Arthrobacter sp.JQ-1菌胞外聚合物（EPS）对DEHP可催化吸附行为机制研究

发布时间：2020-05-01 11:30

【摘要】：拥有长链烃的邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)在工业领域常用作耐塑性最强的增塑剂之一而被广泛应用。作为被列为优先控制污染物的DEHP,属于内分泌干扰物(EDCs)类别,具有“三致”效应,对环境的危害不可小觑。生物吸附是近些年来才开始研究的新的吸附方式,具有原料廉价易得、成本低,设备简单易操作、投资小,吸附量大效率高等特点。胞外聚合物是由微生物分泌的复杂的高分子有机聚合物,是良好的生物吸附剂。本文是以DEHP为唯一碳源的Arthrobacter sp.JQ-1菌进行胞外聚合物的提取,以此作为吸附剂,考察不同浓度DEHP处理下,胞外聚合物(EPS)对其吸附过程。Mn~(2+)在细胞生命活动中起重要作用,是许多酶的辅助因子和激活剂,本文考察了Mn~(2+)存在时对EPS吸附DEHP是否起到了催化作用,探讨了可催化的机理,为修复DEHP污染提供理论基础,主要研究内容概括如下:通过加热法提取的Arthrobacter sp.JQ-1胞外聚合物进行组分分析,蛋白质、多糖、腐殖酸为主要成分,含量分别为381.1±1.02、199.1±3.26和159.42±1.96 mg·g~(-1),共占EPS总量的40%、20%、16%,这些组分在生物吸附DEHP时会起到主要的作用。对EPS吸附DEHP的影响因素中,温度和pH的影响都很大,最佳的吸附条件为25℃,pH=7。在此条件下进行动力学吸附试验,100 mg·L~(-1) DEHP最大吸附量可达到170.14 mg·g~(-1),48 h平衡。整个吸附过程更符合准二级动力学模型(R~20.98)。吸附等温线符合Freundlich等温模型(R~20.99),为多分子层吸附,其中K值较大,说明EPS对DEHP具有很强的亲和力。Mn~(2+)对EPS吸附DEHP的影响中,先确定EPS对1 mg·L~(-1) Mn~(2+)吸附影响因素进而确定EPS吸附DEHP的条件。发现温度对EPS吸附Mn~(2+)过程无显著的影响,pH却不同,在pH=6的条件下去除率才是最大的,高达92%,为了后续试验的进行,选择相差不大的pH=7的吸附条件,温度定为25℃。在含有1 mg·L~(-1) Mn~(2+)条件下对EPS吸附100 mg·L~(-1) DEHP进行动力学试验,最大吸附量达到194.84 mg·g~(-1),与不含Mn~(2+)处理相比,吸附量明显增加,且达到吸附平衡的时间也加快了,大约在24 h。说明少量Mn~(2+)的添加是有助于EPS吸附DEHP的,平衡时间的提前则是对吸附起到一定的催化作用。EPS对DEHP的吸附在添加Mn~(2+)后依旧更符合准二级动力学模型(R~20.99)。并且符合Freundlich等温模型拟合(R~20.98),与不添加Mn~(2+)相比K值有所增大,说明Mn~(2+)的添加使得EPS对DEHP的亲和力更强。为了探讨对Arthrobacter sp.JQ-1胞外聚合物可催化吸附DEHP的机理,进行EPS吸附DEHP的疏水性,扫描电镜(SEM),傅里叶红外光谱(FITR),三维荧光光谱(3D-EEM)测定。EPS疏水性随着吸附时间而增加,主要是由于EPS上的疏水性物质(蛋白质上的脂肪族化合物、腐殖酸以及芳烃)起到一定作用。添加1 mg·L~(-1) Mn~(2+)后,吸附DEHP后的EPS,其疏水性都是随着吸附时间而变化;DEHP浓度增加,疏水性同样会增加,对非极性有机污染物DEHP来说吸附量也会增大。与未添加Mn~(2+)相比,EPS的疏水性整体变大,进一步说明Mn~(2+)添加对于EPS吸附DEHP是有促进作用的,Mn~(2+)与EPS表面上的多糖成分中各种亲水性官能团相结合,增强了EPS与DEHP的结合强度。当存在Mn~(2+)时,SEM观察吸附DEHP的EPS表面结构变得粗糙不平,形成孔洞丝状体。EPS吸附DEHP的红外光谱图,不同波长下峰的振动说明EPS吸附DEHP起主要作用的基团是羟基、羧基和羰基等基团,吸附过程与蛋白质、多糖密不可分。添加Mn~(2+)后,-OH、-CH_2-、C=O、-NH、-CN、C-O-C、C-O振动的峰值都发生漂移,说明Mn~(2+)和DEHP都与EPS基团发生了反应,与不同组分相互作用。EPS吸附DEHP的三维荧光光谱图,可知EPS主要有蛋白类物质、芳香蛋白类物质和腐殖酸类物质,峰值的改变说明这些物质与DEHP发生了反应。在添加Mn~(2+)后EPS各物质的峰值又发生了改变,说明Mn~(2+)与EPS吸附DEHP有很大关系。再结合整个动力学吸附过程Mn~(2+)在EPS吸附DEHP上是具有催化作用的。
【图文】：

