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摘 要：高氯酸盐的广泛应用带来了日益严峻的环境污染问题。从污水处理厂的活性污泥中富集有效降解ClO-4的微生物菌，通过批次实验考察影响高氯酸盐降解菌降解ClO-4过程中的多种因素，如温度、pH值、碳源、ClO-4浓度、硝酸盐、水溶性醌及非水溶性醌等。结果表明，在温度为30 ℃，pH值为7.5～8.5，CH3COO-质量浓度为2.4 g/L时最适合ClO-4的降解。不同的NO-3浓度对菌群降解ClO-4的影响明显。ClO-4初始浓度越高，降解速率越快。筛选出了加速效果最好的水溶性醌AQDS，并且其最适投加量为1.44 mmol/L。加速效果最好的非水溶性醌为1，5-二氯蒽醌，其最适投加量为0.090 mmol/L。
关键词：水污染防治工程；高氯酸盐；降解；醌介体；因素
中图分类号：X7031 文献标志码：A
Abstract：The environmental pollution of perchlorate is more and more serious because of its widely usage. Several parameters affecting perchlorate degradation are examined through batch experiments by perchlorate-degrading bacteria， which include temperature， pH， the concentration of carbon source， ClO-4， NO-3， and water-soluble and water-insoluble quinone compounds. Perchlorate-degrading bacteria is collected and enriched from a sewage treatment plant. The results suggested that the optimal conditions for perchlorate biodegradation are 30 ℃， pH 7.5～8.5 and 2.4 g/L acetate. Different NO-3 concentrations have significant effect on perchlorate biodegradation. The higher the initial concentration of ClO-4， the faster the degradation rate. The acceleration effect of AQDS is the best among dissolved quinone compounds， and the optimal concentration is 1.44 mmol/L. The acceleration effects of 1，5-dichloroanthraquinone is best among non-dissolved quinone compounds， and the optimal concentration is 0.090 mmol/L.
Keywords：water pollution control engineering； perchlorate； degradation； quinone； parameters
近些年，地表水和地下水域中的高氯酸盐（ClO-4）污染一直是一个很严峻的问题。ClO-4污染主要来自固体推进剂、火箭燃料、导弹、道路耀斑和烟花等的使用[1-3]。由于ClO-4对野生动物以及人类的健康构成威胁[4-5]，最近美国环境保护署将其列入饮用水污染物列表中[6]。
ClO-4具有扩散速度快、溶解性高、稳定行强、难降解等特点[7]。饮用受ClO-4污染的水会干扰甲状腺吸碘，甚至影响青少年的神经系统等。环境中ClO-4可能的质量浓度为5.00×10-3～5.00×103 mg/L[8]。一些研究表明低剂量的ClO-4显著抑制碘在人类和动物体内的吸收，高剂量的ClO-4则易引起致命的骨髓疾病[9]。因此去除水体中的ClO-4污染已刻不容缓。
