作为持久性有机污染物(Persistent organic pollutants,POPs)的典型代表,多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)和多氯联苯(polychlorinatedbiphenyls,PCBs)的分析方法、环境影响及其污染修复技术是目前国内外热点研究领域,生物降解特别是微生物降解被认为是去除环境中PAils、PCBs的主要途径。本文在全面综述国内外相关研究的基础上,通过调查和监测选择并确定了PAHs、PCBs污染的土壤样品,筛选得到的一株可以高效降解PAHs、PCBs的菌株,基于形态学特征、生理生化试验、细胞化学成分鉴定及16S rDNA序列比对分析等手段,鉴定该菌株属于两面神菌属(Janibacter sp.),命名为JY11。以此为基础,系统研究了JY11对PAHs、PCBs的降解效果和影响因素以及与Phanerochaete.chrysosporium JY16联合降解效率,并借助气相色谱—质谱联用技术对降解中间产物的定性分析,初步探讨了该菌株对菲、芘、苯并(α)芘和PCB18、PCB77的代谢途径。论文主要研究内容和结果如下: 1.污染土壤中PAHs和变压器油中PCBs的提取及分析 (1)采用索氏提取、超声提取及超临界CO_2提取三种样品前处理技术,结合GC-FID分析技术,研究获得了济南炼油厂及胜利油田土壤中PAHs的污染特征。济南炼油厂土壤中检出全部16种PAHs,浓度范围为5.0～593.2μg/kg;胜利油田采油厂土壤中检出12种PAHs,浓度范围为227.7～1107.3μg/kg,两处土壤均在一定程度上受到了PAHs的污染。三种提取技术均有很好的提取效率和重现性,相对标准偏差(RSD%)小于5%(n=3),PAHs加标回收率为88.7%～102.6%,符合美国EPA标准中环境样品回收率(70%-140%)及RSD%(＜20%)的要求。 (2)采用液液萃取、超声萃取及固相萃取等三种样品前处理技术,结合本实验室前期建立的PCBs分析方法,研究建立了简便快速的PCBs提取及GC-ECD分析技术。研究测定了废弃国产变压器油中类二噁英类及阻转类PCBs的成分与含量,检出10种类二噁英类PCBs(PCB77,8l,105,114,118,123,126,156,167,189)和4种阻转类PCBs(PCB45,95,132,149)。实验还结合Areolor 1242标准品对变压器油中PCBs组分进行了分析,得到PCBs的分布特征:二氯联苯含量为14.2%;三氯联苯含量为51.2%;四氯联苯含量为29.8%;五氯和六氯联苯含量为4.8%。由此可见,国产变压器油以三氯联苯为主,高氯代PCBs所占比例很少。三种提取方法的RSD%均小于5%(n=3),内标PCB209的回收率为82.3%～91.6%,符合美国EPA标准中回收率及相对标准偏差的要求。 2.PAHs、PCBs降解菌的分离与鉴定 (1) PAHs、PCBs优势降解菌的分离。采集济南市炼油厂、胜利油田采油厂及原济南市变压器厂的土样,以菲、蒽、芘的混合样品为唯一碳源,采用定时定量转接、逐步提高碳源浓度的方法,共获得125个单菌落,经降解效率初步测定,选取降解能力较强的两株细菌JY11和JY3A进行鉴定研究。 (2) JY11和JY3A的鉴定。通过形态特征描述,综合运用生理生化检测、脂肪酸分析、甲基萘醌分型及GC摩尔百分含量测定等方法,结合16S rDNA序列分析、构建系统进化树,JY3A被认为属于Bacillus菌属的B.subtilis类群,由于Bacillus菌属目前定名的复杂性和不确定性,尚需进一步PFGE和DNA-DNA杂交实验数据支持鉴定到种。 (3) JY11被鉴定为Janibacter菌属。该属1997年方予以命名,确定模式种为Janibacter limosus,至今仅有5个种的报道。但JY11与该属模式种有较大差异,与其遗传距离最近的为Janibacter anophelis。细胞脂肪酸组成及含量分析结果表明,JY11在脂肪酸化学分类特征上表现出独特的菌株特异性,不同于Janibacter limosus和Janibacter anophelis的已有报道。