酯类增塑剂,分子结构式,丁苄,慢性毒性

图 1-1 DEHP 的分子结构式Fig. 1-1 Structure of di-(2-ethylhexyl) phthalate表 1-1 有关酯类增塑剂的毒性数据[17]Tab. 1-1 The toxicity data of esters plasticizer增塑剂致畸（T）致突变（M）急性毒性（AT）慢性毒性（CT）生态毒性（E）邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯Y Y Y Y Y邻苯二甲酸二甲酯 Y Y Y Y Y邻苯二甲酸二乙酯 Y N Y Y Y邻苯二甲酸二丁酯 Y Y Y Y Y邻苯二甲酸丁苄酯 Y Y Y Y Y苯二甲酸二环己酯 Y N Y N N注：Y-有；N-无Note: Y-Yes; N-None土壤中的 DEHP 主要来自塑料农膜，，废弃塑料制品，工业烟尘的沉降以及污水灌溉，其[18]

蛋白质,絮凝,官能团,多糖

图 1-2 胞外聚合物结构Fig. 1-2 Structure of extracellular polymeric substancesEPS 主要性质：EPS 的絮凝性。絮凝包含了通过范德华力使微粒聚集的凝聚和高分子化合物促使微粒变大沉降而絮凝两个过程。EPS 属于生物大分子，构成成分与菌体相似，含有大量极性团，与悬浮粒通过离子键、氢键相结合，大量沉积表现出絮凝力[63]。EPS 的吸附性。EPS 的成分主要为大分子物质具有大量的吸附位点，包括蛋白质、多糖维素等，同时还有不同的官能团，如羧基、羟基、酚基等，这些使得 EPS 具有吸附力可附有机物和金属。EPS 的亲疏水性。EPS 表面的荷电官能团（羧基、磷酸基、巯基和羟基）和非极性官（蛋白质中芳香族化合物、脂肪族化合物和多糖中的疏水区域）。EPS 中亲疏水基团的证明了 EPS 是两性的，其中糖类是亲水性主要成分，蛋白质和腐殖酸是疏水性的成分[64-6EPS 的生物可降解性。EPS 除了是细胞分泌的天然高分子物质，在外界条件无法满足物生长自身需求时本身也可作为生存的物质和能量来源。其中多糖的利用会优先于蛋白质PS 除了可以被自身降解，其他微生物也可以对它进行利用[66]。EPS 的产生和可降解使得物面对不同环境下可以趋利避害提升自身生存能力。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X592

【参考文献】