生物电化学系统阴极还原降解典型抗生素研究

发布时间：2017-10-16 20:39

  本文关键词：生物电化学系统阴极还原降解典型抗生素研究

  更多相关文章： 抗生素 电化学还原 阴极电位 生物阳极 生物阴极 反转

【摘要】：由于抗生素的广泛使用,大量残留不可避免的进入水体和土壤环境中。在长期毒性压力下抗生素的抗性基因通过水平转移产生许多抗生素抗性菌,它的频繁出现可以使许多新型抗生素药物失效,因此对生态环境和人类健康构成了严重的威胁,并且已经引起世界范围内的广泛关注。传统的抗生素废水生物或物化处理技术具有针对性不强、效率低或能耗高、副产物多等缺点,因此建立一种新型、快速和高效的抗生素废水预处理方法,特别是在此过程中消除抗生素抑菌活性具有重要意义。生物电化学系统(BES)阴极还原降解污染物研究目前受到广泛关注,如硝基苯、氯代有机物、偶氮染料等都可以在阴极特别是生物阴极实现还原降解,而对于抗生素的阴极还原降解目前报道的较少。因此本研究以五种典型抗生素(呋喃西林、呋喃唑酮、甲硝唑、氯霉素和氟苯尼考)为研究对象,探讨其在阴极电化学环境下还原的可行性和路径以及还原降解产物是否可以解除抗生素抑菌活性;此外还研究了不同的外加电压(阴极电位)对于生物阴极还原降解呋喃西林和阴极生物膜群落结构组成的影响;最后通过电极极性反转的方式探讨了由生物阳极反转后的生物阴极是否具有高效的微生物催化能力,这些研究为开发抗生素废水高效预处理技术提供重要的理论依据。首先对阴极电化学还原降解抗生素进行可行性分析,循环伏安(CV)结果表明五种抗生素在不同的阴极电位下具有不同的还原峰,预示着可能发生不同的还原反应。序批式实验结果表明:阴极电位不仅显著影响抗生素的还原速率而且决定了还原产物形成的种类,而缓冲盐浓度和底物浓度仅能影响抗生素的还原速率。阴极电位越低还原降解速率越快,产物被还原越彻底,阴极电位在-1.25 V下抗生素甚至可以发生呋喃西林和呋喃唑酮的开环或氯霉素和氟苯尼考的完全脱卤反应。对阴极出水进行抗生素抑菌活性实验后发现,不同阴极电位下的阴极出水(抗生素还原产物)均不同程度的对大肠杆菌(Escherichia coli DH5α)和乳酸乳球菌(Lactococcus lactis subsp.)失去抑菌活性。不同外加电压对于生物阴极还原降解呋喃西林具有重要影响,外加电压越高(阴极电位越低),呋喃西林还原降解的速率越快,产物生成和再次被降解的速率越快。0.8 V外加电压下以葡萄糖为碳源电子供体的生物阴极还原降解的率常数k分别是非生物阴极和开路对照的1.46和2.63倍。而以碳酸氢钠为碳源和电极为电子供体的生物阴极k值仅比葡萄糖为碳源和电子供体下低8.29%,表明阴极嗜电极微生物可以不主要依赖于外源电子供体而直接从电极得电子催化还原呋喃西林的降解。基于不同外加电压下阴极生物膜16S r RNA基因Illumina测序结果表明:0.2 V和0.5 V外加电压条件下主要富集克雷伯氏菌属(Klebsiella),明显不同于肠球菌属(Enterococcus)占优势的0.8 V外加电压。而三种外加电压条件下的阴极生物膜又明显不同于主要富集假单胞菌属(Pseudomonas)的开路对照实验,因此阴极电位环境能够选择性的富集嗜电极微生物。传统的生物阴极是针对目标污染物预先富集好具有特定降解能力的微生物,再经过电场环境下的多次阴极挂膜来实现。而具有产电能力的生物阳极能否反转阴极进行生物阴极催化还原降解污染物的研究未见报道。因此本研究在生物阳极启动成功后对其进行降解氯霉素(5~80 mg/L梯度增加浓度)驯化实验,经驯化后该生物阳极能够耦合非生物阴极实现阴阳极同步还原降解氯霉素。将具有产电能力及氯霉素降解能力的生物阳极反转阴极后,其还原降解速率比非生物阴极对照快1.63倍,表明反转后的生物阴极仍具有高效的催化还原能力,特别是共基质用碳酸氢钠替代乙酸钠时,其还原降解速率反而提高30.9%,表明反转后阴极生物膜可以更高效的以电极作为电子供体催化还原氯霉素的降解。16S r RNA基因Illumina测序结果表明:典型的电化学活性微生物Geobacter菌属在生物阳极反转为生物阴极后增加了28.34%,丰度达到67.5%,可能对阴极催化污染物的还原降解起关键作用。
