固定化三唑酮降解菌球的制备及水体污染修复效应研究

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三唑酮类杀菌剂被广泛应用于农业生产的同时,其农药残留造成了严重的生态环境污染问题。微生物修复技术是实现产地绿色修复的重要途径,固定化微生物技术可以解决传统微生物修复技术有效浓度低、环境竞争力弱、抗毒性污染能力差等不足,近年来受到研究学者的广泛关注。本文以课题组前期通过富集培养法对肠道菌群进行分离纯化筛选出的三唑酮降解菌Stenotrophomonas maltophilia(命名为SM3)作为固定化对象,采用包埋法筛选出最佳固定化材料制成固定化菌球,优化其制备与环境条件,对其进行性能表征,并评价固定化菌球投加于不同水体中对三唑酮的实际去除效果。研究结果如下:1、SM3最佳固定化载体材料的确定选择海藻酸钠(SA)、聚乙烯醇(PVA)、活性炭(AC)、明胶(GEL)、琼脂(AG)、壳聚糖(CTS)、硅藻土(DE)7种常见材料,将SA与其余6种材料混合制备复合载体,评价复合载体包埋下SM3对三唑酮的降解效果。结果表明SA-PVA和SA-AC效果最佳,在120 h对三唑酮的降解率分别为70.69%和75.39%,在此基础上进一步制备PVA-SA-AC复合载体,发现降解率在120 h高达90.79%,提高了近20%,最终确定采用SA-PVA-AC复合载体材料包埋SM3。2、PVA-SA-AC(PSC)复合载体固定化条件的优化采用单一变量法,研究不同配比的复合载体、交联剂、包菌量对三唑酮降解率的影响。结果表明,在其他条件不变的情况下,c(PVA)为6%时,c(SA)为1.5%时,c(AC)为2.5%时,c(Ca Cl2)为1.5%时,包菌量为0.02 g/m L时,对应的PSC-SM3对三唑酮的处理效果最佳,降解率分别为92.07%、90.93%、91.11%、88.98%、74.94%。优化确定最佳固定化配比为:c(PVA)为6%、c(SA)为1.5%、c(AC)为2.5%、交联剂c(Ca Cl2)为1.5%、包菌量为0.02 g/m L。3、固定化菌球PSC-SM3性能的测定固定化菌球PSC-SM3的性能测定结果表明:未包菌组(PSC)小球内部结构呈现多孔蜂窝状,孔隙率大且孔隙分布规则紧密,包菌组(PSC-SM3)显示菌株大量附着,说明方法可行;PSC组和PSC-SM3组降解前后-NH2、-OH、-CH2、C=O基团伸缩峰振动均有差异,且包菌组P-OR、P-O与-NH4特征峰降解前后伸缩振动明显,说明菌株的相关吸附应与细胞膜的磷脂类物质和活性炭相关;PSC-SM3机械强度测定比PSC差,78 h小球全部破碎,空白对照组PSC振荡78 h仍有完好的小球,破碎率81.67%;作用于10 g、20 g、50 g砝码下的小球弹性系数差异不大,在66.28±5.85 N/m到71.37±6.26 N/m之间。100 g砝码作用下小球的弹性系数显著下降,仅为44.25±2.22 N/m,且100 g砝码作用下的小球弹性系数与10 g、20 g、50 g相比均具有显著性差异(p<0.05);固定化组(PSC-SM3)的储存稳定性优于游离组(SM3),96 h游离细胞已完全失去降解活性,相比之下,此时固定化细胞PSC-SM3仍保持51.31%的降解效果。4、响应面优化确定最佳降解条件通过响应面法的Box-behnken设计对PSC-SM3降解三唑酮的环境条件进行优化,经实际修正后最佳条件为:初始p H值为7.48,温度为32.0℃,外加营养源含量为7.68 g,72 h降解率为91.00%。且p H值与温度组的双螺旋曲面系数最大,表明在p H值和温度适宜的环境下,PSC-SM3在不添加碳源和氮源的情况下,可以保持不低于21.68%的降解活性。温度和额外营养源添加量组等高线图呈现圆形,表明二者的交互作用对PSC-SM3的降解率影响并不显著。统计学分析显示R~2、p值、F值、变异系数C.V.%、Cook距离Di、残差和预测响应值均在合理范围内,验证表明模型具备足够的可行性。5、固定化菌球PSC-SM3投加于水体中的实际应用采集生活污水、工业废水、农田灌溉水,分别研究投加固定化菌球PSC-SM3后对供试农药的降解效果,结果表明:在1 mg/L、2 mg/L、5 mg/L、10 mg/L四种浓度下,生活污水中PSC-SM3对三唑酮在14 d的最终降解率分别为80.21%、80.03%、79.72%、76.64%;工业废水中,PSC-SM3在14 d对三唑酮的最终降解率分别为89.50%、86.86%、81.06%、80.72%;农田灌溉水中,PSC-SM3在14 d对三唑酮的最终降解率分别为84.50%、84.39%、76.76%、74.47%。固定化菌球PSC-SM3在工业废水中对三唑酮的去除效果最佳,且生活污水和农田灌溉水中随着三唑酮浓度的上升降解率存在较为显著的下降。本论文结果将为合理评价固定化细胞技术修复水体三唑酮污染提供了理论价值与实际应用意义。
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