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细菌胞外聚合物与土壤固相界面作用机理及其环境效应

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摘要

第一章 前言

1.1 细菌胞外聚合物(EPS)

1.1.1 EPS的定义

1.1.2 EPS的组成

1.1.3 EPS的提取分离

1.2 EPS在矿物表面的吸附

1.2.1 EPS的界面吸附机制

1.2.2 EPS界面吸附的研究理论

1.2.3 EPS吸附的影响因素

1.2.4 EPS界面吸附的研究方法

1.3 EPS对重金属的固定

1.4 论文研究目的和内容

第二章 枯草芽孢杆菌胞外聚合物在矿物表面的吸附

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 EPS

2.2.2 矿物

2.2.3 EPS组分和元素含量的测定

2.2.4 EPS表面官能团类型和浓度

2.2.5 等温吸附和Langmuir模型

2.2.6 不同pH和离子强度下EPS的吸附

2.2.7 表面电荷性质测定

2.2.8 红外光谱测定

2.3 结果与讨论

2.3.1 EPS的生物化学性质

2.3.2 矿物对EPS-C、-N和-P的等温吸附

2.3.3 pH对吸附和电荷性质影响

2.3.4 离子强度对吸附和电荷性质的影响

2.3.5 FTIK

2.4 结论

第三章 恶臭假单胞菌胞外聚合物在矿物表面的吸附

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 EPS

3.2.2 矿物

3.2.3 EPS组分和元素含量的测定

3.2.4 EPS在矿物表面的吸附

3.2.5 表面电荷性质测定和DLVO理论计算

3.2.6 EPS与矿物吸附热效应的测定

3.2.7 SEM观察

3.2.8 FTIR分析

3.2.9 X-射线吸收精细结构分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 EPS的元素及组分含量

3.3.2 矿物对EPS-C、-N和-P的等温吸附

3.3.3 pH对EPS吸附和胶体性质的影响

3.3.4 EPS与矿物间的作用能

3.3.5 EPS与矿物间的等温量热效应

3.3.6 EPS与矿物复合SEM观察

3.3.7 FTIR分析

3.3.8 XAFS分析

3.4 结论

第四章 恶臭假单胞菌胞外聚合物在土壤颗粒表面的吸附

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 EPS

4.2.2 土壤颗粒

4.2.3 EPS表面官能团类型和浓度

4.2.4 EPS在土壤颗粒表面的吸附

4.2.5 表面电荷性质测定和DLVO理论计算

4.3 结果与讨论

4.3.1 EPS官能团的种类和含量

4.3.2 土壤颗粒对EPS-C、-N和-P的等温吸附

4.3.3 电解质对EPS-C、-N和-P吸附的影响

4.3.4 表面电荷性质和等效粒径

4.3.5 EPS与土壤颗粒间的作用能

4.4 结论

第五章 细菌胞外聚合物性质与表面吸附的相关性

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 EPS

5.2.2 矿物

5.2.3 EPS组分和元素含量的测定

5.2.4 EPS酸碱电位滴定

5.2.5 EPS分子量的测定

5.2.6 Zeta电位和粒径的测定

5.2.7 EPS与针铁矿的等温吸附

5.2.8 EPS与Cu(Ⅱ)的等温吸附

5.3 结果与讨论

5.3.1 EPS的生物化学性质

5.3.2 EPS与针铁矿的等温吸附

5.3.3 EPS的生物化学性质与其在针铁矿表面吸附的相关性

5.3.4 EPS与Cu(Ⅱ)的等温吸附

5.3.5 EPS的生物化学性质与其对Cu吸附的相关性

5.4 结论

第六章 研究结论、创新点和展望

6.1 研究结论

6.2 创新点

6.3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间撰写的论文

致谢

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摘要

细菌胞外聚合物(EPS)是细菌生长代谢过程中分泌的生物大分子聚合物的总称。EPS与土壤固相的界面作用深刻影响着生物膜的形成、细胞的迁移、矿物的溶解和生物成矿、土壤的形成等诸多地球化学过程,其在重金属等污染物富集中的重要作用也日益受到关注。本文以土壤中常见细菌的EPS和典型矿物、采集并提取的地带性土壤(棕壤)各粒级土壤颗粒为供试材料,基于化学分析方法,综合运用DLVO理论、等温滴定量热(ITC)、扫描电镜(SEM)、傅立叶红外光谱(FTIR)和X-射线吸收精细结构谱(XAFS)等手段,研究了EPS在土壤颗粒和矿物表面的吸附行为和作用机理。表征了6种细菌EPS生物化学性质,考查了它们在针铁矿表面的吸附及其对Cu(Ⅱ)的吸附能力,从统计学角度分析了EPS生物化学性质与吸附的相关性,获得如下主要结果:
