（环境工程专业论文）高效复合菌降解天然河水中取代苯胺化合物的特性研究.pdf

a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g es a m p l ew a sc o l l e t c e df r o mt h es e c o n d a r ys e t t l i n gt a n ki nt h es e w a g e t r e a t m e n tp l a n to fc h i n ap e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o nn a n j i u gc h e m i c a li n d u s t r yp l a n t t h ec o m p l e xb a c t e r i aw e r ea b t a i n e db y d o m e s t i c a t i n g4 - c h l o r o a n i l i n eu s i n g t h e s e l e c t i v i t yc u l t u r em e t h o d m i c m b i a lc o m m u n i t yo fc o m p l e xb a c t e r i aw a si d e n t i f i e db y p l a t ec u l t u r eo b s e r v a t i o nt e c h n i q u e sa n dg r a ms t a i nm e t h o d t h ec o m p l e xb a c t e r i a sw e r e k u r t h i a , o c h r o b a l t r u m , x a n t h o m o n a sa n db r e v i b a c t e r i u m o n ek i l l do fm y c e t ew a s i n c l u d e d ，w h i c hw a sf u s a r i u ms p b a c t 甜a lg r o w t hi n h i b i t i o nt e s tw a su s e dt od e t e r m i n et h ea c u t et o x i c i t yo f s u b s t i t m e d a n i l i n e st od o m e s t i c a t e dc o m p l e xb a c t e r i aa n dm i x t u r eb a c t 商ai nn a t u r a lw a t e r s ( q i n g h u a ir i v e r ) t h er e s u l t w a st h a td o m e s t i c a t e dc o m p l e xb a c t e r i a st o l e r a n c et o c o m p o u n d ss t u d i e d w 黏s t r o n g e rt h a nt h em i x t u r eb a c t e r i ai nn a t u r a lw a t e r s i tc a nb e f o u n dt h a tt h ea c u t et o x i c i t yo fs u b s t i t u t e da n i l i n e st ot h ec o m p l e xb a c t e r i ah a do b v i o u s c o r r e l a t i o nw i t ht h a to fm i x t u r eb a e t e r i ai nt h en a t u r a lw a t e r , w h e ne x c l u d i n g 4 - c h l o r o a n i l i n eu s e df o rd o m e s t i c a t i o n ，t h er 2i s0 9 u s i n gd o m e s t i c a t e dc o m p l e x b a c t e r i aa sa ni n o c u l u m , t h eb i o d e g r a d a b i l i t yo f s u b s t i t u t e da n i l i n e sw a sd e t e r m i n e db ys h a k i n g - f l a s kt e s t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e b i o d e g r a d a t i o nr a t e s o ft h ec o m p l e xb a c 吲at oc o m p o u n d sh a v eb e e n o b v i o u s l y i