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一株丁草胺降解菌及其在废水处理和土壤污染修复中的应用基础

楚小强  
【摘要】: 丁草胺是我国使用量最大的几种除草剂之一,由于大量生产和广泛使用,造成了水体和土壤的污染,对生态系统和人体健康构成了威胁。因此对水体和土壤中丁草胺污染净化的研究引起了人们的关注。本文分离到了一株丁草胺降解细菌,明确了该菌对丁草胺和丙草胺的降解特性及机理,对其在丁草胺废水处理和污染土壤修复中的应用进行了研究。主要研究结果如下: 分离到一株能以丁草胺为唯一碳源和能源生长的细菌BD-1,通过形态特征、生理生化特性、Biolog鉴定结果及16S rDNA序列分析将其鉴定为施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)。 在纯培养的条件下测定了细菌BD-1对丁草胺的降解特性,在接种量0.2(OD_(415))、pH 7.0、30℃条件下,BD-1对丁草胺的降解符合一级动力学特征,1.0、10.0和100.0mg L~(-1)丁草胺的降解半衰期分别0.11 d、0.60 d、0.96 d。细菌BD-1在不同pH和温度下对10 mg L~(-1)丁草胺的降解作用为:pH 7.0>pH 6.0>pH 8.0、30℃>20℃>40℃。BD-1菌降解丁草胺的主要产物为2-氯-2′,6′-二乙基乙酰苯胺和2,6-二乙基乙酰苯胺,主要降解机制有脱氯、脱烷基、水解、羟基化等。鉴于BD-1能以丁草胺为唯一碳源和能源生长,因此丁草胺的降解产物可能被进一步分解生成二氧化碳,为一矿化过程。 细菌BD-1能以丙草胺为唯一碳源和能源生长,在纯培养条件下BD-1对丙草胺的降解受初始浓度、pH和温度的影响。不同条件下BD-1对丙草胺的降解作用顺序为:100 mg L~(-1)>10 mg L~(-1)>1 mg L~(-1)、pH 7.0>pH 6.0>pH 8.0、30℃>20℃>40℃。丙草胺微生物降的主要解产物为2-氯2′,6′-二乙基乙酰苯胺,BD-1对丙草胺的作用方式主要有脱氯、羟基化、脱烷基、水解等。 利用细菌BD-1构建的膜生物反应器对污染物的去除受进水pH及进水COD_(Cr)影响较大,营养液添加对污染物的去除影响不大。在进水COD_(Cr)为1500 mg L~(-1)、HRT为24 h、pH值8.0,膜生物反应器对废水中COD_(Cr)的去除率在81%左右;对废水中丁草胺等四种农药的总去除率在95%以上,其中丁草胺和对丙草胺的去除率分别高达99%和97%。膜生物反应器经过一年多的运行,对丁草胺等酰胺类除草剂的混合废水及丁草胺的生产废水中的COD_(Cr)、农药、浊度等污染物有稳定的去除效果。 采用海藻酸钙凝胶将Pseudomonas stutzeri BD-1进行固定化,研究了固定化BD-1对丁草胺的降解效果。在pH 7.0、30℃条件下,固定化和游离态的BD-1对丁草胺的降解符合一级动力学特征,固定化和游离BD-1对100.0 mg L~(-1)的丁草胺的降解半衰期分别为1.55 h和1.93 h。固定化BD-1在试验pH和温度范围内均对丁草胺均有理想去除效果,与游离的BD-1相比有较宽的pH和温度适应性。在经过五次重复使用之后,固定化BD-1对丁草胺降解明显加快,丁草胺的降解半衰期由第一次的1.56 h缩短至第五次的0.91 h。 用固定化细菌BD-1构建了固定化微生物反应器,研究了该反应器对水中丁草胺的去除效果。结果表明固定化微生物反应器对丁草胺的去除受pH和流速的影响较大,在pH 7.0、流速小于50 mL min~(-1)时,反应器对5 mg L~(-1)丁草胺的去除率在99%以上。 建立了一种膜生物反应器-固定化微生物复合系统,在最佳操作条件下该系统对丁草胺生产废水中的COD_(Cr)、BOD_5、丁草胺、浊度和臭的去除率分别为97.68%、98.90%、100%、100%和100%,同时废水中的其他化合物也得到了有效的去除。 室内模拟条件下2.0 mg kg~(-1)、4.0 mg kg~(-1)和10.0 mg kg~(-1)的丁草胺在土壤中的降解符合一级动力学特征,其降解半衰期分别为6.53 d、8.81 d和11.27 d,随着丁草胺浓度的提高,其在土壤中的降解半衰期明显延长。丁草胺处理初期均会对土壤微生物多样性产生明显的抑制作用。 接种Pseudomonas stutzeri BD-1能明显加快土壤中丁草胺的降解2.0 mg kg~(-1)、4.0mg kg~(-1)和10.0 mg kg~(-1)的丁草胺在BD-1接种土壤中的降解半衰期分别为0.37 d、0.46 d和0.99 d。与未接种土壤相比,丁草胺的降解半衰期分别缩短了94.33%,94.78%和91.22%。BD-1的加入消除了丁草胺对土壤微生物的抑制,提高了土壤微生物多样性。 田间条件下接种细菌BD-1能有效促进土壤中丁草胺的降解。丁草胺在各处理中的降解均符合一级动力学特征,其在喷药浓度为1.26 kg a.i.ha~(-1)、2.52 kg a.i.ha~(-1)和6.30kg a.i.ha~(-1)土壤中的降解半衰期分别为11.17 d、11.67 d和15.71 d,接种BD-1后3个处理(1.26 kg a.i.ha~(-1)+BD-1、2.52 kg a.i.ha~(-1)+BD-1和6.30 kg a.i.ha~(-1)+BD-1)丁草胺的降解半衰期为4.95 d、4.41 d和5.99 d,分别是丁草胺单独处理时的44.32%,37.79%和38.37%。丁草胺能降低土壤微生物的多样性,而BD-1的加入则能恢复并提高土壤微生物多样性。结果表明接种细菌BD-1进行生物强化是丁草胺污染土壤修复的一种有效方法。


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