CN104889154B - 一种利用好氧菌异化还原产物矿化土壤汞的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用好氧菌异化还原产物矿化土壤汞的方法,该方法选取能够将亚硒酸钠异化还原的好氧菌位法式柠檬酸杆菌Citrobacter freundii，菌种购买自美国模式菌种收集中心，保藏号ATCC 8090，将该菌种转接到含有亚硒酸钠的培养基中培养得到好氧菌异化还原产物，然后将含有好氧菌异化还原产物的混合菌液放入超声波细胞破碎仪中进行破碎，最后将好氧菌异化还原产物加入到元素汞污染土壤中，在室温条件下培养数天后终止实验。好氧菌以亚硒酸钠为电子受体的异化还原产物是良好的汞捕获剂，可以将土壤中的元素汞转化为残渣态汞，从而将土壤汞矿化，修复土壤汞污染，该方法适用于表层汞污染土壤。该方法工艺简单，操作方便，处理成本低，处理范围大，无二次污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用好氧菌异化还原产物矿化土壤汞的方法，属于环境保护领域土壤修复技术。
背景技术
汞是地壳中天然存在的一种剧毒非必需重金属元素。汞在自然条件下有0、+1、+2三种价态，主要以元素汞（金属汞）、无机汞（主要是二价汞）和有机汞（主要是甲基汞）三种形式存在。汞在日常生活中有着广泛的用途。工业上，汞可以用于从矿石中提取黄金、生产补牙材料，应用于氯碱工业，用于制造温度计、荧光灯、化妆品等。农业上，汞还可以用作杀虫剂、杀菌剂、除草剂等。
汞的大规模使用以及燃煤和垃圾焚烧等导致了严重的汞污染。十九世纪五十年代发生在日本的水俣病就是一起典型的汞污染案件。汞可以在生物体内生物富集并通过食物链导致毒性生物放大，对人体产生严重危害。当人体暴露于汞蒸气（元素汞）时，汞蒸气通过呼吸道进入肺泡然后通过血液循环输送到全身。血液中的金属汞进入脑组织后被氧化成汞离子，汞离子逐渐在脑组织中积累达到一定的量时就会对脑组织造成损伤，另外一部分汞离子则转移到肾脏。吸入汞蒸气主要是对肺、中枢系统、肾脏造成损伤，严重的可致人死亡。无机汞中毒主要是对消化道、免疫系统和肾脏造成损伤。有机汞的毒性最大而且很容易被消化道吸收。甲基汞是最主要的有机汞形式，甲基汞的毒性主要是神经毒性，大脑和神经系统被认为是甲基汞中毒的靶器官。甲基汞还有遗传性损害，甲基汞特别易溶于细胞膜或脑组织中的类脂里，而且碳汞共价键很稳定不容易破坏，使得甲基汞化合物能通过胎盘屏障进入胎儿组织从而产生遗传毒性。
工农业生产特别是冶金以及汞矿的开采，燃煤和垃圾焚烧，汞沉降使得土壤受到了严重污染。研究发现，斯洛文尼亚某矿区土壤中，以硫化汞（HgS）形态存在的汞占到了60-80%，其次是零价汞。委内瑞拉某混合采金区的土壤中，95%的汞都以元素汞的形式存在。还有研究指出氯碱厂生产以及矿石冶金很容易导致周边土壤被元素汞污染，而且汞具有很高的电离势（I=10.437cv），在正常的Eh和pH条件下汞能以元素汞的形式存在于土壤中。土壤中的元素汞主要存在于土壤的表层，表层土壤一般是好氧氧化环境，因此，我们亟需采取措施对表层好氧土壤环境中的元素汞进行处理。
常规的土壤汞修复方法主要有固定化、电化学处理、土壤淋洗、热处理、植物修复等方法。绝大多数这些方法都是使土壤中的汞挥发去除，虽然减少了土壤汞污染，但是汞作为全球性污染物，而且元素汞可以在大气中稳定存在1.5-2年还可以远距离运输并沉降到其他地方，这些方法并没有真正消除汞污染。随着《水俣公约》的签订，我们亟需找到一种净化土壤汞污染的新方法。
无定型纳米硒是目前为止发现的最为有效的汞吸收剂，其吸附能力达188000ug/g。BRIAN LEE等人利用固定在纤维素毛巾模板上的纳米硒吸附荧光灯管中的气态汞，取得了很好的效果。Joo-Youp Lee等人将KSeO2(OCH3)还原而成的元素硒固定在MK10上，在实验室条件下的惰性载气中可以很好的和汞蒸气反应。W. Fellowes等人利用无定形纳米硒吸附用HgCl2浸泡的植物标本释放出来的元素汞，去除率为20%。无定型纳米硒不仅可以去除大气中的元素汞，而且在水体中的应用也有所报道。研究发现Shewanella putrefaciens 200和荧光假单胞杆菌可以将二价汞还原为元素汞，同时又可以生成纳米生物硒，排出细胞外的元素汞和纳米硒可以反应生成HgSe沉淀。