CN112157119A - 一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法 - Google Patents

一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112157119A
CN112157119A CN202010807080.7A CN202010807080A CN112157119A CN 112157119 A CN112157119 A CN 112157119A CN 202010807080 A CN202010807080 A CN 202010807080A CN 112157119 A CN112157119 A CN 112157119A
Authority
CN
China
Prior art keywords
iron
anaerobic
containing minerals
heavy metals
culture medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010807080.7A
Other languages
English (en)
Inventor
甘敏
朱建裕
章可
陈芳
陈耀宗
何鹏
刘梦飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN202010807080.7A priority Critical patent/CN112157119A/zh
Publication of CN112157119A publication Critical patent/CN112157119A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09C—RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09C1/00—Reclamation of contaminated soil
    • B09C1/08—Reclamation of contaminated soil chemically
    • B09C1/085—Reclamation of contaminated soil chemically electrochemically, e.g. by electrokinetics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09C—RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09C1/00—Reclamation of contaminated soil
    • B09C1/10—Reclamation of contaminated soil microbiologically, biologically or by using enzymes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B34/00—Obtaining refractory metals
    • C22B34/30—Obtaining chromium, molybdenum or tungsten
    • C22B34/32—Obtaining chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B7/00—Working up raw materials other than ores, e.g. scrap, to produce non-ferrous metals and compounds thereof; Methods of a general interest or applied to the winning of more than two metals
    • C22B7/006—Wet processes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Soil Sciences (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Mycology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法，属于污染物生物处理领域。富集驯化重金属污染土壤及水体中的原始菌群，后将富集的原始菌群及不同含铁矿物共同加入重金属废水中。含铁矿物作为（半）导体材料，具有一定的导电性，可以作为电子穿梭载体，介导电子传递过程。不仅可以强化厌氧微生物间的种间电子传递，实现群落的定向调控，还可以协同高价重金属的还原。本发明所需的含铁矿物广泛存在于自然界中，原料易得，操作简单，能显著调控厌氧微生物的还原活性，增强重金属污染物修复的效果。