m p r o v e da f t e rd o m e s t i c a t i n g b a s e do nt h ef i n a lr e m o v a lr a t e s , t h es u b s t i t u t e da n i l i n e s w a s a r r a n g e da st h i so r d e r ：, 4 - c m o r o a n i l i n e ( 9 7 0 ) 4 - b r o m o a n i l i n e ( 9 1 5 ) 3 - c h l o r o a n i l i n e ( s 8 0 ) 2 - c h l o m a n i l i n e ( 6 4 9 p 2 4 d i c h l o m a n i l i n e ( 5 8 4 p 2 ，4 ，6 - t r i c h l o m a n i l i m 4 7 1 啪i tw a sf o u n dt h a tt h em i x t u r eb a c t e r i a si nn a t u r a lw a t e r sh a saw e a kd e g r a b i l i t yt o t h ep o l l u t a n t si nt h er i v e l , t h eb i e d e g r a d a t i o nr a t eo ft h eb a c t e r i aw a sv e r yl o ww i t ha l o n gl a gp e r i o d i tw a s n o te a s yt or e m o v et h ep o l l u t a n t se f f e c t i v e l ya n d q u i c k l yo n l yb y t h em i x t u r eb a c t e r i ai nw d t t e r s t h ec o m p l e xb a c t e r i a sd e g r a d a b i l i t yc h a n g e d 、撕t ia d d i n g t h em i x t u r eb a c t e r i a i th a sb e e ns h o w nt h a tt h e r ei sc o m p e t i t i o no rs y n e r g i s mb e t w e e n c o m p l e xb a c t e r i aa n dr i v e rb a c t e r i a t h eb i o d e g r a d a b i l i t yo f t w oc o e x i s t e n ts u b s t i t u t e da n i l i n e s ，s u c ha s4 - e h l o r o a n i l i n ea n d 2 - c h l o r o a n i l i n e ，4 - c h l o r o a n i l i n ea n d4 - b r o m o a n i l i n e , a n d2 ，4 - d i c h l o r o a n i l i n ea n d 2 ，4 ，6 - t r i c h l o r o a n i l i n e 、阮f es t u d i e d w ec o u l df o u n dt h a tt h ef i n a lr e m o v a lr a t e so f 2 - c h l o r o a n i l i n e ( 6 6 7 ) w a sh i g h e rw h e nc o e x i s t i n gw i t h4 - c h l o r o a n i l i n ec o m p a r i n gw i t h s i n g l eo n e s ( 6 4 9 ) i tm e a n st h ee n z y m eg e n e r a t e df r o mm e t a b o l i z i n g4 - c h l o r o a n i l i n e i m p r o v e dt h eb i o d e g r a d a t i o nt o2 - - e h l o m a n i l i n e w h e ne o e x i s t n gw i t h4 - c h l o r o a n i l i n e ， t h eb i o d e g r a d a b i l i t yo f4 - b r o m o a n i l i n e ( s 1 3 ) w a sn o ta sg o o da st h es i n g l eo n e s ( 9 i 5 ，银t h eb i o d e g r a d a b i l i t yo f e o e x i s t a n t2 , 4 d i c h l o r