（环境科学专业论文）btex降解菌的驯化及其好氧降解规律的研究.pdf

a b s t r a c t b e i n gad i m c u l tt a s k t r e a t m e n to ft o x i ca n dr e f r a c t o r yo r g a n i cc o m p o u n d sh a s r e c e i v e dag r e a td e a lo fa t t e n t i o ni ne n v i r o n m e n t a ls c i e n c ef i e l d i tw a ss t u d i e df o r b i o d e g r a d a b i l i t i e so fb e n z e n e ，t o l u e n e ，e t h y l b e n z e n e ，x y l e n eu n d e r a e r o b i cc o n d i t i o n s w e r es t u d i e di n t h i sp a p e r b t e x ( ag e n e r a ld e s i g n a t i o no fb e n z e n e ，t o l u e n e ， e t h y l b e n z e n ea n dx y l e n e ) a r ec o m m o n l yf o u n di n t h ec r u d eo i la n da s s o c i a t e d p e t r o l e u mp r o d u c t s r e c e n t l y , a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo i lp r o d u c t i o nf a c i l i t i e s a n di n d u s t r i e s ，g r e a td e a l so fb t e xh a v el e a k i n gu n d e r g r o u n da n dp e r s i s ti nt h e s u b s u r f a c e g r o u n d w a t e rc o n t a m i n a t e db yt o x i co r g a n i cp o l l u t a n ti sav e r ys e r i o u s p r o b l e m i nt h ew o r l db e c a u s ei th a sh i 曲s o l u b i l i t y , t r a n s f e r a b i l i t ya n dc a r c i n o g e n i c i t y b i o d e g r a d a t i o no fb t e xh a sr e c e n t l ye m e r g e da sa ne f f e c t i v em e a n s o fe l i m i n a t i o no f t h e s ec o m p o u n d sf r o mt h ee n v i r o n m e n tb e c a u s eo fl e s si n v e s t m e n t ，l o w e re x p e n s e s a n ds oo n b yc o m p a r ew i t ha n a e r o b i cb i o d e g r a d a t i o n ，t h ea e r o b i cb i o d e g r a d a t i o nc a n e n h a n c et h ea b i l i t yo fi n t r i n s i cb i o d e g r a d a t i o na n dt h eo r g a n i c sp o l l u t a n td e g r a d e d i n t oc 0 2a n dh 2 0 t h u s ，t h ep i v o t so ff u r t h e rr e s e a r c h e so fa e r o b i cb i o d e g r a d a t i o n w e r es u g g e s t e d b a s e do nt h ec o l l e c t i o n ，e n r i c h m e n ta n da c c l i m a t i o no ft h em i c r o b i a lp o p u l a t i o n ， t h i sp a p e rs t u d i e dt h eu s eo fm i x t u r ei nt h ea e r o b i cb i o d e g r a d a t i o np r o c e s sa n d s i m u l a t