（安全技术及工程专业论文）光合细菌球形红细菌Rhodobacter+sphaeroides降解氯苯类化合物的研究.pdf

：牛 一 l ， j i l llit lll l l ll ll l lllll y 18 4 4 4 7 8 ad i s s e r t a t i o nf o rt h e d e g r e e o fd o c t o ri n s 曼! y ! 旦丛望q ! q g y 垒望亟 垦塾g i 坠金i 丛g s t u d i e so nc h l o r o b e n z e n e sd e g r a d a t i o nb y p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ( r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s ) n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 7 |h罗 l h e f 1，0“_= 争 f 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：掰 e l期：加7 9 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： i l r 洹 东北大学博士学位论文 摘要 光合细菌球形红细菌( r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s ) 降解氯苯类化合物的研究 摘要 氯苯类化合物是一类使用范围广、对环境污染严重的化合物。本文以低取代的氯苯、 二氯苯为研究对象，采用光合细菌球形红细菌进行了系统的生物降解研究。论文考察了 光合细菌球形红细菌对水中氯苯在不同条件下的降解效率及其主要影响因素。主要研究 成果如下： 不同浓度氯苯对光合细菌球形红细菌生长和脱氢酶活性影响的研究结果表明，当氯 苯浓度达到8 0m g l 时，即可抑制球形红细菌的生长；当氯苯浓度增加到6 6 6m g l 以上时， 球形红细菌的生长几乎被完全抑s u ；球形红细菌脱氢酶活性随氯苯浓度增加而明显降低。 在此基础上进一步运用化学品对水生生物急性毒性实验的标准方法，研究了氯苯对球形 红细菌的毒性效应，结果表明，氯苯对球形红细菌生长的安全浓度( 最低可见效应浓度 l o e c ) 为4 0m g l ；抑制球形红细菌生长的9 6 h e c 5 0 是3 4 6 7m g l 。 氯苯不能作为球形红细菌生长的唯一碳源和能源，需采用共代谢的方式降解。 葡萄糖、苹果酸、柠檬酸、乙酸、丙酸在好氧和厌氧光照条件下都能较好地支持球 形红细菌的生长，但它们对细菌降解氯苯的影响是不同的，无论是在好氧还是厌氧条件 下，苹果酸作碳源时，细菌对氯苯的降解效果都是较好的。 球形红细菌在厌氧光照条件下降解氯苯的研究结果表明，( 1 ) 碳源浓度、硫酸铵 浓度、酵母膏、p h 值对氯苯降解、脱氯及细胞生长都有较大的影响。在培养基中加入一 定量的酵母膏，可使细菌生长的迟缓期明显缩短，提高氯苯的脱氯率。球形红细菌在厌 氧光照条件下降解氯苯的最佳条件为：苹果酸1 0 9 l 、硫酸铵0 i v t , 、酵母膏1 0 e e l 和p h 值7 0 ；( 2 ) 球形红细菌在以苹果酸为生长底物厌氧降解氯苯的过程中，氯苯降解酶是 由氯苯非生长底物诱导产生。( 3 ) g c m s 分析球形红细菌厌氧降解氯苯的中间降解产 物主要为c h c l 3 、c h 2 c 1 2 和c h 2 c i c h 2 c i 。 以邻二氯苯为例，研究分析光合细菌球形红细菌在厌氧光照条件下对氯苯类化合物 的降解机理。结果表明，( 1 ) 经过驯化后的光合细菌球形红细菌在厌氧光照条件下能 有效降解邻二氯苯，其降解中间产物主要有氯苯、4 一羟基苯甲酸及氯仿。( 2 ) 根据降 i i _ ，y 、? 东北大学博士学位论文摘要 解产物的分析，推断邻二氯苯的降解机理主要是按照先脱掉一个氯原子生成氯苯：然后 氯苯进一步脱氯并通过4 一羟基苯甲酸的代谢途径开环进行。 研究球形红细菌在好氧条件下对氯苯的降解结果表明，( 1 ) 在好氧条件下，球形 红细菌降解氯苯的速率远大于厌氧条件，1 0 0 m g l 氯苯8 h 就被完全去除；氯苯的脱氯过 程滞后于降解过程，脱氯是细菌彻底降解氯苯的限制性步骤。( 2 ) 碳源浓度、接种量、 光照、p h 对氯苯降解、脱氯及细胞生长都有较大的影响，球形红细菌好氧降解氯苯的最 适宜条件为：苹果酸浓度1 5 m g l 、非光照、p h 7 0 、接种量2 0 ( 体积比) 。( 3 ) 球形 红细菌好氧降解氯苯主要是通过1 ，2 双加氧酶催化的邻位裂解途径进行的；双加氧酶是 诱导酶，酶活性的大小与氯苯浓度有关；( 4 ) 根据对细胞提取液中双加氧酶酶活性和 用g c m s 对球形红细菌好氧降解氯苯的产物分析，推断出球形红细菌好氧降解氯苯的途 径是按照先开环再脱氯的过程进行，其具体降解途径为：首先，氯苯被氧化脱氢生成氯 代儿茶酚，然后氯代儿茶酚在1 ，2 一双加氧酶的作用下邻位裂解形成氯代顺顺己二烯二 酸，氯代顺顺一己二烯二酸再进一步被氧化形成c h c l 3 ；最后，c h c l 3 脱氯生成最终代谢 产物氯离子、二氧化碳和水。 投加絮凝剂是使微生物快速形成污泥颗粒的一种有效手段，通过研究在不同絮凝剂 下生成的生物絮体的形态和沉降性能，推荐选用p a c 作为促进球形红细菌形成污泥颗粒 的絮凝剂。p a c 的最佳投加量范围为1 4 0 1 6 0 m g l 。其中，p a c 投加量1 5 0 m g l 时，促进 污泥颗粒化的效果最好。考察球形红细菌污泥颗粒在不m p h 、不同供氧条件、不同温 度条件下对氯苯的降解情况，结果表明，球形红细菌污泥颗粒降解氯苯的最佳条件为好 氧、p h 为7 0 、3 0 。c 。 在s b r 反应器中利用球形红细菌污泥颗粒处理氯苯废水的实验结果表明，采用球形 红细菌污泥颗粒处理氯苯废水的s b r 系统是可行的，其降解氯苯过程符合m o n o d - - 级反 应动力学方程。当进水氯苯浓度在1 2 5 1 8 7 5 m g l 变化时，处理效率都能稳定在 9 0 5 9 5 6 之间；其最佳工艺条件为反应时间6 h 、d o4 7 5 5 0m g l 、沉淀时间1 5 h 、污 泥颗粒浓度4 0 0 0 6 0 0 0 m g l 。 