肠杆菌胞外聚合物对镉的吸附特性与机理研究

Cadmium pollution in soil, especially around the mining areas, is a severe problem in China. Seeking for effective remediation methods for cadmium-contaminated soil is therefore urgent and necessary. We carried out this study using a cadmium-tolerant bacterium Enterobacter sp. FM-1, which was previously isolated in our lab, and soil from Siding lead-zinc mine in Guangxi province to explore the properties of cadmium biosorption by Enterobacter sp. extracellular polymeric substances (EPS) and the involving mechanisms. In aquatic environment, the characteristics of Enterobacter sp. extracellular polymeric substances under different environmental conditions and the cadmium biosorption properties of extracellular polymeric substances were investigated. Furthermore, the main functional groups that participated in the biosorption processes were examined to explicit the binding sites and binding modes between cadmium and extracellular polymeric substances. In soil environment, the binding modes between cadmium and EPS-soil complex were examined by characterizing the functional groups that participate in the EPS-soil complex, and to further elucidate the mechanism between cadmium and EPS-soil complex. The proposed research will provide novel ideas and scientific insights for bioremediation of cadmium-contaminated soil in China.

我国矿区土壤镉污染现状不容乐观，积极探寻行之有效的镉污染土壤治理方法显得尤为必要和紧迫。本项目拟以课题组前期研究中筛选出的耐镉微生物肠杆菌(Enterobacter sp. FM-1)作为研究靶微生物，以广西泗顶铅锌矿矿区土壤为样本，以探求肠杆菌EPS对镉的吸附特性以及分析肠杆菌EPS与镉之间的作用机理为目标。对于水相环境，通过研究环境条件变化对肠杆菌EPS的分泌特性及其对镉吸附性能的影响，重点明晰肠杆菌EPS在水相中与镉离子的结合位点和结合方式，确定参与吸附过程的主要官能团。对于土壤环境，通过对肠杆菌EPS-土壤复合体中的功能基团进行表征，探讨肠杆菌EPS-土壤复合体与镉的结合方式，阐明肠杆菌EPS-土壤复合体与镉之间的作用机理。研究结果可为我国镉污染土壤的生物修复提供新的思路和科学依据。

项目以课题组前期研究中筛选出的耐镉微生物肠杆菌(Enterobacter sp. FM-1)作为研究靶微生物，以广西泗顶铅锌矿矿区土壤为样本，以探求肠杆菌EPS对镉的吸附特性以及分析肠杆菌EPS与镉之间的作用机理为目标。主要结果如下：.(1) 三种EPS中S-EPS产量最大，其次为LB-EPS，TB-EPS产量最小，且EPS的主要成分为蛋白质、多糖和DNA。综合而言，培养时间为24 h、温度为30℃，pH值=7.0为EPS最佳提取条件。.(2) 在Cd2+和Pb2+共存溶液中，在pH=6.0的条件最适于LB-EPS和TB-EPS的Cd2+和Pb2+吸附去除；温度的适度提高有利于提高不同EPS的吸附能力；不同EPS对Cd2+和Pb2+的吸附在120 min左右都能基本达到吸附平衡。综上所述，吸附pH值=6.0、温度为30℃，时间为120 min为EPS最佳吸附条件。.(3) EPS对Cd2+和Pb2+的吸附过程与Langmuir方程有较好的拟合效果。EPS对Cd2+和Pb2+吸附过程均为自发的反应过程。其中，对于Cd2+，吸附过程均是放热反应；对于Pb2+，吸附过程均是吸热反应。EPS对Cd2+和Pb2+的吸附动力学数据与准二级动力学模型拟合效果较好，吸附以化学吸附为主。.(4) EPS在吸附Cd2+和Pb2+后C元素、N元素显著下降，Na元素减少甚至消失。同时，Zeta电位分析表明3种EPS表面带负电，不同EPS的Zeta电位上升，且吸附过程中存在离子交换。结合FTIR和XPS的分析可知，EPS参与吸附的官能团主要有多糖中的C-(C,H)、-OH、C=O和C-O以及蛋白质中的C=O、N-H。3D-EEM结果表明色氨酸类蛋白、类腐殖酸物质以及类酪氨酸蛋白在不同EPS吸附Cd2+和Pb2+的过程中发挥着重要作用。.(5) EPS的添加提高了土壤中的有效态Cd、Pb和Zn含量，导致了土壤EPS总量的变化。EPS的添加促进了土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性提升，还能增加土壤有机质、铵态氮和有效磷含量。.(6) EPS的添加导致变形菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门相对丰度增加。同时, EPS的添加增加了子囊菌门的相对丰度；EPS的添加显著提高了Chao 1指数却降低了Shannon指数。EPS的添加有助于调整土壤微生物群落的组成，增加高重金属耐受性的微生物丰度，以适应高重金属污染，