Bio-trap技术研发及其在地下水中萘降解相关微生物群落研究中的应用

发布时间：2020-05-26 14:06

【摘要】：中国是一个极度缺水的国家,70%的饮用水来源于地下水。中国地质调查局的地下水污染调查结果显示,90%的地下水已被污染,其中60%属于严重污染。在石油开采区域,地下水中有机物污染严重,其中萘被广泛检出,且其含量占PAHs总量的70%以上。江汉平原地处湖北省中南部腹地,有“鱼米之乡”之称,同时江汉油田也位于此。由于江汉油田长期的开采或油制品加工,给当地的地下水造成了严重的污染。本文选取江汉平原广华监控区的CZK8和QZK1监测井作为研究对象,并进行了连续三年(2014年至2016年)的调查监测,结果显示其地下水中萘的浓度基本维持在26~39μg/L,而水生生物可接受的萘的浓度为1μg/L,这给当地的地下水生物造成了一定的毒害作用,同时也威胁到了当地人的饮用水安全。为了给当地地下水萘的污染修复提供最基本的资料,我们进行了地下水中萘的原位微生物可降解性的研究,同时也期望为其他类似问题的研究提供借鉴。本论文的研究内容和结果可以分为以下四个方面:(1)Bio-trap技术的自主研发Bio-trap技术可以在地下水中原位富集能潜在降解特定污染物的微生物群落,从而对特定污染物在实际地下水环境中能否发生微生物降解进行评估。我们采用滴入-成型法自主研发了Bio-trap技术的核心材料Bio-beads,为了完善Bio-beads的性能,在制备完成后又进行了后续处理。为了验证Bio-beads的性能,我们进行了全方位的表征,如FT-IR、SEM、微生物负载和萘的吸附解吸等,表征结果显示,Bio-beads的制备原料能很好的结合在一起;Bio-beads具有多孔开孔的结构;微生物能自由进入到Bio-beads中;Bio-beads能吸附足够量的萘,且其解吸量小于7.5×10-2mg/Bio-bead(推荐限值)。以上结果显示,自主研发的Bio-beads可以满足地下水实验的要求。(2)地下水中的微生物群落特征为了掌握地下水中的微生物群落特征,首先将自主设计的Bio-trap装置分别放入QZK1和CZK8监测井地下水中60天,取出后放入干冰保温箱中运回实验室进行分析。SEM结果显示,Bio-beads中有少量的微生物。16S rRNA基因测序结果显示,QZK1监测井中第一优势微生物种群是g_Halomonas,而CZK8则为g_Lactococcus和s_Bacillus cereus。微生物种群功能的文献检索分析显示,QZK1和CZK8监测井中微生物的功能大致可分为5类,其中,潜在降解石油类污染物的是最大的微生物功能类别。(3)地下水中潜在原位降解萘的微生物群落特征为了研究地下水中潜在降解萘的微生物群落,首先对Bio-beads进行了萘的吸附解吸研究,目的是寻找合适的萘吸附量,避免因过大的吸附量所引起的解吸量过大,而污染地下水。研究结果显示,吸附量为2.62mg/Bio-bead的Bio-beads可以满足要求,因此把其作为此次实验材料。将不同处理的Bio-trap装置(CK:Bio-beads未吸附萘;Loaded:Bio-beads吸附萘))分别放入QZK1或CZK8监测井中60天,取出后,放入干冰保温箱中,运回实验室分析。Bio-beads(Loaded样品)上萘的含量测定结果显示,其3/4以上的萘被去除(部署前Bio-beads萘吸附量:2.62mg/Bio-bead)。SEM显示,Bio-beads(Loaded样品)上有大量的球形微生物细胞的聚集。16S rRNA基因测序结果显示,g_Lactococcus是最大的微生物优势种类,其可能具有潜在的降解萘的功能。萘功能基因检测结果显示,存在萘好氧降解基因nahA和厌氧降解基因ncr4。以上结果显示,Bio-beads捕获到了研究区地下水中潜在降解萘的微生物群落,同时预测g_Lactococcus可能具有降解萘的功能。(4)氧对地下水中潜在原位降解萘的微生物群落特征的影响研究资料显示,氧对地下水中有机物的微生物降解有加速作用。为了探讨氧在本研究区的实际作用效果,进行了氧对地下水中潜在降解萘的原位微生物群落特征进行了研究。首先自主研制了氧缓释剂,然后将不同处理的Bio-trap装置(CK:Biobeads未吸附萘;NA:Bio-beads吸附有萘;NA-O2:Bio-beads吸附有萘+氧缓释剂)分别放入QZK1或CZK8监测井中45天,取出后用干冰保温箱运回实验室分析。结果显示,在CZK8与QZK1监测井地下水中,氧对萘原位微生物降解的影响有明显的差别。NA-O2样品上萘的去除率CZK8监测井为56%,而QZK1监测井则为28%(部署前Bio-beads萘吸附量:1.58mg/Bio-bead),同时这两口监测井中NA样品上萘的去除率都在62%左右;NA-O2样品Bio-beads的SEM显示,CZK8监测井中的Bio-beads上有大量的凹陷的微生物细胞,而QZK1的Bio-beads上则没有发现微生物。16S rRNA基因测序结果显示,两口监测井的NA-O2样品中的序列数量与其他处理相比都是最少的。以上结果表明,氧对研究区地下水中潜在降解萘的微生物群落的影响可能是负面的。
【图文】：

中国地质大学博士学位论文 解需要氧的参与，氧不仅是最终的电子受体，还参与到降如羟基化和苯环的氧化裂解。萘的好氧降解的较详细的研, Murray K & Williams PA等[87]就开始了，他们用的菌株为6），，底物为14C标记的萘且为唯一碳源，他们认为萘的好酶首先攻击苯环而非单加氧酶，其重要的代谢产物是环过物而非反式产物，这些研究成果为后续的研究提供了坚实

们日9A月1f1-2水在不同介质中的流速[2]
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X523;X172

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