通过物理化学和生物过程可有效去除ClO-4的污染，其中物理化学方法耗资大，并易引发二次污染。微生物法去除ClO-4的效率高，使ClO-4转化为无毒害的氯离子，且具有可行性，因此微生物法是一种很有前景的去除ClO-4污染的方法[10]。并且ClO-4降解菌大量存在于受其污染的水体、土壤中。当前培养筛选降解ClO-4的高效微生物，提高降解速率，优化过程动力学和调控策略仍是研究的重要关注点。
河北科技大学学报2015年第6期王 倩，等：生物降解高氯酸盐的影响因素研究本研究旨在从驯化成熟的污水处理厂的活性污泥中富集有效降解ClO-4的微生物菌，研究影响ClO-4降解菌降解ClO-4过程中的多种因素，初步确定最佳反应条件，并考察硝酸盐、水溶性醌及非水溶性醌对ClO-4降解的影响。
1 材料与方法
1.1 主要实验药品
NaClO4·H2O，CH3COONa，MgSO4·7H2O，CaCl2·2H2O，K2HPO4·2H2O，KH2PO4，NH4Cl等均为分析纯（AR），均由天津永大化学试剂有限公司提供，且纯度均不小于99.5%。
1.2 培养基
培养基：CH3COONa （2.4 g/L），MgSO4·7H2O （0.12 g/L），CaCl2·2H2O （0.08 g/L），K2HPO4·2H2O （0.13 g/L），KH2PO4 （0.06 g/L），微量元素（1～2 mL/L），pH值为（7.0±0.2），121 ℃时灭菌30 min， 冷却后加入无菌NaClO4，NH4Cl。 微量元素：MnCl2·4H2O （0.002 0 g/L），ZnSO4·7H2O （0.004 g/L），CuSO4 （0.001 0 g/L），Na2MoO4 （0.000 2 g/L）。
1.3 菌种来源与富集培养
将某污水处理厂的厌氧消化污泥，经实验室ClO-4降解反应器梯度（0～300 mg/L）提升负荷法驯化，培养出了具有降解ClO-4特性的污泥即驯化成熟污泥。将适量成熟污泥，振荡离心，取上清液，然后接种至装有200 mL培养基的锥形瓶中（已灭菌）。置于恒温摇床培养10 h，其中恒温摇床的温度设定为30 ℃，转速为150 r/min。如此传代培养3～5次，即可获得稳定的具有ClO-4降解特性的菌液。
1.4 各影响因素条件下ClO-4的微生物降解研究
利用稳定的具有ClO-4降解特性的菌液（其OD600达0.3左右）设计批次试验，研究pH值、温度、碳源、ClO-4初始浓度等因素对ClO-4降解的影响，初步确定最适反应条件。在最适反应条件（pH值、温度、碳源（CH3COONa）浓度和ClO-4初始浓度）下，考察硝酸盐、水溶性醌及非水溶性醌对ClO-4降解的影响。其中，由于高浓度的ClO-4对菌群可能有毒害作用，因此，以ClO-4初始质量浓度为100 mg/L（除考察ClO-4初始浓度对降解效率的影响的试验外）展开实验[11]。
1.5 分析方法
ClO-4采用离子色谱法，利用Compact IC-761色谱仪（瑞士万通公司提供）分析测定。色谱柱为Metrosep A Supp 4 （250 mm×4.0 mm），阴离子保护柱Metrosep A Supp 4/5 S-guard （50 mm×4 mm），淋洗液为1.7 mmol/L NaHCO3+1.8 mmol/L Na2CO3，流速为1.0 mL/min，低脉冲串联式双活塞往复泵，MSM化学抑制系统，六通进样阀，抑制型电导检测器；ClO-4和氯离子的检测限为1 mg/L；进样量为20 μL；检测器灵敏度为0.2～0.4 nS/cm；组分混合样品的分析时间为30 min。pH值测定使用PHS225C型数字酸度计，OD值用VIS7220分光光度计于600 nm处测定。
2 结果与讨论
2.1 温度对菌群降解ClO-4的影响