【关键词】：抗生素 电化学还原 阴极电位 生物阳极 生物阴极 反转
【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】：2015
【分类号】：X703.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 第1章 绪论17-39
• 1.1 课题来源17
• 1.2 抗生素的危害及在环境中的分布17-22
• 1.2.1 抗生素的种类17-18
• 1.2.2 抗生素及其抗性基因的危害18
• 1.2.3 抗生素在环境中的分布18-19
• 1.2.4 几种典型抗生素的危害及其水中残留19-22
• 1.3 抗生素降解研究进展22-28
• 1.3.1 生物处理法22-25
• 1.3.2 高级氧化法25-26
• 1.3.3 含硝基或卤代类抗生素降解研究进展26-28
• 1.4 生物电化学系统阴极降解污染物研究进展28-35
• 1.4.1 生物电化学系统原理28-30
• 1.4.2 阴极还原降解污染物研究进展30-32
• 1.4.3 生物阴极降解污染物研究进展32-34
• 1.4.4 生物阳极反转为生物阴极研究进展34-35
• 1.5 本论文研究背景、目的和意义35-37
• 1.6 本论文研究内容和技术路线37-39
• 1.6.1 主要研究内容37
• 1.6.2 研究技术路线37-39
• 第2章 实验材料与方法39-51
• 2.1 生物电化学反应器构型及实验装置39-41
• 2.1.1 生物电化学反应器构型39-40
• 2.1.2 实验装置40-41
• 2.2 反应器的启动与运行41-45
• 2.2.1 阴极电化学还原含硝基或卤代类抗生素41-42
• 2.2.2 生物阴极还原降解呋喃西林42-43
• 2.2.3 生物阳极反转生物阴极还原降解氯霉素43-45
• 2.3 实验试剂及培养液配方45-46
• 2.3.1 实验试剂45
• 2.3.2 培养液配方45-46
• 2.4 电化学分析方法46
• 2.4.1 循环伏安分析46
• 2.4.2 交流阻抗分析46
• 2.5 化学分析方法46-47
• 2.5.1 抗生素还原及产物定量分析46
• 2.5.2 抗生素还原产物定性分析46-47
• 2.5.3 定量分析卤离子回收率47
• 2.6 抗生素及其还原产物抑菌活性分析47
• 2.7 生物膜扫描电镜分析47-48
• 2.8 微生物群落结构解析48-49
• 2.8.1 生物膜样品的总DNA提取48-49
• 2.8.2 Illumina Mi Seq测序数据分析49
• 2.9 计算方法及统计学分析49-51
• 2.9.1 阴极电流和抗生素还原降解速率49-50
• 2.9.2 微生物多样性指数分析50
• 2.9.3 Student t检验统计学分析50-51
• 第3章 阴极电化学还原降解典型抗生素51-77
• 3.1 引言51
• 3.2 五种典型抗生素紫外吸收和循环伏安特征51-53
• 3.2.1 紫外吸收特征51-52
• 3.2.2 循环伏安特征52-53
• 3.3 抗生素还原降解效能的关键影响因素53-59
• 3.3.1 不同阴极电位对于抗生素还原效能的影响53-56
• 3.3.2 缓冲盐浓度和种类对于抗生素还原效能的影响56-58
• 3.3.3 抗生素浓度对其还原效能的影响58-59
• 3.4 抗生素还原产物的分析鉴定59-65
• 3.4.1 呋喃西林的还原产物60-61
• 3.4.2 呋喃唑酮的还原产物61-62
• 3.4.3 甲硝唑的还原产物62-63
• 3.4.4 氯霉素的还原产物63-64
• 3.4.5 氟苯尼考的还原产物64-65
