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研究生:張銘仁
研究生(外文):Ming-Ern Jang
論文名稱:重金屬對生物膜成長影響之研究
論文名稱(外文):The heavy metals effect of growing for microorganisms of study
指導教授:袁又罡袁又罡引用關係
指導教授(外文):Yu-Kang Yuan
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:環境與安全工程系碩士班
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:123
中文關鍵詞:生物處理重金屬土地處理系統微生物
外文關鍵詞:deactivationheavy metalsmicroorganismland treatment system
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土地處理系統之功能主要係建構在植物-微生物系統上,而微生物主要存在土壤表層及土壤顆粒表層上方之各種介質表面的生物膜 (Biofilms) 內,藉由各種生理生化機能來去除逕流水中之重金屬,使水體得以淨化。本研究主要目的在探討生物膜在重金屬環境中之各種效應和變化,包括菌種分佈、生長情況、以及劑量-反應關係等。生物膜係於實驗室中培養,在不同濃度銅、鋅、鎘溶液中,以旋轉生物盤法培養,同時記錄各項參數。在過程中以連續萃取方式自生物膜上取得交換型態、吸附型態、碳酸鹽聯結型態、有機物聯結型態、殘留型態等不同型態重金屬;最後,對不同生物膜上的微生物進行種別鑑定,並比較不同重金屬濃度對生物膜生長之影響及種別分佈。結果顯示隨銅、鋅、鎘離子濃度提升,生物膜生長遲滯期(lag phase)會增加,然而當遲滯期過後生物膜會快速生長,且生質(Biomass)會比不含重金屬高。在菌種分佈上,不同重金屬種類和濃度會影響生物膜菌種的種類與優勢菌種的差異。而在高濃度銅、鋅、鎘離子下生物膜皆以螢光假單胞菌為主要優勢菌種,顯示螢光假單胞菌能承受高濃度重金屬離子環境。於銅離子500 mg/L、125 mg/L環境下生物膜主要以水溶性型態為主分別有90.08 %、90.47 %,而銅離子30 mg/L則以有機物連結型之41.16 %最高,5 mg/L時則以殘留型態之69.92 %為主;在600 mg/L鋅離子濃度環境下以可交換型態47.35 %最高,而150 mg/L下則以可交換型之23.65 %、水溶性21.01 %、碳酸鹽連結型21.06 %三種型態為主,而40 mg/L、10 mg/L鋅離子濃度時則以碳酸鹽連結型之52.79 %、57.88 %最高;在鎘離子250 mg/L時生物膜以水溶性35.44%、有機物連結型25.32%、可交換型態22.04%最多,而當鎘離子濃度為60 mg/L、15 mg/L時則以碳酸鹽連結型之44.74 %和88.41 %最高,在5mg/L鎘離子濃度下則以有機物連結型29.18%、水溶性23.39%、可交換型態22.77%為主。重金屬的種類和濃度會影響到生物膜生長和菌種分佈,而菌種又會影響到重金屬型態分佈,因此,重金屬和菌種互為因果關係。
The function of the land- treatment system was utilizing on the plant-microorganisms.Microbes that of the biofilms were major exist in the surface soil and pellet soil; by every kind of physiology and biochemistry mechanism in order to remove the heavy metals of runoff water to purge the body of water.The behavior and variation of the biofilms of in metal condition were investigated of this study, which includes kind bacterium to distribute, grow the circumstance, and dose-reaction. Biofilms are cultivated in copper, zinc, cadnium solution of different concentratio through the Rotating Biological Contactor with various parameters recorded along the way. In the process the sequential extraction method is employed to obtain from biofilms water soluble, exchangeable, absorbed, carbonate bound, organically bound and residue heavy metals. Finally, species of the microorganisms of different biofilms are identified, with the impact of different heavy metal concentrations on the growth of biofilms compared. Results indicate as the concentration of copper, zinc, cadnium ions increases, the lag phase in the growth of biofilms will also increase. Passing the lag phase, however, biofilms will begin to grow rapidly and the biomass will be greater than that without heavy metals. As far as the distribution of the variety of microorganisms is concerned, different kinds and concentrations of heavy metals will affect the species of the microorganisms of biofilms and result in different advantageous species. Under high concentration of copper, zinc, cadnium ions, Pseudomonas fluorescens become the major advantageous species of biofilms, indicating that fact that Pseudomonas fluorescens can better survive in the environment of highly concentrated heavy metal ions. In an environment with 500 mg/L and 125 mg/L of copper ions, the biofilms are mainly water soluble (90.08% and 90.47% respectively); in with 30 mg/L of copper ions, organically bound biofilms predominate with 41.14%. In an environment with 5 mg/L of copper ions, residue biofilms prevail with 69.62%. Under a zinc ion concentration of 600 mg/L, exchangeable biofilms (47.35%) predominate. Under a zinc ion concentration of 150 mg/L, exchangeable (23.65%), water soluble (21.01%) and carbonate bound (21.06%) biofilms dominate. In an environment with 40 mg/L or 10 mg/L of zinc ions, the biofilms are mainly carbonate bound type (52.79% and 57.88% respectively). Water soluble (35.44%), organically bound (25.32%) and exchangeable (22.04%) biofilms predominate when the cadnium ion concentration is 250 mg/L. When the cadnium ion concentration is 60 mg/L or 15 mg/L, carbonate bound biofilms (44.74% and 88.41% respectively) predominate. In an environment with 5 mg/L of cadnium ions, organically bound (29.18%), water soluble (23.39%) and exchangeable (22.77%) biofilms prevail. Different kinds and concentrations of heavy metals will effect the species of the microbes and the growth of biofilms; however, kinds of microorganism will influence heavy metals distribution. Therefore, heavy metals and variety of germ were reciprocal causation.