实验通过设置不同的温度（20， 25， 30， 35， 40 ℃）环境并且在pH值为7.5，碳源质量浓度为2.4 g/L，ClO-4初始质量浓度为100 mg/L时，探究温度对微生物菌群降解ClO-4的影响，找寻最适的反应温度。温度对于菌群降解ClO-4的影响如图1所示。实验结果表明，20 ℃时ClO-4降解速率最慢，反应进行130 h仅降解17%；30 ℃为最适降解温度，其降解速率最快，130 h时达到了完全降解效率（100%）。 已有诸多报道中研究了温度对ClO-4降解的影响，其中URBANSKY[12]，DAHL[13]和GHOSH等[14]的研究表明ClO-4降解菌群的最适降解温度为30 ℃，与本研究相同。究其原因，低温抑制了ClO-4降解菌的活性；在一定范围内，温度升高，菌的活性增强，有利于ClO-4的降解；但温度过高时，又不适合菌的生长。
2.2 pH值对菌群降解ClO-4的影响
体系pH值会影响微生物的生长[15]，从而影响ClO-4的降解进程。实验通过设置不同的pH值（65， 70， 7.5， 8.0， 8.5， 9.0， 9.5， 10.0）并在30 ℃，碳源质量浓度为2.4 g/L，ClO-4初始质量浓度为100 mg/L时，探究其对于微生物菌群降解ClO-4的影响，找寻最适的反应pH值。pH值对于菌群降解ClO-4的影响如图2所示。不同pH值下ClO-4的去除效果相差很大。 偏碱性条件下（pH值为9.5或10时），几乎完全抑制了菌的活性，ClO-4去除率很低（不到1%）。当pH值在7.5， 8.0和8.5时，ClO-4降解效果良好，经过64 h，分别降到53.97，28.82 mg/L，去除率分别达到40%和68%。其中以初始pH值为8.5时降解效果最佳。说明了ClO-4降解菌具有较宽的pH值的适应范围，这与GHOSH等[14]，WU等[16]和SEONG等[17]的研究结果类似。该实验中pH值分别为90和9.5条件下的结果区别很大，分析该原因是酶在pH值大于9.5时已经完全失活。推测pH值影响酶活性可能是因为：1）环境中pH值的变化改变了酶活性区域上的基本官能团和酸的离子形式[17]；2） pH值的变化改变了酶的三维形状[18]；3）环境中的pH值影响了底物上的离子团，因此造成底物对酶的亲和力不同[18]。
2.3 碳源（CH3COONa）浓度对ClO-4降解效率的影响
碳源作为微生物所需的营养物质，对菌体生长和酶活性影响较大。本研究是以CH3COONa为外加碳源，设置了不同的碳源质量浓度（0.6，1.2，2.4，3.6，4.8，6.0 g/L），并在30 ℃，pH值为8.5，ClO-4初始质量浓度为100 mg/L时探究微生物菌群降解ClO-4的情况，结果如图3所示。
当碳源质量浓度小于2.4 g/L时，降解速率较慢，原因是菌量较少，且降解过程中碳源不足。当碳源质量浓度为2.4 g/L时，降解ClO-4的速率最快。当碳源的浓度继续增大时，降解速率并未增大，略有降低。分析原因是过多的碳源使实验体系过早地进入厌氧体系，使得菌群中的ClO-4降解菌的含量较碳源质量浓度为2.4 g/L时的含量少，降解ClO-4的速率就略有降低。
2.4 不同初始浓度的ClO-4对降解效率的影响
在最适温度、pH值和外加碳源浓度条件下研究不同初始质量浓度（100，200，300， 400， 500 mg/L）的ClO-4对于菌群降解ClO-4的影响，如图4所示。ClO-4质量浓度达到500 mg/L时，并没有限制细菌降解ClO-4的能力。在0～40 h的范围内，处于菌群降解ClO-4的抑制期[19]，ClO-4浓度没有明显变化。 40 h以后，ClO-4开始降解，降解速率整体较快。当ClO-4初始质量浓度分别为300， 400， 500 mg/L时，在第80 h时ClO-4的质量浓度基本相同，均在180 mg/L左右。说明本试验设定的浓度范围内高浓度的ClO-4，没有抑制ClO-4的降解，且ClO-4初始浓度越高，降解速率越快。 2.5 NO-3对ClO-4降解效率的影响
在最适温度、pH值和外加碳源浓度以及ClO-4初始质量浓度为100 mg/L条件下，通过设置不同的NO-3质量浓度（20，40，80，160 mg/L）来考察其对于微生物菌群降解ClO-4的影响。NO-3质量浓度对于菌群降解ClO-4的影响如图5所示。由图5可以看出，低质量浓度（20 mg/L）的NO-3降解ClO-4速率最快。在120 h时，加NO-3比空白的ClO-4去除率要高。且NO-3浓度越低，促进越明显。比较160 mg/L，80 mg/L和空白3组试验过程，发现高浓度的NO-3在加速ClO-4降解过程中分2个阶段，前期为抑制，后期才会促进，最终去除率超过空白组。这与大多数的研究结果略有不同，像GHOSH等[14]，BATISTA等[20]和WALLACE等[21]的研究中指出在NO-3和ClO-4的浓度相当时，NO-3可作为竞争电子受体，从而抑制体系中ClO-4的降解。而本研究结果中NO-3作为竞争电子受体而起的抑制作用并不明显。
