生物表面活性剂在多环芳烃（菲）污染土壤生物修复过程中的作用研究

发布时间：2020-08-09 00:07

【摘要】：多环芳烃(PAHs)是一类重要的全球性污染物,是美国环保局制定的129种优先污染物中的一类。它广泛存在于人类的生活环境如大气、水体、土壤、作物和食品中。由于其物理化学性质稳定、难降解及强的致癌性,PAHs的研究已经成为环境类问题研究的热点。强的疏水性使得其与受污染的土壤或底泥结合紧密,因此PAHs污染土壤的处理十分困难。生物修复因其经济有效而成为一种最有发展潜力的治理技术。PAHs的生物可利用性是限制其生物修复的主要因素。表面活性剂能够增大疏水性有机物在水相中的溶解度从而增加传质速率和生物可利用性,因此添加表面活性剂是提高其生物可利用性的一种有效方法。但化学合成的表面活性剂本身有毒且难于降解,易引发二次污染。生物表面活性剂具有无毒且易于降解等特性,其在PAHs(?)亏染土壤的生物治理中具有广泛的应用前景。本论文采用南京农业大学固废课题组分离、保存的菌种D3,对其在以菜油为唯一碳源培养时产生的表面活性剂为生物表面活性剂代表,以菲为PAHs的代表,通过一系列的物理化学、光谱学、生物学和毒理学等试验研究了生物表面活性剂对PAHs环境行为的影响并对有关的机理进行了探讨。主要研究结果可归纳如下：对D3菌种在以菜油为唯一碳源培养时产生的胞外细胞分泌物,采用有机溶剂沉淀法,制备其粗产物。经薄层层析纯化,红外光谱进一步分析,初步判断其是一种糖脂类生物表面活性剂(TZ1)。其临界胶束浓度(cMC)为：10.0 mg·L-1. CMC时水溶液的表面张力为49.2mN·m-1。质谱测试出其平均分子量为353。采用序批试验,研究TZ1在黑土或红壤上的吸附及生物降解。结果表明,TZ1能够吸附在红壤或黑土上,根据Langmiur方程拟合结果,黑土对TZ1的最大吸附量达58.8±0.008μg·g-1,红壤的最大吸附量达76.9±0.007μg·g-1。同时TZ1能够被黑土及红壤中的土著微生物降解。降解试验的1,3和7d,黑土中分别有10,20和92%的TZ1被矿化,红壤中有5,16和92%的TZ1被矿化。采用序批试验研究了TZ1对黑土或红壤吸持与解吸菲的影响。同时对土壤采用连续的处理方法,除去土壤中的“软碳”,探究TZ1在土壤吸持菲的过程中的影响机制。试验结果表明,菲在土壤中的吸持解吸与土壤中有机质及矿物质含量有关,其中有机质起着决定性作用。“硬碳”决定非线性吸附。生物表面活性剂对土壤吸持菲的影响与土壤有机质(量及种类)及生物表面活性剂有关。同一来源的生物表面活性剂对不同种土壤吸持菲的影响效果不同。无论是在黑土、红壤还是除去“软碳”的土壤中,TZ1的加入均造成菲的吸持量的下降及其吸附等温线线性化程度增强。对于所采用的黑土,TZ1能够显著增强菲从土壤中的解吸。采用生物培养和物理化学试验,研究了TZ1对黑土中菲生物毒性的影响。黑麦草根菲毒害的敏感区间为0～100 mg·kg-1,200 mg·kg-1是土壤中菲的50%黑麦草根伸长抑制率浓度。0-26.9 mg·kg-1的TZ1显著降低了黑土中菲对黑麦草的生物毒性。26.9-132mg·kg-1的TZ1对黑土中菲对黑麦草的生物毒性无显著影响(P0.05)。进一步增加土壤中TZ1浓度,显著增强了黑土中菲对黑麦草的生物毒性。从南京农业大学附近的菜园土中分离出一株能够以菲为唯一碳源的细菌GF2B,进一步生理生化指标测定及16S rRNA测序确定为鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonassp.)。采用室内序批试验,对其在无机盐培养基及黑土中菲的降解特性进行了研究。结果表明,接种10d后培养基中Sphingomonas sp. GF2B降解菲的效率为83.6%。另外,Sphingomonas sp. GF2B能够降解黑土中的菲,在试验的7、14、21和28d中,降解效率分别为：27.5%、41.7%、66.6%和72.2%。根据液相色谱测试结果初步判断Sphingomonas sp. GF2B降解菲是通过水杨酸途径。研究了TZ1对无机盐培养基及人工污染黑土中Sphingomonas sp. GF2B降解菲的影响。结果表明,TZ1提高了培养基中Sphingomonas sp. GF2B降解菲的速度及降解效率。由于TZ1的加入,接种10d后培养基中Sphingomonas sp. GF2B降解菲的效率由83.6%提高至99.5%,在降解过程中,溶液pH出现轻微下降。此外,TZ1的加入促进了黑土中菲降解效率的提高,在试验的7、14和21d中,降解效率分别为：47.9%、59.9%和73.3%。28d时TZ1对人工污染的黑土中GF2B对菲的降解无显著影响(P0.05)。研究了土培条件下不同处理方法对黑麦草吸收菲的影响,并对所采用的不同处理方法效果进行了比较。结果表明,无论是否加入表面活性剂,早期黑麦草对菲的传运能力较高。黑麦草可显著促进土壤中菲的降解。50d时不同处理对土壤中菲的去除率大小顺序为：植物+TZ1+菌植物+Tween+菌植物+茵植物+Tween植物+TZ1植物+H2OCK。其中TZ1可促进种植黑麦草土壤中菲的降解。降解效率的提高可能是由于TZ1促进了黑麦草种植土壤中土著微生物及外源微生物对土壤中菲的降解作用。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X53
【图文】：