o a n i l i n ea n d2 , 0 ，6 t r i e h l o r o a n i l i n e w a sl o w e r , t h e r e 、v e r e5 2 9 a n d3 5 8 k e y w o r d s ：s u b s t i t u t e da n i l i n e s ；c o m p l e xb a e t e r i a s ；b i o d e g r a d a b i l i t y ，a c u t et o x i c i t y 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果与我一同工作的同 事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ； 2 0 0 7 年6 月j 7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理 论文作者( 签名) ： 盗銎&2 0 0 7 年6 月j 7 日 第。章绪论 第一章绪论 鄂：境污染问题是世界当今面临的各种重大问题之一，随着现代化工合成技术的 发展，工业废水或城市污水中的有毒有害物剧增，这些有害物质广泛存在于水系中， 其中相当一部分化合物难以降解，长期残留环境中对牛态系统及人的健康危害极大。 微牛物对大自然的适应能力是非常强大的，它们几乎能降解全部现有的化合物。 只要满足特定的环境和营养条件，微生物群就能彻底清除污染，修复并稳定被破坏 了的生态平，衡【“。 基于微生物的这些优势，在环境科学界，微生物修复技术被认为比物理和化学 处理技术更具发展前途，它在土壤和水体修复中的应用价值是难以估量的。世界各 地学者对于利用微生物修复生态环境这一课题的研究迅速发展起来这些研究大体 从三个方面着手【2 j ；一、利用有效菌种降解有机污染物。二、利用共代谢作用，提 高有机污染物的降解效率。三、优化微生物的生存环境，提高降解有机物的反应速 率。 1 1 取代苯胺类化合物的来源及危害 取代苯胺类化合物主要来自农药、石化、印染、制药、塑料橡胶等行业，具有 较高的辛醇水分配系数，在水处理过程大部分被转移到污泥当中，因此在城市污泥 中普遍存在。这些有机污染物一般结构稳定，很难降解，而且容易在生物体内蓄积， 通过食物链富集，具有“三致”( 致癌、致畸、致突变) 效应，严重影响了污泥的资 源化利用【2 】因此，对于污泥中持久性有机污染物的处理就成了至关重要的问题。 作为取代苯胺类化合物的一族，氯代苯胺类化合物( c a s ) 是一类重要的化工 原料。被广泛应用于染料、农药、防腐剂的合成和制药工业中，通过生产废水排放、 废物处置、事故性泄漏及农药使用等途径进入环境直接造成污染；同时，它又是氯 代硝基芳香烃化合物及除草剂( 如苯氨甲酸醋，苯胺等) 的常见中间代谢产物【3 】。 氯代苯胺类化合物抗微生物降解并且容易与土壤中的腐殖酸结合，减弱了其生物可 利用性、移动性和毒性【4 】。 有研究发现【5 】，施用除草剂的土壤在多年后仍有氯代苯胺类化合物的存在，它 们不仅危害土壤中的微生物系绕，破坏生态平衡，而且还可以通过食物链危及人类 i 町海人中硕十c 位论文高效复合凶忤解人然扣i 水巾取代苯胺化合物的特竹研究 健康。 因此，围绕取代苯胺类化合物的牛物降解机理、代谢途径，具有降解取代苯胺 类化合物能力的微牛物以及化合物的牛物处理工艺等方面研究，对开发取代苯胺类 化合物污染控制技术与污染环境修复技术的研究具有重要的意义 1 2 取代苯胺类化合物的生物毒性研究 目前，国内外有关各类污染物对生物毒性的报导已有很多。由于急性毒性实验 具有简便、快速、费用省、实验结果变异性小且重现性好等特点，因此，已有的化 学品毒性数据多为急性毒性数据b l u m 睁7 等先后报导了1 0 0 多种化合物对甲烷菌等 四种环境细菌的毒性数据，并研究了其与鱼类和m i c r o r o x 毒性数据的相关性国内 学者赵元慧【8 垮也研究了涵盖了苯酚、苯胺、卤代苯、甲苯、烷基酚和硝基化合物 等多类化合物对细菌、发光菌等微生物的急性毒性。李玉梅等人【9 j 在研究氯代芳烃 对江水细菌的生物毒性时发现，氯原子的存在，对化合物毒性的贡献要比甲基( 一 c h 3 ) 、氨基( 一n h 2 ) 更大，且氯原子个数越多，其毒性越强 微生物的耐受性和污染物的毒性有着直接的关系，但是可以通过改变微生物的 外界环境条件增强它们的耐受性 在众多的影响因子中，水温是一个非常重要的因素。研究表明，温度可以影响 水生生物的呼吸频率、化学品的吸附、毒物在生物体中的生物代谢及排除、周围神 经的敏感性、毒物在生物胞液内的扩散、毒物的溶解、毒物与蛋白质的键合常数和 生物膜的通透性等f 1 0 1 。李玉梅 9 1 测定了氯苯在1 0 1 2 、2 2 c 和3 0 1 2 下对江水细菌的急 性毒性，通过浓度效应曲线，得到了相应的2 4 h 半数致死浓度值( i c 5 0 ) 。结果发 现，水温由1 0 t 上升到3 0 1 2 ，氯苯的2 4 4 c 5 0 值从6 3 3 0 m g l 下降到1 7 4 3 m g l ，变 化非常明显。