硫酸盐还原菌修复铬_污染土壤研究_吴淑杭
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农业环境科学学报2007,26(2):467-471
JournalofAgro-EnvironmentScience
摘要:从含铬污水、活性污泥和铬污染土壤中分离出6株硫酸盐还原菌(sulphate-reducingbacteria,简称SRB),并对它们进行了
还原Cr(Ⅵ)能力的验证试验,研究了利用其中2株菌(Wn-1和Ws-2)修复Cr(Ⅵ)污染土壤的效果。
结果表明,分离获得的6株SRB都具有还原Cr(Ⅵ)能力,综合分析3个不同初始Cr(Ⅵ)浓度的Cr(Ⅵ)转化率,Wn-1和Ws-2的还原Cr(Ⅵ)能力较强,其次为Ws-1和Wn-2,而Tj和Tg较弱,即从电镀厂污水处理厂污水和活性污泥中分离的菌株Cr(Ⅵ)还原能力较强,而从电镀厂附近土壤和基地铬污染土壤中分离的菌株Cr(Ⅵ)还原能力较差;初始Cr(Ⅵ)浓度过高会抑制硫酸盐还原菌的还原能力;菌株Wn-1和Ws-2都能很好地修复Cr(Ⅵ)污染土壤,但它们的混合菌液修复效果更佳,10d后Cr(Ⅵ)的转化率达75.3%;菌株Wn-1和Ws-2经初步鉴定为脱硫弧菌。
关键词:铬(Ⅵ)污染;生物修复;硫酸盐还原菌;土壤中图分类号:X53
文献标识码:A
文章编号:1672-2043(2007)02-0467-05
收稿日期:2006-10-17
基金项目:上海市农委攻关项目(沪农科攻字(2003)第10-5号)作者简介:吴淑杭(1970—),男,副研究员,博士研究生,主要从事有机
废弃物资源化、污染控制微生物工程等领域的研究。
E-mail:wushuhang88@163.com
由于在工业中大量使用铬及其化合物,使得受铬污染的土壤越来越多。
近年来有研究发现,不少细菌产生的特殊酶能还原重金属,从而降低重金属的毒
性。
比如Cr(Ⅵ)是可以采用Cr(Ⅵ)还原菌修复技术来处理的污染物。
如DesjardinV.等对法国Rhone-Alpes地区的被污染土壤中微生物的活性对铬化学状态的影响进行了研究,将可以降低Cr(Ⅵ)的链霉菌ther-
mocarboxydus菌株从被污染的土壤中分离出来进行
研究,发现该菌株可以将Cr(Ⅵ)固定,其固定形式与外生的接种体假单细胞荧光LB300相类似,都是将
硫酸盐还原菌修复铬(Ⅵ)污染土壤研究
吴淑杭1,2,周德平1,吕卫光1,姜震方1,徐亚同2
(1.上海市农业科学院环境科学研究所,上海201106;2.华东师范大学环境科学系,上海200063)
RemediationofHexavalentChromium-contaminatedSoilbySulphate-ReducingBacteria
WUShu-hang1,2,ZHOUDe-ping1,LUWei-guang1,JIANGZhen-fang1,XUYa-tong2
(1.EnviromentalScienceResearchInstitute,ShanghaiAcademyofAgriculturalSciences,Shanghai201106,China;2.DepartmentofEnvi-ronmentScience,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200063,China)
Abstract:ExperimentswereconductedtodeoxidizeCr(Ⅵ)usingSRB(sulphate-reducingbacteria)separatedfromchromium-pollutedwastewater,soilandactivatedsludge.Therepairingeffecttocontaminated-soilwasstudiedusingtwostrains(Wn-1andWs-2)amongthesixstrains.Theresultswereasfollows:thesixbacteriastrainswereallcapableofsulphate-reducing.WhentheinitialconcentrationofCr(Ⅵ)
was50mg・L-1,fourstrains(Wn-1,Ws-2,Ws-1andWn-2)exhibitedthestrongestdeoxidizationability.Thetransformationratereached100%after3days;whileat100mg・L-1ofCr(Ⅵ),Wn-1exhibitedthestrongestdeoxidizationability,withthetransformationrate57.3%3dayslater.Whentheconcentrationreached200mg
・L-1thetransformationrateofWn-1wasupto23.1%,betterthanthoseofWs-2andWs-1,being15.6%and13.6%respectively.Wn-1andWs-2separatedfromwastewaterandactivatedsludgeofelectroplatefactory'swastewa-terplantspossessedthebestdeoxidizationability,superiortoWs-1andWn-2,whiletheweakestwereTjandTgseparatedfromthesoilofelectroplatefactory.ExorbitantprimaryconcentrationofCr(Ⅵ)couldrestrainthedeoxidizationabilityofSRB.Therepairingeffecttocontam-inatedsoilcanbeimprovedupto75.3%after10daystreatmentwiththemixedWn-1andWs-2,comparedwiththattreatedwithWn-1andWs-2respectively.Wn-1andWs-2werepreliminarilyidentifiedasDesulphovibriosp..