目前，无定型纳米硒修复汞污染主要存在于大气和水环境，还未见无定型纳米硒在土壤汞污染修复中的应用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用好氧菌异化还原产物矿化土壤汞的方法，该方法选取能够将亚硒酸钠异化还原的好氧菌法式柠檬酸杆菌Citrobacter freundii，菌种购买自美国模式菌种收集中心，保藏号ATCC 8090，将该菌种转接到含有亚硒酸钠的培养基中培养得到好氧菌异化还原产物，然后将含有好氧菌异化还原产物的混合菌液放入超声波细胞破碎仪中进行破碎，最后将好氧菌异化还原产物加入到元素汞污染土壤中，在室温条件下培养数天后终止实验。好氧菌以亚硒酸钠为电子受体的异化还原产物是良好的汞捕获剂，可以将土壤中的元素汞转化为残渣态汞，从而将土壤汞矿化，修复土壤汞污染，该方法适用于表层汞污染土壤。该方法工艺简单，操作方便，处理成本低，处理范围大，无二次污染。
本发明所述的一种利用好氧菌异化还原产物矿化土壤汞的方法，按下列步骤进行：
菌种来源与培养：
a、选取好氧菌为法式柠檬酸杆菌Citrobacter freundii，菌种购买自美美国模式菌种收集中心，保藏号ATCC 8090，将该菌菌液按体积比2%-10%的接种量接种到含有200-300ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾1.0-5.0g,氯化镁0.1-2.0g,酵母浸粉2-10g, 柠檬酸钠2.5-5.0g中，在温度20-30℃条件下富集培养2-5天；
异化还原产物的制备：
b、将步骤a中富集得到的细菌菌液按体积比为2%-10%的接种量接入到含有200-300ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾1.0-5.0g,氯化镁0.1-2.0g,酵母浸粉2-10g, 柠檬酸钠2.5-5.0g的锥形瓶中，同时加入亚硒酸钠1-5mmol/L，调节pH值为4-11, 将锥形瓶置于100-200转/分，在温度为20-30℃的好氧条件下，培养5- 10天后,采用超声波细胞破碎仪对菌液进行细胞破碎，得到细菌异化还原产物；
好氧菌异化还原产物矿化土壤汞：
c、将步骤b中得到的好氧菌异化还原产物溶液30-80毫升加入到100克元素汞污染土壤中，置于室温条件下培养7-15天后中止实验，土壤元素汞转化为残渣态汞，使土壤元素汞矿化。
本发明所述的一种利用好氧菌异化还原产物矿化土壤汞的方法，该方法中所述的好氧菌为法氏柠檬酸杆菌，拉丁名：Citrobacter freundii，保藏单位：美国模式菌种收集中心；保藏号：ATCC 8090，中国代理商地址：北京市朝阳区东方东路11号北京中原公司，购买时间：2013年9月8日。
本发明所述的一种利用好氧菌异化还原产物矿化土壤汞的方法，该方法首先对选取的好氧菌法氏柠檬酸杆菌Citrobacter freundii进行富集培养；然后将富集培养得到的菌液按体积比2%-10%的接种量接种到亚硒酸钠浓度为1-5mmol/L的培养液中，在100-200转/分钟条件下搅拌均匀；然后将混合液的pH值调节为4-11，在温度20-30℃下培养5-10天；法式柠檬酸杆菌在好氧条件下以柠檬酸钠、醋酸钠、硝酸钠等作为电子供体，亚硒酸钠作为电子受体，亚硒酸根得到电子被异化还原；然后采用超声波细胞破碎仪对菌液进行细胞破碎，以提高细胞外异化还原产物的含量，得到好氧菌异化产物；最后，在好氧条件下，将含好氧菌异化还原产物的溶液加入汞污染土壤，置于室温条件下培养7-15天后中止实验。好氧菌异化还原产物捕获土壤元素汞并发生化学结合反应，将土壤中的元素汞转化成为残渣态汞，土壤中元素汞初始浓度为15µg/g -30µg/g时，47.5%-60.8%的元素汞被转化成为残渣态汞从而被生物矿化。
本发明所述的一种利用好氧菌异化还原产物矿化土壤汞的方法，该方法选取一种能够在对亚硒酸钠进行异化还原的好氧菌为法氏柠檬酸杆菌Citrobacter freundii，该法氏柠檬酸杆菌的好氧异化还原产物是一种良好的汞捕获剂。将该好氧菌法氏柠檬酸杆菌Citrobacter freundii异化还原产物加入到元素汞污染土壤中，可以将土壤中的元素汞转化成为残渣态汞从而将汞矿化。残渣态硒化汞（HgSe）是一种溶解度极低，很稳定的惰性化学物质（Ksp =10-58），很难被生物利用，从而也降低了土壤中元素汞挥发进入大气的可能性，以实现去除土壤中元素汞的目标。