关键词：光合细菌；球形红细菌；生物降解；氯苯类化合物；废水 1 1 1 岁 v 土 - 飞 一 毫 东北大学博士学位论文a b s 仃a c t s t u d i e so nch l o r o b e n z e n e s p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a d e g r a d a t i o nb y ( r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s ) a b s t r a c t c h l o r o b e n z e n e sa r ew i d e l yu s e da s s o l v e n t s ，d e g r e a s e r , a n di n t e r m e d i a t e s i nt h e s y n t h e s i so fd y e sa n dp e s t i c i d e s t h e ya r eh i 曲l yt o x i cc o m p o u n d st h a tc a u s eaw i d ev a r i e t yo f e f f e c t sr a n g i n gf r o mi m m u n o l o g i c a ld i s o r d e r st oa d v e r s ee f f e c t so nt h el i v e r , k i d n e y , t h y r o i d ， a n dl u n g o n c er e l e a s e di n t oe n v i r o n m e n t ，t h e yw i l la c c u m u l a t ei nt h es u r r o u n d i n g sa n d e n d a n g e rh u m a na sw e l la si t se c o l o g i c a le n v i r o n m e n to v e ral o n gp e r i o do ft i m e t h e i n v e s t i g a t i o n o n b i o d e g r a d a t i o n o fc h l o r i n a t e d b e n z e n e s ( c h l o r o b e n z e n e ， o - d i c h l o r o b e n z e n e ) b yt h ep h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i ar h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sw a sc a r r i e do u t t h ed e g r a d a t i o ne f f i c i e n c y ，d e c h l o r i n a t i o ne f f i c i e n c ya n ds o m er e a c t i o np a r a m e t e r ss u c ha s c a r b o ns o u r c e ，i n i t i a lp h ，a n dc h l o r o b e n z e n ec o n c e n t r a t i o nw e r es t u d i e d t h em e t h o d sa n d a c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e rw e r ef o l l o w i n g ： r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sg r o w t ha n dt h e i r d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yu n d e rd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o no fc h l o r o b e n z e n e ( c b ) w e r es t u d i e d w h e nt h ec bc o n c e n t r a t i o nw a s8 0m g l ， t h eg r o w t ho fr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sw a si n h a b i t e d w h e nt h ec bc o n c e n w a t i o nw a sm o r e t h a n6 6 6m 叽，i t sg r o w t hw a sc o m p l e t e l yi n h a b i t e d w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o n c e n t r a t i o no f c b ，t h ed e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yo fr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sw a sd e c r e a s e dg r a d u a l l y a s t a n d a r dm e t h o do fa l g a lb i o a s s a yf o re v a l u a t i n gt h et o x i c i t yo ft o x i cc h e m i c a l sw a sa p p l i e d f u r t h e ri nt h ee x p e r i m e n t s t h el o w e s to b s e r v e de f f e c to ft h e i rc o n c e n t r a t i o n ( l o e c ) o nt h e g r o w t hw a s4 0m g l ，t h e9 6 h e c s oo fc bo nt h ei n h i b i t i o no ft h e i rg r o w t hw a s3 4 6 7m e ：a , c h l o r o b e n z e n ew o u l dn o tb et a k e na ss o l ec a r b o na n de n e r g ys o u r c e sb yr h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e s d e g r a d a t i o nw a y o fc h l o r o b e n z e n ew a sc o m e t a b o l i s mw i t ht h ei n d u c e de n z y m e i nt h ep r e s e n c eo ft h es u i t a b l ec a r b o ns o u r c e t h e s es u b s t r a t e s ，g l u c o s e ，m a l a t e ，c i t r ca