CN111661930A - 一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法 - Google Patents

一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用钙离子增强蓝藻‑藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法，该方法首先将具有钙化功能的蓝藻接种至BG11培养基中培养后，将培养液离心，收集菌体沉淀，得到蓝藻菌体；然后将取自自然水体的藻菌生物膜在25℃、光照/黑暗为12h/12h环境中活化一天后并离心，收集藻菌生物膜沉淀；最后，将蓝藻菌体沉淀及的藻菌生物膜沉淀接种至砷污染高盐碱水中，同时加入CaCl2至终浓度为700～1000mg/L，在温度为25℃、光照强度2000lux、光照/黑暗为12h/12h的条件下培养8天，每隔4个小时摇晃一次，即可获得修复的高盐碱水。本发明对于高盐碱地区废水中的砷污染可以实现砷污染在地表水中迁移的阻隔且成本低廉，效果明显。

Description

一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷 污染的方法
技术领域
本发明涉及水体修复领域，尤其涉及一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法。
背景技术
砷是广泛存在于自然界中的一种类金属元素，也是对人体具有严重毒性的一种元素。砷可以通过多种途经进入人体，像食道、呼吸道、皮肤接触等，引起人体的急慢性中毒；有研究表明，砷对人的中毒剂量为0.01～0.052g，致死量为0.06～0.2g。近年来，由于砷的类金属性及特殊韧性，砷产品在工农业生产和人们生活等方面被广泛使用，同时砷及其化合物已经成为了环境中常见污染物。在新疆奎屯垦区地下水砷浓度高达1200μg/L，砷含量超标达到58.62％；砷对植物的危害同样不容忽视，研究发现，当土壤砷含量高达200mg/kg时，玉米种子萌发率、幼苗生长率及干物质积累量都急剧降低，甚至会导致玉米植株死亡。综合来看，在干旱/半干旱，土壤、水体盐碱化程度较高的地区环境中的砷污染往往比较严重，由于这些地区高盐碱的环境特点，导致了砷的高度可迁移性，砷污染已经成为这些地区亟待解决的环境难题。
目前，国内外处理砷污染水体主流方法有：物理、化学、生物三大类。但是这些方法对高盐碱地区的恶劣环境均存在一定弊端。例如：物理法中的吸附法，吸附法集中于研究增加吸附剂的吸附能而处理废水，其过程虽然简单易行，但处理效率低，更为重要的是，在干旱高盐碱地区这类方法处理效果会打折扣而且不稳定；物理化学法中的混凝沉淀、离子交换等技术，也是由于处理效果不稳定而不太适用于高盐碱地区废水中砷的去除；生物法除砷技术主要利用植物对砷的富集，像水葫芦、水浮莲、蜈蚣草等。但是这些植物很难在干旱高盐碱环境下生存，另外，吸附后的砷随着环境条件的改变极易解吸造成砷的再次释放。
综上，目前常见的处理砷污染的技术方法在干旱高盐碱地区很难取得理想的效果同时高盐碱地区砷的高迁移性和对人体及环境的严重性危害，突出了本发明所述的利用Ca2+增强蓝藻-藻菌生物膜固定高盐碱水体中砷污染方法的重要意义。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水的砷污染方法，在强碱性环境下，在微生物介导下Ca2+和蓝藻固定CO2产生CO3 2-结合在蓝藻-藻菌生物膜表面形成方解石晶体，在方解石形成的过程中，环境中的As易被方解石吸附在表面或者进入方解石晶格中，同时还有重金属离子共沉淀的形式，以此固定重金属离子。本发明对于高盐碱地区废水中的砷污染可以实现砷污染在地表水中迁移的阻隔且成本低廉，效果明显。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法，该方法包括以下步骤：
(1)蓝藻菌体的制备：将具有钙化功能的蓝藻接种至BG11培养基中，在25℃、光照/黑暗为12h/12h环境中培养至对数生长期，将培养液在5500rpm离心20min，去掉上清液后，收集菌体沉淀，即为蓝藻菌体。
(2)藻菌生物膜的活化：藻菌生物膜取自自然水体；在25℃、光照/黑暗为12h/12h环境中活化一天后，在5500rpm条件下将藻菌生物膜离心20min，去掉上清液，收集藻菌生物膜沉淀。
(3)砷污染高盐碱水的修复：将步骤(1)菌体沉淀及步骤(2)中的藻菌生物膜沉淀接种至砷污染高盐碱水中，所述蓝藻加入量以砷污染高盐碱水体积计OD685在0.4～0.8之间，同时加入CaCl2至终浓度为700～1000mg/L，在温度为25℃、光照强度2000lux、光照/黑暗为12h/12h的条件下培养8天，每隔4个小时摇晃一次，获得修复的高盐碱水。