e dt h ek i n e t i c sp a r a m e t e r f i r s t l y , t h eb a t c hr e a c t i o ns t u d i e dt h ei n f l u e n c eo f t h eb i o d e g r a d a b l ee f f e c tb yt e m p e r a t u r e ，p h ，i n o c u l u m ，s u b s t r a t e sc o n c e n t r a t i o n t h e nf o u rs u b s t a n c e sw e r ew o r k e do nt h es a n l ec o n d i t i o n ，6d u a ls u b s t r a t eb a t c h d e g r a d a t i o nf o re a c hc o m b i n a t i o no fb t e xc o m p o n e n t s ，4t r i n a r ys u b s t r a t eb a t c h d e g r a d a t i o na n do n eb a t c hd e g r a d a t i o nw i t h a l lb t e xc o m p o n e n t sp r e s e n ta n d a n a l y z et h eb i o d e g r a d a b l e e f f e c tu n d e rd i f f e r e n tm i x t u r e f i n a l l y , t h er e s e a r c h s i m u l a t e st h ep r o c e s so fa e r o b i cb i o d e g r a d a t i o nb yt h ek i n e t i ca n a l y s e so ft h e d e g r a d a t i o np r o c e s sa n dt h em o d e lo fl o g i s t i c t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i m u l a t i o n r e s u l t sa n de x p e r i m e n td a t ah a db e e ns t u d i e d b ya n a l y z i n ge x p e r i m e n td a t ao f t h es i n g l ec o m p o n e n tb a t c hb i o d e g r a d a t i o n s ，t h e p r o c e s s e so fb e n z e n em i x t u r ea t t e n u a t i o nm a i n l ya c c o r dw i t h z e r o t ho r d e rd e c a y k i n e t i c so fo r g a n i cc o m p o u n d s ，b u tt h ep r o c e s s e so ft o l u e n e ，e t h y l b e n z e n ea n dx y l e n e a t t e n u a t i o na c c o r dw i t hf t r s t o r d e rd e c a yk i n e t i c so fo r g a n i cc o m p o u n d s a n dt h e m a x l m u mr a t i og r o w t hr a t ec a r lb es i m u l a t e d b yt h em o d e lo fl o g i s t i c ，a n dt h er e s u l t s a r e0 5 9 81h ，0 4 8 2 4 2h ，0 4 8 2 4 2h 1a n d1 4 3 6 2h s e p a r a t e l y i nt h es i n g l e 。d u a l t n n a r ya n dq u a t e r n a r ym i x t u r e sd e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t ，a l lo ft h e ma t t e n u a t i o n a c c o r dw i t hf i r s t 。