Keywords:hexavalentchromium-contamination;bio-remediation;sulphate-reducingbacteria;soil
2007年3月
铬沉降为类似于Y-Cr00H结构的铬的羟基氧化物[1]。
韩怀芬等通过土壤与含铬的培养基一起培养,筛选出5种能还原Cr(Ⅵ)的菌种,经鉴定分别为产碱杆菌、土壤杆菌、芽孢杆菌、葡糖杆菌和假单胞菌,并用这些菌种处理铬污染土壤有很好的效果[2]。
瞿建国等从土壤中分离筛选出几株抗Cr(Ⅵ)的硫酸盐还原菌(sul-phate-reducingbacteria,缩写为SRB),能在含800mg・L-1Cr(Ⅵ)的培养基中生长,其中2-s-8菌株在含75mg・L-1Cr(Ⅵ)的培养基中生长36h后,培养液中的Cr(Ⅵ)已全部消失[3]。
通过比较已有的Cr(Ⅵ)还原菌,发现硫酸盐还原菌最具潜力[4]。
对于运用SRB修复铬污染环境,目前把水溶液中的Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)的研究较多,而针对Cr(Ⅵ)污染土壤,利用SRB的生物还原作用将Cr(Ⅵ)还原成Cr(Ⅲ),以降低铬的植物有效性和生物毒性的生物修复技术研究报道较少[5、6]。
本研究针对上海某黄桃基地因曾施用皮革废料有机肥致使土壤轻度铬污染而造成黄桃铬含量微量超标(经有关部门检测,该基地生产的黄桃中Cr含量为0.62mg・kg-1,而国家标准——
—农产品安全质量无公害水果安全要求(GB18406.2—2001)中要求总铬含量≤0.5mg・kg-1。
),进行了硫酸盐还原菌分离筛选及还原Cr(Ⅵ)效果验证,研究了利用SRB转化污染土壤中Cr(Ⅵ)为Cr(Ⅲ)的效果,以降低土壤中铬的植物有效性和毒性,为土壤受轻度铬污染的黄桃生产基地安全生产提供一项有效措施。
1材料与方法
1.1试验材料
1.1.1菌株分离源
上海市某电镀厂污水(简称:Ws;总铬含量:1813.4mg・L-1)及其处理厂的活性污泥(简称:Wn;总铬含量:14582.8mg・L-1)、某电镀厂附近土壤(简称:Tg;总铬含量:342.4mg・L-1)和上海某黄桃基地铬污染土壤(简称:Tj;总铬含量:110.7mg・L-1)。
1.1.2Cr(Ⅵ)样品
分析纯K2Cr2O7。
1.1.3土壤样品
上海市农业科学院试验场水稻土。
供试土样(0 ̄20cm)风干后过2mm尼龙筛备用。
土壤基本性质如下:pH7.30,有机质26.3g・kg-1,全氮2.25g・kg-1,全磷0.75g・kg-1,全钾17.4g・kg-1,铬(Ⅵ)5.1mg・kg-1。
1.1.4培养基
培养基1:蛋白胨10.0g・L-1,MgSO4・7H2O2.0g・L-1,Na2SO30.5g・L-1,FeSO4・7H2O0.5g・L-1,柠檬酸铁0.5g・L-1,乳酸钠0.5g・L-1,1%巯基醋酸钠10mL,1%抗坏血酸钠10mL,加入蒸馏水1L,调节pH至7.5左右。
在121℃、0.11MPa高压灭菌20min,冷却后备用。
巯基醋酸钠和抗坏血酸钠预先配成1%的溶液并经过高压灭菌,使用前按上述量加入[6]。