这说明随着温度的升高，氯苯对江水细菌的毒性明显增强。这可能是 由于随着水温的增加，细菌的新陈代谢速率加大，其中细菌对氯苯的摄取速率大于 对其的排泄速率而导致的。 于瑞莲【1 1 】等测定了2 4 个取代苯酚、苯胺类化合物在不同p h 下( 6 0 ，7 8 ，9 o ) 对大型蚤的2 4 h - i c 5 0 ，结果表明，苯胺类化合物对永生生物的毒性随着口h 的增大而 增大；苯酚类化合物的毒性随着p h 的增大而减小，且p k a 越小，受p h 的影响越 第- 奄绪论 大一些研究者认为i t 2 ，环境的p h 对有机酸碱毒性有很大影响，p h 增大，可以使 有机酸电离度增大。使有机碱电离度减小，由于分了型有机物更容易通过牛物膜， 因此一般来说，有机酸的毒性减小，使有机碱的毒性增大。 姚- 丽伟等【1 3 1 在研究废水生化处理对t c c f f c s ( t c c e p 3 , 4 , 4 二氯均二苯脲( c 1 3 h 9 c 1 3 n 2 0 ) ，t c s 即2 , 4 , 4 - 三氯- 2 羟基二苯醚( c n h _ 7 c 1 3 0 2 ) ) 牛物毒性适应性时， 发现在急性毒性实验中，接触t c c t c s 后微生物被强烈抑制，很快失去活力；而试 验系统中，在经历了较长时问的接触后微生物仍保护着一定的活力。究其原因在于 急性毒性实验中，微生物多悬浮于液体，直接暴露于t c c t c s 下，无法受到吸附介 质的保护，耐冲击能力极弱，而在厌氧反应系统的特殊环境条件下，微生物由于填 料的吸附作用使部分微生物接触的实际毒物浓度低于加入量，从而得到定保护， 并且在实际接触浓度较低的情况下被驯化，发生遗传学上的改变，产生抗性 1 3 微生物修复的研究现状 基于微生物处理取代苯胺类有机污染物的优越性，国内外学者对它进行了大量 的研究。研究方向主要有三个方面【2 】。 1 3 1 利用有效菌种降解有机污染物 一般来说，有效菌种的来源分两种。一种是从自然环境中通过驯化、筛选、分 离得到的能够去除特殊污染物的有效菌种，另外一种是通过诱变、质粒转移，原生 质融合和基因重组等手段构建的工程菌。 ( 1 ) 土著微生物 目前，在大多数生物修复工程中实际应用的都是土著微生物，其原因一方面是 由于土著微生物降解污染物的潜力巨大，另一方面也是因为接种的微生物在环境中 难以保持较高的活性以及工程菌的应用受到严格的限制。引进外来微生物和工程菌 时必须注意这些微生物对该地土著微生物的影响。 当处理包括多种污染物( 如直链烃、环烃和芳香烃) 的污染时，单一微生物的 能力通常很有限。土壤微生态试验表明，很少有单一微生物具有降解所有这些污染 物的能力另外，化学品的生物降解能力通常是分步进行的，在这个过程中包括了 和j 海人警硕十学位论文高教复合苗| ；年解凡然河水巾墩代苯版化合物的特州研究 多种酶和多种微牛物的作用，一种酶或微牛物的产物可能成为另一种酶或微牛物的 底物。因此在污染物的实际处理中，必须考虑要接种多种微牛物或者激发当地多样 的土著微牛物。 ( 2 ) 外来微生物 土著微生物牛长速度太慢、代谢活性不高，或者由于污染物的存在而造成土著 微生物数量下降，因此需要接种一些降解污染物的高效菌。 劭e r 和鼬煳鹏y 【”1 在1 9 8 2 年首次在纯培养条件下，从土壤中分离出一株以氯代 苯胺类化合物为唯一碳源、氮源和能源的假单胞菌g ( p s e u d o m o n a ss p ) ，该菌在 好氧条件下可完全降解3m m o l l ( 3 8 5r a g l ) 的4 氯苯胺，通过测定。4 c 标记的4 氯 苯胺的降解过程，发现6 4 的碳以c 0 2 的形式释放，1 4 的碳成为生物有机体。 任华峰等【1 6 1 从某化工厂污水处理车间好氧池活性污泥中分离出一株对氯苯胺 降解菌p c a 0 3 9 该菌株能够以对氯苯胺为唯一碳源、氮源生长通过测定降解途径 中相关酶的活性，表明对氯苯胺经过苯胺双加氧酶初始氧化和羟基化后。芳环的裂 解是由邻苯二酚2 , 3 双加氧酶催化 有一些重大的研究项目正在试图扩展用于生物修复的微生物的范围，科学家们 一方面在寻找天然存在的、有较好的污染物降解动力学特性、并能攻击广谱化合物 的微生物；另一方面也在积极地研究将在极端环境下生长的微生物，包括可耐受有 机溶剂、可在极端碱性条件下或高温下生存的微生物应用于生物修复工程中极端 环境微生物的重要性在于它们存在于对大多数微生物生长不利的环境中，且许多污 染物不溶于水【1 4 l 。 ( 3 ) 基因工程菌 基因工程菌的研究引起了人们浓厚的兴趣，采用细胞融合技术等遗传工程手段 可以将多种降解基因转入同一微生物中，使之获得广谱的降解能力 构建“超级细菌” 质粒可分为相容性质粒和非相容性质粒，可以把相容性的降解质粒转化到一种 菌株里，赋予该菌株能够同时降解多种有机污染物的能力。当然，也可以把不同的 降解基因通过体外重组组建到同一个质粒或载体上去，然后再把这个质粒转化到特 定环境的优势菌株中去。