c i d ，a c e t i ca c i d ，p r o p i o n i ea c i d ，s u p p o r t e db o t h a e r o b i ca n da n a e r o b i cg r o w t ho fr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sw e l l ，b u tt h e yh a dd i f f e r e n t i n f l u e n c eo nc h l o r o b e n z e n ed e g r a d a t i o nb yr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s w h e nm a l a t ew a s “ s e r v e da sc a r b o ns o u r c e ，t h ed e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yf o rc h l o r o b e n z e n ew a sh i g h e ru n d e rb o t h i v 1 v - 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d i c h l o r o b e n z e n eb yt h es t r a i nt e s t e ds h o w e dt h a t c h l o r o b e n z e n e ，4 - h y d r o x y b e n z o t e ， c h l o r o f o r mw e r ef o r m e d t h ep r o b a b l ed e g r a d a t i v er o u t st a k e ni nt h ea n a e r o b i cm e t a b o l i s m o fc h l o r i n a t e da r o m a t i c c o m p o u n d sb yr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sw e r et h a t t h e y a r e m e t a b o l i z e da n a e r o b i c a l l yt of o r mc h l o r o b e n z e n e ，a n dt h e nc h l o r o b e n z e n ew a sd e c h l o r i n a t e d a n dp a s s e dt h r o u g h4 - h y d r o x y b e n z o t er o u t e sf o ra r o m a t i cr i n gc l e a v a g e r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e swa sab l etode g r a d ech l o r o b e n z e n eun d e ra e r o b i cco n d i t i o n a e r o b i cd e g r a d a t i o nr a t e so fc h l o r o b e n z e n eb yt h es t r a i nw e r e h i g h e rt h a na n a e r o b i c c h l o r o b e n z e n ew a sf u l l yd e g r a d e dw i t h i n8 h d e c h l o r i n a t i o nr a t e so fc h l o r o b e n z e n ew e r e s l o w e ru n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n t h e o p t i m a lc o n d i t i o n s o fa e r o b i c d e g r a d a t i o n o f c h l o r o b e n z e n ew h e nt h ec h l o r o b e n z e n ec o n c e n t r a t i o nw a s10 0 m g lw e r em a l a t e1 s g l ，d a r k ， a n dp h7 0 t h er e s u l t so fe n z y m e sa s s a y ss h o w e dt h a t c a t e c h o l 1 , 2 d i o x y g e n a s ea c t i v i t i e s a n dc a t e c h o l - 2 ，3 d i o x y g e n a s ea c t i v i t i e sw e r ei n d u c e di nc e l l s o ft h es t r a i nr h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e sg r o w no nc h l o r o b e n z e n eu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n , a n dr e l a t e dt oc o n c e n t r a t i o no f c h l o r o b e n z e n e t h ea e r o b i cm e t a b o l i s mo fc h l o r o b e n z e n eb yr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sw a s o r t h or i n gc l e a v a g ec a t a l y z e db yc a t e c h o l - 1 ，2 d i o x y g e n a s e b a s e do nt h ea n a l y s i so fa e r o b i c d e g r a d a t i o np r o d u c t sb yg c m sa n dd i o x y g e n a s ea s s a y so fc e l le x t r a c t s ，t h ed e g r a d a t i v e r o u t st a k e ni nt h ea e r o b i cm e t a b o l i s mo fc h l o r o b e n z e n eb yr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sw