o r d e rd e c a yk i n e t i c so fo r g a n i cc o m p o u n d s i nt h ed u a l s u b s t r a t e b a t c h d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t ，t h eo r d e ro fb t e xb i o d e g r a d a t i o n r a t ew a s ： e t h y l b e n z e n e t o l u e n e x y l e n e b e n z e n e i nt h et r i n a r ys u b s t r a t eb a t c hd e g r a d a t i o n e x p e r i m e n t ，t h e i m p a c t a m o n g t h e m i x t u r em o s t r e l a t i v e l y i nt h e t o l u e n e 。e t h y l b e n z e n e x y l e n e c o m p o u n d s ， b u t m o s t i r r e s p e c t i v e l y i nt h e b e n z e n e 。t o l u e n e 。x y l e n ec o m p o u n d s t h eq u a t e r n a r ys u b s t r a t eb a t c hd e g r a d a t i o n e x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a t ，t h e r eh a v er e s t r a i ne f f e c ta m o n gt h ec o m p o n e n t k e y w o r d s ：b t e x ；a e r o b i cb i o d e g r a d a t i o n ；b a t c hr e a c t i o n ：m i x e db a c t e r i a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位做储虢骑及苟签字吼叫年，删日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲驷夏鸷 签字日期：习年朋弓j 日 导师签名：翅钟 签字嗍一年厂月了日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1b t e x 的污染现状及危害 苯( b e n z e n e ) 、甲苯( t o l u e n e ) 、乙苯( e t h y l b e n z e n e ) 和具有三种同分异构体的二 甲苯( x y l e n e ) 是有机污染中很重要的污染物质，它们被简称为b t e x 。b t e x 属于 单环芳烃类物质，主要存在于原油和石油产品( 如天然气) 中，也作为工业原料 广泛应用于农药、塑料和纤维合成等行业中。b t e x 具有“三致效应”( 致癌、 致畸和致突变) ，并且难以降解，迁移能力强，其在生产、储存和运输过程中， 容易释放到环境中，造成环境污染并对生态系统和人体健康的产生危害，且危害 大、作用持久。b t e x 化合物中苯是已知的致癌物质，已被许多国家列为优先级 污染物黑名单。中国地表水环境质量标准( g b3 8 3 8 2 0 0 2 ) 、污水综合排放 标准( g b8 9 7 8 1 9 9 6 ) 和室内空气质量标准( g b t i8 8 8 3 2 0 0 2 ) 也把b t e x 列 为污染参数和环境监测项目。 1 1 1b t e x 的来源与用途 目前，b t e x 化合物正以每年数百万吨的数量被制造出来，这些化合物被广 泛的用于燃料和工业溶剂，而且它们和多环芳香化合物及氯代联苯都是生产医 药、农药、塑料聚合物、炸药和其它日用品的最初原料【1 】。含苯环结构的化合物 具有相当大的毒性和致癌、致突变作用。人工合成的芳香族化合物在利用时不可 避免的泄漏到环境巾，造成严重的环境污染，尽管人们已经认识到了问题的严重 性，但这一问题仍呈上升的趋势。 作为重要溶剂及生产原料，b t e x 有着广泛的应用。b t e x 的工业污染源主 要是石油、化工、炼焦产生的废水，同时，在油漆、染料、塑料、合成橡胶、合 成树脂、合成纤维、合成药物及农药、医药有机化工等行业的废水中也含有较高 含量的b t e x 2 , 3 】。在我国工业污染源调查的1 7 个重点行业中，b t e x 在1 5 个行 业中都作为产品或原料使用【4 】，因此，在这些企业排放的废水中常含有b t e x ， 对接纳水体构成一定威胁。 在一些石油加工炼制的石油产品中b t e x 含量较高，这类物质常被当作石油 污染的代表物质。b t e x 除了作为石油的组成从地下存储处渗漏到海洋，在自然 环境中一般是不存在的。这一点与其它烃类如甲烷、萜类化台物、多环芳烃等污 第一章文献综述 染物不同。在自然界中存在的b t e x ，主要在人类活动中产生，以废水和废气的 形式进入环境，通过在自然界中的蒸发和降水循环，最后挥发至大气中被光解。 