氧狀態(tài)下將劇毒的鉻 (VI)還原成低毒的鉻 （ III） 。本實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容主要是研究不同溫度和 pH條件 對(duì)混合硫酸鹽還原菌群還原Cr（ Ⅵ ） 能力的影響。為今后將 SRB 應(yīng)用于工業(yè)廢水的處理打下基礎(chǔ)。 硫酸鹽還原菌的特性 SRB 是一類形態(tài)各異、營(yíng)養(yǎng)類型多樣、能利用硫酸鹽或其他氧化態(tài)硫化物作為電子受體來(lái)異化有機(jī)物質(zhì)的嚴(yán)格厭氧菌。 SRB 有極強(qiáng)的生命力 ,即使在污染嚴(yán)重的環(huán)境中也能生存 ,故這類細(xì)菌在自然環(huán)境中分布廣泛 ,對(duì)環(huán)境中許多物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化有著重要影響。 硫酸鹽還原菌的分類及生物學(xué)特性 在 Bergey’s細(xì)菌分類手冊(cè)中 ,按 SRB對(duì)有機(jī)物利用性能不同 ,將其分為 8 個(gè)屬 :Desulfovibrio 、 Desulfomonas 、 Desulfobulbus 、Desulfotomaculum、 Desulfococcus、 Desulfobacter、 Desulfosarcina、Desulfonema。目前已知的 SRB 有 40 多個(gè)種 ,根據(jù)生理生化特性、營(yíng)養(yǎng)代謝產(chǎn)物 ,可以對(duì)其進(jìn)行分類。根據(jù)不同的生理生化特性 ,可以分為異化硫酸鹽還原菌和異化硫還原菌 :前者利用乳酸鹽、丙酮酸鹽、乙醇和 H2 等作為碳源和能源 ,還原硫酸鹽生成硫化 物 。后者只能還原元 9 素硫或者其他含硫化合物 (如亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽等 )。根據(jù)營(yíng)養(yǎng)代謝產(chǎn)物不同 ,SRB 可分為完全氧化型和不完全氧化型完全氧化型最終代謝產(chǎn)物為 CO2和 H2O。不完全氧化型最終產(chǎn)物為乙酸 ,這類 SRB不能利用乙酸。 SRB 能利用種類繁多的基質(zhì)作為有機(jī)碳源和電子供體 ,迄今發(fā)現(xiàn)可支持其生長(zhǎng)的基質(zhì)超過(guò) 100 種其中包括乳酸鹽、丙酸鹽、反丁烯二酸、蘋(píng)果酸、乙醇等。 SRB 還原作用受到許多環(huán)境因子的影響。pH 是影響 SRB 活力的主要因素 ,SRB 生長(zhǎng)最適 pH 一般在中性范圍。溫度也是影響 SRB還原效果的一個(gè)重要因子 ,不同的 SRB,其發(fā)揮還原作用的最佳溫度也不同。 SRB 對(duì) H2S 的毒性影響也較為敏感 ,H2S 的濃度達(dá)到一定程度 ,會(huì)抑制 SRB 的生長(zhǎng) ,當(dāng)毒性水平持續(xù)一定時(shí)間 ,SRB 的活性會(huì)不可逆的喪失。此外 ,基質(zhì)碳源的種類、有毒重金屬等也會(huì)影響 SRB 的生長(zhǎng)和還原速率。 硫酸鹽還原菌的代謝機(jī)理 SRB 的代謝過(guò)程一般可分為 3 個(gè)階段 :分解代謝、電子傳遞、氧化 (圖 1)。在第 1階段的分解代謝中 ,SRB在厭氧條件下對(duì)碳源 (有機(jī)物 )進(jìn)行降解 ,并產(chǎn)生少量 ATP 和高能電子 。在第 2 階段中 ,前一階段釋放的高能電子通過(guò) SRB 特有的電子傳遞鏈 (黃素蛋白、 細(xì)胞色素 C3 等 )逐級(jí)傳遞 ,產(chǎn)生大量 ATP。在最后階段中 ,電子被傳遞給氧化態(tài)的硫元素 ,并將其還原為 S2。從這一過(guò)程可以看出 ,硫酸鹽僅在其中起最終電子受體的作用 ,而有機(jī)物既是 SRB 的碳源 ,起著電子供體的作用 ,也是SRB 生長(zhǎng)代謝的能源。 10 3 本課題研究的目的和意義 近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著人類人口的不 斷增加，人類活動(dòng)的日益頻繁，使得環(huán)境和資源都面臨著很大的壓力。