好氧共代谢降解地下水和土壤中三氯乙烯的研究

发布时间：2020-08-13 14:47

【摘要】：三氯乙烯(trichloroethylene, TCE)是一种广泛应用的氯代有机溶剂,土壤和地下水中TCE的污染广泛存在。本论文利用微生物法,在好氧条件下,以汽油和苯酚为生长基质,对水相和土壤中的TCE进行了共代谢降解研究。结合固定化微生物技术,以生物炭这一新型环保材料为载体,发展了固定化微生物共代谢TCE在土壤修复中的应用。通过研究得出如下结论： (1)选取真养产碱杆菌作为降解菌,93#汽油作为底物,共代谢降解水相中TCE取得了较好结果。通常认为,苯酚和甲苯是共代谢去除TCE的良好生长基质,本研究显示出了汽油作为生长基质共代谢TCE的潜力。汽油最佳初始浓度为10mg/L,低于苯酚和甲苯的最佳初始浓度,说明汽油对微生物有一定的毒性。在中性偏酸性(pH=5.0)的环境体系中,微生物对TCE的共代谢降解效果最好。额外加入NaCl会使TCE的降解率略有降低。通过预曝氧气,使水相中初始溶解氧呈过饱和状态,大大提高了TCE的降解率和降解速率。当环境中TCE的浓度为1mg/L时,调节汽油浓度为10mg/L,降解24h,TCE的降解率可达66.8%。初步分析了反应结束时体系中的氯代乙烯类化合物,没有发现这些还原产物。TCE-Cl全部转化为自由的氯离子,TCE的降解程度彻底。 (2)研究了荧光假单胞菌利用苯酚为主要生长基质对水相中TCE的好氧共代谢。当体系中菌悬液初始光密度OD600为0.14、苯酚初始浓度为100mg/L、TCE初始浓度为0.1mg/L时,TCE的共代谢降解率达到最大值(80.1%)。在广泛的酸碱度(pH=5.0-9.0)和盐度(0.045-3%)范围内,TCE的降解率也能达到满意的水平,这使得此方法具备在沿海地区盐碱地应用的能力。营养肉汁培养基虽不能作为TCE的共代谢基质,但在苯酚作为生长基质的条件下,它可作为营养物质促进TCE的共代谢降解。其根本原因在于营养肉汁增殖了细菌数目,使得有更多的细胞在苯酚的刺激下产生活性酶。营养肉汁的添加提高了微生物的转化产量,却抑制了转化容量。邻苯二酚1,2-双加氧酶为TCE共代谢过程中的关键酶。苯酚的存在对于邻苯二酚1,2-双加氧酶的产生是一个必要条件；但在苯酚消耗殆尽后,邻苯二酚1,2-双加氧酶的活性仍可以保持一段时间。降解过程中,TCE的脱氯是完全的,被降解的TCE上的氯原子全部转化为氯离子。7h内中间产物分析发现,在2h、3h有双碳有机酸出现,并在4h后消失,1-5h有单碳有机酸出现,并在6h后基本消失。以汽油为生长基质共代谢TCE时,其降解过程是缓慢的,苯酚的添加增强了汽油和TCE的共去除效果。 (3)开展了微生物共代谢降解土壤泥浆中的TCE及汽油的研究。选取荧光假单胞菌为活性菌株,以苯酚为生长基质,共代谢降解TCE取得了良好结果。实验结果表明,土壤类型对TCE的降解率影响不大,这是由于本文选取的土壤样品的物理化学性质相差不大,而且采用泥浆体系增加了污染物的传质所导致的。动力学研究发现,TCE在前8h内降解速率快,随后进入缓慢降解阶段。TCE降解率随着体系含菌量的增加呈现先升高后降低的趋势,当泥浆体系初始含菌量为0.008mg/g时,TCE的降解效果最为满意。苯酚的加入促进了TCE的降解,当加入苯酚浓度在0-100mg/L范围内,TCE降解率随苯酚浓度升高而升高；但当苯酚浓度大于500mg/L时,TCE的降解率急剧降低。TCE降解率随其初始浓度的升高而降低,当TCE初始浓度为0.1mg/L时,TCE降解率可达100%。实验土壤选用滨海绿化土,有机质含量较高,土壤颗粒具有较强的酸碱缓冲能力,即便加入pH为1.0-12.0的无机盐培养基,土壤泥浆体系最终pH仍可维持在5.3-7.0之间,使得TCE的降解率达到满意效果。TCE降解率随盐度的升高而升高,当体系初始盐度为2.5%时,TCE降解率可达到88.3%。当水土比为2-20时,可以得到满意的降解率；水土比小于1时,体系中的土壤和水已经不能呈现均一态的泥浆状,污染物的传质受阻,TCE的降解率明显下降。在TCE、苯酚、汽油三元体系研究中,当TCE与不同浓度汽油同时存在时,苯酚的加入均大大促进了TCE的降解。营养肉汁培养基的加入对TCE降解无明显影响。苯酚的加入同样大大促进了汽油的降解率。这说明在苯酚的刺激下,荧光假单胞菌对汽油中的某些组分也进行了共代谢降解。同时加入苯酚与营养肉汁培养基或只加入营养肉汁培养基也对汽油的降解起到了明显的促进作用。 (4)选取荧光假单胞菌作为降解菌株,生物炭作为载体对细菌进行固定化,以苯酚为共代谢底物,考察了泥浆中TCE的去除情况。实验对5种固定化载体材料进行了比较,其中以生物炭作为固定化微生物载体时,TCE的整体去除率最高。相比于游离体系,固定化体系中的TCE生物降解性能有所降低,但生物炭对TCE具有吸附作用,导致固定化体系中TCE的整体去除率高于游离体系。细菌与生物炭吸附时间越短,初始去除率越低,最终去除率越高,固定化体系对TCE的持续去除能力越强；相反,细菌与生物炭吸附时间越长,初始去除率越高,最终去除率越低,固定化体系对TCE的去除平衡时间越短、去除平台期越长、持续去除能力较差。pH为7.0-10.0的环境条件对TCE去除效果基本未产生影响,去除率在47.5%-54.7%之间；pH为11.0-13.0的环境条件抑制了TCE的整体去除。这一方面是由于过高的碱性不利于荧光假单胞菌的生长,另一方面,随着pH值的升高,生物炭和微生物的表面负电荷增加,静电力表现为排斥作用,不利于吸附。随着TCE浓度的增大,其降解率逐渐降低,这主要是TCE的毒性引起的。然而与游离体系相比,固定化体系中微生物对于高浓度TCE的耐受性更强,固定化菌的降解率波动比较平稳。固定化微生物受环境因子的变化影响小,适应能力强,这是固定化微生物技术用于土壤修复的一大优势。随着体系盐度的升高,TCE的降解率变化不大,当盐度为3%时,降解率略有增加。高盐度并没有促进TCE的降解,这是因为生物炭具有较高的CEC值,并且其表面具有较强的极性,这就使得体系中的盐离子会以静电引力或化学键的方式结合到生物炭的表面或其内部空腔中,而这种结合方式往往比物理吸附的作用力更强。在一定范围内,随着体系中投菌量的增大,TCE降解率有所提高,当OD6000.3后,随着投菌量的增加,TCE降解率不再变化。与游离体系相比,固定化体系可以负载更多的微生物,并且不会由于体系中菌密度的增大而导致TCE降解率的降低,这是固定化微生物技术的另一大优势。本论文系统地研究了微生物法共代谢降解土壤和水中的TCE和汽油,取得了满意的结果。研究结果阐释了TCE共代谢的机理,取得了满意的降解率,以生物炭为载体材料,发展了微生物固定化技术,为土壤和地下水中TCE复合污染的修复提供了理论依据和技术方法。
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X172
【图文】：

