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羊角月牙藻(Selenastrum capricornutum)对高环多环芳烃的降解行为研究

罗丽娟  
【摘要】:多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是环境中广泛分布的一类持久性有机污染物,具有致畸性、致突变性和致癌性。PAHs的环数越多,化学稳定性越强,毒性越大。微生物降解是环境中PAHs去除的最主要途径,主要包括细菌、真菌和微藻。目前,细菌和真菌对PAHs降解的相关研究较多,而微藻降解PAHs的研究还比较少。作为一类有效降解环境中PAHs的微生物,微藻受到人们越来越多的关注。羊角月牙藻(Selenastrum capricornutum)是一种淡水绿藻,因为其在环境中分布广泛、易于培养和具有降解PAHs的能力,成为本论文的研究对象。本文以羊角月牙藻对PAHs的降解为研究对象,研究重金属离子、光照条件等因素对PAHs吸附、降解和代谢的影响,同时研究了藻的活性成分、氧自由基的生成对PAHs降解的作用机制。本论文深入研究了羊角月牙藻对高环PAHs的降解行为,是对微生物降解PAHs的有力补充,为水环境中PAHs污染的生物修复提供理论与实践依据。主要研究成果如下: 1.对于低环的PAHs(芴、菲),重金属胁迫对PAHs的去除有显著的促进作用,在高浓度重金属(Cd2+:0.10mg L-1,Cu2+:1.0mg L-1,Ni2+:2.5mg L-1,Zn2+:1.0mg L-1)处理组中,经过7天的暴露后,培养基中高达99%的芴和89%的菲被去除。对于高环的PAHs(荧蒽、芘、苯并[a]芘),重金属对其在培养基中的去除效率没有影响。 2.重金属对芴的降解具有显著影响。随着重金属浓度的升高,9-芴酮和9-羟基芴的生成量逐渐升高,在高浓度重金属处理组中,9-羟基芴为主要代谢产物,占芴总代谢产物含量的92.4%。结果表明重金属诱导芴降解,是芴从水中去除的最主要原因。低浓度的重金属(Cd2+:0.05mg L-1,Cu2+:0.05mg L-1,Ni2+:0.5mg L-1,Zn2+:0.05mg L-1)促进菲的降解,单羟基菲的总生成量最高(8.78±0.87μg)。随着重金属浓度的升高,菲代谢产物的生成量反而有所下降,与高浓度重金属处理组中菲的最高去除率相反,推测菲进一步降解为1-羟基萘,因为1-羟基萘的生成量在高浓度重金属处理组中最高(3.33μg),明显高于别的处理组(0.13-0.47μg)。因此,重金属的胁迫可以改变菲的降解途径。荧蒽、芘和苯并[a]芘这三种高环PAHs的代谢产物的种类及生成量,不受重金属胁迫的影响。 3.在活藻细胞中,黄光比白光更有利于PAHs的生物降解;在死藻细胞中,白光照射下的PAHs降解率显著高于黄光。在7种PAHs中,苯并[a]蒽和苯并[a]芘的光活性最强,在活藻与死藻细胞的处理中都有很高的降解率;苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽与茚苯[c, d]芘这3种PAHs在活藻中有很高的降解率,但是在死藻中几乎没有降解;二苯并[a, h]蒽和二萘嵌苯最稳定,难以被活藻和死藻细胞降解。除了苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽与茚苯[c, d]芘之外,其他PAHs在死藻细胞中的降解率均高于活藻细胞。 4.羊角月牙藻对苯并[a]芘(BaP)的降解效率高于小球藻(Chlorella sp.),经过七天的暴露,70.8%与27.6%的BaP分别被羊角月牙藻、小球藻的活藻细胞所降解;但是高达98.1%与100%的BaP分别被两者的死藻细胞所降解。死藻细胞比活藻细胞对BaP的降解效率更高,而且死藻细胞对BaP的高降解率与藻的种类无关,是由光照引起的光降解。BaP的降解效果与藻细胞的破坏程度相关,细胞破裂,胞内物质外泄是引起BaP降解的主要原因。从藻细胞中提取的叶绿素能促进BaP的降解,BaP在第4天的降解率为98%。表明叶绿素是死藻细胞中促进BaP降解的活性物质。121oC高温加热10min的叶绿素与光照分解的叶绿素依然能够促进BaP的降解,表明结构遭到破坏的叶绿素依然能起到光敏剂的作用。 5.在光照的条件下,羊角月牙藻的活藻与死藻细胞可以促进水中氧自由基的生成,本论文检测了羟基自由基与单线态氧在白光照射下的动态变化。死藻细胞培养基中的羟基自由基的生成量远高于活藻细胞,经过7天的光照,死藻细胞处理组中的羟基自由基含量比活藻细胞处理组高83.6%。单线态氧的生成也羟基自由基不同,其生成量显著高于羟基自由基,而且活藻细胞中单线态氧的的生成率高于死藻细胞。藻细胞催化生成的氧自由基会与BaP反应,导致检测到的自由基含量减少。氧自由基氧化性强,在水中与BaP反应,是死藻细胞促进BaP降解的原因。 6.羊角月牙藻对三环及四环的PAHs(芴、菲、荧蒽和芘)的代谢产物主要为单羟基化合物,对五环的BaP的主要代谢产物为双羟基化合物。说明羊角月牙藻细胞中既存在单加氧酶,也存在双加氧酶,对低环PAHs主要是采用单加氧酶系统进行代谢,对高环PAHs主要采用双加氧酶系统进行代谢。活藻细胞通过加氧酶系统对PAHs进行生物催化代谢,代谢产物为羟基类物质;死藻细胞中的叶绿素在光照下催化产生氧自由基,促进PAHs的光降解,降解产物为酮类和醌类物质。


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