进一步地，步骤(1)中，所述BG11液体培养基组成为：1.5g/L NaNO3、40mg/LK2HPO4、75mg/L MgSO4·7H2O、6mg/L柠檬酸、6mg/L柠檬酸铁铵、1mg/L EDTANa2和20mg/LNa2CO3等，溶剂为去离子水，pH值自然。
进一步地，蓝藻在BG11培养基中培养至对数生长期的时间优选为1h。
进一步地，所述砷污染高盐碱水中砷含量为10mg/L，盐度为15‰，pH值为8.24。
进一步地，所述蓝藻加入量以砷污染高盐碱水体积计OD685优选为0.7。
进一步地，所述藻菌生物膜取自新疆奎屯垦排碱渠自然水体。
进一步地，所述砷污染高盐碱水为新疆奎屯垦区原水水样。
本发明的有益效果：
(1)本发明所使用蓝藻-藻菌生物膜克服了其他植物难在干旱-高盐度条件下生存的缺点，环境适应性强。
(2)利用蓝藻-藻菌生物膜处理高盐碱含砷废水，可以原位修复方便实施，处理效果较理想，在高盐度高砷含量的环境中，砷的去除率均可达到70％以上，且不易造成二次释放。
(3)使用本方法修复砷污染，成本低廉，耗时较短，节约人力物力。
附图说明
图1为实施例1中蓝藻-藻菌生物膜的SEM图。
图2为实施例2中修复后无底泥组的生物膜样品的XRD。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1原水的表征
(1)采样：生物膜样品：新疆奎屯垦区一条的排碱渠(N44°58'940"E84°31'606")采集；水样：在奎屯123团附近采集；
(2)水样基本理化性质的测试：水样测试结果如表1和表2所示：
表1
Figure BDA0002528860210000031
表2
Figure BDA0002528860210000032
实施例2
(1)蓝藻菌体的制备：将具有钙化功能的蓝藻接种至装有500ml含36mg/L CaCl2·2H2O的BG11液体培养基的锥形瓶中，并放置在25℃，光照强度2000lux、光照/黑暗为12/12环境中，培养至对数生长期，获得培养液(蓝藻OD685＝0.7)，将培养液在5500rpm离心20min，去掉上清液后，收集菌体沉淀，即为蓝藻菌体。
(2)藻菌生物膜的培养：生物膜取自新疆奎屯垦排碱渠自然水体。在25℃、光照/黑暗为12h/12h环境中活化一天后，在5500rpm条件下将藻菌生物膜离心20min，去掉上清液，收集藻菌生物膜沉淀。
(3)藻菌生物膜表征：取部分藻菌生物膜沉淀，在冷冻干燥器中(-80℃，真空环境)干燥48h后，使用SEM观察蓝藻菌体，如图1；
(4)砷污染模拟水样的修复：向500ml实施例1中盐碱水中加入NaAsO2至溶液中As的终浓度为10mg/L，得到盐碱砷污染模拟水样；再接种步骤(1)蓝藻菌体沉淀及步骤(2)活化的生物膜沉底至OD685为0.7，在模拟自然环境条件下(温度为25℃，光照强度为2000lux，光照/黑暗为12h/12h)培养，每4个小时摇晃一次，在第12、24、48h，分别取2ml培养液，根据初始砷浓度稀释至100μg/L以下的稀释倍数，用去离子水将培养液稀释相同倍数后，过0.22μm醋酸纤维膜，利用氢化物发生原子荧光分光光度计(AFS)测量砷浓度并计算去除率(去除率(％)＝100*(c0-c)/c0)；c0为初始As(III)浓度，c为修复过程中，不同砷浓度模拟水样的As(III)浓度。实验结果表明：模拟砷污染达到10mg/L的水样中，利用蓝藻-藻菌生物膜，经过不同阶段的修复，砷的去除率分别达到了44.98％，47.45％，53.45％。
实施例3
(1)菌株的准备和生物膜的培养蓝藻的制备、藻菌生物膜的培养分别同实施例2中(1)和(2)所述；
(2)新疆奎屯地区所采集底泥理化性质及重金属含量(mg/kg)如表3所示：
表3
pH 盐度(‰) As Cu Cr Pb Cd Zn Sr
7.71 0.5 8.85 32.91 54.46 15.65 0.18 69.33 291.79
(3)砷污染模拟水样的修复：向500ml实施例1中盐碱水中加入NaAsO2至溶液中As的终浓度为10mg/L，同时加入采自新疆奎屯地区河流的底泥20g，得到盐碱砷污染模拟水样；接种及培养条件同实施例2，进行修复实验。
结果表明，经过实验室模拟砷污染水体实验，在砷污染程度10mg/L加入底泥的水环境中，利用蓝藻-藻菌生物膜，经过48h的修复，砷的去除率在第第12、24、48h分别达到了8.01％，32.12％，42.45％。
实施例4
(1)菌株的准备和生物膜的培养蓝藻的制备、藻菌生物膜的培养分别同实施例2中(1)和(2)所述；
(2)砷污染模拟水样的修复：向500ml实施例1中所述的盐碱水中加入NaAsO2至溶液中As的终浓度为10mg/L，加入CaCl2，调整Ca2+最终浓度分别调整为700、850、1000mg/L，其他接种过程与培养条件同实施例2，进行修复检验，结果表明，经过实验室模拟砷污染水体实验，在不同Ca2+浓度(700、850、1000mg/L)的水环境中，利用蓝藻-藻菌生物膜，经过8天的修复，砷的去除率分别为36.75％、68.57％和85.84％。对修复后的藻菌生物膜进行XRD表征结果如图2.在实施例4中加入不同浓度的Ca2+随着浓度的提高砷的去除率提高显著，说明本发明修复砷污染效果明显。