• 3.5 不同阴极电位下抗生素还原产物形成规律65-71
• 3.5.1 呋喃西林和呋喃唑酮还原产物形成规律66-67
• 3.5.2 甲硝唑还原产物形成规律67-68
• 3.5.3 氯霉素和氟苯尼考还原产物形成规律68-71
• 3.6 抗生素还原降解路径分析71-74
• 3.6.1 呋喃西林和甲硝唑的还原路径71-72
• 3.6.2 呋喃唑酮的还原路径72
• 3.6.3 氯霉素和氟苯尼考的还原路径72-74
• 3.7 抗生素还原产物的抑菌活性分析74-76
• 3.7.1 呋喃西林和呋喃唑酮还原产物的抑菌活性分析74-75
• 3.7.2 甲硝唑和氟苯尼考还原产物抑菌活性分析75-76
• 3.8 本章小结76-77
• 第4章 生物阴极还原降解呋喃西林77-98
• 4.1 引言77-78
• 4.2 反应器的启动78-81
• 4.2.1 降解呋喃西林富集液的驯化78-79
• 4.2.2 生物阳极的启动79-80
• 4.2.3 生物阴极的启动80-81
• 4.3 葡萄糖为碳源和电子供体下生物阴极还原降解呋喃西林81-84
• 4.3.1 不同外加电压下阴极电位和电流的变化81-82
• 4.3.2 不同外加电压对呋喃西林还原降解效能的影响82-83
• 4.3.3 不同外加电压对呋喃西林还原降解产物生成的影响83-84
• 4.4 碳酸氢钠为外加碳源下生物阴极还原降解呋喃西林84-88
• 4.4.1 不同外加电压下阴极电位和电流的变化84-85
• 4.4.2 不同外加电压对呋喃西林还原降解效能的影响85-86
• 4.4.3 不同外加电压对呋喃西林降解产物的影响86-88
• 4.5 有机和无机碳源对生物阴极还原降解呋喃西林的影响88-90
• 4.5.1 阴极电位和电流88-89
• 4.5.2 还原降解速率89
• 4.5.3 还原降解产物的生成89-90
• 4.6 不同外加电压影响生物阴极催化效能的电化学特征90-92
• 4.6.1 循环伏安特征90-91
• 4.6.2 交流阻抗特征91-92
• 4.7 不同外加电压下阴极生物膜群落结构分析92-97
• 4.7.1 阴极生物膜的电镜观察92-93
• 4.7.2 阴极生物膜群落多样性分析93-95
• 4.7.3 微生物群落结构分析95-97
• 4.8 本章小结97-98
• 第5章 生物阳极反转生物阴极还原降解氯霉素98-119
• 5.1 引言98
• 5.2 生物阳极的启动98-99
• 5.3 生物阳极微生物耐氯霉素的驯化99-102
• 5.3.1 生物阳极微生物耐低浓度氯霉素的驯化99-100
• 5.3.2 生物阳极微生物耐高浓度氯霉素的驯化100-102
• 5.4 阴阳极同步降解氯霉素102-105
• 5.4.1 阴阳极同步降解氯霉素电位和电流变化102
• 5.4.2 阴阳极同步降解氯霉素降解速率及产物形成规律102-104
• 5.4.3 生物阳极与非生物阴极降解氯霉素的比较104-105
• 5.5 生物阳极反转生物阴极降解氯霉素105-111
• 5.5.1 生物阳极反转生物阴极后电流的变化105-106
• 5.5.2 生物阳极反转生物阴极后氯霉素的降解106-108
• 5.5.3 生物阴极催化还原降解CAP及产物形成解析108-111
• 5.6 电极反转前后生物膜的电化学特征111-113
• 5.6.1 反转前后循环伏安分析111-112
• 5.6.2 反转前后交流阻抗分析112-113
• 5.7 电极反转前后微生物群落结构解析113-117
• 5.7.1 微生物多样性指数分析113-114
• 5.7.2 微生物群落结构分析114-117
• 5.8 小结117-119
• 结论119-122
• 参考文献122-140
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果140-142
• 致谢142-143
• 个人简历143

，

本文编号：1044796