这样就可以构建“超级细菌”，从而扩大其对污染物的 4 第章绪论 降解范围，提高治理效果，增强其净化环境的作用 o 原生质体融合 原牛质体融合技术在牛物修复中的应用始于8 0 年代初，仙在短短的几年里得到 了较为广泛的应用。在有些情况下，两种或多种微牛物在共同存在时才能降解苯胺、 硝基苯及2 4 昏三硝基甲苯( 1 n t ) ，单独存在时不能降解该污染物，这可能是因为 彼此为对方提供了生长所必须的条件或为对方消除了牛长的障碍，使碍它们在共存 的条件下能够顺利降解环境污染物在这种情况下，可以采用原生质体融合技术融 合这两种微生物，融合予就会具备两个亲本的基因与优点：能够降解某种环境污染 物，这也是目前污染治理工程菌制备的一个主要途径1 1 7 】。 o 降解酶或降解基因的改良 微生物能合成各种降解酶，酶具有专一性，对环境中的污染物，微生物通过其 灵活的代谢调控机制而降解转化之通常，人们从自然界筛选的降解菌其降解酶的 活性较低，不能满足实际需要。可以通过各种分子生物学技术来提高其活性，以增 强降解菌对污染物的降解能力，如可以通过定向诱变或随机突变等技术来筛选高活 性的降解基因或降解酶d n a 2 改组技术是1 9 9 4 年由美国的s t e n t m e r 1 羽首先提出来 的，是一种在试管内模拟达尔文进化的过程。i ! i d n a 改组技术诞生以来，得到了 迅速的发展和广泛的应用，美国已经开始应用该技术去除环境污染物。 基因工程菌引入现场环境后会与土著微生物菌群发生激烈的竞争，基因工程菌 必须有中足够的存活时间，其目的基因方能稳定地表达出特定的基因产物特异的 酶如果在环境中基因工程菌最初没有足够的合适能源和碳源，就需要添加适当的 的基质促进齐j 其增殖并表达其产物。目的基因型表达式的产物对微生物本身的活力 并无益处，有迸还会降低基因工程菌的竞争力。解决这一问题的新途径是为目的基 因的宿主微生物创建一个生态位，使其能利用土著菌不能利用的选择性基质【l “。 ( 4 ) 真菌 近年的研究表明，真菌中的白腐菌、酵母菌和青霉菌降解污染有机物颇有成效 【1 9 1 。l e w a n - d o w s k i 等人 2 0 l 利用白腐菌对2 氯酚进行降解实验，初始浓度为4 6 0 r n e j l 的2 氯酚废水，降解率可达7 0 。w i s c o n s o n m a d i s o n 大学【2 l 】对于多种目标化合物的 降角孚进行了研究，用白腐菌经2 8 d 的驯化，能在2 d 内降解约4 0 的4 , 4 - 二氯苯，3 3 “一 河海人学硕十学位论文高效复合曲断解人然w 水r 卜取代苯胺化合物的$ 7 f 1 ：研究 三氯苯，在6 0 d 内降解了8 8 - - 9 0 的五氯酚。 目前，不箭是在驯化自然的微牛物方面，还是在利用基因工程构建高效降解污 染物的微牛物菌株方面，国内外部已经取得了巨大成功。但是，由于有机污染物的 微牛物降解是一个涉及许多酶和微牛物种类的分步过程。一些污染物不可能被彻底 降解，只是转化成毒性和移动性较弱或更强的中间产物。因此，微生物降解有机污 染物还需要更深入的研究。 1 3 2 共代谢作用 共代谢又可称为共氧化或联合氧化，指的是只有在初级能源物质存在时才能进 行的有机化合物的生物降解过程。自然界中许多微生物都有共代谢的能力，各种各 样的底物( 有机污染物) 都可能被利用，其降解反应可能涉及除氧化作用之外的各 种反应。因此，微生物不能依靠某种有机污染物生长，并不一定意味着这种污染物 能够抵御其他微生物的攻击，因为当存在其他可降解有机污染物时，这种污染物就 会通过共代谢作用而实现生物降解。 目前说的共代谢有两种：一是指微生物的“生长基质”和“非生长基质”共酶。 “生长基质”是可以被微生物利用作为唯一碳源和能源的物质。“生长基质”和“非 生长基质”共酶，是指有些污染物( 非生长基质) 不能作为某( 或某些) 微生物的 睢一碳源和能源，其降解并不导致微生物的生长和能量的产生，它们只是在其他微 生物利用生长基质时，被微生物产生的酶降解( 辅助代谢) 或转化成为不完全的氧 化产物，这种转化为其他微生物的攻击创造了条件，因此这种不完全的氧化产物进 而可以被别的微生物利用并彻底降解；二是有机污染物彻底降解为c 0 2 和水的过程 是有多种酶或微生物参与。有机污染物都能作为这些微生物的“生长基质”，在降解 过程中成为它们自身的碳源和能源】。 微生物共代谢对氯代芳烃化合物而言，它包括由微生物完成的各种脱氯反应。 因此，共代谢不但包括微生物在正常生长代谢过程中对非生长基质的共同氧化，而 且包括了生长基质不存在时休眠细胞对非生长基质的氧化代谢。 h e n d r i k s e n 等【2 习研究葡萄耱对五氯苯酚( p c p ) 在反应器中的作用后发现，增加 葡萄糖有利于微生物利用底物并刺激脱氯反应，稳定反应器的运行。保证充足的、 6 第，章绪论 有活性的固定牛物量。反应器连续运行l o 个月后五氯苯酚( p c p ) 去除率仍达9 9 * , ， 有9 4 的p c p 完全脱氯，生物量增加1 5 ；而在未加葡萄糖的反应器中p c p 的去除 率只有3 2 3 7 ，运行不稳定，最多只有2 0 酌p c p 完全脱氯，牟物量没有增加。 