硝基苯酚类污染物的微生物降解研究

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环糊精具有疏水的空腔,这种“内疏水,外亲水”的特殊分子结构能与多种有机物形成主客体包合物。硝基苯酚类化合物在工业上具有广泛的应用,是环境中一类典型污染物,大多数具有致癌和致突变作用,对生态环境的危害性极大。微生物降解是一种有效去除环境中污染物的方法,越来越得到人们的重视。微生物对硝基苯酚类化合物的降解目前已经有较多的研究,但是环糊精对硝基苯酚类化合物降解的影响作用尚鲜见文献报道。 本论文主要研究内容包括: (1)研究了菌株分离前后的混合菌株1和能以硝基苯为唯一碳源和氮源的单一菌株2对对硝基苯酚的降解,并通过添加共代谢物的形式,研究菌株驯化分离前后共代谢形式的变化,讨论菌株在驯化分离过程中性能的变化过程。 (2)利用一株硝基苯高效降解菌对硝基苯和对硝基苯酚混合体系进行降解研究,并讨论添加β-环糊精(β-CD)及其衍生物羧甲基-β-环糊精(CMCD)、羟丙基-α-环糊精(HP-α-CD)、羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD)、羟丙基-γ-环糊精(HP-γ-CD)对混合体系生物降解的影响。 (3)对邻、间、对硝基苯酚和硝基苯混合体系的降解过程以及中间产物分别进行分析和探讨,探讨了三种异构体微生物降解的过程,并对三种混合体系的中间产物进行了初步分析。 (4)运用正交实验法进一步探讨该菌株对邻、间、对三种硝基苯酚和硝基苯之间的相互促进、相互制约的作用机制,并研究加入β-环糊精(β-CD)对三种硝基苯酚类化合物的生物降解的影响差异。 研究结果表明: (1)在菌株的驯化分离过程中,分离前的混合菌和分离后的单一菌对对硝基苯酚的降解均为共代谢过程,混合菌株能以葡萄糖和硝基苯为共代谢物,而单一菌株只能以硝基苯为共代谢物。降解过程中微生物首先降解共代谢物从而得以生长和繁殖,并进一步降解对硝基苯酚。微生物对于共代谢物硝基苯具有一定的耐受浓度范围,混合菌对硝基苯的最适降解浓度为200mg/L,单一菌的最适浓度提高到400mg/L;葡萄糖达到一定浓度后,不再成为限制因子,在混合菌降解对硝基苯酚的共代谢体系中,以葡萄糖为共代谢基质的体系要优于以硝基苯为共代谢基质的体系。 (2)该硝基苯高效降解菌对硝基苯和对硝基苯酚混合体系的降解是一个共代谢过程,该过程中微生物首先降解硝基苯从而得以生长和繁殖,并进一步降解对硝基苯酚。在混合体系中加入环糊精能够加速微生物的生长并提高降解速率,通过实验得出,当达到包合平衡时,β-CD和混合体系中对硝基苯酚的最佳浓度配比为20~40:1,最佳分子数配比为2.5~5:1。比较加入五种不同环糊精的影响,发现在环糊精浓度相等的情况下,环糊精对对硝基苯酚的包合作用随主体CD所含的葡萄糖单元的增加而减弱,所带基团的位阻效应也使包合作用减弱。五种环糊精与对硝基苯酚的包合常数顺序为:HP-α-CD>β-CD>HP-β-CD>HP-γ-CD>CMCD。前者对对硝基苯酚的包合程度要好于后者,微生物生长较好,对硝基苯酚降解率较高。在使用环糊精促进对硝基苯酚这种有毒有机化合物的降解时,考虑到使用效果和经济效益,应优先选择应用β-CD。 (3)在三种硝基苯酚和硝基苯的混合体系降解过程中发现,随着浓度的增加,间硝基苯酚对该菌种的抑制性最强,对硝基苯酚的浓度变化对菌种的影响最为明显,邻硝基苯酚的浓度对菌种的抑制性没有太大关系;在高浓度下,邻硝基苯酚对该种菌株的毒性小于另外两类硝基苯酚化合物。在对共代谢过程的中间产物的研究中,我们发现两种中间产物,其中中间产物1在邻、间、对位硝基苯酚混合溶液中均出现,经分析初步断定为硝基苯的降解中间产物2-氨基苯酚,中间产物2只在间硝基苯酚和硝基苯混合溶液中出现,说明该种中间产物极有可能是间位硝基苯酚特有的降解产物,这说明间位硝基苯酚有着和其它两种异构体不同的代谢途径。 (4)在以β-CD的不同用量、硝基苯酚的不同浓度和硝基苯的不同浓度为L<,9>(3)<3>正交因素的所选范围内,β-CD的用量并不是关键因素。三种硝基苯酚的浓度对微生物降解的影响比较关键,随着硝基苯酚的浓度的增加,K值不断的降低,因此硝基苯酚浓度是制约该菌株降解的最大因素。当硝基苯浓度不断增加时,菌株的降解率呈先升后降的趋势,这说明该菌株对硝基苯有一个最适浓度范围。当硝基苯浓度为400mg/L时,菌株的降解效率最高。在间硝基苯酚的混合体系中,硝基苯的最佳浓度范围相对于其他两种硝基苯酚更小。
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