Description

一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法
技术领域
本发明涉及一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法，属于污染物生物处理领域。
背景技术
微生物修复技术不需要破坏土壤结构，安全性高，投资成本低，是一项环境友好的技术，但其反应时间长，且易受到环境因素影响，比如温度、湿度、pH等，所以在实际应用中存在一定阻力。但综合而言，微生物修复任然仍是一项非常具有应用前景的技术。
胞外呼吸菌的能量代谢过程主要依靠氧化有机物产生电子，再经“呼吸”链将胞内电子传递给胞外电子受体，并伴随着能量的产生。基于此，胞外呼吸菌一方面能氧化有机污染物，另一方面能还原高价有毒重金属，在污染物修复方面存在很大的应用前景。在微生物进行胞外厌氧呼吸过程中，除了利用自身存在的外膜蛋白-电子受体渠道之外，还可借助固体导电材料作为电子穿梭载体，实现远距离的电子传递过程，促进种间电子传递。
铁是自然界中含量最为丰富的元素，铁循环被认为是介导全球碳循环，有机物转化、重金属元素迁移转化及地质变化发展的重要调控因素之一。在自然土壤和底泥中，普遍以Fe (III) 矿物的形式存在，原料易得，价格低廉。微生物与矿物间的相互作用被认为是地质时期的主导因素，同时也是铁循环的重要驱动力。Fe (III) 矿物可为微生物生长提供吸附位点，并且可作为胞外呼吸菌电子传递链的最终电子受体/电子传递体，参与到厌氧呼吸过程。在此过程中，Fe (III) 矿物可出现电子穿梭效应或者铁循环现象，能够耦合高价重金属（如Cr (VI) 和铀U(VI)等）的还原，协同修复重金属污染。
发明内容
本发明的目的是在于克服原有修复技术的不足，通过添加适量的含铁矿物，显著提高了微生物厌氧体系中高价重金属还原的效率。据此提出了一种操作简单，原料易得，成本低廉、对环境无二次污染的高效厌氧生物还原高价重金属的技术手段。
本发明采用的技术原理概括如下：
含铁矿物的添加可以强化微生物种间电子传递实现高效的厌氧微生物处理高价重金属污染。主要原因为：（1）含铁矿物为（半）导体，具有良好的导电性。（2）含铁矿物能为微生物提供生长附着的粘附界面，促进其生长和繁殖，利于增大微生物含量，提高微生物之间的直接接触概率。（3）含铁矿物能改变微生物间相互作用方式，加强功能菌群的作用。（4）含Fe(III) 矿物作为微生物的最终电子受体，接受电子发生矿物溶解，产生还原性Fe(II)离子，对高价重金属铀U(VI)、铬Cr(VI)、Mn(VI)、Hg(II)等进行化学还原，其还原效果显著高于单独微生物直接还原的效果。
本发明采用的具体技术方案如下：
基于含铁矿物介导的微生物还原高价重金属的协同方法，步骤如下：
首先，将重金属污染的土壤或水体作为接种物，添加至通入氮气的厌氧培养基中进行驯化，直至微生物群落趋于稳定以完成驯化，得到富集的厌氧微生物。
将厌氧微生物富集物接种至生物反应器中，向其中添加含铁矿物，并通入氮气，通过搅拌的作用，将其均匀混合。
最后，保持重金属污染废水处理过程中的温度和搅拌速度。
富集菌群时所选用的培养基为富集专用培养基。
所述的方法中选用的厌氧培养基pH值调节至6.0~8.0。
所述的方法中，厌氧培养基中通入氮气的时间为10-20 min。
所述的方法中，重金属污染土壤、泥和废水处理过程中温度保持25-35℃。
所述的方法中，处理重金属的体系中，厌氧富集微生物的接种量为1%-5%。
所述的方法，优选地，体系所用的含铁矿物包括磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿等。添加的含铁矿物需要经破碎过筛，选取160-300目之间的矿物颗粒。
所述的方法，含铁矿物的添加量为1-5 g/L。
重金属污染废水\土壤\泥浆处理过程中，温度始终保持25-35℃，pH值范围为6.0~8.0。
本发明提供了一种基于含铁矿物介导的微生物还原高价重金属的协同方法。含铁矿物作为（半）导体材料，具有一定的导电性，可以作为电子穿梭载体，实现远距离的电子传递过程，强化厌氧微生物间的种间电子传递，实现群落的定向调控，协同高价重金属的还原，能显著降低重金属的毒性，实现环境污染物的修复。本发明所需的含铁矿物普遍存在于自然界中，原料易得，操作简单，能显著调控厌氧微生物的还原活性，增强重金属污染物修复的效果。
附图说明
图1为实施例1中磁铁矿介导的Cr (VI)还原情况
图2为实施例2中赤铁矿介导的Cr (VI)还原情况
图3为实施例3中黄铁矿介导的Cr (VI)还原情况
图4为实施例4中不同矿物介导的Cr (VI)还原情况
图5为实施例4中不同含铁矿物与Cr(VI) 还原体系在属水平的群落结构组成和系统聚类分析
具体实施方式
本发明通过含铁矿物的添加，影响了微生物间的相互作用方式，定向调控微生物群落组成，促进微生物的种间电子传递，有效提高了厌氧生物反应器中高价重金属污染物的还原量及还原率。
以下的实施方式旨在说明本发明的的目的、技术方案与优点，而不是对本发明的限定。在该技术思路的条件下做适当模拟与推演，都应作为本发明提交的权利要求书所确定的保护范围。
实施例1
称取1 g湿润土壤和10 mL铬液转入100 mL 的厌氧培养基中，在200 rpm，30ºC条件下培养。待微生物培养至对数期时，离心过滤培养基中的土壤颗粒，转接时先将各培养基的菌液等量混合，再按10％的量再次转接富集，恒温培养至培养液发生浑浊。
按1 %的接种量，取1 mL培养液转接到100 mL的新鲜培养基中，作为接种用菌。为了尽量减少微生物多样性的丧失，所采用的培养基为富营养环境（LB）的培养基，培养基的组成为：10 g/L 蛋白胨、5 g/L 酵母提取物、10 g/L 氯化钠，用HCl、NaOH调节pH为7.0。
以厌氧瓶为反应器，分别添加0.1 g磁铁矿于100 mL的培养液中，以1% 的接种量添加富集的微生物菌群。重铬酸钾（K2Cr2O7）母液作为电子受体，有机物乙酸钠（CH3COONa）作为电子供体添加到培养基中，使体系初始Cr(VI) 浓度达到50mg/L，CH3COO- 浓度为10mmol/L。培养条件为30℃ ，200 rpm，进行微生物-矿物协同还原Cr (VI)的实验。
为了对比本发明的促进效果，同时设置两组对照，其中对照组1中不添加磁铁矿，其余参数与实验组相同；对照组2中只添加磁铁矿，不接种驯化的微生物，其他参数与实验组相同，结果如图1所示，磁铁矿协同微生物菌群还原的Cr (VI)总量显著大于菌群或磁铁矿单独还原Cr (VI)的量。
实施例2
以厌氧瓶为反应器，分别添加0.1 g赤铁矿于100 mL的培养液中，以1% 的接种量添加富集的微生物菌群。重铬酸钾（K2Cr2O7）母液，有机物乙酸钠（CH3COONa）添加到培养基中，使体系初始Cr(VI) 浓度达到50mg/L，CH3COO- 浓度为10 mmol/L。其中Cr(VI)为电子受体，CH3COO-为电子供体。培养条件为30℃ ，200 rpm，进行微生物-矿物协同还原Cr (VI)的实验。取样检测Cr(VI)的浓度
为了对比本发明的促进效果，同时设置两组对照，其中对照组1中不添加赤铁矿，其余参数与实验组相同；对照组2中只添加赤铁矿，不接种驯化的微生物，其他参数与实验组相同。结果如图2所示，赤铁矿协同菌群还原Cr(VI)的总量显著大于赤铁矿或菌群单独还原Cr(VI)。
实施例3
以厌氧瓶为反应器，分别添加0.1 g黄铁矿于100 mL的培养液中，以1% 的接种量添加富集的微生物菌群。重铬酸钾（K2Cr2O7）母液，有机物乙酸钠（CH3COONa）添加到培养基中，使体系初始Cr(VI) 浓度达到50mg/L，CH3COO- 浓度为10 mmol/L。其中Cr(VI)为电子受体，CH3COO-为电子供体。培养条件为30℃ ，200 rpm，行微生物-矿物协同还原Cr (VI)的实验。
为了对比本发明的促进效果，同时设置两组对照，其中对照组1中不添加黄铁矿，其余参数与实验组相同；对照组2中只添加黄铁矿，不接种驯化的微生物，其他参数与实验组相同，黄铁矿协同菌群还原Cr(VI)总量显著高于黄铁矿或菌群单独还原Cr(VI)。
实施例4
取三份0.5 kg 铬污染土壤（Cr(VI)浓度为420 mg/kg，总铬浓度为803 mg/kg）分别置于三个12cm×8cm×12cm 花盆中，向三个花盆中分别添加2 g 磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿，5mL醋酸钠，和200 mL菌浓度为2×108个/mL的混合菌菌液。每天取 2 ～3cm 深处的土壤测定六价铬及总铬的浓度，经过10 d 的修复后，磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿与菌群土壤中Cr(Ⅵ)的还原率分别达到95%，92%，98%，同时取土壤提取DNA进行16S宏基因组测序分析微生物属水平的群落结构组成和系统聚类情况，结果如图4、5所示。