同样的现象也出现在固定膜生物反应器中由以上的研究表明，脱氯反应是一个共 代谢过程，葡萄糖起了一个基质作用，而共存于反应器中的微生物通过对葡萄糖的 降解，为脱氯微生物提供了必要的化学活性物质因此处加碳源有利于脱氯微生物 的生长。 1 3 3 优化外界环境 外界生存环境对生物降解有不容忽视的影响例如，在微生物保持活性的温度 范围内，随着水体温度的升高或溶解氧含量的增加，有机污染物的生物降解速度可 以出现不同程度的提高水体中某些物质的存在可能会影响生物降解速率，添加某 些营养物包括碳源与能源物质，或提供目标污染物降解过程所需的因子，将有助于 降解菌的生长 超声波可以用来促进微生物的降解。胡道伟f 2 4 】通过试验证明，超声波辐射的较 适时间为8 m i n ，苯胺的较适浓度为5 3 3 m g l ，适宜降解的培养条件为温度3 0 c ，p 1 4 7 5 培养时间1 2 d 。此条件下的苯胺最高降解率为9 4 2 。 在农药、制药、染料工业所摊放的废水中，一般都含有一定量的n a c l 或硫酸盐。 盐的存在对于有机溶剂萃取是有益的，但是盐类的存在对有机物的生物降解会产生 影响。研究表明，高盐环境下微生物代谢酶活性受阻，生物增长慢，产率系数低； 水体密度增加；影响污泥絮凝性处理含盐废水反应器中溶解氧浓度降低。高盐环 境下的污泥较一般污泥糖类、蛋白质含量低而腊类、r n a 含量高。高盐环境及盐浓 度的变化对生物处理有抑制作用嗍。 根据微生物的厌氧好氧属性来改变微生物生存环境。厌氧微生物能降解许多有 害化合物，进行一些在好氧条件下难以进行的脱毒反应，如卤代脂环芳烃的脱卤还 原，硝基化合物的硝基转化和开环还原作用等。陈元彩( 2 6 1 等人对固定化好氧菌和厌 氧颗粒污泥在不同供氧条件下降解氯酚进行了研究，结果表明，完全厌氧过程尽管 能有效降解低初始浓度的五氯酚，但在高初始浓度下，由于厌氧微生物本身缺乏吸 河海人学硕十学位论文高效复合苗降解人然m 水叶1 取代苯胺化合物的特r 研究 收、同化其代谢产物单氯酚和二氯酚的能力，降解效果并不好。而在有限供养条件 下，通过厌氧菌群与好氧或兼性菌的协同作用，对五氯酚的降解则比较完全。 从难降解有机物进入的天然环境方面来看，受到好氧和厌氧环境的交替作用， 分散于自然水体中的有机物是如此，进入人工处理系统的有机物更是如此，人们采 用的好氧与厌氧多种组合工艺更是强化这一过程。因此，特别是对于在单一处理条 件下呈现出难生物降解性能的氯代芳香化合物，研究其在厌氧好氧交替处理时的牛 物降解性就更具有实际意义【2 “ 1 4 降解机理和代谢途径 1 4 1 降解机理 氯代芳烃类化合物从结构上说是指芳香烃及其衍生物中一个或几个氢原子被氯 原子取代后的产物氯原子的引入引起芳香烃类化合物自身结构改变，使氯代芳烃 类化合物的生物降解性大大降低，但氯代芳烃类化合物脱氯后的代谢产物可被多种 微生物利用而降解。因此，脱氯是氯代芳烃类化合物生物降解至关重要的一步，按 照脱氯过程中的电子得失，将氯代芳烃类化合物的生物降解分为氧化脱氯和还原脱 氯。另外，氯代芳香化合物的生物降解还存在共干弋谢机制，该机制能改变化合物的 分子结构，使其在混合培养中更易于其它微生物的降解( 2 8 1 1 4 2 代谢途径 目前，相对于其他氯代芳烃类化合物的微生物降解方面所做的大量研究工作， 人们对氯代苯胺类化合物的微生物菌种的筛选、代谢途径及机理的研究很少，主要 原因是在微生物代谢过程中产生可使关键降解酶系失活的中间代谢产物( “死产 物”) ，从而使此类化合物的降解变得非常困难。例如氯代芳烃很少通过间位途径 t 2 9 - 3 2 l 进行降解，因为容易形成致死产物使关键酶失活，如作为一种中间产物3 氯邻 苯二酚可自身抑制邻苯二酚2 。3 双加氧酶( c 2 3 d ) 或与其活性中心的f e 2 + 形成螯合 物而使该酶不可逆失活，也可生成一种酰基氯化物( 3 氯邻苯二酚代谢产物) 使c 2 3 d 酶失活 3 3 - 3 4 t j a n k e 等【挣撕t 认为氯代苯胺降解菌株得以完全降解对氯苯胺所应满足的条件有 第章绪论 三个： ( 1 ) 存在广谱芳香族化合物氧化酶系，即专一性低的苯胺氧化酶；( 2 ) 无或阻 断问位降解代谢途径：( 3 ) 含有修饰邻位降解途径，降解途径见图1 i 伽 aa 图1 im o r a x e l l a s p g 菌株降解对氯苯胺( e t a ) 的修饰邻位降解途径 最近张涛等【3 7 1 研究p c a 0 3 9 菌株在降解对氯苯胺时，发现了一条间位代谢途径 作者采用l c m s 技术分析了p c a 0 3 9 l 菌株降解对氯苯胺的中间产物，检测到t 4 氯 邻苯二酚、5 氯4 草酰巴豆酸、5 氯- 2 氧戊烯酸、5 氯4 羟2 酮戊酸等，这些都是 典型单位途径的中问代谢产物。推测的对氯苯胺代谢途径见图1 2 册 a c m a i c o o t c a 一似j 2 0 明 o a o h 0 l o d 露4 1 2 推洲j d i a p h o r o b a c t e r s p p c a 0 3 9 菌株降解对氯苯胺代谢途径 1 5 高效菌在河流体系中降解的可行性 实际环境中含有难降解有机物的废水是多种成分共存的混合液。