环境激素2,4,6-三氯苯酚的微生物降解特征及固定化研究

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水、土壤等自然资源是人类及各种生物生存和发展的基础,然而随着现代化学工业的发展,人类向这些自然环境中排放了大量的难降解有机污染物。其中被称为环境激素的难降解有机污染物,对生态环境造成的影响尤为深重。氯酚化合物是环境激素中应用最为广泛的一类,可强烈地吸附在土壤、沉积物、胶体中,具有生物蓄积作用,在生物体内的富集浓度远超过在水、土壤等环境中的浓度,并且通过生物富集作用进入食物链。这类化合物在自然条件下不易被氧化或水解,挥发性较低,难以通过空气来迁移,但容易通过污水的迁移而广泛分布在相关的环境中。美国环保署已将11种氯酚类环境激素列入优先控制污染物名单。在我国氯酚类化合物的污染问题也备受关注。2,4,6-三氯苯酚是一种较为典型的氯酚类环境激素,在工业上常被作为一种有机化工中间体来使用,广泛应用于杀菌剂、防腐剂、染料的生产,同时也是饮用水氯化消毒过程的副产物。2,4,6-三氯苯酚对生物体具有较强的毒性作用,主要表现在能使蛋白质变性,从而使细胞失去活性。此外,2,4,6-三氯苯酚对神经系统也有一定的损害作用。目前对2,4,6-三氯苯酚的处理方法主要有微生物降解法、光催化氧化法、物理吸附法等。光催化氧化法是采用光催化剂来加快化合物的光解作用,从而达到快速去除污染物目的的处理方法。光催化氧化法相对于微生物降解法具有时间短、处理量大的优势,但反应所需能耗很大,成本较高。物理吸附法是利用吸附剂的吸附作用将化合物从水体中转移到吸附剂上。该方法能有效地去除废水中2,4,6-三氯苯酚,并且还可以将吸附到的化合物回收利用,具有一定的经济合理性,但是吸附法并没有将2,4,6-三氯苯酚转化为无毒无害的产物,对吸附后的废渣还需进行处理,容易产生二次污染,且处理成本较高。相比之下,微生物降解法具有高效率、低成本、无二次污染等特点,在环境污染治理领域发挥着越来越重要的作用。本论文以2,4,6-三氯苯酚为研究对象,开展了其微生物降解方面的大量实验,并得出以下实验研究结果:(1)筛选得到一株2,4,6-三氯苯酚高效降解菌T10。对采集自汤汪污水处理厂的活性污泥进行两次驯化,并经过分离、筛选、纯化等步骤得到一株能以2,4,6-三氯苯酚为唯一碳源生长的降解菌T10,其在初始底物浓度为25mg/L,pH为7.0,温度为30℃的条件下进行降解,5d的降解率达到90.12%,体现较好的降解效果。(2)降解菌T10的分子遗传学鉴定和表型鉴定。将菌株T10的16Sr RNA序列与基因库进行比对,并结合其形态和生理生化特征,鉴定该菌为芽孢杆菌(.Bacillus sp.)。通过构建系统进化树得出菌T10与枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis EF428238的同源性最高,达到99%。该菌在革兰氏染色、淀粉水解、明胶液化试验中显示阳性,在产H2S试验中显示阴性。(3)菌株T10降解条件的优化。本课题主要研究了底物初始浓度、pH值、温度这三个因素对降解的影响。结果表明初始底物浓度在5-25mg/L范围内时,降解菌T10具有较高的生理活性,降解起主导作用,5天的降解率均能达到90%以上;而当底物浓度超过30mg/L时,降解率减缓幅度较大,底物对降解菌活性的抑制逐渐起主导作用。菌株T10在中性条件下降解酶活性最高,当pH为7.0时,5天的降解率可达90.12%;同时该菌具有较强的耐酸碱性能力,其在pH为9.0时,5天降解率也能达到36.47%。降解菌的适宜生长温度范围较宽,在30~40℃范围内,5天的降解率均达到90%以上,如在30℃下,降解率为90.63%,在40℃时,降解率为97.27%。综上所述,在底物浓度为25mg/L以下,温度为30℃至40℃,pH为中性的条件下,降解菌T10对2,4,6-三氯苯酚能保持较高的降解特性。(4)降解反应过程的动力学分析。降解过程符合一级反应动力学模型,将数据进行拟合分析得出,在底物浓度为25mg/L,pH为7.0,温度为30℃下,降解率为90.12%,半衰期为1.26d,降解速率常数为0.5678,R2=0.982。(5)附加碳源和氮源对降解效果的影响。通过测定降解率来研究添加不同碳源、氮源对降解效果的影响,得出结果,降解培养液中分别额外添加蔗糖、醋酸钠、淀粉、蛋白胨可以促进菌T10对2,4,6-三氯苯酚的降解,其中蔗糖和蛋白胨的促进作用最为明显,降解率在3天即能达到100%:另外,可能由于碳氮源吸收的先后问题,在添加葡萄糖、麦芽糖、尿素、氯化铵、硫酸铵、硝酸钾的降解液中,菌株T10对2,4,6-三氯苯酚的降解速率降低。(6)降解中间产物的分析。采用GC-MS分析检测降解中间产物,得出5d后的降解产物为2,4,6-三甲基苯胺、1,2,4,5-四甲基苯以及它们的同分异构体,推测2,4,6-TCP先脱去氯原子再与短链烷基自由组合成新的降解产物。(7)固定化菌对降解效果的影响。选用两组载体材料制备固定化包埋菌,并优化包埋菌的制备条件。海藻酸钠-氯化钙包埋菌的降解效果优于等量游离菌,120h的去除率能达到97%。聚乙烯醇-硼酸固定化小球吸附性较低,在降解过程中未能体现优势。
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