   ⑴比较了枯草芽孢杆菌EPS在土壤不同粘土矿物和氧化物表面的吸附行为和作用机理。EPS主要组分为多糖和蛋白质,含量分别为437.6±11.8 mg g-1和249.1±3.3 mg g-1,并含有少量的核酸(9.9±0.2 mg g-1)。EPS含有的官能团分别是羧基(pKa=4.58±0.33)、磷酸基(pKa=6.49±0.18)、氨基或羟基(pKa=9.11±0.41)。蒙脱石、高岭石和针铁矿对EPS-C、-N和-P的等温吸附趋势均能较好地拟合Langmuir方程。蒙脱石对EPS-C的吸附量分别是针铁矿和高岭石4.8倍和8.9倍,对EPS-N的吸附量分别是针铁矿和高岭石8.9倍和16.2倍。针铁矿对EPS-P的吸附量大约是蒙脱石和高岭石的5倍。因此,含有EPS-C和-N的多糖和蛋白质等组分主要被蒙脱石优先吸附,而含有EPS-P的核酸组分则优先吸附于针铁矿表面。EPS在针铁矿表面的吸附亲和力最高,高岭石次之,蒙脱石最小。EPS在矿物表面的吸附随着pH的降低和离子强度的升高而升高,吸附与EPS和矿物表面zeta电位密切相关,静电力主导EPS在矿物表面的吸附。结合FTIR结果可知,除了静电力之外,氢键参与了EPS在蒙脱石和高岭石表面的吸附,配位交换也是针铁矿选择吸附EPS组分的作用力之一。
   ⑵联用DLVO理论、ITC、SEM、FTIR和XAFS技术,结合化学平衡吸附,揭示了恶臭假单胞菌EPS与粘土矿物和氧化物的界面作用机理。恶臭假单胞菌EPS中多糖、蛋白质和核酸的含量分别为532.2±7.0 mg g-1、152.2±1.8 mg g-1和9.2±0.2mg g-1。随着pH3.0升高到9.0,蒙脱石、高岭石和针铁矿对EPS各元素的吸附百分比均呈下降趋势,这一现象符合DLVO理论,表明静电力主导了EPS在矿物表面的吸附。同时,DLVO理论作用势能估算结果表明,其它引力作用如氢键、疏水作用和共价键也参与了EPS在蒙脱石(pH≥3.0)、高岭石(pH≥5.0)和针铁矿(pH≥9.0)表面的吸附。SEM结果显示,体系pH为7.0时,相比EPS-蒙脱石和EPS-高岭石复合体,EPS-针铁矿复合体结构更加紧密,这与针铁矿等温吸附EPS-C、-N和-P的拟合亲和力参数K均高于蒙脱石和高岭石的现象一致。EPS在矿物表面的吸附是一个放热过程(△Had=-0.02~-12.34 J g-1),这种负吸附焓变是由除静电力外的多种作用力(如氢键、疏水作用和共价键)共同参与作用的结果。FTIR结果证实了EPS在粘土矿物表面吸附过程中有氢键的形成,针铁矿吸附EPS时形成了P-OFe配位键。XAFS明确了EPS中磷酸基团与针铁矿表面内圈络合物的配位信息,结果表明,pH较低时磷酸基团与针铁矿表面羟基为单齿配位,随着pH升高时逐渐转变为双齿配位。
   ⑶考查了不同土壤颗粒对EPS的吸附及离子强度对吸附的影响。恶臭假单胞菌EPS在土壤颗粒表面的吸附可用Langmuir方程定量描述。EPS主要吸附在土壤粘粒表面,有机质的存在阻碍了EPS在土壤颗粒表面的吸附。来源于EPS中蛋白质等分子的EPS-C和-N组分主要被在土壤中的粘粒优先吸附,其中对EPS-N的选择性更强,粉粒和砂粒优先吸附含EPS-C的组分,如多糖等分子。体系pH为6.0时,随着NaCl和CaCl2浓度从0mM增加到30 mM,EPS-C和-N在土壤颗粒表面的吸附百分比显著增加,继续增加离子浓度,吸附增加趋势趋于平缓。然而,土壤颗粒对EPS-P的吸附百分比随着离子浓度的增加呈下降的趋势。DLVO理论能够解释土壤粒级和有机质对EPS吸附的影响,以及EPS-C和-N吸附随离子强度变化的趋势,但不能解释离子强度对EPS-P在土壤颗粒表面吸附的影响,这说明EPS-P在土壤颗粒表面的吸附机制不同于EPS-C和-N。
   ⑷全面表征了不同来源EPS的生物化学性质,查明了决定EPS在矿物表面吸附及对重金属固定的关键因子。6种细菌EPS中,多糖和蛋白质含量合计占EPS总质量的65%-86%,多糖与蛋白质含量比在0.14-6.81之间;官能团总量在7.61±0.39 mmol g-1至34.78±0.38 mmol g-1范围内,平均为23.5±0.66 mmol g-1;平均分子量在2.19×104 g mol-1至3.51×105 g mol-1之间;表面均带负电荷,等效直径在525.9-1701 nm范围内。EPS在针铁矿表面的吸附都可用Langmuir模型来描述,与其它5种EPS相比S.suis EPS在针铁矿表面的吸附吸附量较大,并呈不同的吸附趋势。聚合物分子间的作用可能使S.suis EPS在针铁矿表面发生多层吸附。EPS在针铁矿表面的吸附与EPS的大分子组成密切相关,尤其是蛋白质含量决定了EPS在针铁矿表面的吸附量。不同细菌EPS对Cu(Ⅱ)的吸附差异非常明显,吸附量最高可达830.6 mg g-1。EPS团聚颗粒的等效粒径是影响EPS对Cu(Ⅱ)的重要因素。

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