多环芳烃降解菌FA1在吸附重金属Pb离子中的应用
【专利摘要】本发明公开了多环芳烃降解菌FA1在吸附重金属Pb离子中的应用，该多环芳烃降解菌FA1的类命名为Herbaspirillum chlorophenolicum，已于2010年5月4日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏号为CGMCC No.3797。本发明的发现可以为重金属和多环芳烃复合污染环境的微生物修复提供菌株和基因材料。CGMCC No. 379720100504
【专利说明】
多环芳烃降解菌FA1在吸附重金属Pb离子中的应用
技术领域
[0001] 本发明具体涉及多环芳烃降解菌FAl在吸附重金属Pb离子中的应用。
【背景技术】
[0002] 由于采矿、废气排放、固体废弃物堆积和污水灌溉等因素，大量有毒有害重金属进 入到环境中并持续累积。重金属污染物在环境中几乎不被降解，并随着食物链而富集，具有 很强的生物浓缩性，使得生态环境和人类健康面临严重威胁。作为毒性最大的重金属之一， 铅在我国土壤和地下水环境中的浓度超标现象频繁地见诸于报道。近年来，以铅为代表的 重金属污染引发的环境和社会问题越来越突出，因此，环境中重金属污染的修复不单是当 前环境保护领域的研究热点之一，更具有重要的现实意义。
[0003]目前针对重金属的修复方法主要有物理修复、化学修复和生物修复等。生物修复 方法具有高效、低耗、经济、环境友好和易于操作管理等特点，较之传统的物理、化学修复法 具有明显优势，尤其是针对较低浓度的重金属污染情形。该技术的关键在于筛选出具有较 强吸附重金属能力的微生物。能够吸附重金属的微生物包括细菌、真菌和藻类等，其中，细 菌由于其相对较强的生化适应性而更具优势。
[0004] 值得指出的是，现有报道的重金属生物修复大多针对单独的重金属污染情形，然 而环境中的重金属污染常和其他有机污染物同时出现。作为重金属-有机物复合污染的典 型代表，重金属和多环芳烃复合污染现象在我国土壤和地下水中广泛存在。两种污染物共 存时多环芳烃的毒害效应将对能够吸附重金属的微生物造成胁迫，妨害到其对重金属的吸 附效能。因此，针对现实环境中的重金属-多环芳烃复合污染现状，有必要筛选出耐多环芳 烃毒性甚至能够降解多环芳烃的重金属吸附微生物，研究其吸附特性，为重金属和多环芳 烃复合污染环境的微生物修复提供菌株和基因材料。
【发明内容】
[0005] 通过考察课题组已有不同种属的多环芳烃降解菌对重金属Pb离子的吸附性能，本 发明发现之前研究筛选出的多环芳烃降解菌FAl对重金属Pb具有良好的耐受性和吸附性。 该多环芳经降解菌FAl的类命名为Herbaspirillum chlorophenolicum，已于2010年5月4日 保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西 路1号院3号，保藏号为CGMCC No. 3797。该多环芳烃降解菌FAl的筛选方法及菌株性能见课 题组 XU等 2011 年发表的文章 "Degradation of fluoranthene by a newly isolated strain of HerbaspiriIlum chIorophenoIicum from activated sludge"， Biodegradation，22(2)，335_345。
[0006] 鉴于其对于重金属Pb离子的吸附作用，本发明进一步提出了上述多环芳烃降解菌 FAl在治理重金属-多环芳烃复合污染中的应用。
[0007] 更进一步地，本发明还提出了上述多环芳烃降解菌FAl在制备耐多环芳烃的重金 属离子吸附剂中的应用，所述吸附剂通过如下方法制备得到:将多环芳烃降解菌FAl接入基 础培养基中进行富集培养，然后将处于对数生长期的菌液以8000rpm冷冻离心10min，以100 ~150mM/L的NaCl溶液洗涤3次，4 °C冷藏备用。
[0008] 优选地，所述的基础培养基包含牛肉膏0.5%、蛋白胨1.0%和NaCl 0.5%，余量为 去离子水，PH7.0~7.2。
[0009] 在上述应用中，当用于吸附重金属离子时，为保证吸附效果，应调节反应体系温度 为20~35°C，pH为2~6。
[0010] 更优选地，在用于吸附重金属离子时，调节反应体系温度为25~30°C，pH为5~6。 最优选地，在用于吸附重金属离子时，调节反应体系温度为30°C，pH为5.5。
[0011]有益效果:本发明意外地发现了可以同时降解多环芳烃和重金属离子的多环芳烃 降解菌Herbaspirillum chlorophenolicum FAl，并通过研究其吸附特性，为重金属和多环 芳烃复合污染环境的微生物修复提供菌株和基因材料。
【附图说明】
[0012]图1为菌株FAl在不同浓度Pb2+溶液中的生长曲线；
[0013]图2为菌株FAl对Pb2+的吸附动力学；
[0014] 图3为菌株FAl对Pb2+的吸附等温线；
