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邻苯二甲酸酯类化合物好氧生物降解的实验研究

鲁翌  
【摘要】: 第一章源水及饮用水中PAEs的定性分析 目的:对长江、汉江(武汉段)水源水、饮用水中PAEs的污染状况和深度水处理工艺(臭氧—活性炭)处理后出水中的PAEs化合物进行定性分析。 方法:以武汉自来水厂(宗关水厂、平湖门水厂)的源水、出厂水和管网末梢水为调查对象,分别于2007年、2008年平水期(3月)、丰水期(7月)、枯水期(12月)采集水样,采样量为100~120 L。用XAD-2树脂吸附水中的有机物,用二氯甲烷和丙酮进行洗脱,洗脱液经浓缩后(相对于水中的含量,其浓缩比例为1:5000),通过GC/MS对有机物的成份进行定性分析。2006年4月在南方某自来水厂的中试基地,将臭氧氧化,活性炭(生物活性炭)吸附工艺与传统水处理工艺(混凝沉淀、加氯消毒)相结合,通过不同的工艺组合对当地源水进行处理。源水和不同组合工艺处理后出水的采集、有机物的浓缩和检测与上面描述的方法相同。 结果:GC/MS结果显示所有水样中都有PAEs检出。武汉两水厂的源水和饮用水中主要为DBP和DEP。同2007年相比,2008年新检出两种PAEs为DMP和BBP。南方某中试基地的源水和不同组合工艺处理后出水中均有DMP和DEP检出。 结论:源水和饮用中的PAEs污染非常普遍,现有的自来水处理技术(常规水处理技术和深度水处理技术)难以将其彻底去除。 第二章高效PAEs降解菌的驯化、筛选及鉴定 目的:驯化活性污泥,从驯化污泥中分离出高效PAEs降解菌,并对其生物种属进行鉴定。 方法:从武汉某印染厂取得活性污泥置于曝气池中,以DMP、DEP和DBP为唯一碳源,采用活性污泥曝气与密度梯度驯化方法,即从第1周开始,等量投加DMP、DEP、DBP作为细菌利用碳源。每周PAEs的投加浓度按10 mg/L、20mg/L、30 mg/L、40 mg/L、60 mg/L、80 mg/L、100 mg/L、140 mg/L依次递增,连续驯化8周。用灭菌采样瓶从曝气池采取污泥样本,用接种环蘸取污泥,在普通营养琼脂平板上分区划线以分离纯化细菌。在250 ml的锥形瓶中加入100 ml无机盐培养液,高压灭菌,加入等量DMP、DEP和DBP(各200 mg),按等生物量的原则加入分离出的细菌,置于37℃空气浴摇床中(140 rpm)连续降解7天。用二氯甲烷液液萃取各降解液,用GC法检测其浓度。比较各细菌7天降解率的大小,筛选出高效降解细菌。对筛选出的高效PAEs降解菌,进行革兰染色。结合染色结果,用全自动微生物鉴定仪对其进行生化鉴定。用电子显微镜拍摄高效降解菌的透射电镜照片,观察细菌形态学。提取细菌DNA,扩增16s rDNA序列,并进行碱基序列测定。将序列提交Genbank并进行Blast序列比对,通过比对结果进一步鉴定该菌种属。将细菌置于不同的温度和不同的渗透压下(不同的NaCl浓度)培养,以考察该高效降解菌的生长特性。 结果:从印染厂活性污泥曝气池中分离得到7株细菌,命名为菌株L1~L7。菌株L1~L5对DMP、DEP和DBP(200 mg/L)的七天降解率分别为87.5%,99.1%,98.3%;31.9%,10.2%,0.0%;19.1%,14.2%,16.9%;99.0%,98.6%,99.2%与28.9%,20.0%,6.5%。L6、L7菌基本没有降解效果。确定L4为高效PAEs降解菌,对细菌L4进行鉴定,为赤红球菌(Rhodococcus ruber)。赤红球菌L4在12~42℃均有不同程度的生长,最适生长温度为37℃。赤红球菌L4生长的最佳盐浓度≤0.5%,但在盐浓度为0.5~3%时,亦能良好生长,耐受浓度可高达5%。 结论:采用活性污泥曝气与密度梯度驯化方法,筛选出可高效降解PAEs的赤红球菌(Rhodococcus ruber)。该细菌生长温度范围广,能耐受较高的环境渗透压。 第三章赤红球菌L4降解PAEs的特性研究 目的:确定赤红球菌L4降解PAEs的适宜条件(pH值、温度和初始底物浓度),探索降解动力学,对赤红球菌L4降解相关特性进行初步研究。 方法:通过正交设计(三因素、四水平表)探索赤红球菌L4降解PAEs的最佳温度、pH及初始PAEs浓度。以人工配制的不同初始浓度的PAEs实验水样为降解对象,每天取样检测残留量,以曲线拟合方法获得降解动力学方程。