2.6 水溶性醌加速菌群降解ClO-4的研究
水溶性介体具有较好的迁移性，易在体系中均匀扩散，有利于参与微生物与污染物间的电子传递过程，从而加速厌氧条件下的污染物降解[22]。为筛选加速效果最好的水溶性氧化还原介体，考察了分别投加5种结构相似的水溶性醌时，ClO-4降解菌对ClO-4的降解情况。每种醌的投加量均为0.24 mmol/L。试验结果如图6 a）所示，5种醌对ClO-4降解均有加速作用，其加速的原因可能与它们共有的醌基官能团有关，其CO键活性极为活泼，易发生氧化还原反应[23]。70 h时，AQDS达到完全去除率（100%），空白小球去除率仅为48%。5种醌ClO-4降解效率的对比关系为AQDS>AQS>1，5-AQDS>a-AQS>2，7-AQDS>空白，即AQDS为最优介体。GUO等[24]和LIU等[25]也指出水溶性介体对微生物的厌氧降解过程具有加速作用。
图6 b）为不同浓度AQDS影响菌群降解ClO-4的实验结果，AQDS在不同程度上加速了ClO-4的降解速率，60 h内对照组的ClO-4去除率仅为38.3%，而投加0.24～1.68 mmol/L的AQDS体系的ClO-4去除率为56.6%～94.4%，提高了1.5～2.5倍。但是当AQDS浓度从1.44 mmol/L增加到1.68 mmol/L时，ClO-4的降解速率增加并不明显。分析产生这一现象的原因可能是：1）受到体系中碳源的限制[26-27]；2）由于生物体内醌还原酶的限制，微生物利用醌类化合物的量是有限的，高浓度的醌含量可能对微生物体本身产生毒性作用[28]，从而影响其降解活动。
2.7 非水溶性醌加速菌群降解ClO-4的研究
非水溶性氧化还原介体无水溶性，不会因流失而造成二次污染和运行费用增加等问题，更具有实际应用意义[22]。考察非水溶性醌对加速菌群降解ClO-4的影响如图7所示。6种非水溶性醌类化合物对ClO-4的降解均有加速作用，其加速原因可能是因为它们共有的醌基官能团，醌基官能团具有CO键，活性极为活泼，易发生氧化还原反应[29]。如图7 a）所示，反应进行48 h时，1，5-二氯蒽醌（1，5-AQ）去除率最高，达到了72%。6种醌降解速率的对比关系为1，5-二氯蒽醌（1，5-AQ）>1，8-二氯蒽醌（1，8-AQ）>1，4，5，8-四氯蒽醌（1，4，5，8-AQ）>蒽醌（AQ）>1-氯蒽醌（1-AQ）>2-氯蒽醌（2-AQ）>空白小球>菌液。124 h时，加空白小球体系的降解速率远远高于只加菌液的，其去除率分别为78%和37%。分析原因：1）由于介体的加速作用，加入介体的体系中ClO-4的还原速率会一直快于空白菌液体系；2）而加空白小球体系会快于空白菌液体系的降解速率，是因为该体系中小球表面会形成生物膜。其中1，5-AQ催化强化生物还原ClO-4的效果最好，在实际的ClO-4废水处理中具有很大的应用潜力。
图7 b）为不同浓度的最优介体1，5-AQ对于菌群降解ClO-4的影响结果。1，5-AQ的浓度在0.018～0.090 mmol/L范围内，逐渐增加，ClO-4降解速率加快，去除率递增。反应进行48 h时，投加浓度为0.090 mmol/L体系中，去除率达到了100%，为最适投加浓度；当浓度增加到0.108 mmol/L时，对体系没有加速作用，也不抑制。推测醌浓度若继续增高，会抑制降解，即降解速率要比空白小球和菌液的要慢。原因是醌是一种有毒性的物质，菌群对它有一定的耐受程度。当超过它的耐受程度，会对菌的生长和活性起到抑制作用[28]，因此降解速率降低。
3 结 论
本文利用所获得的具有稳定降解ClO-4特性的微生物菌群，研究并分析了影响微生物降解ClO-4效率的多种因素。结果表明：
1） 在温度为30 ℃，pH值为7.5～8.5，CH3COONa质量浓度为2.4 g/L时最适合ClO-4的降解。
