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有机磷农药曲霉生物降解特性及其动力学的研究

石成春  
【摘要】:有机磷农药的生物降解及其污染水体、土壤的生物修复技术是目前的研究热点。本论文研究了有机磷农药曲霉生物降解过程特性及相关技术。 本工作从福建省三农集团废水污泥中分离筛选到一株耐高浓度氧化乐果(3000mg/L)、且降解速率较高的曲霉G21。系统研究了曲霉G21 对氧化乐果降解的过程特性。曲霉G21 无法在以氧化乐果为唯一碳源的培养基上生长。外加碳源物质(葡萄糖)是控制曲霉G21 生长的关键性因素。 在葡萄糖和氧化乐果共基质体系中,曲霉G21 对葡萄糖和氧化乐果的降解和摄取表现为明显的顺序利用,曲霉优先利用可发酵性碳源葡萄糖,待体系中葡萄糖消耗完毕后才开始快速降解氧化乐果。 系统地研究温度、pH 值、葡萄糖、氧化乐果、外加磷源浓度等因素对曲霉生长和对氧化乐果降解活性的影响。在优化条件下(pH5.5,温度30℃,葡萄糖浓度3g/L),氧化乐果初始浓度2000mg/L,降解反应7d,降解率达90%。 采用Fed-Batch 培养方式研究氧化乐果曲霉降解过程动力学。研究表明,氧化乐果生物降解属底物抑制过程。氧化乐果浓度为900mg/L 时,氧化乐果比降解速率最佳,其值为0.5mg/h?gdw;氧化乐果浓度高于900mg/L 时,底物抑制现象加剧。采用计算机拟合方法,得到氧化乐果曲霉生物降解动力学模型及相关参数。所得模型可以很好的描述氧化乐果比降解速率与氧化乐果浓度的关系,对指导曲霉G21 生物降解氧化乐果过程具有重要的指导意义。 采用GC-MS 手段追踪研究氧化乐果曲霉降解的中间产物及其累积规律。首次报道了O,O,S-三甲基磷酸酯是氧化乐果曲霉G21 生物降解的重要中间产物。氧化乐果分子结构中羰基和其相邻的碳原子的C-C 键可能是曲霉G21 胞外酶的作用位点。在水或土壤介质中,曲霉G21 对O,O,S-三甲基磷酸酯具有较强的进一步降解活性,该有毒中间产物不会随氧化乐果降解率提高而在环境中累积,而是随着氧化乐果生物降解程度提高而被转化降解。研究表明,曲霉G21 对氧化乐果的降解具有生物安全性。 污染土壤的生物修复是当前环境保护领域研究的热点。本工作研究了曲霉G21对氧化乐果污染土壤的生物修复能力。在污染物浓度较低时(15mg/kg 干土)时,投加曲霉对生物修复强化作用不明显,但在浓度较高时(150~500mg/kg 干土),外加曲霉明显加快氧化乐果降解速率,原土中氧化乐果污染物的半衰期由8.9d 缩短到4.9d。实验表明,曲霉G21 适用于中高浓度(或污染事故)情况下的土壤生物修复场合。 以曲霉G21 为母本经草甘膦驯化筛选,获得可以草甘膦为唯一磷源生长,且具有较高草甘膦降解活性的菌株G21b。草甘膦降解过程也具有显著的底物抑制效应,在草甘膦浓度500mg/L 时,比降解速率最佳,其值为0.016 g/h·gdw。在优化条件下(pH6.0,温度30℃,葡萄糖浓度5~7g/L),草甘膦初始浓度300mg/L,降解反应5d,降解率达97%。 本工作筛选的曲霉G21能耐受高浓度氧化乐果和草甘膦,并具有高效降解活性。曲霉是环境友好的微生物,降解中间产物不累积。因而曲霉G21 具备有机磷农药污染环境生物修复潜在的应用前景。


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