使用微生物培养屏障对六价铬污染的水进行原位生物还原

过去几十年来，各种工业活动中重金属的使用显着增加。这导致土壤、水和地下水污染，对人类健康、环境和生态系统构成严重威胁。

铬 (Cr) 已广泛应用于许多工业应用（例如木材防腐、皮革鞣制和纺织染色），并且是已知的主要有毒重金属之一。这些工业活动产生的废水处理不当会导致环境中六价铬浓度升高，从环境安全角度来看，这造成了令人担忧的情况。

铬以金属铬、六价铬（Cr(VI)）和三价铬（Cr(III)）的形式存在。 Cr(III) 的毒性比 Cr(VI) 低，通常在中性 pH 值下以氢氧化物形式沉淀，而 Cr(VI) 被认为具有剧毒，具有致突变性和致癌性，并且易溶于水，因此 Cr(VI) 是对生态系统和人类健康都有害。因此，在大多数国家和国际剧毒物质清单中，Cr(VI)已被列为严格控制措施。

化学沉淀、氧化、还原、反渗透和膜技术等各种处理方法正在应用于去除有毒的Cr(VI)。然而，这些程序在能源使用、处理和污泥处置方面成本高昂。

利用微生物对六价铬污染环境进行生物修复似乎是一种更经济、更环保的处理方法。据报道，细菌还原 Cr(VI) 的能力取决于许多影响 Cr(VI) 转化的环境参数，例如 pH 值和温度。然而，大部分研究都是在批处理系统中完成的，并将带来大规模的挑战。

另一方面，连续流系统，例如生物渗透性反应屏障（BPRB），具有连续处理大量 Cr(VI) 污染水的潜力。本研究调查了在实验室规模的生物反应器系统中使用细菌混合培养物作为渗透性反应屏障来还原 Cr(VI) 的适用性。

材料和方法

样品采集

干污泥样品是从英国废水处理厂的沙干燥床收集的。处理作业经常从废弃的重铬酸钠加工设施中接收到高浓度的 Cr(VI)。因此，污泥中的细菌有望适应高 Cr(VI) 暴露条件。将样品储存在 4°C 的无菌容器中以供进一步使用。

微生物表征

污泥样品中需氧生长的细菌单菌落的系统发育细胞特征。 LB琼脂用于菌落发育。用 1 mL 样品接种琼脂平板，使用差异技术（显示颜色和形态）传代培养菌落，并在 37°C 下孵育 24 小时。

为了准备 16S rRNA 序列鉴定，首先根据菌落的形态对其进行分类。根据制造商的说明，使用组织试剂盒（英国西萨塞克斯有限公司）从纯培养物中提取基因组 DNA。使用引物 pA 和 pH16 通过逆转录聚合酶链式反应 (RT-PCR) 扩增分离株的 1S rRNA 基因；引物pA对应于8S基因的位置，引物对应于该位置。

内部引物pD对应于519S基因的位置536-16，用于测序。使用基本的 BLAST 搜索将所得序列与国家生物技术信息中心的已知细菌进行匹配。

生物反应器设置

如图所示，两个尺寸为170毫米×200毫米×5毫米（长×宽×高）的水平流动罐采用820毫米厚的透明有机玻璃板（， GmbH，德国）建造。该反应器由五个隔室组成：入口和出口储器（100毫米×170毫米×200毫米）、沙子（230毫米×170毫米×200毫米）和生物屏障（150毫米×170毫米×200毫米）。

砂室中充满经过彻底清洗的纯净河砂，粒径为0.6至1.5毫米。为了模拟生物屏障条件，中间隔室填充干污泥和沙子的混合物，质量比为30%:70%。隔室分隔器上有孔，以确保均匀分布的流量。该反应器作为活塞流系统运行，沿其长度有四个采样口。

反应堆启动

两个反应器均以 200 mL·h 的恒定流速运行，并在开始实验前用蒸馏水饱和 14 天。第二个反应器仅填充石英砂作为对照。使用蠕动泵将 40 mg/L 的流入溶液−1 泵入反应器（初始 pH = 6.8），并在生物屏障中保持液态约 8 小时，持续 30 天。

然后增加至 65 mg L−1。运行 60 天后，向系统中添加 5 g L−1 葡萄糖，同时将 Cr(VI) 浓度保持在 65 mg L−1 30 天。定期收集进水和出水样品进行 Cr(VI) 和 pH 分析。除了污泥中已存在的有机碳和矿物质之外，反应器的运行无需任何补充来源。

六价铬和总铬的测定

Cr(VI) 测量是通过使用一次性注射器定期在每个反应器中取样 2 mL 样品来进行的。然后使用 ® 微量离心机（德国汉堡）将样品以 10 rpm (6000g) 离心 2820 分钟，以去除悬浮固体。

然后使用瓦里安 AA-1275 系列火焰原子吸附在紫外-可见分光光度计（WPA、Light Wave II 和南非）中使用二苯基脲 (DPC) 方法在 540 nm 波长下对样品进行分析。使用分光光度计 (AAS)（, Palo Alto, CA, USA）在 359.9 nm 波长下测量样品。