2） 不同的NO-3浓度对菌群降解ClO-4的效果明显；在本研究设定范围内ClO-4初始浓度越高，降解速率越快。
3） 对微生物菌群降解ClO-4加速效果最好的水溶性醌为AQDS，其最适投加量为1.44 mmol/L；加速效果最好的非水溶性醌为1，5-AQ，其最适投加量为0.090 mmol/L。
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中图分类号：X7031 文献标志码：A
Abstract：The environmental pollution of perchlorate is more and more serious because of its widely usage. Several parameters affecting perchlorate degradation are examined through batch experiments by perchlorate-degrading bacteria， which include temperature， pH， the concentration of carbon source， ClO-4， NO-3， and water-soluble and water-insoluble quinone compounds. Perchlorate-degrading bacteria is collected and enriched from a sewage treatment plant. The results suggested that the optimal conditions for perchlorate biodegradation are 30 ℃， pH 7.5～8.5 and 2.4 g/L acetate. Different NO-3 concentrations have significant effect on perchlorate biodegradation. The higher the initial concentration of ClO-4， the faster the degradation rate. The acceleration effect of AQDS is the best among dissolved quinone compounds， and the optimal concentration is 1.44 mmol/L. The acceleration effects of 1，5-dichloroanthraquinone is best among non-dissolved quinone compounds， and the optimal concentration is 0.090 mmol/L.
Keywords：water pollution control engineering； perchlorate； degradation； quinone； parameters
近些年，地表水和地下水域中的高氯酸盐（ClO-4）污染一直是一个很严峻的问题。ClO-4污染主要来自固体推进剂、火箭燃料、导弹、道路耀斑和烟花等的使用[1-3]。由于ClO-4对野生动物以及人类的健康构成威胁[4-5]，最近美国环境保护署将其列入饮用水污染物列表中[6]。
ClO-4具有扩散速度快、溶解性高、稳定行强、难降解等特点[7]。饮用受ClO-4污染的水会干扰甲状腺吸碘，甚至影响青少年的神经系统等。环境中ClO-4可能的质量浓度为5.00×10-3～5.00×103 mg/L[8]。一些研究表明低剂量的ClO-4显著抑制碘在人类和动物体内的吸收，高剂量的ClO-4则易引起致命的骨髓疾病[9]。因此去除水体中的ClO-4污染已刻不容缓。
通过物理化学和生物过程可有效去除ClO-4的污染，其中物理化学方法耗资大，并易引发二次污染。微生物法去除ClO-4的效率高，使ClO-4转化为无毒害的氯离子，且具有可行性，因此微生物法是一种很有前景的去除ClO-4污染的方法[10]。并且ClO-4降解菌大量存在于受其污染的水体、土壤中。当前培养筛选降解ClO-4的高效微生物，提高降解速率，优化过程动力学和调控策略仍是研究的重要关注点。