伴随石油化工、炼焦化工以及油漆、农药、医药、有机化工等行业排放的废水， 特别是地下燃料储罐和管道在储存或运输期间的泄漏，随着地表水的渗透和地下 水的迁移造成大量b t e x 出现，并存在于地下水环境中【5 】。 b t e x 中的6 种物质都属于挥发性有机物( v o c s ) ，其挥发性较大，容易扩散 到大气中，造成大气污染。大气污染中，b t e x 的室外来源主要是汽车尾气以及 工业企业释放的水蒸汽等；室内来源主要包括：新型建筑材料、室内装修材料、 有机涂料、清洁用品、香料以及除臭剂等，这些物品的出现造成了室内空气的 b t e x 污染。 美国1 9 7 7 年公布的水中1 2 9 种优先控制污染物巾苯系物占3 种，1 9 8 9 年中 国水环境优先控制污染物黑名单中包括6 种苯系物( 苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、 对二甲苯、间二甲苯) 。1 9 9 6 年我国国家环保局批准发布了大气污染物综合排放 标准( g b1 6 2 9 7 1 9 9 6 ) ，规定了以有害空气污染物为主的3 3 种污染物的排放限值， 其中对包括苯、甲苯、二甲苯等苯系物的排放量有严格要求。 1 1 2b t e x 的物化特性 苯、甲苯、乙苯、二甲苯都是无色、有芳香气味、易挥发、易燃的液体。它 们微溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿和二硫化碳等有机溶剂。b t e x 的特性如 表1 1 所示。尽管b t e x 中的六种化合物为同系物，其理化特性各不相同。苯的 分子量最小，但沸点最低，在水中的溶解度最大，2 5 下为1 7 8 0m l 。同时， 在六种物质中苯毒性最强，在同样浓度下，苯给环境带来的危害最为严重。根据 几种物质的蒸汽压、溶解度、l o g k o w 值及扩散系数可以得到，苯的蒸汽压最大， 乙苯的蒸气压最小，表明苯在气相中浓度相对最大，而乙苯的浓度相对最小；由 于苯在水相中的溶解度最大，乙苯的溶解度最小，而根据亨利常数，甲苯最大， 二甲苯最小，所以在b t e x 化合物中，相对易于挥发的是甲苯，而相对最难挥发 的是二甲苯：l o g k o w 值乙苯最大，苯最小，表明乙苯吸附在含水介质颗粒表面 的量最大，苯最小；苯扩散系数最大，乙苯最小，表明苯在地下水中相对最易于 扩散，而乙苯相对最难扩散。 b t e x 主要存在于汽油中，2 5 时四种组分( 苯、甲苯、乙基苯、二甲苯) 的蒸汽压分别为7 5m m h g 、2 8 4m m h g 、9 5 3m m h g 和3 2 0m m h g 。由于蒸汽压 愈高愈容易挥发，故b t e x 四种组分的挥发性大小为苯 甲苯 乙基苯 二甲苯。 同时可以看到二甲苯的三种同分异构体由于结构不一样，各物质的沸点不同，其 在水中的溶解度也各不相同。 第一章文献综述 英义名称b e n z e n e t o l u e n e e t h y b e n z e n e 。p - x y l e n ei n x y l e n e 分子式c 6 h 6c t h 8c 8 h l oc 8 hl oc 8 h l o 结构式 分子最 7 8 1 29 2 1 3 l o g k o w 2 1 32 7 3 溶解度 ( 2 5 ) 1 7 8 05 1 5 ( m g l ) ，蒸汽压、 9 5 22 2 ( m m h g ) f 散雾挚0 0 9 2 0 0 8 3 ( g i l l 2 s ) 1 0 6 1 6 3 1 5 1 5 2 7 0 0 7 1 c h 3 1 0 6 1 6 3 o 2 0 1 7 1 0 0 0 7 6 1 0 6 1 6 3 0 1 7 4 1 0 0 0 7 6 o x y l e n e c s h l 0 1 0 6 1 6 3 0 2 2 0 8 1 0 0 0 7 6 性状攀颡- 2 霖零莩嚣淄蹬 烈芳香酮、硫 ”1 、 = 。? j = 性比苯和甲毒性比苯和 味拶，些碳量兰磊苇篥录 苯小甲笨小 p 2 e -+ 一。- ”t _ 0 沸点 ( ) 来源 用途 致癌性 8 0 11 1 0 61 3 6 21 3 8 3 了1 3 9 11 4 4 4 各种工 厂、气体 储存罐的 泄露 合成树 脂、合成 纤维、合 成橡胶、 洗涤剂、 燃料、农 药、医药 的原料， 也用作溶 剂、汽油 掺加剂 石油工厂石油精炼厂汽、洫垡工汽油化工厂汽油化工厂 注：无致癌性；：怀疑具有敛癌性；：强敛癌性 第一章文献综述 1 1 3b t e x 的危害 苯系物中除苯为世界卫生组织公布的具有致癌、致畸、致突变作用的有害污 染物以外，其它几种化合物对人体和水生生物也均有不同程度的毒性。其中甲苯 和乙苯具有致突变和致畸作用，对泌尿系统及肌肉骨骼发育有损害；二甲苯则有 致畸作用，影响肌肉及骨骼的发育。其毒性作用主要表现为血小板和白细胞减少， 髓细胞性贫血及白血病；出现神经衰弱征候群，四肢麻木和痛觉减退；对新陈代 谢产生影响，并对皮肤有损害；致敏作用。