[0015]图4为温度对菌株FAl吸附Pb2+效率的影响；
[0016] 图5为pH对菌株FAl吸附Pb2+效率的影响。
【具体实施方式】
[0017]根据下述实施例可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解的是， 实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的 本发明。
[0018]实施例1重金属吸附剂的制备。
[0019]本实施例所用微生物来自课题组之前筛选出的多环芳经降解菌Herbaspirillum chlorophenolicum FAl(Xu et al.2011,Degradation of fluoranthene by a newly isolated strain of Herbaspirillum chlorophenolicum from activated sludge"， Biodegradation，22(2)，335-345)。菌株FAl在NCBI的GenBank数据库中的序列登录号为 HM107777,已于2010年5月4日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保 藏地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，登记入册编号为 CGMCC No.3797〇
[0020]吸附剂制备方法:接种前，将菌株FAl接入基础培养基中进行富集培养，然后将处 于对数生长期的菌液以8000rpm冷冻离心10min，以150mM/L的NaCl溶液洗涤3次，得吸附剂， 4 C冷减备用。
[0021 ]实施例2微生物对重金属Pb2+的吸附特性研究。
[0022]下述吸附特性研究的所有实验组均设有3个平行以及空白对照组。
[0023] (1)微生物对重金属Pb2+的耐受性
[0024] 取Pb (NO3) 2，加入基础培养基，使得Pb2+浓度分别为0、10、20、50、100、200mg/L，并 调节溶液pH为5.5，接种入菌株FAl，震荡培养箱中30°C，125rpm恒温培养，定时取样，以紫外 分光光度计测定溶液的〇D_值，绘制以时间为横坐标的生长曲线。
[0025]多环芳烃降解菌FAl在不同浓度Pb2+存在条件下的生长曲线如图1所示。与不含Pb2 +的对照相比，当培养基中Pb2+浓度为10mg/L时，菌株FAl的生长几乎不受影响。随着Pb2+浓度 的进一步增加，菌株的生长速度逐渐减缓，生物量对应的OD 6qq值也随之变小，说明Pb2+对菌 株的生长繁殖有一定的抑制作用。但是，值得指出的是，较高浓度的Pb 2+浓度(20-200mg/L) 并没有延缓菌株进入对数生长期。在Pb2+浓度高达200mg/L时，其在对数生长期内（15h)的生 物量相较于不含Pb 2 +浓度的对照组而言，仅仅减少了28.3%，表明Herbaspirilium chlorophenolicum FAl对重金属铅具有良好的耐受性，具有进一步研究的价值。
[0026] (2)吸附动力学
[0027]将实施例1制备的吸附剂接入至含有30mg/L的Pb(NO3)2溶液的聚四氟乙烯离心管 中，吸附剂的接入浓度为60mg//L，设定背景溶液中NaCl的浓度为150πιΜ/1，调节体系初始pH 为5.5。将吸附反应体系置于恒温震荡培养箱中，设置转速为125rpm，温度为30°C，每隔一定 时间取样，过滤膜(〇.22μπι)，用原子吸收分光光度计(AAS)测定溶液中残余的Pb 2+浓度。
[0028]细胞和铅离子的接触时间对多环芳烃降解菌FAl吸附重金属铅有重要影响。采用 批次实验方法研究其吸附动力学，结果如图2所示。在吸附初期，菌株对溶液中铅离子的吸 附较为迅速，5h吸附量即达到吸附平衡时总吸附量的一半以上，之后吸附量增加变缓，吸附 速率下降。25h后，吸附量达到吸附平衡时总吸附量的80%，菌株对Pb 2+的吸附在80h后达到 完全平衡。
[0029]对菌株FAl吸附溶液中Pb2 +的动力学数据进行分析拟合，发现准二级动力学和 Elovich动力学模型对实验结果的拟合效果相较其他模型较好，拟合的相关系数R2均较高， 分别为0.986和0.9643。符合准二级动力学关系表明细菌FAl对溶液中Pb 2+的吸附以化学吸 附或离子交换为主，而Elo vi ch模型对实验结果拟合良好则说明Herbaspiri I Ium chlorophenolicum FAl对Pb2+的生物吸附是一个非均相的扩散过程。
[0030] (3)等温吸附实验
