矿山废弃地生态恢复技术研究.ppt
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1、矿山废弃地生态恢复技术研究第六节第六节 表面活性剂及共溶剂淋洗技术表面活性剂及共溶剂淋洗技术4 尾砂土壤中金属的化学形态重金属不同的形态产生不同的环境效应,对植物的有效性也不同。土壤中金属的化学形态受各种环境因素的影响,主要影响因子有土壤理化性质(pH值、氧化还原电位(Eh)、有机质含量、金属含量、土壤矿物质)和污染时间等。其中碳酸盐结合态的重金属最易受到pH值的影响,Fe/Mn氧化物结合态的重金属在缺氧条件下极不稳定,而硫化物和有机物结合态的金属容易被降解而释放到自然环境中去,对于存在于土壤晶格中的残留态重金属,自然条件下在一定时间内很难被释放出来。土样连续萃取分析得到四种重金属各种形态的相
2、对百分含量(图1)。图图 尾砂土壤中重金属分步萃取形态百分比尾砂土壤中重金属分步萃取形态百分比 土壤中可交换态的重金属浓度决定了重金属对生态环境在短期内的影响;如果重金属以晶格形态或是硫酸盐形态存在,对生物产生影响可能需要很长的时间,但是可交换态存在的重金属很容易释放出来,并在短期内对生物产生影响。如果危险指数DI1,表示当地生态环境的安全已经受到威胁。所研究的个矿区尾砂土样的DI值都大于1,最大的是1#永州土样,达到了306.13,最小值是6#锡矿山土样1.67,说明所有尾砂可能都对周边生态环境造成了污染。土样DI值按从高到低的顺序排列为:1#,10#,5#,7#,9#,2#,3#,4#,8
3、#,6#。结论结论(1)土样中重金属含量很高,样品中重金属含量超过了保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界浓度;(2)各种重金属在样品中的主要存在形态各异:Pb主要以Fe/Mn氧化物结合态和残留态形式存在,可交换态与碳酸盐结合态的Pb含量极少,但是1#永州土样中可交换态的Pb高达69%,对周边环境造成极大影响;Cd主要以残留态存在,其它形态没有呈现必然的规律性;大部分的Cu主要以硫化物和有机物结合态存在,其次是残留态,最少的存在形态是碳酸盐结合态;Zn的主要存在形态是硫化物和有机物结合态与残留态;(3)根据土样的PI值和DI值分析,建议尽快进行修复的矿区是:1#永州铜矿、5#宝山铜铅锌矿、10
4、#湘潭锰矿和7#冷水江铅锌矿,其它矿区也需要修复。二、微生物还原二、微生物还原Cr(Cr()的特性与机理的特性与机理 铬及其化合物广泛应用于电镀、制革、印染等行业,导致大量含铬废水排放。工业上对铬及其化合物需求量的增加,使铬盐生产迅速发展,这也导致了大量铬渣和含铬废气的产生。制革工业中铬的利用率仅为60-70%,废液中残存25%-30%,约10%左右在水洗、挤水等工序中排出,随污水排放到江河湖海中,造成严重污染。通常,每生产1吨金属铬会排放约10吨铬渣,每生产1吨铬盐排放3-5 吨铬渣。据统计,全国每年排放铬渣约60万吨,历年累积600万吨,经解毒处理或综合利用的不足17%,严重污染土壤125
5、0多万吨,在重金属污染种类中,铬污染的普遍性排在第2位,仅次于铅。含铬废水、废气、废渣使土壤含铬废水、废气、废渣使土壤和水体受到大面积的污染和水体受到大面积的污染 铬的环境污染铬的环境污染铬污染的危害铬污染的危害l 六价铬具有强氧化作用,经吸收进入血液后,在红细胞内部与生物大分子反应,导致红细胞携带氧的机能发生障碍,引起内窒息而出现缺氧症状。l 铬对水生生物的生长、繁殖等生理活动有明显影响。如铬()和铬()皆可抑制鱼体中乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶等呼吸代谢酶的活性。l 铬还可引起农作物产量下降。农作物中积累的铬通过食物链对人类健康造成威胁。相比之下,三价铬的毒性小,
6、易于以Cr(OH)3沉淀,对环境的危害小,因此,将六价铬转化为三价铬是减少铬污染危害的重要途径,如何有效地将六价铬还原为三价铬也成了铬污染治理中的关键问题。在含铬废水和铬渣中,存在着大量的水溶性六价铬。六价铬的毒性极强,被列为对人体危害最大的八种化学物质之一,是国际公认的三种致癌金属物之一,同时也是美国EPA公认的129种重点污染物之一。在我国,铬及其化合物也被列入优先污染物黑名单,成为了重点防治的污染物之一。传统物理、化学方法传统物理、化学方法 含铬废水的处理一般是将六价铬还原为三价铬,使其形成Cr(OH)3沉淀去除。含铬废水的传统处理方法根据废水是否回收利用可分为两大类:一类是处理含铬废水