我國(guó)水資源嚴(yán)重緊缺， 資源綜合利用率相對(duì)較低，重金屬的水體污染更是進(jìn)一步地加劇了這種矛盾。工業(yè)革命以來(lái)，金屬冶煉行業(yè)得到了迅速發(fā)展，重金屬鉻己在電鍍、制革、染料 、顏料、有機(jī)合成等工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中得到廣泛的應(yīng)用，與之相伴的是鉻的污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。鉻污染存在于空氣、水、食品和土壤中，直接或間接地進(jìn)入人體將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。全國(guó)每年排放鉻渣約 60 萬(wàn)噸，歷年累積 600 萬(wàn)噸，經(jīng)解毒處理或綜合利用的不足 17%, 2021 年環(huán)保年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也顯示，僅皮革行業(yè)每年排放的含鉻廢水就高達(dá) 億噸。水體中鉻主要以三價(jià)和六價(jià)形式存在。大量研究表明， Cr(VI)的毒性比 Cr(III)高約 100 倍。同時(shí)，由于鉻的毒性強(qiáng)，且不能被微生物分解，通過(guò)食物鏈在 生物體內(nèi)富集，水溶性六價(jià)鉻已被列為對(duì)人體危害最大的 8 種化學(xué)物質(zhì)之一，是國(guó)際公認(rèn)的 3 種致癌金屬物之一 。 目前環(huán)境問(wèn)題已成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，在要求整體環(huán)境狀況有所好轉(zhuǎn)的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境科技創(chuàng)新提出重大戰(zhàn)略需求?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 (20212020 年 )》規(guī)劃了中國(guó)將在未來(lái) 15 年內(nèi)把發(fā)展能源、水資源和環(huán)境等 11 個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域的技術(shù)放在優(yōu)先位置，解決制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大瓶頸問(wèn)題。 本課題利用的經(jīng)富集馴化 的高耐鉻 混合菌群處理含鉻廢水， 有較寬的溫度和 pH 適應(yīng)范圍， 不僅成本低廉 方便高效 ， 且無(wú)二次污染， 為將來(lái)用綠色環(huán)保的方法處理鉻污染提供了可 11 能。 實(shí)驗(yàn)材料和方法 1 材料 菌種 來(lái)源 Cr(VI)耐受性高硫酸鹽還原菌群 來(lái)自 通過(guò)利用 取自湖南株州清水塘工業(yè)園 廢水污泥 富集，馴化 所得。 實(shí)驗(yàn) 儀器 /試劑 紫外 /可見(jiàn)分光光度計(jì) UV751GD 、 電子天平（ METTLER TOLEDO） 、 恒溫培養(yǎng)箱 、 海爾冰箱 、 高壓滅菌鍋 HVE50、 超凈工作臺(tái) SWCJ1FD、 pH試紙及比色卡 、 PbAc試紙 、 100mL輸液瓶若干個(gè) 、 200mL三角瓶若干個(gè) 、 玻璃棒 、 1000mL燒杯 、 錐形漏斗 、 重鉻酸鉀 ( %)、二苯碳酰肼 、 硫酸亞鐵銨 (Fe(NH4)2(SO4)6H2O),分析純 )、 氯 化銨 、 （ NH4Cl分析純 ）、磷酸氫磷酸氫二鉀（ K2HPO43H2O分析純 ） 、 70%乳酸鈉 、 酵母膏 、 無(wú)水硫酸鈉（ Na2SO4分析純 ）、 氯化鈣 （ CaCl2分析純 ） 、 七水硫酸鎂（ MgSO47H2O分析純 ） 、 丙酮( ≥ % ,分析純 )。 常用溶液的配制 (1)％ 二苯碳酰二肼 溶液 稱取二苯碳酰二肼（ C13H14N4O） ，溶于 25ml 丙酮 (C3H6O)中，加水