厌氧体系下导电碳材料对苯甲酸或苯酚的降解影响

发布时间：2020-05-26 21:51

【摘要】：苯甲酸和苯酚是目前工业上运用最为广泛的有机化工原料,其在工业废水中含量较高,具有生物毒性,在自然状态下很难被微生物降解,给人类健康及环境生态带来了极大的危害,其在厌氧条件下的降解涉及多种微生物的生物化学过程,容易受到外界因素如温度、pH、H2等的影响,研究这些环境因素对其降解的影响并通过其他途径如直接电子传递(DIET)加强其生物降解过程是十分有必要的。同时,苯甲酸还是一些复杂芳香族化合物厌氧降解过程中的重要中间产物,也是苯酚厌氧降解的中间产物,因此对苯酚、苯甲酸的厌氧降解的探究有助于进一步理解芳香族化合物在环境中的迁移转化,并且对其他复杂芳香族化合物如多环芳烃(PAHs)的厌氧降解也具有一定的指导意义。本研究的主要内容和结果如下:1.在Batch模式下,保证适宜的厌氧条件,探究了不同浓度的颗粒活性炭(GAC)和多壁碳纳米管(MwCNTs)对苯甲酸降解的影响,发现有中间产物乙酸生成,且最终全部转化为甲烷。相比于对照组,加入导电碳材料后,苯甲酸的厌氧降解都有所增强。根据DIET理论,导电碳材料作为电子导管,其在苯甲酸厌氧降解过程中直接将产电微生物降解苯甲酸过程中产生的电子直接传递给了产甲烷菌,加快了中间产物乙酸的消耗,从而加快了苯甲酸的降解。当GAC浓度为5 g/L,MwCNTs浓度为1 g/L时其促进作用最佳,苯甲酸的降解速率分别提高了 45.09%和15.24%(Cycle2)。另外还探究了顶空H2分压对其降解的抑制影响,发现当分压大于80%时,苯甲酸的降解会被彻底抑制,随着顶空H2分压增大,其抑制效果越强。2.选择了三种不同导电碳材料的最适浓度,其中GAC为5 g/L,MwCNTs为1g/L,Graphite浓度为100 mg/L,对比其对苯甲酸厌氧降解的影响,发现所有材料都对苯甲酸的厌氧降解有一定的促进作用,其中5 g/L GAC实验组苯甲酸的降解速率最快,其次是MwCNTs和Graphite实验组,此外,相比于对照组,其厌氧降解速率分别提高了 75%、35%和11%。微生物菌群分析表明,对照组中变形菌门中α-变形菌纲(Deltproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)和γ-变形菌纲(Gammaproteobacteriaa)占主导(56.25%),总体而言,微生物种类繁多且比例相当。而在实验组α,β-变形菌纲仍然占据优势,但Y-变形菌纲(Gammaproteobacteria)并不占优势了,取而代之的是鞘脂杆菌纲(Spirochaetes)、拟杆菌纲(Bacteroidia)和互养菌纲(Synergistia)等产电微生物,根据DIET理论,这些微生物有助于苯甲酸的水解产酸产氢。其次,对与产甲烷有关联的古菌分析,可知实验组中嗜氢产甲烷菌有所增长,而嗜乙酸产甲烷菌却在减少,嗜氢产甲烷菌相比嗜乙酸产甲烷菌在DIET中更占优势。3.进一步探究了这三种浓度下不同导电碳材料对苯酚的降解影响。相比于对照组,实验组中MwCNTs和Graphite对苯酚的厌氧降解都有促进作用,且MwCNTs比Graphite实验组的促进效果更明显,其厌氧降解速率分别提高了59.20%和44.40%。另外还发现,在batch模式下,添加1 g/L MwCNTs时,200mg/L条件下苯酚的降解速率最佳,其降解速率为33.51 mg·L-1·d-1,相比于对照组,速率提高了 147%;相对的,Graphite实验组降解速率为27.38 mg·L-d-1,提高了102%。
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（３）龙胆酸途径：龙胆酸途径最先是由Ａｌｔｅｎｓｃｈｍｉｄｔ等发现的［４２］。苯甲酸逡逑先后在苯甲酰辅酶Ａ［４３］、单加氧酶和３－羟基苯甲酰辅酶Ａ－６－单加氧酶作用生成逡逑龙胆酸，最终生成反丁烯二酸和丙酮酸［４２－４４］，如图１．２所示：逡逑ｏｎ逡逑ａ＾ＯＯＨ逦Ｈ（ＫＫ；邋Ｏ＾＾ＣＯＯＨ邋Ｆｕｍａｒｉｃ邋？ｃ？ｄ逡逑－（７邋－Ｃ７邋－邋（７邋－——逡逑Ｏ逦Ｔ逦Ｐｙｒｕｖｉｃ逦ａｃｋｌ逡逑ＯＨ逦Ｏｉｌ逦ＯＨ逡逑Ｂｃｎｘｏｋ邋ａｃｉｄ逦Ｂｃｎ／ｏｙｉＣｏＡ邋３－ＨｙｄｒｏｘｙｂｅｉＭ＜＊ｙ！ＣｏＡ邋Ｇｅｎｔｉｓｉｃ邋ａｃｉｄ逦Ｍａｌｔｙｌｐｙｒｕｖｕｌｅ逦Ｆｕｍａｒｙｔ｜？Ｔｕｖａｔ？逡逑图１．２苯甲酸的龙胆酸代谢途径逡逑（４）原儿茶酸途径：原儿茶酸的代谢途径是在Ａ＾ｒｇ／／／ｗＷ＃ｒＡＴＣＣ１０１５逡逑降解苯甲酸的过程中首次发现的，如图１．３所示，其代谢途径分２个。一种是通逡逑过４－轻化酶作用生成原儿茶酸［４５］，或者在３－羟化酶及３－羟基苯甲酸４－羟化酶的逡逑作用下生成原儿茶酸［４６］。有研宄显示，某些微生物体内具备多种代谢途径，如逡逑在邋５ｗｒＡ：／２0／（５ｆｅｎ＿ａ邋ｊｃｅＨｏｖｏｒａｒａ邋ＬＢ４００