7、,使其达到排放标准,如化学还原法、电解法、二氧化硫还原法等;另一类是处理后废水可以回收利用,有的还可以回收铬酸,如钡盐法、离子交换法、活性炭吸附法等。上述物理、化学方法对处理含铬废水上述物理、化学方法对处理含铬废水有一定效果有一定效果,但在不同程度上存在,但在不同程度上存在处理费用高处理费用高,化学试剂使用量大,易产生二次化学试剂使用量大,易产生二次污染污染等缺点。目前,用等缺点。目前,用生物法处理生物法处理含铬废水已得到人们的广泛认可。含铬废水已得到人们的广泛认可。化学法(药剂还原法、铁氧体法、铁屑铁粉处理法、钡盐法)、离子交换法、电解法、膜分离法、吸附法纯种微生物还原法生物法生物法 指利用
8、具有生物活性或死亡的微生物体或非生物活性的生物质的化学结构和成分特性来吸附水溶液中的铬,再通过两相分离来去除废水中铬的方法。用生物吸附法处理含铬废水成本低,方法简单,操作简便,但目前多处于实验研究阶段,还没有大规模用于生产实践。指利用处于生长状态的高效功能菌对铬()的酶催化还原、菌体代谢产物对Cr()的还原以及菌体对铬()的静电吸附、络合、絮凝和沉淀等作用,使Cr()转化为Cr()沉淀下来,经固液分离,实现废水净化。这种方法处理含铬废水是在微生物的生长代谢活动过程中完成的。生物吸附法国内外的研究重点国内外的研究重点纯种微生物还原法纯种微生物还原法C r()还 原 菌 的 分 离、筛 选微 生
9、物 还 原C r()的 影 响 因 子碳源、pH值、Cr()初始浓度、温度、菌体细胞浓度、溶解氧、共存阴离子、共存重金属离子。直接机理:酶促机理即微生物体内的某种或某些还酶能催化Cr()还原,这些酶统称为Cr()还原酶。假单胞菌(Pseudomonas)、芽孢杆菌(Bacillus)、肠杆菌(Enterobacter)等。C r()的生物还原机制间接机理:指微生物通过其代谢产物与Cr()的作用来还原Cr()。Ackerley等研究了几种功能蛋白酶对Cr()的还原特性,提出了还原酶催化Cr()还原采取的两种模式,即单电子传递和双电子传递模式,如ChrR还原酶通过单电 子传递模式先将Cr()还原为
10、Cr(),再通过双电子传递模式将中间物Cr()还原为最终产物Cr()。l 许多微生物虽然具有Cr()还原能力,但生长速度慢,导致铬()的还原速率慢,处理周期较长;另外,微生物易受Cr()毒性的影响,很多菌种只能处理低浓度Cr(),而实际铬污染环境中Cr()的浓度往往超出了这些菌种所能承受的最大铬()处理浓度,这就限制了还原菌种在实际铬污染治理中的应用。因此,筛选获得更多新的高效还原菌很重要;l 微生物还原Cr()的机理尚没有定论。目前,虽然对酶的催化转化作用和代谢产物的还原作用有些认识,但仅局限于对少数菌种的研究,对微生物还原Cr()的机理研究还不够深入;l 需要对微生物还原Cr()的特性有比
11、较深入全面地了解,从而为有效调控Cr()的生物还原过程以获取最佳处理效果提供科学依据。纯种微生物还原法纯种微生物还原法存存在在的的问问题题重点介绍内容重点介绍内容微生物还原微生物还原Cr()的特性与机理研究的特性与机理研究1.Cr()还原菌的分离、筛选和鉴定2.分离菌Cr-4和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)还原Cr()的特性与机理3.Fe()对异化型铁还原菌产黄纤维单胞菌(Cellulomonas flavigena)还原Cr()的影响 1.Cr()还原菌还原菌Cr-4的分离、筛选和鉴定的分离、筛选和鉴定微生物还原微生物还原Cr()的特性与机理研究的特性与机理研究
12、Cr()还原菌的分离、筛选还原菌的分离、筛选 分离源:采取长沙铬盐厂铬渣堆填埋场附近的泥铬渣作为分离源。菌株Cr()浓度(mg/L)Cr()去除率(%)时间(d)01234Cr-14035.7232.7926.4520.3649.1Cr-24031.4525.6217.4711.0672.35Cr-34034.0230.2524.3918.4653.85Cr-44029.5620.8514.268.3279.2Cr-54029.8824.3618.5411.8570.38Cr-64034.0530.7527.6421.0747.32Cr-74032.6826.7220.3516.2859.3C
13、r-84028.4922.4717.4810.0774.82Cr-4菌株对Cr()的还原相对最好,因此选取Cr-4作为鉴定菌种。Cr()还原菌的鉴定还原菌的鉴定细胞形态细胞形态细胞呈粗大杆状,两端平切、呈竹节状排列。微生物还原微生物还原Cr()的特性与机理研究的特性与机理研究2.分离菌分离菌Cr-4和铜绿假单胞菌和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)还原还原Cr()的特性与机理的特性与机理当微生物受到一定浓度的重金属影响时,其细胞膜成分和通透性会发生改变,以增强菌体对重金属的抗性。某些微生物可以通过运输、结合与转化等方式使细胞内重金属减少、毒性减弱并对重金属产生抗性等生
