[00111993]含铊废水处理菌株脱铊基因解析和基因工程菌的构建

1、课题来源与背景：课题来源和背景本课题为国家自然科学基金委青年科学基金项目。含铊矿产资源开采和利用引发的水源地分散毒害元素铊污染已对饮用/供水安全构成严重威胁。前期研究表明,采用微生物方法对含铊废水进行处理,具有处理成本低、效果好等优势。 2、研究的目的与意义 本项目的开展对于预防和阻控含铊酸性废水对饮用水水源地污染,保障供水安全具有重要意义,可为更科学地进行污染风险评估提供科学依据,同时也可为这些敏感区域相关行业的发展和污染阻控提供参考。 3、主要论点、论据与创见、创新 1)基因分析表明,菌株与柠檬酸杆菌相似,扩增得到的特异性基因异化亚硫酸盐还原酶基因与某些硫酸盐还原菌中的脱硫基因高度相似,菌株对铊具有较高的耐受性,这点在 国际上报道甚少;采用传统生物学方法对菌株形态、生理生化特性进行分析,结果表明分离出的三株优势菌株均为革兰氏阴性菌,无芽孢,细胞形状以球状与杆菌为主,细胞 大小略有差异,菌落成黑色。菌株环境条件影响研究表明菌株为严格厌氧菌,但pH值要求范围较常规菌株宽,适应温度环境的能力也很强,pH为6.0的环境下菌株的铊去除率达 到96.23%以上;在28~32℃范围内,铊去除率最高达91.84%以上。 2)考察了pH、温度及初始铊浓度等环境因素对除铊菌株脱铊效果的影响。同时考察了重金属离子、碳硫比和碳源种类等对硫酸盐还原菌（SRB）混培物的抑制作用。研究表明,10 mg/L 的Cu2+、Cd2+和20 mg/L 的Hg2+对菌株还原硫酸盐的影响较小;20 mg/L 的Cu2+对SRB 的抑制最为强烈,同等条件下金属离子对SRB的抑制顺序为Ni2+＞Cu2+＞Cd2+＞Hg2+。COD/sulfate为2.16时,系统对于硫酸盐去除效果较佳,去除COD效果从高到低的是乙醇＞蔗糖＞葡萄糖＞正丙醇＞丙酮酸钠＞甲酸钠;去除 硫酸盐效果从高到低的是乙醇＞蔗糖＞葡萄糖＞甲酸钠＞ 正丙醇＞甲醇。产生硫化物效果从高到低的是乙醇＞甲酸钠＞蔗糖＞ 正丙醇＞葡萄糖。该研究对于改善除铊菌去除废水中铊污 染的环境条件具有重要的指导意义,同时对于在生产实践中利用以除铊菌为主体的混培物进行含铊废水处理的应用具有重要的指导意义; 3)探讨了该工程类菌的固定化使用处理含重金属废水的可行性。本研究主要采用海藻酸钠和聚乙烯醇等为包埋剂,用包埋法对SRB细菌进行固定化,并且以固定化小球对铬和铊的去除率为主要的参考指标,同时从失重率、传质性等方面综合考虑,通过正交试验选出固定化小球的最佳配比。内聚营养源固定化菌株小球处理含铊和含铬废水具有较好的 处理效果,且有较好的抗pH冲击性能。 4)对菌株处理含铊废水机理进行了探讨分析,研究结果表明菌株主要通过硫酸盐还原途径、胞外物吸附和电子传递途径实现对铊的去除,但处理不同浓度废水,三种机制发挥 的作用不尽相同,在低浓度时,EPS吸附占主导地位,而在高浓度时,电子传递途径占主导地位。但从3条途径系统研究SRB去除铊机理可以发现,SRB去除铊过程中,三种机制发 挥了一种协同作用,而非单纯的三种机制作用的简单叠加,在不同反应阶段相互作用,相互之间具有一定的影响。 5)在以往含铊酸性废水生物强化系统的技术上,进一步优化了反应器性能,并新加工两套反应器。进一步考察反应器抗冲击性能和自我修复功能,通过停止进水抑制UASB反应 器菌群活性后,采用酸性废水进行再启动试验,实现了反应器快速再启动。基因分析表明,随着反应器的运行,反应器内的菌群中可能存在包括产酸克雷伯杆菌、阴沟肠杆菌 、鞘氨醇单胞菌属细菌、帕尼帕特假单胞菌和弗氏拧檬酸杆菌在内的多种微生物。 6)利用强化氧化混凝法处理含铊酸性废水。以氧化钙为混凝剂,高锰酸钾、次氯酸钙、过氧化氢为氯化剂,对含铊酸性废水进行处理,探讨强化氧化混凝法对酸性废水中铊的 处理效果。研究结果表明,混凝强化对于含铊酸性废水具有较好处理效果,用于工程类菌处理含铊酸性废水的预处理,可有效完善对于高含量含铊废水处理体系 4、社会经济效益,存在的问题 资助项目研究工作中需要克服研究经验过程中种种难点,实验设计的合处理实际废水多因素干扰情况下研究,项目执行人已在同某矿业集团沟通在生产现场构建一套以本研究工作为基础的处理中试系统,以期研究成果能尽快转化为生产力,解决该企业排放废水的环境困境,同时通过该项目的更进一步研究,实现废水中金属和硫资源的再生回用。同时本项目也期望在未来能和微生物燃料电池技术相结合,实现从偏远缺电力区域废水中毒害性金属污染物和废弃有机物低成本高效回收金属和电力资源。 5、历年获奖情况 本项目开发了一套处理酸性废水生物处理系统,研究表明处理系统对酸性废水中铊处理效果良好,已授权实用新型专利2项,同时申请发明专利一项。