为确定PAEs在水中不同的存在状态对降解效果的影响,分别用直接投加和丙酮(超声)乳化的方法来配制PAEs实验水样(300 mg/L)。为研究赤红球菌L4的环境抵抗特性,将其接种于不同浓度的乙醇、二甲基乙酰胺、正辛烷和甲苯溶液,37℃培养24 h后进行菌落计数以调查其存活率。将赤红球菌L4分别接种于4 mmol/L的苯甲酸钠、苯酚、萘、对硝基酚、邻硝基酚和葡萄糖溶液中,以OD_(600)值作为观测指标,考察该细菌对有机物的利用谱。用油膜法测定PAEs降解液的表面活性。 结果:正交试验显示赤红球菌L4降解PAEs的最佳条件为:pH 7.0~8.0,30~37℃,初始底物浓度≤450 mg/L。赤红球菌L4降解动力学可用方程lnC=—kt+θ’来描述(k为降解反应的速率常数,θ’为积分常数);当初始底物浓度小于300 mg/L时,其降解半衰期为1.30 d;赤红球菌L4在混合PAEs降解过程中,三种PAEs的降解速率,DMP>DEP>DBP。赤红球菌L4对乳化组与非乳化组实验水样5天降解率分别为90.9%和86.9%。赤红球菌L4对10%以下的乙醇和二甲基乙酰胺有较强的耐受能力,对直链烷烃如正辛烷24小时耐受浓度可高达60%,对芳香族化合物如甲苯的耐受能力相对较弱,在4%的甲苯水溶液中仅有少数菌可以存活。赤红球菌L4可分别以苯甲酸钠、苯酚、萘为唯一碳源和能源生长,对苯甲酸钠的利用速度较快,优于葡萄糖,其次为对苯酚和萘的利用,尚未观察到对邻硝基酚、对硝基酚有分解代谢作用。在PAEs的代谢过程中,赤红球菌L4可产生生物表面活性物质,其乳化效果相当于69.2 mg/L的SDS溶液。 结论:赤红球菌L4对PAEs的降解有较强的环境适应性,在最适宜条件下降解效果最好。在最佳降解条件下,赤红球菌L4对不同初始浓度的PAEs的降解可以用一级动力学方程来描述。在降解过程中,较短侧链的PAE被优先利用。赤红球菌L4能产生降低水—油表面张力的表面活性物质,具有乳化能力,有利于生物降解。较宽的利用谱和较强的抗毒性意味着赤红球菌L4在环境污染的生物修复中具有较大的应用潜力。 第四章赤红球菌L4代谢PAEs的机理探讨 目的:应用化学分离、分析技术和分子生物学实验方法探讨赤红球菌L4降解PAEs的机理。 方法:以初始浓度为300 mg/L的DEP实验水样为对象,投加赤红球菌L4进行降解试验,分别于降解24 h,48 h,72 h,96 h时收集降解液,用C18固相萃取柱吸附其中的有机物并用二氯甲烷进行洗脱,洗脱液经浓缩后进行GC/MS检测。用碱裂解法提取细菌质粒,通过琼脂糖凝胶电泳确定其分子量大小。将赤红球菌L4用普通营养肉汤连续传代5次,收集菌体作为对照组;经传代的细菌置于总浓度为300 mg/L的DMP、DEP、DBP混合溶液中培养24 h,收集菌体作为诱导组。用超声波裂解诱导组和对照组细菌,离心后取上清,即为提取的细菌总蛋白(酶)。以不同浓度的小牛血清溶液作为标准系列,用Bradford法测定各组蛋白含量。根据蛋白定量结果,等量投加对照组和诱导组蛋白酶至20μmol/L的邻苯二酚溶液,用分光光度法于260 nm和375 nm处分别测定上述溶液吸光度每分钟的变化值,即可求得邻苯二酚1,2—双加氧酶(C12O)和邻苯二酚2,3—双加氧酶(C23O)的酶活性;用聚丙烯酰胺凝胶电泳对对照组和诱导组细菌总蛋白进行分析。 结果:DEP降解48 h时,其降解液中可以检测到两个中间产物,为邻苯二甲酸单乙酯(monoethyl phthalate)和邻苯二甲酸(phthalate acid)。从赤红球菌L4内提取到3个质粒,其大小分别为65 kb、75 kb和100 kb。酶活性测试说明诱导组细菌的邻苯二酚双加氧酶活性高于肉汤连续传代的对照组(P<0.05),其C12O活性为8.78±0.98 U/mg,C23O活性为3.97±0.55 U/mg。聚丙烯酰胺凝胶电泳显示诱导组有两条新增条带。 结论:在降解初始阶段,赤红球菌L4首先水解其中一个酯键,生成邻苯二甲酸单乙酯,然后继续水解另外一个酯键,生成邻苯二甲酸,后者为主要的中间产物。赤红球菌L4体内拥有至少3条较大的质粒;邻苯二酚双加氧酶是赤红球菌L4降解过程中的关键性蛋白酶。赤红球菌L4经诱导后可同时表达C12O和C23O,但C12O活性增加更为明显。 