本发明所述的一种利用好氧菌异化还原产物矿化土壤汞的方法，该方法采用的好氧菌法式柠檬酸杆菌在好氧条件下，在电子供体存在的条件下，以亚硒酸钠作为电子受体，对亚硒酸钠进行异化还原。其异化还原产物（纳米生物硒颗粒，X射线衍射仪证实为无定型态，和汞具有很强的结合力；粒度测试证实为纳米尺度：100-500纳米）可以捕获汞，将土壤元素汞矿化为残渣态汞，从而去除汞污染。
本发明所述的一种利用好氧菌异化还原产物矿化土壤汞的方法，该方法处理含元素汞污染土壤的效果：通过好氧条件下，法式柠檬酸杆菌诱导亚硒酸根离子进行生物还原，该异化还原产物是汞的良好捕获剂，可以将土壤中的元素汞转化为残渣态汞从而控制土壤汞污染，工艺简单，操作方便，处理成本低，处理范围大，无二次污染。
具体的实施方式
本发明的实施例均可实施，但不限于这些实施例。
实施例1
菌种来源与培养：
a、选取好氧菌为法式柠檬酸杆菌Citrobacter freundii，将该菌菌液按体积比10%的接种量接种到含有200ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾5.0g,氯化镁2.0g,酵母浸粉10g, 柠檬酸钠5.0g中，在温度30℃条件下富集培养5天；
异化还原产物的制备：
b、将富集得到的细菌菌液按体积比为10%的接种量接入到含有200ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾5.0g，氯化镁2g，酵母浸粉10g， 柠檬酸钠5.0g的锥形瓶中，同时加入亚硒酸钠5mmol/L，调节pH值7, 将锥形瓶置于200转/分，在温度为30℃的好氧条件下，培养10天后，采用超声波细胞破碎仪对菌液进行细胞破碎，得到细菌异化还原产物；
好氧菌异化还原产物矿化土壤汞：
c、将得到的好氧菌异化还原产物溶液80ml加入到100g元素汞污染土壤中，置于室温条件下培养15天后中止实验，土壤元素汞转化为残渣态汞，使土壤元素汞矿化,矿化率为60.8%。
实施例2
菌种来源与培养：
a、选取好氧菌为法式柠檬酸杆菌Citrobacter freundii，将该菌菌液按体积比2%的接种量接种到含有250ml培养基为去离子水1升磷酸氢二钾，1.0g，氯化镁0.1g，酵母浸粉2g，柠檬酸钠2.5g中，在温度20℃条件下富集培养3天；
异化还原产物的制备：
b、将富集得到的细菌菌液按体积比为2%的接种量接入到含有250ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾1.0g，氯化镁0.1g，酵母浸粉2g， 柠檬酸钠2.5g的锥形瓶中，同时加入亚硒酸钠1mmol/L，调节pH值11, 将锥形瓶置于100转/分，在温度为20℃的好氧条件下，培养5天后,采用超声波细胞破碎仪对菌液进行细胞破碎，得到细菌异化还原产物；
好氧菌异化还原产物矿化土壤汞：
c、将得到的好氧菌异化还原产物溶液30ml加入到100g元素汞污染土壤中，置于室温条件下培养7天后中止实验，土壤元素汞转化为残渣态汞，使土壤元素汞矿化，矿化率为47.5%。
实施例3
菌种来源与培养：
a、选取好氧菌为法式柠檬酸杆菌Citrobacter freundii，将该菌菌液按体积比5%的接种量接种到含有300ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾2.0g，氯化镁1g，酵母浸粉5g, 柠檬酸钠3.0g中，在温度25℃条件下富集培养4天；
异化还原产物的制备：
b、将富集得到的细菌菌液按体积比为5%的接种量接入到含有300ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾2.0g，氯化镁1.0g，酵母浸粉5g，柠檬酸钠3.0g的锥形瓶中，同时加入亚硒酸钠2mmol/L，调节pH值4, 将锥形瓶置于150转/分，在温度为25℃的好氧条件下，培养8天后,采用超声波细胞破碎仪对菌液进行细胞破碎，得到细菌异化还原产物；
好氧菌异化还原产物矿化土壤汞：
c、将得到的好氧菌异化还原产物溶液40ml加入到100g元素汞污染土壤中，置于室温条件下培养10天后中止实验，土壤元素汞转化为残渣态汞，使土壤元素汞矿化，矿化率为48.8%。
实施例4