河北科技大学学报2015年第6期王 倩，等：生物降解高氯酸盐的影响因素研究本研究旨在从驯化成熟的污水处理厂的活性污泥中富集有效降解ClO-4的微生物菌，研究影响ClO-4降解菌降解ClO-4过程中的多种因素，初步确定最佳反应条件，并考察硝酸盐、水溶性醌及非水溶性醌对ClO-4降解的影响。
1 材料与方法
1.1 主要实验药品
NaClO4·H2O，CH3COONa，MgSO4·7H2O，CaCl2·2H2O，K2HPO4·2H2O，KH2PO4，NH4Cl等均为分析纯（AR），均由天津永大化学试剂有限公司提供，且纯度均不小于99.5%。
1.2 培养基
培养基：CH3COONa （2.4 g/L），MgSO4·7H2O （0.12 g/L），CaCl2·2H2O （0.08 g/L），K2HPO4·2H2O （0.13 g/L），KH2PO4 （0.06 g/L），微量元素（1～2 mL/L），pH值为（7.0±0.2），121 ℃时灭菌30 min， 冷却后加入无菌NaClO4，NH4Cl。 微量元素：MnCl2·4H2O （0.002 0 g/L），ZnSO4·7H2O （0.004 g/L），CuSO4 （0.001 0 g/L），Na2MoO4 （0.000 2 g/L）。
1.3 菌种来源与富集培养
将某污水处理厂的厌氧消化污泥，经实验室ClO-4降解反应器梯度（0～300 mg/L）提升负荷法驯化，培养出了具有降解ClO-4特性的污泥即驯化成熟污泥。将适量成熟污泥，振荡离心，取上清液，然后接种至装有200 mL培养基的锥形瓶中（已灭菌）。置于恒温摇床培养10 h，其中恒温摇床的温度设定为30 ℃，转速为150 r/min。如此传代培养3～5次，即可获得稳定的具有ClO-4降解特性的菌液。
1.4 各影响因素条件下ClO-4的微生物降解研究
利用稳定的具有ClO-4降解特性的菌液（其OD600达0.3左右）设计批次试验，研究pH值、温度、碳源、ClO-4初始浓度等因素对ClO-4降解的影响，初步确定最适反应条件。在最适反应条件（pH值、温度、碳源（CH3COONa）浓度和ClO-4初始浓度）下，考察硝酸盐、水溶性醌及非水溶性醌对ClO-4降解的影响。其中，由于高浓度的ClO-4对菌群可能有毒害作用，因此，以ClO-4初始质量浓度为100 mg/L（除考察ClO-4初始浓度对降解效率的影响的试验外）展开实验[11]。
1.5 分析方法
ClO-4采用离子色谱法，利用Compact IC-761色谱仪（瑞士万通公司提供）分析测定。色谱柱为Metrosep A Supp 4 （250 mm×4.0 mm），阴离子保护柱Metrosep A Supp 4/5 S-guard （50 mm×4 mm），淋洗液为1.7 mmol/L NaHCO3+1.8 mmol/L Na2CO3，流速为1.0 mL/min，低脉冲串联式双活塞往复泵，MSM化学抑制系统，六通进样阀，抑制型电导检测器；ClO-4和氯离子的检测限为1 mg/L；进样量为20 μL；检测器灵敏度为0.2～0.4 nS/cm；组分混合样品的分析时间为30 min。pH值测定使用PHS225C型数字酸度计，OD值用VIS7220分光光度计于600 nm处测定。
2 结果与讨论
2.1 温度对菌群降解ClO-4的影响
实验通过设置不同的温度（20， 25， 30， 35， 40 ℃）环境并且在pH值为7.5，碳源质量浓度为2.4 g/L，ClO-4初始质量浓度为100 mg/L时，探究温度对微生物菌群降解ClO-4的影响，找寻最适的反应温度。温度对于菌群降解ClO-4的影响如图1所示。实验结果表明，20 ℃时ClO-4降解速率最慢，反应进行130 h仅降解17%；30 ℃为最适降解温度，其降解速率最快，130 h时达到了完全降解效率（100%）。 已有诸多报道中研究了温度对ClO-4降解的影响，其中URBANSKY[12]，DAHL[13]和GHOSH等[14]的研究表明ClO-4降解菌群的最适降解温度为30 ℃，与本研究相同。究其原因，低温抑制了ClO-4降解菌的活性；在一定范围内，温度升高，菌的活性增强，有利于ClO-4的降解；但温度过高时，又不适合菌的生长。