第五章固定化微生物对水中PAEs的降解 目的:比较固定化微生物和游离微生物对水中PAEs的降解效果。 方法:以10%的PVA和0.5%海藻酸钠溶液为包埋剂,以4%的活性炭为吸附剂,以饱和硼酸溶液作为交联剂,采用吸附—包埋法制备固定化微生物小球。配制含DMP、DEP、DBP的实验水样(300mg/L),以等生物量法,分别将固定化微生物小球或游离细菌投加于其中,然后置于35℃、115 rpm摇床上进行降解试验,测定48 h、72 h的残留量以评价固定化微生物和游离细菌的降解效果。 结果:固定化微生物小球48 h降解率为DMP 72.6%、DEP 70.1%、DBP68.3%;72 h降解率为DMP 79.2%、DEP 94.9%、DBP 72.1%。游离细菌48 h降解率为DMP 48.2%、DEP 41.1%、DBP27.3%;72 h降解率为DMP 72.2%、DEP 71.3%、DBP 58.8%。 结论:以10%的PVA和0.5%海藻酸钠作为包埋剂,以4%的活性炭作为吸附剂可以制备出降解效果良好的固定化微生物小球;固定化微生物对PAEs的降解效果优于游离微生物降解。 第六章PAEs生物降解前后的类雌激素活性的比较 目的:对PAEs混合物生物降解过程中的残留物进行类雌激素活性检测,以评价降解的安全性。 方法:用重组酵母菌雌激素检测系统(Yeast Estrogen Screen,YES)对各样品进行检测。将含有人雌激素受体的重组酵母菌检测液和稀释成一定浓度梯度的DMP、DEP和DBP的单一及混合物在96孔板中培养,以17β—雌二醇作为阳性对照,以CPRG(黄色)作为指示剂,培养3天后,若受试物具有雌激素活性,则溶液由黄色变成红色,红色的深浅代表酶活性强度,用酶标仪在540 nm处予以测定(OD_(540))。用赤红球菌L4对初始总浓度为300 mg/L的DMP、DEP和DBP混合水样进行生物降解,收集降解0 h、24 h、48 h、72 h、96 h后的降解液,用二氯甲烷液液萃取提取其中的有机物。用YES对其进行类雌激素活性检测。 结果:YES试验检测到DEP的类雌激素活性,其强度相当于雌激素(17β—雌二醇)的200万分之一水平,DMP和DBP未检出类雌激素活性。混合PAEs实验水样降解24 h,48 h,72 h,96 h后的残留物的最大类雌激素活性分别为:1.81,1.41,1.25和1.15,低于降解前(0 h)的2.97。 结论:YES试验可以检测DMP,DEP,DBP及其混合物的类雌激素活性,就单一物质而言,DMP、DEP、DBP的类雌激素活性由强至弱依次为DEP>DMP>DBP,混合PAEs的类雌激素活性主要由DEP所致;赤红球菌L4降解PAEs的产物的类雌激素活性,随着降解时间的延长,其水平呈逐步下降趋势。


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9 周皖云 记者 杨官荣;昆明水源水每天“体检”5次[N];昆明日报;2012年
10 海南省生态环境监测中心;2021年10月城市(镇)集中式饮用水源地水质状况[N];海南日报;2022年
11 海南省生态环境监测中心;2022年1月城市(镇)集中式饮用水源地水质状况[N];海南日报;2022年
12 本报记者 闫紫谦 薛立伟;以法之“力”把好生活饮用水安全“闸门”[N];黑龙江日报;2019年
13 通讯员 宋森炎;一季度城区生活饮用水监测结果全达标[N];衢州日报;2015年
14 记者 王艳华;市区居民生活饮用水专项整治活动显成效[N];菏泽日报;2010年
15 记者 杨官荣;昆明提前3年执行饮用水新国标[N];昆明日报;2012年
16 李斌 胡笑红;包装饮用水国标将统一 大企业称企标符合国标[N];中国包装报;2013年
17 记者 高依;李三原一行来咸调研饮用水水质安全工作[N];咸阳日报;2020年
18 记者 许静;加强水源地保护 保障饮用水安全[N];日照日报;2011年
19 铜仁日报融媒体记者 罗旭 谭齐源 杨红;2020第三届梵净山国际天然饮用水博览会天然饮用水产业发展大会在铜召开[N];铜仁日报;2020年
20 铜仁日报融媒体记者 罗旭 谭齐源 杨红;生态好水汇知音 梵净山下谱新篇[N];铜仁日报;2020年
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