初步实验表明JY11在表现出良好的PAHs降解能力的同时,对PCBs亦有较好的降解能力,因此选择JY11菌作为后续研究的出发菌株。 3.Janibacter sp.JY11对PAHs、PCBs的降解效果及影响因素研究 (1) Janibacter sp.JY11对PAHs的降解效果 研究了液体培养条件下,Janibacter sp.JY11对初始浓度为100 mgl PAHs的降解效果。结果表明,Janibacter sp.JY11不仅对低分子量PAHs如菲、芴、苊等有很好的降解效果,对四环的芘、荧蒽、苯并(α)蒽等也有较好的降解效果,五环和六环的高分子量PAHs也有不同程度的降解。由此可见,JY11表现出非常宽的降解底物谱及很强的降解能力。 (2)影响Janibacter sp.JY11对PAHs的降解效率的因素 实验中分别以三环的菲、四环的芘和五环的苯并(α)芘为代表,研究了不同PAHs初始浓度、不同浓度的表面活性剂Tween 80和Triton X-100及水杨酸诱导作用对PAHs降解效率的影响。结果表明:随着初始浓度的增加,芘和苯并(α)芘的降解效率逐渐降低,而菲则可以在很宽的浓度范围内全部降解;表面活性剂Tween 80对PAHs降解有一定的促进作用;通过用水杨酸做共代谢底物,相比用菲作共代谢底物,苯并(α)芘的降解效率提高了28%。 (3) Janibacter sp.JY11对PCBs的降解效果 实验研究了在液相纯培养条件下,JY11对初始浓度分别10 mg/l及100 mg/lPCBs的降解效果。结果表明,随着初始浓度增加,降解效率略有下降,但总体上JY11对PCBs具有较好的降解效果。对于初始浓度为10 mg/l的PCBs,二氯及三氯PCBs的降解效率为83%～100%,多数高于90%;四氯PCBs的降解效率为78%～94%;五氯及六氯PCBs的降解效率也达到50～455%。JY11对邻位、对位取代PCBs均可降解,只是随着氯原子数增加,降解效率降低。由此可见,氯原子取代位置并不是影响JY11对PCBs降解的主要因素。 (4)天然植物组分诱导Janibacter sp.JY11降解PCBs 通过在液体培养基中添加九州虫草子座挥发油、唐古特青兰挥发油、草果挥发油、香芹酮、柠檬烯等天然植物组分,考察了其对Jannibactor sp.JY11降解PCBs效率的影响。结果表明九州虫草子座挥发油、香芹酮能显著提高绝大多数PCBs的降解效率,柠檬稀也有一定的促进作用。 4.Janibacter sp.JY11-P.chrysosporium JY16联合降解PAHs、PCBs 利用白腐真菌胞外氧化还原酶系丰富,底物专一性低,对外源物质的降解不受其浓度大小的影响等优点,在Janibacter sp.JY11中加入一株白腐真菌—黄孢原毛平革菌(P.chrysosporium JY16),研究其联合降解作用。实验结果表明:液体培养条件下,混合菌对PAHs的降解效果明显好于单一菌降解效果,尤其是四环的芘和五环的苯并(α)蒽、苯并(κ)荧蒽的降解效率相比JY11单独降解提高了20%以上。对于模拟污染土壤环境,混合菌对芘和苯并(α)芘的降解效率分别为73%和60%,相比用单一菌降解也得到很大程度的提高。同样液体培养条件下,混合菌对PCBs的降解效果明显优于单一菌降解效果。尤其是对于类二噁英类的六氯联苯PCB156,167和七氯联苯PCB189,单一菌并不利用;而当两株菌联合降解时,三种高氯PCBs降解了10%左右。在此实验基础上,用混合菌直接降解变压器油及模拟污染土壤中的PCBs。结果表明:变压器油中PCBs的降解效率为8.7%～83.3%;对于模拟污染土壤样品,除PCB74,类二噁英类PCB105,118和阻转类PCB132,149没有降解外,其余PCBs的降解效率为18.4%～72.6%。 5.Janibacter sp.JY11降解PAHs、PCBs中间产物及代谢途径初步分析 以三环的菲、四环的芘和五环的苯并(α)芘作为JY11降解PAHs代谢途径分析的研究对象;以三氯PCB18及类二噁英类PCB77作为JY11降解PCBs代谢途径分析的研究对象,利用GC-MS技术,通过对中间产物的检测,初步推导了JY11降解PAHs、PCBs的代谢途径。 (1)菲:菲在双加氧酶的作用下生成顺式-2,3-二氢-二羟基菲,然后转化成1-羟基-二萘酸,脱羧后生成1-萘酚,最后开环生成水杨酸。 (2)芘:芘在双加氧酶的作用下生成顺式-4,5-二氢-二羟基芘,然后在脱氢酶作用下重新芳香化生成顺式-4,5-二羟基芘,该产物进一步通过双加氧酶开环生成4,5-二羧酸菲,最终在脱羧酶的作用下生成4-羟基菲,最后开环生成邻苯二甲酸。 (3)苯并(α)芘:苯并(α)芘在双加氧酶的作用下生成顺式-7,8-二氢-二羟基苯并(α)芘,然后在脱氢酶作用下重新芳香化生成顺式7,8-二羟基苯并(α)芘,该产物进一步通过双加氧酶开环生成7-羟基-8-羧酸芘。 (4)三氯联苯PCB18和四氯联苯PCB77代谢途径基本相同,即JY11进攻PCBs的2,3位,生成2,3.二氢二羟基-PCBs,该产物在脱氢酶的作用下生成2,3-二羟基-PCBs;然后在第二个双加氧酶作用下开环生成2,5-二氯-2-羟基-6-氧-6-2,5-二氯苯基-2,4-己二烯酸,该产物在水解酶的作用下生成氯代苯甲酸。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2009
【中图分类】：X172
【部分图文】：
清楚的代谢途径只有蔡、菲等低分子量PAHs，而自然界中高分子量PAHs由于具有多种微生物代谢途径[45]，至今仍是国内外研究的热点[46，4刀。图1一2即为报道的低分子量PAHs微生物好氧降解的一般途径[48】。在PAHs诱导下，微生物会分泌单加氧酶或双加氧酶[49]，在这些酶的催化作用下，把氧加到苯环上，形成C一O键，再经过加氢、脱水等作用使碳碳键断裂，苯环数减少。在此过程中，细菌对PAHs降解的第一步是将两个氧原子直接加到芳香核上，催化这一反应的酶被称作PAHs双加氧酶，这是一个由还原酶、铁氧还原蛋白、铁硫蛋白组成的酶复合物150]
导落 5010.015.020刀25.035.040， 0min图2一 2Areolor1242标准品色谱图(GC一ECD)Fig.2一 2ChromatograjrnofAreolor1242standard(GC一ECD)图2一2是户 Jcolor1242(romgN正己烷)标准品色谱图，主要色谱峰的归属参考文献113’，’32]并结合Gc一Ms技术。每个色谱峰保留时间的相对标准偏差<0.1%(n=3)。实验结合户 Jcofor1242标准品对变压器油中PCBs的组成及含量进行了分析，结果见表2一7，该结果为分析超声提取物所得。
山东人学博十学位论文C图3一 1JYll菌照片:A.含有菲的BSM平板JYll菌落形态;B.JYll透射电镜照片(IOxk);C.JYll透射电镜照片(16xk);D.JYll革兰氏染色照片(IOxl00) F19.3一 1PhotograPhsofeellofJYllstrain:A.ClonesofJYllstrainonBSMPlateswith Phenanthrene;B.TEMPhotoofJYll(10xk);C.TEMPhotoofJYI](16xk):D.Gramstain photoofJYIlstrain(10xlOO)表3一ZJYll菌落形态及生理生化特性Table3一 2MorphologiealandbioehemiealcharacteristiesofJYll特性 strainJYll菌落颜色(Colo:ofeolonies)菌落形态(Morpholo群)运动性(Motility)革兰氏染色 (Gramstraining)抱子产生 (Sporeformation)氧化酶 (Oxidasereaetion)过氧化氢酶(eatalase:eaetion)硝酸盐还原(Nitrate:eduetion)11引噪试验 (Indoleproduetiontest)甲基红试验 (Methylredtest，MR)乙酞甲基甲醉试验 (vogesProskaue:test，v.P)石蕊牛奶(Litmus一 milktest)白色或灰白色短杆，球形(W)+十蓝色、产碱
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本文编号：
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