单一基质、 7 l 眦a l、 。，。l 卜 j 町海人中硕十学位论文高效复台曲| 峁解人然河水f f i 取代苯胺化合物的特f 研究 单一菌种条件下有机物牛物降解性能的研究结果与实际废水处殚情况相比有较大 差距。从氯代苯胺化合物进入环境后所处的系统来看，它不是单一存在的，而是 由多种有机物、多种微牛物等组成的十分复杂的系统，在这一系统中，多种组分 共存并且相互作用1 3 8 枷l ，诸如基质问对酶的竞争与非竞争作用、共代谢作用、微 牛物对基质的协同作用等。因此用单一基质条件下的生物降解性结论来描述多种 基质共存时化合物的降解性能难免产生“失真”的情况。 由于河流体系本身是一个复杂的系统，对微生物降解性能存在不可忽视的影 响。因此，有必要了解河流体系的生态特点 1 , 5 1 河流体系生态系统特点 河流是地球淡水循环的关键环节，是地表特殊的地理和生态单元，对地球生物 圈和生态系统，尤其是陆地生态系统，具有重要的影响。河流形成的过程极为复杂， 是陆地水环境中重要的组成部分，河流生态系统环境质量的好坏通常直接影响到湖 泊和海洋的环境质量。 衡量河流环境质量的要素可以分为水文要素、水质要素和水生态系统要素。河 流的水文要素包括流量、水位、泥沙量等；水文要素的变化取决于当地的气象条件、 下垫面因素和河遂几何特征。在环境学中，河流水体是水、溶解性物质、悬浮性物 质、水生生物、底泥组成的自然综合体因此，河流水质受河水挟带物的影响，水 和水中各种物质相互作用，共同决定了水的质量。而水生生态系统是指水体中的生 物及生物所处的环境条件组成的具有一定结构和功能的统一体。就其结构来看，水 生生态系统包括环境条件，即光照、水温及其它物理因素、参加物质循环的无机物 质、联系生物和非生物的有机化合物；生产者、消费者和分解者1 4 l 】。 l 河流生态系统的结构 河流生态系统主要由生产者、消费者、分解者和环境要素所构成。河流生态系 统的初级生产者主要是植物，包括大型植物( 挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉 水植物) 、浮游植物和附着植物等。河流生态系统的消费者主要是动物，包括浮游 动物、底栖动物和鱼类，这类生物主要以其它生物为食物，属异养生物。微生物分 解者主要为细菌和真菌。它们生长在河流中任何地方，包括水流、河床底泥、石头 】0 第。章绪论 和植物表面等，分解河流中动植物的残体、粪便和各种复杂的有机化合物，吸收某 些分解产物，最终将有机物分解为简单的无机物，而这些无机物参与物质循环后可 被牛产者重新利用1 4 ” 1 5 3 多种微生物群的生态关系 作为河流牛态系统中的分解者，微生物群落之间也有着复杂的生态关系。微牛 物作为顶级牛态群落的组成部分，与其它生物之间有着复杂关系，表现为互相促进 或抑制关系促进关系包括共生关系、互生关系、协作关系：抑制作用包括竞争、 寄生、猎食等。 ( i ) 共生关系：环境中污染物的降解现象是很普遍的，然而从环境中分离出降 解微生物往往是很困难的，原因在于许多污染物的降解是多种微生物共代谢的结果。 一种微生物往往无法直接利用自身代谢产生的能量，共生关系的微生物互相提供底 物以供生长，共代谢是许多污染物降解的主要机制如：多氯联苯的降解。类似富 集法( a n a l o g u ee n r i c h m e n t ) 和交叉适应法( c r o s s - a c c l i m a t i o n ) 都是在这基础上发展 而来到生物修复。类似富集法是指外加结构类似的可降解化合物于生态系统中，富 集培养共代谢的微生物；交叉适应法是指可降解一种特殊污染物的微生物，也可驯 化成降解相关的污染物。利用这些方法可以缩短污染物暴露及微生物降解的时间 1 4 1 1 ( 2 ) 互生关系：互生关系在降解微生物之间极为普遍，微生物之闻彼此满足营养 的需要，互利互惠，在厌氧环境下，这种关系更占优势，微生物之间存在这一种热 力学的平衡转移，一种微生物的代谢产物为另一种微生物创造了一个生态位，促进 了群落问的种群替换在相同的生态环境中，不同的时间，不同的污染物，不同的 微生物，不同的代谢途径，不同的代谢产物，产生了不同的微生物群落但随着能 源的耗尽，生态位消失，微生物也随之消亡污染物的初步降解能否继续进行与其 降解产物被转移效率是紧密相关的。参与到这种过程中的不只是单种微生物，而是 微生物群体。 根据协同代谢理论，特定微生物对污染物的降解不能为微生物的生长提供碳源 和能源，但是其降解产物在第二个菌株的作用下，可以继续共代谢或完全矿化。例 扣i 海大学碗十学位论文高教复合苗醉解天然河水巾取代苯胺化舍物的特忡研究 如，五氯苯酚完全脱氯就是由几种不同细菌分别进行，脱氯后牛成的苯酚再由其它 细菌进一步分解为甲烷和二氧化碳m 甜 徐向阳等人1 4 3 l 利用从受酚污染的水体中分离出的两株菌s p i 和s p 2 的混合培养物 作用于氯酚时，较之它们各自单独作用时，具有了更高的降解活性。 