二苯甲酮-3的生物强化降解及脱毒机理研究

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二苯甲酮类化合物(Benzophenones,BPs)作为一类紫外线吸收剂被广泛用于各种个人护理品中。大量的使用以及稳定的化学性质不可避免地导致其在环境中大量存在。同时,研究发现,部分BPs具有包括内分泌干扰效应和遗传毒性在内的多种生物毒性效应,其潜在的环境风险不容忽视。然而,污水处理厂现有工艺对BPs的去除效率并不高,且容易造成毒性累积的现象。因此,有必要探索出一种可以实现BPs高效脱毒降解的方法,减小其环境风险。本研究选取二苯甲酮-3(BP-3)为研究对象,围绕降解脱毒开展实验,探讨新的BPs处理方法。采用生物强化技术,向活性污泥微生物群落中引入特定降解脱毒菌株,有效加快降解速率,且降低BPs的毒性效应。从微生物群落结构、生物急性毒性和降解路径差异等方面对生物强化机理进行分析,揭示生物强化对降解和脱毒的影响。本研究能为该类化合物的降解转化和风险评价提供数据基础,同时加深了解生物法去除BPs的降解机理。具体包括以下四个方面内容:(1)探讨好氧活性污泥微生物菌群对BP-3的降解效果,并揭示降解产物体系的毒性抑制作用。结果显示,活性污泥经长期驯化后可以培养出能够降解BP-3的微生物菌群,活性污泥菌液18 h可以将10 mg/L BP-3完全降解。并且,活性污泥菌液浓度为0.056 g/L~0.260 g/L时,降解速率与活性污泥菌液量呈线性相关关系。在活性污泥菌液降解BP-3的过程中,降解产物对青海弧菌Q67的毒性呈现先升高后下降的趋势,但22 h后可以完全脱毒,暗示活性污泥菌液中存在BP-3脱毒降解菌。(2)从经驯化的活性污泥菌液中分离纯化出一株针对BP-3的降解菌,经16S r DNA序列分析和鉴定为Rhodococcus ruber,探究其降解及脱毒效果,并探讨外源电子对其降解过程的影响。结果显示,该菌株可以BP-3为唯一碳源进行生长代谢。同等干重条件下,Rhodococcus ruber对BP-3的降解速率约为活性污泥菌液的20倍,脱毒速度也远快于活性污泥菌液,且在降解过程中,并未出现毒性升高现象。外加碳源(葡萄糖、乙酸钠)对Rhodococcus ruber降解BP-3起到加速作用,而相反地,对活性污泥菌液降解BP-3起到减缓作用。(3)将筛选出的Rhodococcus ruber投加到活性污泥菌液体系中,考察生物强化技术对BP-3的降解效果,并对生物强化前后的微生物群落组成和结构加以分析揭示生物强化的机理。结果显示,生物强化可显著加快BP-3的降解以及脱毒速度,避免高毒性中间产物的生成或累积,减小BP-3毒性效应。高通量测序结果表明,Rhodococcus ruber的加入使得活性污泥菌液中微生物群落结构发生显著变化。一方面,Rhodococcus ruber可以在反应系统中稳定增殖。另一方面,Rhodococcus ruber可诱导Chryseobacterium(金黄杆菌属)、Achromobacter(嗜铬杆菌属)、Ochrobactrum(苍白杆菌属)以及Sphingomonas(鞘脂单胞菌属)等菌群相对丰度显著增加,这些菌属已被发现与芳香烃类化合物降解密切相关。(4)对降解产物和降解路径进行分析。结果显示,BP-3的降解主要通过三种途径实现,第一种是苯环羟基化,第二种是苯环脱甲基化,第三种是BP-3的酮转化为酯结构。与活性污泥菌液降解不同,Rhodococcus ruber可以减少中间产物如C12H9O5、C12H9O6的积累,从而加快降解速率。而生物强化降解路径更加多样化,如酯结构既能水解又能够进行苯环的羧基化等,推测这与微生物间的相互作用以及微生物群落结构变化有关。
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