菌种来源与培养：
a、选取好氧菌为法式柠檬酸杆菌Citrobacter freundii，将该菌菌液按体积比6%的接种量接种到含有200ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾3.0g，氯化镁1.5g，酵母浸粉6.0g， 柠檬酸钠4.0g中，在温度30℃条件下富集培养3天；
异化还原产物的制备：
b、将富集得到的细菌菌液按体积比为6%的接种量接入到含有200ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾3.0g，氯化镁1.5g，酵母浸粉6g，柠檬酸钠4.0g的锥形瓶中，同时加入亚硒酸钠3mmol/L，调节pH值8, 将锥形瓶置于100转/分，在温度为30℃的好氧条件下，培养6天后,采用超声波细胞破碎仪对菌液进行细胞破碎，得到细菌异化还原产物；
好氧菌异化还原产物矿化土壤汞：
c、将得到的好氧菌异化还原产物溶液60ml加入到100g元素汞污染土壤中，置于室温条件下培养9天后中止实验，土壤元素汞转化为残渣态汞，使土壤元素汞矿化，矿化率为53.4%。
实施例5
菌种来源与培养：
a、选取好氧菌为法式柠檬酸杆菌Citrobacter freundii，将细菌菌液按体积比8%的接种量接种到含有300ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾4.0g，氯化镁2.0g，酵母浸粉8g，柠檬酸钠4.0g中，在温度28℃条件下富集培养5天；
异化还原产物的制备：
b、将富集得到的细菌菌液按体积比为8%的接种量接入到含有300ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾4.0g，氯化镁2.0g，酵母浸粉8g，柠檬酸钠4.0g的锥形瓶中，同时加入亚硒酸钠4mmol/L，调节pH值10，将锥形瓶置于200转/分，在温度为28℃的好氧条件下，培养10天后,采用超声波细胞破碎仪对菌液进行细胞破碎，得到细菌异化还原产物；
好氧菌异化还原产物矿化土壤汞：
c、将得到的好氧菌异化还原产物溶液75ml加入到100g元素汞污染土壤中，置于室温条件下培养12天后中止实验，土壤元素汞转化为残渣态汞，使土壤元素汞矿化，矿化率为58.1%。
从以上实施例可以看出：通过本发明所述方法即可达到矿化土壤元素汞的效果。在好氧条件下，加入亚硒酸钠后法式柠檬酸杆菌Citrobacter freundii可以进行异化还原，其异化还原产物（无定型纳米生物硒）是良好的汞矿化剂；法式柠檬酸杆菌Citrobacter freundii异化还原产物可以和土壤中存在的元素汞结合生成HgSe沉淀，从而将土壤中的元素汞矿化，该方法工艺简单，操作方便，处理成本低，处理范围大，无二次污染。
Claims (1)
1.一种利用好氧菌异化还原产物矿化土壤汞的方法，其特征在于按下列步骤进行：
菌种来源与培养：
a、选取好氧菌为法式柠檬酸杆菌Citrobacter freundii，菌种购买自美国模式菌种收集中心，保藏号ATCC 8090，将该菌菌液按体积比2%-10%的接种量接种到含有200-300ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾1.0-5.0g,氯化镁0.1-2.0g,酵母浸粉2-10g, 柠檬酸钠2.5-5.0g中，在温度20-30℃条件下富集培养2-5天；
异化还原产物的制备：
b、将步骤a中富集得到的细菌菌液按体积比为2%-10%的接种量接入到含有200-300ml培养基为去离子水1升，磷酸氢二钾1.0-5.0g,氯化镁0.1-2.0g,酵母浸粉2-10g, 柠檬酸钠2.5-5.0g的锥形瓶中，同时加入亚硒酸钠1-5mmol/L，调节pH值为4-11, 将锥形瓶置于100-200转/分，在温度为20-30℃的好氧条件下，培养5- 10天后,采用超声波细胞破碎仪对菌液进行细胞破碎，得到细菌异化还原产物；
好氧菌异化还原产物矿化土壤汞：
c、将步骤b中得到的好氧菌异化还原产物溶液30-80毫升加入到100克元素汞污染土壤中，置于室温条件下培养7-15天后中止实验，土壤元素汞转化为残渣态汞，使土壤元素汞矿化。
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