Ｂｅｎｘｏｔｃ邋Ｈｃｉｄ邋Ｃ＼ｃｌｏｌｉ＾ｘ－ｌ－ｅｎｔ－邋１－ｃａｒｈｏｘｖｉａｔｒ邋２－Ｈｙｄｒｏｘｙｅｙｅ！ｏｈｅｘａｎｃｃａｒｂｏｘｙＵｔｃ逦２－Ｏｓｏｃ＞ｃｌｏｈｃｘａｎｅｃａｉ＇ｂｏｘｙｉ８ｔ？邋Ｐｉｍｅｌａｔｅ逡逑图１．４苯甲酸的厌氧代谢途径逡逑１．３．２苯酚的代谢途径逡逑在好氧条件下，苯酚的生物降解是通过氧化来进行的。在该过程中，芳香环逡逑刚开始通过单氧化酶即苯酚羟化酶，，在苯酚的羟基邻位上被单羟基化以形成儿茶逡逑酚。儿茶酚再经邻位或间位途径生成丙酮酸和乙醛［５０］，常见的苯酚代谢途径如逡逑下图丨．５所示：逡逑＾ＣＯＯＨ逡逑Ｊ９邋—？邋—？邋—？邋［邋＾３邋—？邋—＊■邋Ａｃｅｔａｔｅ逡逑＾逦ＣａｐｒＱｏｔｅ逡逑Ｐｈｅｒｏｆ邋喂逦0逡逑0Ｈ邋ｍ逦0邋＾邋0、以逡逑ＣＯＯＮ邋＾（：逦＾＂Ｃ逦Ｊｌ逡逑｜逦＊逦Ｊｌ邋，广、｜邋Ｃｙｄｏｈｅｘａｎｅ逡逑令上◎邋ｊ：＊邋◎邋ｆ邋＾逡逑ＯＨ逦0Ｈ邋ｅｅｎ２0ｙ＜－ＣｏＡ邋0邋］逦＾逡逑４－Ｈｆｔｒｏｘｙ－逦＼逡逑ｂｅｒｅｔｍｔｅ逦？邋N逡逑Ｃｙｃｂｈｃｘ－ｌ－ｅｎｅ逡逑ａｗｂｃｘｙｆ－ＣｏＡ逡逑Ａｃｅｔｔｉｔｃ邋？—邋｜３＾ｃｘｉｄｏｔｉ0ｎ邋

本文编号：2682456