培养基2:NaH2PO41.2g・L-1,KH2PO41.8g・L-1,Na2SO44.0g・L-1,NH4Cl1.0g・L-1,MgCl2・6H2O0.05g・L-1,乳酸钠3.5mL,1∶1柠檬酸钠-FeCl2溶液(0.5g・L-1)1.0mL,酵母浸膏1.0g・L-1,蒸馏水1000mL,调节pH至7.5。
经121℃、0.11MPa高压灭菌20min,冷却后备用[7]。
1.2试验方法
1.2.1硫酸盐还原菌的富集、驯化和分离方法
菌种富集:对于土样和污泥,称2.0g置于无菌试管中,再加入9.0mL0.85%的生理盐水,制成10-1的稀释液,吸取2.0mL这样的稀释液加入130mL血清瓶中,而对于污水则先吸取5.0mL原样,再用新鲜培养基1注满该血清瓶,并置于30℃培养箱中培养至产出极浓的黑色沉淀(FeS)。
在培养过程中对培养物中的菌体进行镜检,如果发现弧菌或杆菌已成优势种,则可认为该富集物已基本上是硫酸盐还原菌为主;如果不是,则将黑色富集物转接至新鲜培养基中,接种量为10%,直至镜检发现弧菌或杆菌已成优势种[7]。
菌种驯化:将富集菌液,以10%接种量接到装有培养基1的螺口试管中,同时加入一定浓度的K2Cr2O7在30℃培养箱中驯化培养。
最初加入的Cr(Ⅵ)浓度为50mg・L-1,以后依次以50mg・L-1梯度递增,待试管中菌体明显长出后,取出一部分进行转接,直到最后的Cr(Ⅵ)浓度为200mg・L-1[6、8]。
菌种分离与纯化:采用二重皿法。
将培养皿的上盖和内皿向同一方向撂起来,外盖在下。
灭菌后并列于无菌室内的桌上,把内皿提起架在外盖的边缘上,在内外盖的空隙里加入驯化菌液0.5mL,然后注入20mL溶解且保温在45℃左右的琼脂培养基1,固化后置于30℃培养箱中培养至长出完整的黑色菌落[7]。
1.2.2菌株的初步鉴定
菌体染色及形态观察:采用培养基1接种待测菌株,将处于对数生长期的菌体进行革兰氏染色,在光学显微镜下观察菌株的革兰氏染色结果及细菌形态。
脱硫绿啶(Desulfoviridin)的定性检查:脱硫绿啶属于亚硫酸盐还原酶中的一种,可以通过以下方法检
吴淑杭等:硫酸盐还原菌修复铬(Ⅵ)污染土壤研究468
第26卷第2期农业环境科学学报
测:采用培养基2接种培养待测菌株,30℃恒温培养3 ̄6d,取40mL菌液于4000r・min-1离心30min,弃掉上清液,往沉淀的菌体滴几滴2mol・L-1NaOH,然后用吸管将其移到滤纸片上,在365nm紫外灯光下进行观察。
若菌体能够发出红色荧光则说明体内含有脱硫绿啶,该菌株为SRB,否则,脱硫绿啶阴性,该菌株不是SRB[7]。
1.2.3硫酸盐还原菌还原铬(Ⅵ)能力验证试验
移取2.0mL己活化好的菌种接种至130mL血清瓶中,加入一定量Cr(Ⅵ)液(以液态分析纯K2Cr2O7加入),最后用培养基1注满,塞紧橡皮塞。
将培养液在30℃、100r・min-1摇床上振荡恒温培养。
间隔一定时间,吸取5.0mL该试液于10mL离心管中,以4000r・min-1转速离心10min,取上清液测定其剩余Cr(Ⅵ)的浓度;同时以不加菌的培养基作对照;每个处理重复3次。
1.2.4硫酸盐还原菌修复铬(Ⅵ)污染土壤试验