Claims (8)

1.一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法，其特征在于，步骤如下：将重金属污染的土壤、泥浆或水体作为接种物，添加至通入氮气的厌氧培养基中，进行驯化，直至微生物群落趋于稳定以完成驯化，得到厌氧微生物富集物；将富集物接种至厌氧生物反应器中，同时向其中添加含铁矿物与一定量的重金属，通入氮气，进行厌氧反应处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：富集菌群时所选用的培养基为富集专用培养基。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所选用的厌氧培养基pH值调节至6.0~8.0。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：厌氧培养基中通入氮气的时间为10-20 min。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：处理重金属的体系中，厌氧富集微生物的接种量为1%-5%。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：体系所用的含铁矿物包括磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿等；添加的含铁矿物需要经破碎过筛，选取160-300目之间的矿物颗粒。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：含铁矿物的添加量为1-5 g/L。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：重金属污染废水\土壤\泥浆处理过程中，温度始终保持25-35℃，pH值范围为6.0~8.0。
CN202010807080.7A 2020-08-12 2020-08-12 一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法 Pending CN112157119A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010807080.7A CN112157119A (zh) 2020-08-12 2020-08-12 一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010807080.7A CN112157119A (zh) 2020-08-12 2020-08-12 一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112157119A true CN112157119A (zh) 2021-01-01

Family

ID=73859893

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010807080.7A Pending CN112157119A (zh) 2020-08-12 2020-08-12 一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112157119A (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113042519A (zh) * 2021-03-23 2021-06-29 中南大学 一种生物型硫化零价铁材料及其制备方法和应用
CN114082779A (zh) * 2021-11-26 2022-02-25 清华大学 污染土壤修复长效性的加速试验方法及装置
CN114535281A (zh) * 2022-01-27 2022-05-27 北京大学 利用可再生磁性矿物复合材料修复污染土壤并原位回收六价铬的方法
CN115368906A (zh) * 2022-07-01 2022-11-22 华南理工大学 一种针铁矿固载铁硫还原菌复合材料及其制备方法与应用
CN117862195A (zh) * 2024-03-12 2024-04-12 山西青联农业科技有限公司 一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法
CN117862195B (zh) * 2024-03-12 2024-05-14 山西青联农业科技有限公司 一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105948280A (zh) * 2016-07-22 2016-09-21 中国环境科学研究院 以赤铁矿中Fe3+为电子受体的厌氧生物氧化水污染修复方法
CN108795991A (zh) * 2018-05-30 2018-11-13 中南大学 一种黄铁矿作为电子穿梭载体促进异化铁还原菌还原铬的方法
CN109554298A (zh) * 2019-01-10 2019-04-02 三峡大学 一种微生物菌群的富集方法及其在处理Cr重金属污染上的应用