2.2 pH值对菌群降解ClO-4的影响
体系pH值会影响微生物的生长[15]，从而影响ClO-4的降解进程。实验通过设置不同的pH值（65， 70， 7.5， 8.0， 8.5， 9.0， 9.5， 10.0）并在30 ℃，碳源质量浓度为2.4 g/L，ClO-4初始质量浓度为100 mg/L时，探究其对于微生物菌群降解ClO-4的影响，找寻最适的反应pH值。pH值对于菌群降解ClO-4的影响如图2所示。不同pH值下ClO-4的去除效果相差很大。 偏碱性条件下（pH值为9.5或10时），几乎完全抑制了菌的活性，ClO-4去除率很低（不到1%）。当pH值在7.5， 8.0和8.5时，ClO-4降解效果良好，经过64 h，分别降到53.97，28.82 mg/L，去除率分别达到40%和68%。其中以初始pH值为8.5时降解效果最佳。说明了ClO-4降解菌具有较宽的pH值的适应范围，这与GHOSH等[14]，WU等[16]和SEONG等[17]的研究结果类似。该实验中pH值分别为90和9.5条件下的结果区别很大，分析该原因是酶在pH值大于9.5时已经完全失活。推测pH值影响酶活性可能是因为：1）环境中pH值的变化改变了酶活性区域上的基本官能团和酸的离子形式[17]；2） pH值的变化改变了酶的三维形状[18]；3）环境中的pH值影响了底物上的离子团，因此造成底物对酶的亲和力不同[18]。
2.3 碳源（CH3COONa）浓度对ClO-4降解效率的影响
碳源作为微生物所需的营养物质，对菌体生长和酶活性影响较大。本研究是以CH3COONa为外加碳源，设置了不同的碳源质量浓度（0.6，1.2，2.4，3.6，4.8，6.0 g/L），并在30 ℃，pH值为8.5，ClO-4初始质量浓度为100 mg/L时探究微生物菌群降解ClO-4的情况，结果如图3所示。
当碳源质量浓度小于2.4 g/L时，降解速率较慢，原因是菌量较少，且降解过程中碳源不足。当碳源质量浓度为2.4 g/L时，降解ClO-4的速率最快。当碳源的浓度继续增大时，降解速率并未增大，略有降低。分析原因是过多的碳源使实验体系过早地进入厌氧体系，使得菌群中的ClO-4降解菌的含量较碳源质量浓度为2.4 g/L时的含量少，降解ClO-4的速率就略有降低。
2.4 不同初始浓度的ClO-4对降解效率的影响
在最适温度、pH值和外加碳源浓度条件下研究不同初始质量浓度（100，200，300， 400， 500 mg/L）的ClO-4对于菌群降解ClO-4的影响，如图4所示。ClO-4质量浓度达到500 mg/L时，并没有限制细菌降解ClO-4的能力。在0～40 h的范围内，处于菌群降解ClO-4的抑制期[19]，ClO-4浓度没有明显变化。 40 h以后，ClO-4开始降解，降解速率整体较快。当ClO-4初始质量浓度分别为300， 400， 500 mg/L时，在第80 h时ClO-4的质量浓度基本相同，均在180 mg/L左右。说明本试验设定的浓度范围内高浓度的ClO-4，没有抑制ClO-4的降解，且ClO-4初始浓度越高，降解速率越快。 2.5 NO-3对ClO-4降解效率的影响
在最适温度、pH值和外加碳源浓度以及ClO-4初始质量浓度为100 mg/L条件下，通过设置不同的NO-3质量浓度（20，40，80，160 mg/L）来考察其对于微生物菌群降解ClO-4的影响。NO-3质量浓度对于菌群降解ClO-4的影响如图5所示。由图5可以看出，低质量浓度（20 mg/L）的NO-3降解ClO-4速率最快。在120 h时，加NO-3比空白的ClO-4去除率要高。且NO-3浓度越低，促进越明显。比较160 mg/L，80 mg/L和空白3组试验过程，发现高浓度的NO-3在加速ClO-4降解过程中分2个阶段，前期为抑制，后期才会促进，最终去除率超过空白组。这与大多数的研究结果略有不同，像GHOSH等[14]，BATISTA等[20]和WALLACE等[21]的研究中指出在NO-3和ClO-4的浓度相当时，NO-3可作为竞争电子受体，从而抑制体系中ClO-4的降解。而本研究结果中NO-3作为竞争电子受体而起的抑制作用并不明显。
2.6 水溶性醌加速菌群降解ClO-4的研究