14、理代谢过程来实现重金属的生物解毒。研究表明,不同类型的微生物具有不同的解毒抗性机制,如真核微生物,主要通过利用金属硫蛋白(metallothionein,MT)螯合体内重金属,以减少破坏性较大的活性游离态重金属的存在;而原核微生物则通过减少重金属的摄取,增加细胞内重金属的排放来控制细胞内金属离子浓度。一些菌种能耐高浓度的Cr()就是通过增加CrO42-和Cr2O72-的外排,减少菌体细胞内Cr()富集来加强菌体自身对Cr()的抗性。微生物对重金属的抗性机制微生物对重金属的抗性机制 铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa PA01)体内位于质粒pUM505上的抗Cr()基因C
15、hrA,真养产碱杆菌(Alcaligenes eutrophus)体内位于质粒pMOL28上的抗Cr()基因ChrA和和ChrB,对减少菌体细胞内Cr()的吸收起调控作用。Alvarez和Pimentel等分别对铜绿假单胞菌(P.aeruginosa PA01)体内抗性基因ChrA的这一调控作用作了进一步研究和证明。Alvarez等发现菌体带有含抗Cr()基因ChrA的质粒pCR0616时,其细胞膜外囊富集的CrO42-量是不含该质粒的菌体的4倍多。Pimentel等发现将含有抗Cr()基因ChrA的重组质粒pEPL1转移到菌体内加快了菌体对CrO42-的外排。菌体对菌体对Cr()的抗性的抗性
16、Cr()对菌体细胞生长的影响对菌体细胞生长的影响 Cr-4菌体铜绿假单胞菌 10mg/L的Cr()对菌体的生长影响较小;当Cr()浓度为40mg/L时,菌体的生长表现出了明显的滞后现象,而当Cr()浓度达到100mg/L时,菌体在所测的24h内没有出现生长。当Cr()浓度为12.5mg/L和25mg/L时,细胞生长量与对照(无Cr())相差较小。在含Cr()50mg/L的培养基中,菌体的生长趋势仍较好,但细胞生长量在实验所侧24h内一直低于对照。当Cr()浓度达到100mg/L和125mg/L时,细胞生长量明显降低。菌体还原菌体还原Cr()的影响因子的影响因子碳源的分解代谢碳源的分解代谢 碳源
17、不仅可以为微生物提供必要的营养物质,还可为微生物还原Cr()提供电子体。有机物的分解代谢过程中,主要通过一组Krebs循环(TCA循环)反应序列产生电子传递体。葡萄糖苹果酸琥珀酸进入Krebs循环前需被降解转化为丙酮酸 苹果酸和琥珀酸是Krebs循环的中间产物,可以直接进入Krebs循环参与反应。苹果酸+NAD+草酰乙酸+NADH+H+琥珀酸+FAD 延胡索酸+FADH2 NADH给出电子的能力与FADH2不相同 苹果酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶菌体还原菌体还原Cr()的影响因子的影响因子碳源的影响碳源的影响 添加苹果酸的效果最好,其次为葡萄糖,最后是琥珀酸。Cr-4菌体铜绿假单胞菌碳源的影响碳源的影
18、响 菌体还原菌体还原Cr()的影响因子的影响因子Cr-4菌体铜绿假单胞菌 分别添加苹果酸和琥珀酸的培养液其细胞生长量均比添加葡萄糖的培养液高,而根据以上Cr()的还原结果,添加琥珀酸的还原效果反而比添加葡萄糖差。碳源促进菌体生长时却不一定促进Cr()的还原。碳源对微生物还原Cr()的促进作用的强弱可能与碳源是否适宜作为微生物还原Cr()的电子供体更有关。培养基初始培养基初始pH值的影响值的影响 培养基初始pH为时的还原效果比初始pH为时的还原效果要好很多。Cr-4菌体铜绿假单胞菌菌体还原菌体还原Cr()的影响因子的影响因子菌体还原菌体还原Cr()的影响因子的影响因子Cr()初始浓度的影响初始浓
19、度的影响 Cr-4菌体铜绿假单胞菌菌体还原菌体还原Cr()的影响因子的影响因子菌液接种量的影响菌液接种量的影响 Cr-4菌体铜绿假单胞菌菌液接种量越多,Cr()浓度下降得越快,在相同的时间内Cr()的去除率高。菌体还原菌体还原Cr()的影响因子的影响因子Zn2+和和Cu2+的影响的影响Cr-4菌体铜绿假单胞菌注:a组 对照(无Zn2+和Cu2+),b,c组 25、100mg/L Zn2+,d,e组 25、100mg/L Cu2+25mg/L的Zn2+对分离菌Cr-4还原Cr()没有显著影响,100mg/L的Zn2+该菌还原Cr()产生了抑制作用,而两种浓度的Zn2+对铜绿假单胞菌还原Cr()都
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- 矿山 废弃 生态 恢复 技术研究
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