中文摘要 i
英文摘要 iii
誌謝 v
目錄 vi
表目錄 ix
圖目錄 xi
一、 前言 1
二、 文獻回顧 3
2.1 土地處理系統之相關研究 3
2.1.1 土地處理系統之流動型態分析 3
2.1.2 土地處理系統之處理機制 5
2.2 重金屬物質之環境狀態 6
2.2.1 銅、鋅、鎘等重金屬之污染 7
2.2.2 銅元素之污染與背景 8
2.2.3 鋅元素之污染與背景 8
2.2.4 鎘元素之污染與背景 9
2.3 生物處理之近況 10
2.3.1 微生物處理重金屬之機制 10
2.3.2 以微生物處理重金屬之近況 11
2.4 土壤微生物的生態 12
2.4.1 土壤的生態條件 12
2.4.2 微生物在土壤中的分布與數量 12
2.4.3 土壤自淨和污染土壤微之生物生態 14
2.5 旋轉生物盤與生物膜 14
2.5.1 生物膜及其形成過程 16
2.5.2 生物膜淨化機理 18
2.5.3 生物膜法主要特徵 19
2.5.4 生物膜中的微生物 19
2.6 化學藥劑連續萃取法 21
2.6.1 化學藥劑連續萃取之重金屬型態 21
2.6.2 重金屬型態與植物有效性 22
三、 實驗材料與方法 23
3.1 生物膜之培養 24
3.2 化學連續萃取 27
3.3 微生物之菌種鑑定 29
3.3.1 革蘭氏染色 29
3.3.2 氧化酶(Oxidase)試驗 29
3.3.3 過氧化酶(Catalase)試驗 29
3.3.4 API測定 30
3.4 QAQC 33
四、 結果與討論 34
4.1 重金屬對生物膜生長之影響 34
4.1.1 不同銅離子濃度對生物膜生長及菌種分佈 34
4.1.2 不同鋅離子濃度對生物膜生長及菌種分佈 45
4.1.3 不同鎘離子濃度對生物膜生長及菌種分佈 48
4.2 生物膜對重金屬型態之影響 53
4.2.1 生物膜對銅型態之影響 53
4.2.2 生物膜對鋅型態之影響 58
4.2.3 生物膜對鎘型態之影響 62
4.3 微生物對重金屬的細胞外吸附(Biosorption)與細胞內累積(Bioaccumulation) 67
五、 結論與建議 71
六 參考文獻 73
附錄 A 生物膜在各種重金屬的生長狀況 84
附錄 B 細菌菌落型態 98
附錄 C 使用原子力顯微鏡觀察銅離子下培養五天後之生物膜 104
附錄D 經5天培養生物膜所含之重金屬各型態濃度 107
附錄 E QA/QC 109
表目錄
表2-1 四種土地處理系統之比較 4
表2-2 環境中重金屬銅、鋅、鎘之污染來源 7
表3-1 胰蛋白酶萃取液組成 26
表3-2 生物膜培養基組成 26
表3-3 重金屬連續萃取試劑與濃度 28
表3-4 API 20NE 基質及反應/酵素 31
表3-5 API 20E 基質及反應/酵素 32
表4-1 在500mg/L 銅離子培養五天當中生物膜上之細菌相變化情形 38
表4-2 在125mg/L 銅離子培養五天當中生物膜上之細菌相變化情形 39
表4-3 在30mg/L 銅離子培養五天當中生物膜上之細菌相變化情形 40
表4-4 在5mg/L 銅離子培養五天當中生物膜上之細菌相變化情形 41
表4-5 不含銅離子下培養五天當中生物膜上之細菌相變化情形 42
表4-6 在不同濃度銅離子中連續培養五天後之生物膜上的菌種分佈情形 43
表4-7 在不同濃度鋅離子中連續培養五天後之生物膜上的菌種分佈情形 47
