人工湿地基质蛭石及其生物膜对邻苯二甲酸酯的去除及机理

发布时间：2020-06-13 23:39

【摘要】：邻苯二甲酸酯（Phthalate esters，PEs），又名酞酸酯，是一类具有雌激素效应的内分泌干扰物，被广泛应用于许多与人们生活息息相关的生活和工业制品中，目前已成为全球最普遍的环境有机污染物之一，对生态环境及生物体的潜在危害不容忽视。环境中PEs的去除和转化已经成为国内外学者研究的热点。人工湿地是一种水陆交错的特殊生态系统，被广泛地应用于城市污水后继处理以及农村、乡镇的污水处理中。它在接受大气降水、生活污水和地表径流的同时，也接受了来自这些大气以及水系统中的PEs污染物。本研究分析了湿地微生物对PEs的生物降解作用，探讨了基质材料蛭石及其表面降解菌形成的生物膜对PEs类污染物的去除机理，阐明了利用人工湿地降解PEs的重要作用。 人工湿地基质材料对PEs类污染物的吸附作用是影响其环境行为的主要因素，本课题研究了湿地基质材料蛭石对PEs类化合物的吸附及作用机理，并探讨了环境因素（如温度、pH和腐殖酸含量）对其吸附能力的影响，尤其对环境中大量存在的腐殖酸物质影响蛭石吸附能力的机理进行了探讨。PEs主要依靠疏水作用以单分子层的形式吸附在蛭石的片层结构上，动力学分析表明吸附符合二级动力学方程（r0.99），热力学分析表明吸附符合Langmuir模型（r0.99），该吸附过程是放热的，自发进行的，由熵变和焓变共同驱动。环境中腐殖酸物质的存在会明显影响PEs在基质材料蛭石表面的吸附，导致PEs的吸附量下降。溶液中腐殖酸-DEHP复合体的形成，以及腐殖酸和PEs竞争蛭石表面的吸附位点，都是造成DEHP在蛭石表面吸附量下降的主要原因，然而过量的腐殖酸存在以及过酸性的环境都会削弱腐殖酸对吸附的影响。 生物降解是环境中PEs转化降解的主要途径，本研究从长期接受污水处理厂二沉池出水的人工湿地中分离筛选PEs降解菌，以DMP、DBP和DEHP为PEs类污染物的代表物，考察了这些降解菌对PEs及其代谢产物的降解能力，探讨降解菌对PEs的生物降解转化特性，并对降解菌进行了分类鉴定与降解相关基因的研究。共从湿地土壤及基质混合物中分离得了15株具有PEs降解能力的菌株。这些降解菌主要属于变形菌纲和放线菌纲，共涉及8个菌属，其中有些菌属（克雷伯氏菌属Klebsiella sp.），对PEs的降解利用还未见报道。其中节杆菌属（Arthrobacter sp.）菌株C21除了高效降解PEs外，对PEs的降解中间产物邻苯二甲酸（PA）也有较高的利用能力。降解动力学分析表明高浓度PEs对降解菌C21的生长代谢具有底物抑制作用，降解过程的细胞生长符合Haldane抑制模型（r=0.98），其相关动力学参数为μmax=0.12h1，Ks=4.2mg/L，Ki=204.6mg/L。低浓度PEs时，菌株C21细胞生长符合一级动力学模型。本研究为今后利用人工湿地去除PEs提供了优势菌种，并为构建具有高效PEs降解性能的微生物体系和用分子生物学方法检测人工湿地的PEs降解菌群奠定了基础。 PEs降解菌Arthrobacter sp. C21能够在人工湿地基质材料-蛭石的表面快速形成生物膜，以DEHP为PEs类污染物的代表物的研究发现，生物膜的形成会提高蛭石-生物膜体系中PEs的去除率。本研究结果表明生物膜去除PEs的主要依靠以下三种途径，即蛭石对DEHP的吸附作用、生物膜的吸附作用以及生物膜的降解作用。在蛭石-生物膜体系中，蛭石吸附与生物降解的协同作用提高了DEHP的生物降解速率。在生物膜形成的初期（0-5小时），也就是菌体黏附阶段，菌株C21的生物降解作用和蛭石吸附作用是PEs去除的主要途径；在生物膜的聚集阶段（5-36小时），则主要依靠生物降解作用去除PEs。分析生物膜对DEHP的降解能力较悬浮培养有所提高的原因之一是细菌生物量的大量增加。另外，通过计算底物比降解速率发现细菌C21形成生物膜后，其降解活性也明显增强；在生物膜的成熟阶段，生物膜对PEs的大量吸附是液相中PEs减少的主要原因，有少量PEs被用来维持生物体生长，大量的EPS交联在一起构成了细胞膜的基本骨架，其中的疏水性组分蛋白质有利于生物膜吸附DEHP，而且分析表明生物膜体系中的EPS产量与底物DEHP的去除量具有显著正相关性（rp＞0.86）。此外，添加葡萄糖会促进蛭石-生物膜体系中生物量的增加和对DEHP的去除，且DEHP的去除量随着体系pH的上升而显著下降。 【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703

【图文】：

哈尔滨工业大学工学博士学位论文直接进入大气环境，这是PEs进入自然环境的主要途径[9]。近年来，PEs类污染物的研究和监控，已经受到越来越多国家的重视[9, 10]。研影响PEs在大气中迁移转化的重要因素[10]。对法国巴黎市区大气中研究，主成分分析（DCA）表明，大气中总PEs浓度的季节变化与温[11]。例如，在中国东部的南京市，其大气中气溶胶态的和气态的PE高呈下降趋势[12]；印度Raipur地区大气中的PEs含量在春季和冬季较季，季风季节最低[13]。

- 6 -图1-2 PEs在南非Jukskei河的水样（A）和沉积物（B）中的分布； 数字代表不同的采用点，S和W分别代表夏季和冬季[24]。Fig. 1-2 Mean concentration of PEs in water samples (A) and sediment samples (B) of JukskRiver, South Africa. The figure represents different sampling sites; S represents summer; Wrepresents winter.PEs在地表水和沉积物中的分布受季节变化的显著影响。在南非的Jukskei河无论是水相还是沉积物中，，监测到的PEs的总含量在冬季都明显高于夏季（图1-24]。国内根据取样的时间来推算长江水系水体中PEs含量的季节变化，发现无论干流还是支流，冬季PEs含量都明显高于夏季，这可能与枯水期和丰水期的交替

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

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2 张金莲;吴振斌;;水环境中生物膜的研究进展[J];环境科学与技术;2007年11期

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10 甘家安,王西奎,徐广通,王筱梅,孟平蕊,吴毓娟;植物中酞酸酯的分析测定研究[J];色谱;1997年02期

本文编号：2711917