f r a n z 等】在利用外加降解菌与土著菌治理氯代| 苯胺污染土壤的可行性研究中 认为，在3 0 ( 2 温度下、6 周时间内土著菌可部分降解2 r e t o o l l 3 氯苯胺和3 二氯苯 胺( 5 0 去除率) ，而接入8 x i 0 6 个菌，克干土的食酸假单胞菌( p a c i d o v o r a n s ) 后， 2 4 h 便可降解8 6 的3 氯苯胺。 ( 3 ) 竞争关系：降解微生物与其它生物之间同样存在着营养与环境因子的竞争 在竞争条件下，即使环境中己存在某种降解微生物，预料中污染物的转化也不一定 会发生原因在于环境中其他生物可能更易于获得营养底物、光线和空间等，生长 繁殖速度快，成为环境中的优势种，而该种降解微生物的生长则受到抑制微生物 能否成为电子的最终接受者影响到竞争关系及生态系统中群落的结构。因此，了解 微生物种群结构将有助于预测污染物在环境中的归宿，有助于根据环境中不同的污 染物设计不同的生物修复方案，培养特殊的降解微生物群体f 4 l j 。 由于两种可以对同一目标物起作用的不同菌株之间不一定就存在着协同作用， 有时候甚至存在着竞争。因此，共代谢中混合菌株的选择很重要，选择不当就有可 能对共代谢的结果造成不利的影响。 1 5 4 多种化合物共存时的生物降解 大多数研究都是针对某种单一化合物进行的。实际水体中一般有多种类型的化 合物同时存在，不同化合物之间的联合作用并不十分清楚。因此，有必要对多种化 合物共存时微生物对之的生物降解迸行研究。 全向春等人 4 s - 4 6 1 对两种污染物共存时的微生物降解特性进行了探索。他们在采 用生物强化技术降解废水中的难降解有机物2 , 4 二氯酚时，研究了不同浓度的苯酚 和4 氯酚存在对2 小二氯酚降解的影响。当降解2 ，4 二氯酚的生物强化系统中存在 苯酚或4 氯酚时，会对2 争二氯酚的生物降解速率产生一定的抑制作用，抑制作用 随加入量增加而增强；4 氯酚与2 二氯酚共基质存在于生物强化系统中时，2 , 4 第章绪论 二氯酚优先被微牟物降解，随后4 氯酚才被分解。 韦朝海等【4 7 】将含约2 0m g l 硝基苯和1 0 0m g l 苯胺溶液混合成受试液，在适 宜的接种量条件下了解其降解情况。研究发现硝基苯对苯胺的降解有明显的抑制效 应，苯胺对硝基苯的抑制作用不明显。混合基质、混合菌种情况下的降解比单一基 质、单一菌种的降解速度要慢得多，表现出拮抗效应。 1 5 5 水环境的影响 在微生物保持活性的温度范围内，随着水体温度的升高或溶解氧含量的增加， 有机污染物的生物降解速度可以出现不同程度的提高同时，永体中某些物质的存 在可能会影响生物降解速率，例如水体中存在的胡敏酸可以明显缩短多环芳烃的生 物降解时间，使其半衰期从几天降到几小时i 删 水体沉积物的类型亦会对降解产生影响，已有研究表明，有机物在沉积物中的 降解速率与沉积物中砂性颗粒的含量呈正相关，与粘性颗粒的含量呈负相关；尤其 在富集自然有机物( n o m ) 的沉积物表面，污染物的生物降解作用将明显增强【4 9 】。 水体中存在的各种悬浮颗粒物对生物降解也会产生影响，一些研究表明冈，在某些 矿物或有机颗粒上吸附的有机污染物，其生物降解速率降低；但也有研究认为，在 含沙量较多的河流中，由于在泥沙周围由矿物质和有机质形成了一层活性薄膜，生 物氧化反应速率随着泥沙含量的增加而增加 1 6 本研究的意义和主要内容 1 , 6 i 研究背景及意义 氯代苯胺在杀虫剂、染科、塑料和药物等的合成中大量使用，广泛污染环境， 具有致畸、致癌、致突变效应，由于天然微生物缺乏降解此类化合物的酶或酶系， 故其通常难以生物降解，持久滞留于环境，并易于生物富集，对生态环境和人体健 康构成威胁。目前，相对于其他氯代芳烃类化合物的微生物降解方面所做的大量工 作，人们对氯代苯胺类化合物的微生物降解研究还很少见报道，主要原因是在微生 物代谢过程中产生可使关键降解酶系失活的中间代谢产物，从而使此类化合物的降 解变得非常困难【1 6 1 。 2 0 世纪7 0 、8 0 年代以来，国外就氯代苯胺类有机物的生物降解进行了一些研究， 河海人学硕+ 学位论文 高教复合茵醉解人然河水巾墩代苯胺化合物的特州研究 得到了一些降解菌，研究结果见表1 1 f u 是许多实验表明，当将实验室获得的高效 降解菌株投入实际污染现场进行牛物修复，往往不能达到预期的效果。自然水体的 很多外界因素都会对降解效果造成不小的影响。例如：水体的温度、盐度不断变化， 水体中的土著微牛物群落对高效复合菌的影响( 协同或拮抗) ，多种化合物共存时微 生物降解效牢的改变等。因此，如何将实验窒驯化出来的微牛物应用于实际生物处 理或生物修复而保持其降解活性是有待深入研究的课题。 表1 1 降解氯代苯胺活性较高的降解菌 最高浓度 菌株底物 参考文献 ( m m o i t , ) 三氯苯胺+ p s e u d o m o n a s s p 3 。o o 【2 9 】 四氯苯胺 三氯苯胺 2 0 2 ，a c i d o v o r a n sc a 2 8 5 2 】 四氯苯胺1 4 7 p s p s t r a i nj l 5 三氯苯胺2 0 0 【5 3 】 pa c i d o v o r a n sc a 5 0二氯苯胺1 5 0 5 4 1 c o m a m o n a st e s