[0031] 设置系列的初始Pb2+浓度为5，10，20，30，50，100，200mg/L，按照2中吸附动力学的 实验条件进行30°C下的等温吸附实验，吸附达平衡后，取样测定铅的平衡浓度和吸附量。 [0032] 30°C下，菌株FA1(投加量60mg/L)在对溶液(ρΗ=5·5)中Pb2+(初始浓度30mg/L)的 等温吸附结果如图3所示。分别依据图中的相应平衡吸附量数据及溶液中的平衡浓度数据， 用Langmuir模型和Freundlich模型对结果进行拟合，结果表明，两个模型对吸附过程的拟 合都比较好，其中Langmuir模型的拟合效果更好，对应的相关系数R 2达0.9926,暗示菌株 FAl对重金属Pb的吸附倾向于单分子层吸附。根据Langmuir模型拟合得到的最大吸附量高 达151.52mg/g，表明本实验所用多环芳经降解菌Herbaspirillum chlorophenolicum FAl 对Pb2+的吸附能力非常具有竞争力。考虑到菌株FAl同时具有能够有效降解多环芳烃的性 能，本实验所采用的菌株Herbaspirilium chlorophenolicum FAl具有良好的应用前景，对 重金属-多环芳烃复合污染环境的生物修复有重要意义。
[0033] (4)不同因素对菌株FAl吸附Pb2+的影响
[0034] 1)温度对菌株FAl吸附Pb2+的影响：在Pb2+浓度为30mg/L、投菌量为60mg/L、pH = 5.5的条件下，分别在20°(：、25°(：、30°(：、35°(：下进行批次吸附实验，吸附达平衡后，取样测定 Pb2+浓度，研究温度对菌株吸附Pb2+效果的影响。
[0035] 本吸附实验采用的吸附剂是活性微生物，温度的变化将直接影响到微生物的生长 和代谢过程，因此温度对菌株FAl吸附Pb2+的效率影响显著（图4)。温度在20-30 °C时，随着温 度的升高，微生物对重金属的去除率随之明显增加，随着温度进一步增加至35°C，相应去除 率反而降低。据此，确定多环芳烃降解菌FAl对Pb 2+的最佳吸附温度为30°C。
[0036] 2)pH对菌株FAl吸附Pb2+的影响：在Pb2+浓度为30mg/L、投菌量为60mg/L、温度30°C 的条件下，分别调节溶液的pH为2.0、3.0、4.0、5.0、5.5,吸附达平衡后，取样测定Pb2+浓度， 研究pH对菌株吸附Pb 2+效果的影响。
[0037] pH对菌株FAl吸附Pb2+效率的影响如图5所示。在较低PH值时，降解菌FAl对Pb2+的 吸附率很低，这是因为低pH溶液中存在着的大量水合氢离子与Pb2+之间存在着细胞表面吸 附位点上的竞争。随着溶液PH的变大，微生物细胞表面的负电荷增加，有利于带正电的二价 铅离子的吸附，在PH为5.5时达到最高。为了更好地说明pH变化对微生物吸附Pb 2+的影响，本 实验PH值的设置控制在6.0以下，因为pH = 6.0时，沉淀作用同样会造成溶液中的Pb2+的减 少。因此，确定多环芳烃降解菌FAl吸附Pb2+的最适pH为5.5。
[0038]其中，上述实验中，采用原子吸收分光光度计火焰法测定样品中Pb2+的浓度。
[0039] 生物吸附量计算公式为：
（1)
[0040] 式中：q是细菌的吸附量(mg/g)，CQ是溶液中的初始浓度(mg/L)，c是吸附后溶液的 浓度(mg/L)，v是溶液的体积，m是加入溶液的生物吸附剂质量(g)。
【主权项】
1. 多环芳烃降解菌FA1在吸附重金属Pb离子中的应用，所述多环芳烃降解菌FA1的类命 名为Herbaspirillum chlorophenolicum，已于2010年5月4日保藏于中国微生物菌种保藏 管理委员会普通微生物中心，保藏号为CGMCC No.3797。2. 多环芳烃降解菌FA1在治理重金属-多环芳烃复合污染中的应用，所述多环芳烃降解 菌的类命名为Herbaspirillum chiorophenolicum，已于2010年5月4日保藏于中国微生物 菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏号为CGMCC No.3797。3. 多环芳烃降解菌FA1在制备耐多环芳烃的重金属离子吸附剂中的应用，其特征在于， 所述吸附剂通过如下方法制备得到:将多环芳烃降解菌FA1接入基础培养基中进行富集培 养，然后将处于对数生长期的菌液以8000rpm冷冻离心10min，以100~150mM/L的NaCl溶液 洗涤3次，4°C冷藏备用。4. 根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述的基础培养基包含牛肉膏0.5%、蛋白 胨1.0%和NaCl 0.5%，余量为去离子水，ρΗ7·0~7.2。5. 根据权利要求1~3任一项所述的应用，其特征在于，在用于吸附重金属离子时，调节 反应体系温度为20~35°C，ρΗ为2~6。6. 根据权利要求1~3任一项所述的应用，其特征在于，在用于吸附重金属离子时，调节 反应体系温度为25~30°C，ρΗ为5~6。
【文档编号】C02F3/34GK105861366SQ201610245173
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】徐红霞, 李宵慧, 吴吉春, 施小清, 孙媛媛
【申请人】南京大学