表4-8 在不同濃度鎘離子中連續培養五天後之生物膜上的菌種分佈情形 50
表4-9 經5天培養生物膜所含之銅各種型態之百分比 54
表4-10 各菌種對銅離子型態之影響 57
表4-11 經5天培養生物膜所含鋅之各種型態的百分比 59
表4-12 經5天培養生物膜所含之鎘各種型態的百分比 63
表4-13 各菌種對銅的細胞外吸附與細胞內累積比較 68
表4-14 不同銅離子濃度作用下生物膜上微生物對銅之細胞外吸附(biosorption)與細胞內累積(bioaccmulation)狀況 69
表4-15 不同鋅離子濃度作用下生物膜上微生物對鋅之細胞外吸附(biosorption)與細胞內累積(bioaccmulation)狀況 70
表4-16 不同鎘離子濃度作用下生物膜上微生物對鎘之細胞外吸附(biosorption)與細胞內累積(bioaccmulation)狀況 70



圖目錄
圖2-1 生物膜生長剖面圖 16
圖2-2 生物膜生長模式圖 18
圖3-1 研究流程 23
圖3-2 雲林科技大學污水土地處理系統位置圖 25
圖3-3 漫灌區之採樣點設置 25
圖4-1 在不同濃度銅離子基質下生物膜生長隨時間變化圖 37
圖4-2 各種微生物在不含重金屬之液態培養基中的生長曲線 44
圖4-3 各種微生物在銅離子濃度30mg/L之液態培養基中的生長曲線 44
圖4-4 在不同濃度鋅離子基質中生物膜生長隨時間變化圖 46
圖4-5 在不同濃度鎘離子基質中生物膜生長隨時間變化圖 49
圖4-6 Pb 濃度與與酶活性關係 51
圖4-7 重金屬含量對土壤真菌數量之影響 52
圖4-8 生物膜於含銅離子濃度500mg/L、125mg/L、30mg/L、5mg/L培養液培養5天後,其中銅總濃度 54
圖4-9 生物膜於銅離子500mg/L中培養5天後,生物膜中重金屬銅各種型態濃度分佈圖 55
圖4-10 生物膜於銅離子30mg/L中培養5天後,其中重金屬銅各種型態濃度分佈圖 55
圖4-11 生物膜於銅離子5mg/L中培養5天後,其中重金屬銅各種型態濃度分佈圖 56
圖4-12 生物膜生長模式圖 57
圖 4-13 生物膜於鋅離子濃度600mg/L、150mg/L、40mg/L、10mg/L培養液培養5天後,其中鋅總濃度 59
圖4-14 生物膜於鋅離子600mg/L中培養5天後,其中重金屬鋅各種型態濃度分佈圖 60
圖4-15 生物膜於鋅離子150mg/L中培養5天後,其中重金屬鋅各種型態濃度分佈圖 60
圖4-16 生物膜於鋅離子40mg/L中培養5天後,其中重金屬鋅各種型態濃度分佈圖 61
圖4-17 生物膜於鎘離子濃度600mg/L、150mg/L、40mg/L、10mg/L培養液培養5天後,其中鎘之總濃度 63
圖4-18 生物膜於鎘離子250mg/L中培養5天後,其中重金屬鎘各種型態濃度分佈圖 64
圖4-19 生物膜於鎘離子60mg/L中培養5天後,其中重金屬鎘各種型態濃度分佈圖 64
圖4-20 生物膜於鎘離子15mg/L中培養5天後,其中重金屬鎘各種型態濃度分佈圖 65
圖4-21 生物膜於鎘離子5mg/L中培養5天後,其中重金屬鎘各種型態濃度分佈圖 65
圖 4-22真菌在重金屬鋅環境下之細胞外吸附(biosorption)與細胞內累積(bioaccmulation)狀況 69
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