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105948280A (zh) * 2016-07-22 2016-09-21 中国环境科学研究院 以赤铁矿中Fe3+为电子受体的厌氧生物氧化水污染修复方法
CN108795991A (zh) * 2018-05-30 2018-11-13 中南大学 一种黄铁矿作为电子穿梭载体促进异化铁还原菌还原铬的方法
CN109554298A (zh) * 2019-01-10 2019-04-02 三峡大学 一种微生物菌群的富集方法及其在处理Cr重金属污染上的应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘洪艳等: "异化铁还原细菌Klebsiella sp. KB52还原重金属Cr(Ⅵ)", 《环境工程学报》 *
罗海林等: "异化铁还原诱导次生铁矿对土壤重金属形态转化的影响", 《生态学杂志》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113042519A (zh) * 2021-03-23 2021-06-29 中南大学 一种生物型硫化零价铁材料及其制备方法和应用
CN114082779A (zh) * 2021-11-26 2022-02-25 清华大学 污染土壤修复长效性的加速试验方法及装置
CN114535281A (zh) * 2022-01-27 2022-05-27 北京大学 利用可再生磁性矿物复合材料修复污染土壤并原位回收六价铬的方法
CN115368906A (zh) * 2022-07-01 2022-11-22 华南理工大学 一种针铁矿固载铁硫还原菌复合材料及其制备方法与应用
CN117862195A (zh) * 2024-03-12 2024-04-12 山西青联农业科技有限公司 一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法
CN117862195B (zh) * 2024-03-12 2024-05-14 山西青联农业科技有限公司 一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112157119A (zh) 一种含铁矿物调控微生物还原重金属的修复方法
Zeng et al. Effective bioleaching of chromium in tannery sludge with an enriched sulfur-oxidizing bacterial community
Bai et al. Treatment of acid mine drainage by sulfate reducing bacteria with iron in bench scale runs
Yang et al. Simultaneous removal of nitrate and phosphate from wastewater by siderite based autotrophic denitrification
CN112159062B (zh) 一种河湖水环境多界面治理与修复的方法
Giblin et al. Removal of perchlorate from ground water by hydrogen‐utilizing bacteria
CN108314184B (zh) 一种促进厌氧反应器启动的方法
GB2606659A (en) Method and system for biologically treating acidic mine wastewater while recovering iron ion
Chirwa et al. Biological Cr (VI) reduction: microbial diversity, kinetics and biotechnological solutions to pollution
Johnson et al. The microbiology of acid mine drainage: genesis and biotreatment
CN111117913B (zh) 一种耐高盐高cod废水降解菌菌株、培养方法、菌液及应用
Li et al. Treatment of high-concentration chromium-containing wastewater by sulfate-reducing bacteria acclimated with ethanol
CN101386823A (zh) 一株特效厌氧反硝化菌及其处理废水的方法
Chen et al. Coupled pyrite and sulfur autotrophic denitrification for simultaneous removal of nitrogen and phosphorus from secondary effluent: feasibility, performance and mechanisms
CN110438025A (zh) 一种脱氮菌株及其应用
Liu et al. Characterization of Fe (III)-reducing enrichment culture and isolation of Fe (III)-reducing bacterium Enterobacter sp. L6 from marine sediment
Zhang et al. Autotrophic denitrification with anaerobic Fe2+ oxidation by a novel Pseudomonas sp. W1
CN102162029B (zh) 氧化锰矿中有价金属的微生物氧化还原耦合浸出方法
CN116903150A (zh) 利用土著微生物还原矿化处理中性地浸采铀地下水的方法
Liang et al. Electrically conductive biofilms assembled by magnetite in anaerobic oxidation of methane coupled to debromination/denitrification
CN114262679B (zh) 一种自养脱氮菌及其快速扩培工艺
Liu et al. Microbial Fe (III) reduction and hydrogen production by a transposon-mutagenized strain of Pantoea agglomerans BH18
CN116083281A (zh) 基于菌藻共生的复合菌剂及其在印染废水脱色中的应用
CN105670965B (zh) 一种具有铁还原能力的菌种及其应用
Hou et al. Microelectrolysis-integrated constructed wetland with sponge iron filler to simultaneously enhance nitrogen and phosphorus removal

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210101