微观世界表演

每个微反应器（对照和 BPRB）的性能在恒定水力负载下使用进水和出水 Cr(VI) 浓度进行评估。表 1 总结了两个反应器的整体性能。接种污泥细菌混合培养物的 BPRB 反应器在几乎完全去除 Cr(VI) 方面表现最佳，在各种条件下去除率高达 65 mg L−1。

这证明了来自受污染环境的本地物种在系统中不同进料 Cr(VI) 浓度下（无论有或没有外部碳源供应）耐受和减少系统中 Cr(VI) 的能力。

另一方面，在测试运行的前 30 天中，对照反应堆（无电池）的 Cr(VI) 去除量可以忽略不计，之后运行终止。在对照反应器中观察到的 Cr(VI) 去除量可以忽略不计，这与反应器中不存在 Cr(VI) 还原细菌有关。

六价铬浓度曲线

使用从反应器上的采样口收集的数据，评估了 BPRB 反应器在 90 天运行期间的 Cr(VI) 去除情况。

图 2a-c 显示屏障前采样点（端口 1 和端口 2）没有 Cr(VI) 去除率，而屏障后采样点（端口 3 和端口 4）观察到高 Cr(VI) 去除率，最初 Cr(VI) 进料浓度分别为 45 和 65 mg L−1。在采样口 1 和 2 处观察到的 Cr(VI) 去除量可以忽略不计，这是因为屏障之前的隔间仅填充了沙子；因此，没有发生 Cr(VI) 还原。

第6天后，观察到Cr(VI)浓度增加，并在第10天继续增加至15 mg L−1。此后，Cr(VI)浓度下降，并在第12天达到完全降低。这与微生物仍在适应长期Cr(VI)胁迫条件有关。在屏障室中实现了 Cr(VI) 的完全还原，可以看出，端口 2 中的 Cr(VI) 浓度约为 45 mg L−1，而端口 3 和 4 中的 Cr(VI) 浓度接近 0 mg L−1 1. 运行30天后，进料Cr(VI)浓度增加至65 mg L−1。

由于端口 1 和端口 2 处的 Cr(VI) 浓度等于进料浓度，系统在第 36 天再次达到稳定状态。操作第 3 天前，端口 4 和端口 55 中未检测到 Cr(VI)。这些端口的 Cr(VI) 浓度持续增加，端口 3 达到 26 mg L−1，端口 4 达到 16 mg L−1。端口 3 和 4 的 Cr(VI) 浓度增加归因于污泥中的 Cr(VI) 浓度。碳源的消耗。

微生物利用各种有机碳源作为能源或电子供体来促进Cr(VI)生物还原。由于碳源的消耗和低Cr(VI)的还原，在反应器中添加5 g L−1葡萄糖作为饲料，为微生物提供碳和能量。第 60 天添加葡萄糖后，微生物完全还原 Cr(VI)。直到第 83 天才检测到 Cr(VI)。两个端口的 Cr(VI) 浓度持续增加，端口 3 达到 29 mg L−1，端口 4 达到 23 mg L−1。

Cr(VI) 还原的恶化是由于系统中 pH 值 (5.2) 的降低。 pH 值的降低归因于不同细菌种类对葡萄糖的氧化，形成多种类型的有机酸，从而导致培养基 pH 值随后降低。这些发现证明了基质内金属-细胞相互作用的生物反应性渗透屏障。其在还原 Cr(VI) 方面的重要性。

细菌培养物组成

采用13S rRNA指纹法监测Cr(VI)暴露16周后微生物培养物成分的变化。结果如表所示，营养和氧胁迫条件下的主要菌种为假单胞菌群、荧光假单胞菌、假单胞菌、木槿假单胞菌，同一性指数为100%。

综上所述

通过实验室规模的研究评估了使用 BPRB 技术对 Cr(VI) 污染水进行生物修复的有效性。在 BPRB 系统 90 天的运行期间，Cr(VI) 被成功降低。

因此，可以得出结论，无论有或没有任何生物刺激，从废水处理厂获得的本土细菌都能够有效地处理 Cr(VI)。

结果表明，本地菌株在污染环境的 Cr(VI) 修复中具有潜在的应用前景。这些结果还可能有助于优化和改善目标地点 Cr(VI) 原位生物修复的操作和性能。

需要进一步的研究来了解细菌与环境中与 Cr(VI) 共存的其他重金属的相互作用，并评估在不同水力停留时间 (HRT) 下运行 BPRB 的效果，同时偶尔反冲或去除系统中积累的金属。沉淀。

参考：

1 MM Kabir、A. 、M. 、世界微生物杂志。生物技术。 2018, 34 (9), 126. 数字对象标识符：

2 孟岩、马晓、栾峰、赵志、李岩、肖晓、王琪、张健、坦达尔、。一般环境。 2022, 812,

3 A. Kasom、R. Batur、N. ，绿色流程。合成器。 2021, 10 4 NM Raman、S. 、4. N. 、S. 、Int。 J.环境。科学技术。 2018, 15(1), 207–216。