水溶性介体具有较好的迁移性，易在体系中均匀扩散，有利于参与微生物与污染物间的电子传递过程，从而加速厌氧条件下的污染物降解[22]。为筛选加速效果最好的水溶性氧化还原介体，考察了分别投加5种结构相似的水溶性醌时，ClO-4降解菌对ClO-4的降解情况。每种醌的投加量均为0.24 mmol/L。试验结果如图6 a）所示，5种醌对ClO-4降解均有加速作用，其加速的原因可能与它们共有的醌基官能团有关，其CO键活性极为活泼，易发生氧化还原反应[23]。70 h时，AQDS达到完全去除率（100%），空白小球去除率仅为48%。5种醌ClO-4降解效率的对比关系为AQDS>AQS>1，5-AQDS>a-AQS>2，7-AQDS>空白，即AQDS为最优介体。GUO等[24]和LIU等[25]也指出水溶性介体对微生物的厌氧降解过程具有加速作用。
图6 b）为不同浓度AQDS影响菌群降解ClO-4的实验结果，AQDS在不同程度上加速了ClO-4的降解速率，60 h内对照组的ClO-4去除率仅为38.3%，而投加0.24～1.68 mmol/L的AQDS体系的ClO-4去除率为56.6%～94.4%，提高了1.5～2.5倍。但是当AQDS浓度从1.44 mmol/L增加到1.68 mmol/L时，ClO-4的降解速率增加并不明显。分析产生这一现象的原因可能是：1）受到体系中碳源的限制[26-27]；2）由于生物体内醌还原酶的限制，微生物利用醌类化合物的量是有限的，高浓度的醌含量可能对微生物体本身产生毒性作用[28]，从而影响其降解活动。
2.7 非水溶性醌加速菌群降解ClO-4的研究
非水溶性氧化还原介体无水溶性，不会因流失而造成二次污染和运行费用增加等问题，更具有实际应用意义[22]。考察非水溶性醌对加速菌群降解ClO-4的影响如图7所示。6种非水溶性醌类化合物对ClO-4的降解均有加速作用，其加速原因可能是因为它们共有的醌基官能团，醌基官能团具有CO键，活性极为活泼，易发生氧化还原反应[29]。如图7 a）所示，反应进行48 h时，1，5-二氯蒽醌（1，5-AQ）去除率最高，达到了72%。6种醌降解速率的对比关系为1，5-二氯蒽醌（1，5-AQ）>1，8-二氯蒽醌（1，8-AQ）>1，4，5，8-四氯蒽醌（1，4，5，8-AQ）>蒽醌（AQ）>1-氯蒽醌（1-AQ）>2-氯蒽醌（2-AQ）>空白小球>菌液。124 h时，加空白小球体系的降解速率远远高于只加菌液的，其去除率分别为78%和37%。分析原因：1）由于介体的加速作用，加入介体的体系中ClO-4的还原速率会一直快于空白菌液体系；2）而加空白小球体系会快于空白菌液体系的降解速率，是因为该体系中小球表面会形成生物膜。其中1，5-AQ催化强化生物还原ClO-4的效果最好，在实际的ClO-4废水处理中具有很大的应用潜力。
图7 b）为不同浓度的最优介体1，5-AQ对于菌群降解ClO-4的影响结果。1，5-AQ的浓度在0.018～0.090 mmol/L范围内，逐渐增加，ClO-4降解速率加快，去除率递增。反应进行48 h时，投加浓度为0.090 mmol/L体系中，去除率达到了100%，为最适投加浓度；当浓度增加到0.108 mmol/L时，对体系没有加速作用，也不抑制。推测醌浓度若继续增高，会抑制降解，即降解速率要比空白小球和菌液的要慢。原因是醌是一种有毒性的物质，菌群对它有一定的耐受程度。当超过它的耐受程度，会对菌的生长和活性起到抑制作用[28]，因此降解速率降低。
3 结 论
本文利用所获得的具有稳定降解ClO-4特性的微生物菌群，研究并分析了影响微生物降解ClO-4效率的多种因素。结果表明：
1） 在温度为30 ℃，pH值为7.5～8.5，CH3COONa质量浓度为2.4 g/L时最适合ClO-4的降解。
2） 不同的NO-3浓度对菌群降解ClO-4的效果明显；在本研究设定范围内ClO-4初始浓度越高，降解速率越快。
3） 对微生物菌群降解ClO-4加速效果最好的水溶性醌为AQDS，其最适投加量为1.44 mmol/L；加速效果最好的非水溶性醌为1，5-AQ，其最适投加量为0.090 mmol/L。
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