e r e d e d u c e d t h e yw e r et h a tf i r s tc h l o r o b e n z e n ew a so x i d i z e da n dd e h y d r o g e n a t e dt of o r m v j - i j ， ，j 0 ，v 东北大学博士学位论文a b s 仃a c t - c h l o r o c a t e c h o l ，s e c o n dc h l o r o c a t e c h o lw a sc l e a v e dt of o r mc h l o r o c i s ，c i s m u c o n a t ec a t a l y z e d b yc a t e c h o l - 1 ，2 d i o x y g e n a s e ，t h i r dc h l o r o c i s ，c i s m u c o n a t ew a so x i d i z e dt of o r mc h l o r o f o r m ， - l a s tc h l o r o f o mw a sd e c h l o r i n a t e dt of o 舯c a r b o nd i o x c i d e ，c h l o r i d ea n dw a t e r 一 、 i n f l u e n c e sofs ev e r a ldi f f e r e n tki n d soff l o c c u l a t i n ga g e n ton ph o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sw e r ea s s e s s e db ya n a l y z i n gs e t t l i n gp e r f o r m a n c e sa n ds t r e n g t ho f b i o f l o c c u l a t e s f r o mt h er e s u l t s ，p o l y c h l o r i n a t e da l u m i n a ( p a c ) w a sf i n a l l ys e l e c t e da sa f l o c c u l a t i n ga g e n tt oa c c e l e r a t ef o r m a t i o no fg r a n u l a rs l u d g eo fr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s t e s t sg a v et h ed o s eo fp a ci nt h er a n g eo f14 0 16 0 m g l w h e nt h ed o s eo fp a cw a s 15 0 m g l ，g r a n u l a t i o nw a st h em o s te f f e c t i v e t h ed e g r a d a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e a c t i o n p a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e do nt r e a t i n gc h l o r o b e n z e n ei nw a t e rb yg r a n u l a rs l u d g eo f r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m a lc o n d i t i o n so ft r e a t m e n tf o r c h l o r o b e n z e n ei nw a t e rb yg r a n u l a r s l u d g eo fr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sw e r ea e r o b i c c o n d i t i o n ，t e m p e r a t u r e3 0 ( 2a n dp h7 0 t h ec h l o r o b e n z e n ew a s t e w a t e rw a st r e a t e dw i t hs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) f i l l e d w i t hg r a n u l a rs l u d g eo fr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es b rs y s t e m w a sr e l i a b l ea n ds t a b l e t h ep a r a m e t e r so fa f f e c t i n gt r e a t m e n te f f i c i e n c yw e r ee x a m i n e d i n c l u d i n gc h l o r o b e n z e n ec o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n t ，s e d i m e n t a t i o nt i m e ，r e a c t i o nt i m e ， c o n c e n t r a t i o no fg r a n u l a rs l u d g e ，c o n c e n t r a t i o no fd i s s o l v e do x y g e n ，i d l et i m e f r o mt h e k i n e t i cs t a n d p o i n t ，t h eb i o d e g r a d t i o np r o c e s so fc bw i t hs b rf i t st h ef i r s to r d e re q u a t i o n w h e nc h l o r o b e n z e n ec o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n t w a t e rw a s12 5t o18 7 5 m g l ，t h er e m o v a lr a t e o fc h l o r o b e n z e n ew a s9 0 5 - 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3 结果与讨论3 8 3 3 1 球形红细菌静息细胞对氯苯的降解3