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鼠李糖脂的制备及其在修复多氯联苯污染土壤中的应用

马满英  
【摘要】:在充分综述国内外相关文献的基础上,研究了生物表面活性剂鼠李糖脂的制备及其在修复多氯联苯(PCBs)污染土壤中的应用。 通过单因素及正交实验对铜绿假单胞杆菌AB93066产鼠李糖脂(RL)的发酵培养基配方和产生规律进行了研究。结果表明最佳培养基配方为:ρ(酵母膏)=0.2g/L ,ρ(豆油)=120g/L ,ρ(NaNO_3)=6.5g/L ,ρ(KH_2PO4)=1.0g/L ,ρ(Na_2HPO_4·12_H2O)=1.0g/L,ρ(MgSO_4·7H_2O)=0.1g/L,ρ(FeSO_4·7H_2O)=0.2g/L,pH=6.0。RL的最佳收获期在发酵后156h~168h。发酵生产RL的扩大试验表明,在最优发酵条件下RL的产量可达56g/L以上,提取后的RL可将去离子水的表面张力降至29.01mN/m。用高效液相色谱/质谱联用仪进一步分析了所提取的RL的组成,其分别为二鼠李糖脂(R1)和单鼠李糖脂(R2)两种同系物。R1和R2的临界胶束浓度(CMC)分别为0.03mmol/L和0.04mmol/L。通过正交优化实验找到了一种新的RL提取方法,即预处理酸沉淀冷冻干燥法。与传统方法提取的RL相比,新方法提取的RL纯度更高,且其产量提高了8.8g/L,CMC降低了5mg/L;传统工艺需要大量的氯仿和甲醇等有毒溶剂,而新工艺不需要这些有毒物质。 RL对PCBs的增溶作用主要是由于表面活性剂胶束作用的结果,随PCBs分子中氯含量的增大而减小。RL对PCBs的增溶作用要高于三种非离子化学表面活性剂POE(6)、POE(10)和Brij35。PCBs在RL溶液中的胶束相/水相分配系数(Kmc)随PCBs的疏水性增强而增大。PCBs的辛醇/水分配系数的对数logKOW与logKmc之间的线性回归方程为:logKmc=0.48logKOW+3.08。PCBs在共溶时的表观溶解度小于其作为单一溶质时的表观溶解度。适当增加Na+、Mg~(2+)、Ca~(2+)的浓度对RL溶液增溶2,2',4,4'CB有显著的促进作用,但Ca~(2+)不宜超过0.2mmol/L。无机阴离子Cl-、NO3-、SO42-对RL溶液增溶2,2',4,4'CB的影响很小。RL与非离子表面活性剂对PCBs的增溶存在协同效应,其协同增溶作用的大小与其中非离子表面活性剂的HLB值呈正相关。pH对RL增溶2,2',4,4'CB的影响与RL的浓度有关,当ρ(RL)=300mg/L时,随着pH从5.5上升到8.0,RL对2,2',4,4'CB的增溶作用逐渐减弱;当ρ(RL)=2000mg/L,溶液的pH从5.5升高到7.0时,2,2',4,4'CB的溶解度变化很小,但当pH从7.0升高到9.0时,2,2',4,4'CB的溶解度逐渐提高。 当RL的浓度大于CMC时,RL对PCBs的洗脱有显著的促进作用。具有较低HLB的R2对PCBs的洗脱效果要优于R1。人工污染土壤中PCBs的洗脱效果要高于陈化土壤。污染土壤中TOC的含量越高,PCBs的洗脱率越低。延长解吸时间和增加洗脱次数可增加土壤中PCBs的洗脱率,但解吸时间采用48h较为合适,洗脱总次数以3次为佳。碱性环境(pH7)或适当增加RL溶液中Na~+、K~+、Mg~(2+)、Ca~(2+)的浓度均有利于土壤中PCBs的洗脱,但Mg~(2+)不宜大于0.8mmol/L,Ca~(2+)不宜大于0.25mmol/L。土壤对RL的吸附实验数据与Langmuir等温吸附线有较好的拟合。在柱洗脱试验中,RL对人工污染土样的洗脱率大于60%,而对陈化土样的洗脱率不到20%。RL与POE(6)复配对人工污染土壤中PCBs的洗脱具有明显的协同作用。表面活性剂对PCBs的增溶作用是人工污染土壤中PCBs洗脱的主要机理;而表面活性剂对PCBs的增流作用是陈化土壤中PCBs洗脱的主要机理。增加复配试剂RL-POE(6)的浓度,可提高陈化土壤中PCBs的洗脱率。 PCBs降解菌P.LB400在以RL、POE(6)和联苯为碳源的三种驯化培养基中均能够快速生长,但P.LB400利用联苯的能力最强;利用RL的能力次之。P.LB400菌在生长细胞降解体系中对PCBs的总生物降解率要高于休眠细胞降解体系。以联苯为碳源时,PCBs的生物降解率最高;以RL为碳源时,PCBs的生物降解率次之,但在生长体系中,与以联苯为碳源时的生物降解率非常接近。在休眠细胞降解体系中,P.LB400细胞不能充分利用RL作为碳源,RL对PCBs的生物降解有一定的抑制作用;而在生长细胞降解体系中,P.LB400细胞能够充分利用RL作为碳源,降解菌的生物量明显增长,RL对PCBs的生物降解具有显著的促进作用。在含有混合表面活性剂RL-POE(6)的土壤洗脱液中,PCBs的总生物降解率比仅含RL的土壤洗脱液中PCBs的总降解率略低。紫外光预照射对土壤洗脱液中剩余PCBs的生物降解有一定的促进作用。光照射和生物降解的耦合有利于提高PCBs的降解速率,光降解产物并不抑制微生物对剩余PCBs的利用。


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