曲线,效率图,生物表面活性剂,表面张力

力降低所能达到的最大程度，即溶液表面张力达到的最低值(赵国玺，1991)。第一种量度称为表面活性剂表面张力降低的效率;第二种则称为表面活性剂表面张力降低的能力。图2.1为TZI与Tween一80水溶液的表面张力曲线。由图2.1可以看出，随着溶液中表面活性剂浓度的增加，溶液的表面张力随至降低，对rp汉een一80来说，当水溶液中Tween一80含量从。增加到 12.8mg·L一‘时，水的表面张力可从 74.2rnN·m-，陡然直线下降到48.olnN.m一‘，之后进一步增加溶液中Tween一80的量，水的表面张力维持在48.0mN

红外光谱图,生物表面活性剂,吸收带,伸缩振动

2.2TZI种类的初步判定从色谱缸内取出层析板，待干燥后在紫外灯下观测到一紫色斑点，应为纯化后的TZI，按照1.2.1方法制备纯品。纯化后样品的红外光谱图如图2.2所示，图中主要吸收峰的位置列于表2一3。表2一3生物表面活性剂TableZ一 3MainInfraredsorptionTzl的红外光谱图主要吸收峰位置 frequenciesoftheselectedbiosu川兔etant(TZI)样品吸收峰位置(cm一，) TZI33812947283523611652145111481027529446431409由表2一3及图22可知，Tzl在3381。m“处有强的吸收带，表明分子中有大量轻基存在。2947、2835。m一‘为脂肪族碳链子中上的c一H键伸缩振动的吸收带。 1652cm一‘为C一O键的伸缩振动吸收带，也是生物表面活性剂的特征峰 (HoandMckay， 1999)。1148、lo27cm一’两个吸收带和1652。m一‘吸收带是酷基的e一。一e和e一。键的伸缩振动吸收结果， 1148cm一‘处的强吸收峰是鼠李糖环上的碳原子与经基之间的键伸缩振动产生的(Langmuir

吸附等温线,生物表面活性剂,黑土,红壤

7L...1争2203.2362争62792甲7煮m/z图2.3本试验所采用的生物表面活性剂TZI的质谱图Figure2.3MSsPeetrogramoftheselectedbiosurfactant(TZI)2.3TZI在土壤上的吸附等温线生物表面活性剂自身在土壤中吸附也是其重要的特征，生物表面活性剂被土壤吸附，造成生物表面活性剂的损失。被土壤吸附的生物表面活性剂形成吸附胶束，这种吸附胶束反而促进了土壤对PA壬15的吸附，降低了生物表面活性剂对土壤污染物的解吸作用。因此，土壤对生物表面活性剂的吸附作用会对土壤的修复产生负面的影响。生物表面活性剂TZI在两种土壤上的吸附等温线见图2.4。

【参考文献】