实施例5
(1)菌株的准备和生物膜的培养：如实施例(1)、(2)中所述。
(2)自然盐碱砷污染地表水环境的模拟：在新疆奎屯垦区原水中加入20g采自新疆奎屯地区河流中底泥，并加入NaAsO2至溶液中As的终浓度为10mg/L。
(3)蓝藻-藻菌生物膜修复自然盐碱砷污染地表水：向步骤(2)模拟自然盐碱砷污染地表水样中投加CaCl2至终浓度700mg/L，850mg/L，1000mg/L。接种步骤(1)混合藻至OD685为0.7，在模拟自然环境条件下(温度为25℃，光照强度为2000lux，光照/黑暗为12h/12h)培养，每4个小时摇晃一次锥形瓶，在第8天时，取2ml培养液，测量砷浓度，检测与去除率计算方法如实施例2中所述。实验结果表明：在不同浓度Ca2+投加量(700mg/L，850mg/L，1000mg/L)的情况下，模拟自然盐碱砷污染地表水中利用所述的蓝藻-藻菌生物膜修复，经过8天的修复，砷的去除率分别达到了69.49％，75.51％，83.33％。在实施例5中模拟了复杂盐碱水环境(底泥+水+生物膜)，在此条件下，本发明所述Ca2+可以增强蓝藻-藻菌生物膜对砷的去除作用。
按本发明所述方法，经过实验室模拟高盐碱砷污染地表水修复实验表明，在加入Ca2+的各实施例中，均有很好的砷污染治理效果，且模拟地表水环境变化来评估本发明所述方法修复后水体的砷的再释放情况的实施例结果显示，本发明所述方法修复的砷污染不易被二次释放。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)蓝藻菌体的制备：将具有钙化功能的蓝藻接种至BG11培养基中，在25℃、光照/黑暗为12h/12h环境中培养至对数生长期，将培养液在5500rpm离心20min，去掉上清液后，收集菌体沉淀，即为蓝藻菌体。
(2)藻菌生物膜的活化：藻菌生物膜取自自然水体；在25℃、光照/黑暗为12h/12h环境中活化一天后，在5500rpm条件下将藻菌生物膜离心20min，去掉上清液，收集藻菌生物膜沉淀。
(3)砷污染高盐碱水的修复：将步骤(1)菌体沉淀及步骤(2)中的藻菌生物膜沉淀接种至砷污染高盐碱水中，所述蓝藻加入量以砷污染高盐碱水体积计OD685在0.4～0.8之间，同时加入CaCl2至终浓度为700～1000mg/L，在温度为25℃、光照强度2000lux、光照/黑暗为12h/12h的条件下培养8天，每隔4个小时摇晃一次，获得修复的高盐碱水。
2.根据权利要求1所述的一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述BG11液体培养基组成为：1.5g/L NaNO3、40mg/LK2HPO4、75mg/L MgSO4·7H2O、6mg/L柠檬酸、6mg/L柠檬酸铁铵、1mg/L EDTANa2和20mg/LNa2CO3等，溶剂为去离子水，pH值自然。
3.根据权利要求1所述的一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法，其特征在于，蓝藻在BG11培养基中培养至对数生长期的时间优选为1h。
4.根据权利要求1所述的一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法，其特征在于，所述砷污染高盐碱水中砷含量为10mg/L，盐度为15‰，pH值为8.24。
5.根据权利要求1所述的一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法，其特征在于，所述蓝藻加入量以砷污染高盐碱水体积计OD685优选为0.7。
6.根据权利要求1所述的一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法，其特征在于，所述藻菌生物膜取自新疆奎屯垦排碱渠自然水体。
7.根据权利要求1所述的一种利用钙离子增强蓝藻-藻菌生物膜修复高盐碱水体中砷污染的方法，其特征在于，所述砷污染高盐碱水为新疆奎屯垦区原水水样。
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CN113936835A (zh) * 2021-10-12 2022-01-14 浙江工业大学 一种基于水华蓝藻的铀污染修复方法
CN113936835B (zh) * 2021-10-12 2023-08-01 浙江工业大学 一种基于水华蓝藻的铀污染修复方法

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