称取过2mm筛风干土100g,以溶液态加入分析纯K2Cr2O7,制成含150mg・kg-1Cr(Ⅵ)的污染土壤,分别加入10mL培养基1(处理A)、10mLWn-1菌液(处理B)、10mLWs-2菌液(处理C)、5mLWn-1菌液+5mLWs-2(处理D),各处理重复3次;土样混和均匀后,加入蒸馏水使含水量为田间持水量的60%,放在100mL烧瓶中30℃培养,分别在2、4、7、10d后测定土壤中剩余Cr(Ⅵ)含量,试验设3重复。
1.3测定方法
Cr(Ⅵ):二苯碳酰二肼分光光度法(GB/T15555.4—1995);pH、有机质、全氮、全磷和全钾等参照“土壤农业化学分析方法”[9]。
2试验结果与讨论
2.1硫酸盐还原菌的筛选和初步鉴定
筛选出硫酸盐还原菌6株,依次编号为Wn-1、Wn-2、Ws-1、Ws-2、Tj和Tg。
菌株Ws-1和Ws-2从上海市某电镀厂污水中分离获得,而Wn-1和Wn-2从其污水处理厂的活性污泥中分离获得,Tg从电镀厂附近土壤中分离,Tj从上海某黄桃基地铬污染土壤中分离。
在还原Cr(Ⅵ)能力验证中,菌株Wn-1和Ws-2的还原能力较强,我们只对菌株Wn-1和Ws-2做了鉴定。
它们形状为弧形,不能产生抗热的芽孢,菌体内含有脱硫绿啶的亚硫酸盐还原酶,且具有直进性的运动,这与伯杰菌种鉴定手册中对脱硫弧菌属鉴定描述的特征相吻合,故Wn-1和Ws-2初步鉴定都应归入脱硫弧菌属,但具体为哪一种,尚需进一步鉴定。
2.2硫酸盐还原菌还原Cr(Ⅵ)的效果
从表1可知,6株SRB菌都具有Cr(Ⅵ)还原能力,但它们的Cr(Ⅵ)还原能力不同。
初始Cr(Ⅵ)为50mg・L-1时,Wn-1、Ws-2、Ws-1和Wn-2的还原能力较强,1d后它们的Cr(Ⅵ)的转化率分别为100%、100%、96.3%和80.1%,3d后它们的Cr(Ⅵ)的转化率都达100%,它们与Tg、Tj和对照比较差异显著(P<0.05),与对照比较差异极显著(P<0.01),Tg、Tj和对照3d后Cr(Ⅵ)的转化率分别为44.7%、40.6%和1.9%。
初始Cr(Ⅵ)为100mg・L-1时,Wn-1的还原能力最强,3d后Cr(Ⅵ)的转化率达57.3%,与其他处理相比差异显著(P<0.05),其次为Ws-2和Ws-1,3d后Cr(Ⅵ)的转化率分别为48.9%和48.4%;其他菌株的还原能力从高至低依次为Wn-2、Tj、Tg。
初始Cr(Ⅵ)为200mg・L-1时,1d后Cr(Ⅵ)的Wn-1转化率最高,达23.1%,其次为Ws-2和Ws-1,转化率分别为15.6%和13.6%;3d后的Cr(Ⅵ)的转化率从高至低依次为Wn-1、Ws-2、Ws-1、Wn-2、Tj和Tg,Wn-1和Ws-2与Ws-1和Wn-2差异一般显著(P<0.10),与Tj和Tg差异显著(P<0.05)。
综合分析以上3个浓度的试验结果,Wn-1和Ws-2的还原Cr(Ⅵ)能力较强,其次为Ws-1和Wn-2,而Tj和Tg较弱;即从电镀厂污水处理厂污水和活性污泥中分离的菌株Cr(Ⅵ)还原能力较强,而从电镀厂附近土壤和基地铬污染土壤中分离的菌株的Cr(Ⅵ)还原能力较差。
同时,随着初始Cr(Ⅵ)浓度升高,SRB的Cr(Ⅵ)转化率都逐渐下降,但不同菌株下降的幅度不同,说明初始Cr(Ⅵ)浓度过高会抑制SRB的还原Cr(Ⅵ)能力,但不同菌株抗Cr(Ⅵ)能力不同。
2.3硫酸盐还原菌修复Cr(Ⅵ)污染土壤效果
从表2可知,各处理都具修复Cr(Ⅵ)污染土壤的能力,但各处理修复效果不同。