共代谢,汽油,生长基质,菌株

presence of 10 mg/L gasoline.由图2.1可见，4株细菌对TCE的降解率在同一水平，R. eutropha作为降解菌株时，TCE的去除效率稍高，所以选择兄作为本章研究的实验菌株。2.3.2生长基质及其浓度对TCE共代谢降解的影响以兄ewrropAa为活性菌，体系菌密度ODeo?为0.25，分别选取不同浓度（10、50、100、500和1000 mg/L)的苯、甲苯、苯酹、93#汽油作为TCE生长基质，考察不同生长基质及其浓度对TCE共代谢降解的影响。40

生长基质,共代谢,浓度,加氧酶

degradation efficiency.由图2.2可见，当生长基质为汽油时，TCE的降解效果明显优于生长基质为苯、甲苯、苯酹时的情况。通常认为，苯酷和甲苯是共代谢去除TCE的良好底物[163]，本研究显示出了汽油作为底物的潜力。时至目前，还没有可以利用TCE作为唯一碳源与能源的好氧微生物被发现，但一些在生长基质诱导下可以产生非特异性加氧酶的好氧微生物却展现出了共代谢降解TCE的能力ti64，I65]。在非特异性加氧酶的催化作用下，非生长基质的生物转化会与生长基质的代谢同时发生

共代谢,无机盐

Figure 2.4 Influence of mineral salts on TCE co-metabolism degradation efficiency.如图2.4可见，七种无机盐培养基对TCE共代谢降解率的影响无显著性差异，在41.7-48.6%之间。这是因为，初始加入的2 mL菌悬液中含有营养肉汁培养基，其中含有丰富的无机盐组分使得体系最终无机盐组成趋于一致，掩盖了不同无机盐培养基中不同营养物质比例对微生物生长的影响。实验证明，营养肉汁培养基丰富了真养产碱杆菌生长代谢所需营养（包括碳源、氮源、无机盐等)，适量的加入（10%，V/V)有利于菌体生长繁殖和TCE的降解。在操作上也更简便易行

【参考文献】