2d后处理D(Wn-1+Ws-2)的修复效果最好,Cr(Ⅵ)的转化率达43.1%,与处理B(Wn-1)和C(Ws-2)差异一般显著(P<0.10),与处理A(培养基)差异显著(P<0.05),处理B、处理C和处理A的Cr(Ⅵ)转化率分别为37.1%、34.2%和1.5%。
7d和10d后处理D与处理B和处理C的Cr(Ⅵ)的转化率差异显著(P<0.05),与处理A(对照)差异极显著(P<0.01),10d后它们的Cr(Ⅵ)转化率分别为75.3%、64.8%、59.6%和5.9%。
结果表明,菌株Wn-1和Ws-2都能很好地修复Cr(Ⅵ)污染土壤,而它们
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的混合菌液修复效果更佳,这可能是由于这2株SRB之间存在协同作用,提高了还原Cr(Ⅵ)的能力;说明
Wn-1、Ws-2及其混合菌能有效地把污染土壤中Cr(Ⅵ)转化为Cr(Ⅲ),以降低土壤中铬的植物有效性和
毒性,为土壤受轻度铬污染的黄桃生产基地安全生产提供一条有效途径。
同时由于土壤中存在具还原Cr
(Ⅵ)能力的土著微生物,加入培养基能激活它们的活
性,在本试验过程中,它的Cr(Ⅵ)的转化率逐渐上升,
也是微生物数量和活性逐渐提高的过程。
3结论
(1)筛选获得的6株SRB都具有Cr(Ⅵ)还原能力,但它们的Cr(Ⅵ)还原能力差异显著。
分别编号为
Wn-1、Wn-2、Ws-1、Ws-2、Tj和Tg。
其中Wn-1和
Ws-2的还原能力较强,初始Cr(Ⅵ)为50mg・L-1时,1
d后Cr(Ⅵ)的转化率达100%,其次为Wn-2和Ws-1,3d后Cr(Ⅵ)的转化率也达100%,而Tg和Tj较弱;即电镀厂污水处理厂的活性污泥来源的菌株还原Cr(Ⅵ)能力最强,其次为某电镀厂污水,而电镀厂附近土
壤和基地土壤的较差。
(2)随着初始Cr(Ⅵ)浓度升高,SRB的Cr(Ⅵ)转化率都逐渐下降,说明初始Cr(Ⅵ)浓度过高会抑制它们的还原能力。
(3)菌株Wn-1、Ws-2及其混合菌液能有效地把污染土壤中Cr(Ⅵ)转化为Cr(Ⅲ),以降低土壤中铬的植物有效性和毒性,而混合菌液转化率效率最高,2d
注:以上数据为3次平均值±标准差;竖排数值具有相同字母表示差异不显著(新复极差法,5%水平;相同初始浓度处理间比较),下同。
表1不同SRB的Cr(Ⅵ)还原效果
Table1TheeffectofreducingCr(Ⅵ)toCr(Ⅲ)bydifferentSRB
表2硫酸盐还原菌修复Cr(Ⅵ)污染土壤效果
Table2Theremediationeffectofhexavalentchromium-contaminatedsoilbySRB
吴淑杭等:硫酸盐还原菌修复铬(Ⅵ)污染土壤研究
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后Cr(Ⅵ)的转化率为43.1%,10d后Cr(Ⅵ)的转化率达75.3%;这可能是由于这2株SRB之间存在协同作用,提高了还原Cr(Ⅵ)的能力。
说明SRB可为土壤受轻度铬污染的黄桃生产基地安全生产提供一条有效途径。
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