b t e x 的毒性总结见表1 2 ，苯的吸 入危害见表1 3 。 表1 2b t e x 毒性 t a b l e1 - 2t h et o x i c i t yo f b t e x 物质名称毒性 苯 甲苯 乙苯 二甲苯 人体致癌剂。主要经呼吸道吸入和皮肤吸收中毒；记性毒性累积中枢神经 系统，产生麻醉作用；慢性毒性主要影响造血机能及神经系统，对皮肤有 刺激作用。 属于低毒类，具有麻醉作用，对皮肤粘膜有较大刺激性，可经呼吸道及皮 肤侵入机体。 属于低毒类，能经呼吸道、皮肤和消化道吸收；急性毒性主要是对眼和呼 吸道的刺激作用，但对造血系统无毒。 属于低毒类，主要是对中枢神经和植物神经系统的麻醉和刺激作用。慢性 毒性比苯弱，对造血系统损害尚无确实证据；可引起轻度、暂时性的末梢 血象改变。 表1 3 苯吸入对人体的危害 t a b l e1 - 3t h ed a m a g et oh u m a nb e i n go fi n h a l a t i o n 第一章文献综述 作为重要的能源与工业原料，b t e x 及其制品是发展经济和提高人民生活水 平的重要物质基础，但其在加工、使用、排放等的过程中，不可避免的会造成对 环境的严重污染。b t e x 对环境破坏性大、对人体危害严重，所以美国环保局在 8 0 年代就把b t e x 确定为环境中的优先污染物，我同也把b t e x 列入环境优先 检测的污染物【6 】。 1 1 4 地下水中b t e x 污染现状 在许多国家，石油类碳氢化合物的随地排放对地下水系统造成的环境问题是 非常普遍的、严重的，在这些化合物中b t e x 含量较高，这类物质常被当作石油 污染的代表物质。这些环境问题的产生很大一部分是由于地下或地上的各种燃料 罐受到腐蚀引起泄露，人的疏忽如管道阀门管理不严引起的溢出、漏失等，使得 大量的b t e x 污染物进入环境，使土壤一地下水系统受到污染，对生态系统和人 体健康造成严重危害。 8 0 年代底的两年内，美同地下汽油储藏罐大约2 0 万只，其中有9 0 0 0 0 只被 证实存在泄漏【7 8 】，据美国环保局估计，其国内现有地下储油罐的3 5 在渗漏， 这样的泄漏必然会导致地下水受到石油碳氢化合物的污染。丹麦国家地下水管理 组织的对监控区域6 0 0 眼取水井的监测结果显示，在地下水中最常见的有机污染 组分中，甲苯、二甲苯、苯分别占1 8 7 、1 0 9 、8 8 1 9 j 。在中国，河北平原、 南阳油田、山东淄博大武水源地、京津唐地区等都出现了地下水有机污染 1 0 - 1 2 】。 我国的石油污染水平远高于世界平均水平，但是由于石油污染的隐敝性和长期性 以及人们对污染认识的滞后性，使得地下水石油污染的控制和污染的治理远远落 后于世界其他国家和地区。我国长江、松花江、珠江、太湖、沱江等1 4 条河流、 湖泊的水质监测表明甲苯和乙苯的检出率为7 1 4 【l 3 | 。 1 2b t e x 污染地下水的治理方法 由于b t e x 频繁地从地下水中检出，急需采用有效方法进行去除。早在本世 纪2 0 3 0 年代，国外就有人从事地下水有机污染物治理这方面的研究工作，国内 研究起步较晚。国内外学者提出了很多b t e x 去除技术，主要包括物理法、化学 法( 氧化还原法) 、植物去除法以及生物去除法。 1 2 1 物理方法 物理法主要有物理吸附和曝气吹除两种。近年来，利用无机多孔材料的晶体 结构、吸附性能和超细效应，再加上改性技术，使之具有环境净化功能的研究很 第一章文献综述 多。无机材料如活性炭、膨润土、沸石、硅藻土、海泡石等【l4 】。在含有苯的饮用 水中加入6 的活性炭，8 1 0m i n 后滤出，可去除水中9 0 以上浓度在0 0 5 0 m g l 以下的苯污染物。然而，这种方法具有一定的局限性，当污染水体中存在 其他污染时，由于多组分竞争吸附的影响，会造成活性炭对b t e x 吸附性能的下 降，并且很难用活性炭吸附动力学和吸附容量来描述其影响。同时，吸附材料一 方面要有高的吸附效率，另外一方面又要对环境无毒害作用：还要考虑吸附材料 的最终处置，且清除费用相对昂贵。 在污染土壤和地下水修复技术中，曝气技术( a i rs p a r g i n g ，a s ) 往往被认为是 去除挥发性有机物的有效方法。但曝气技术仅为污染物状态的一种转移，在曝气 过程中容易造成对空气的二次污染。 除了上述两种方法外，利用半导体粉末的悬浮体系光催化降解水中有机污染 物的研究现已引起国内外不同领域学者的重视。陈士夫等【l5 】以四异丙醇钛为原 料，采用浸涂法将t i 0 2 附载在空心玻璃微球表面，制备出t i 0 2 光催化剂，成功 地将正十二烷、甲苯光催化降解，为清除水中有机污染物开辟了新思路。 1 2 2 化学方法 去除b t e x 的化学方法主要是氧化还原法。针对b t e x 的氧化还原技术， 能够非常有效地去除污染水体和土壤巾的b t e x ，但是这一技术的应用也存在很 大的难度。首先是氧化技术依赖于污染位点的条件，包括其他污染物质是否存在 及其状态、渗透性、土壤的氧化剂需求量、地下水和土壤的酸碱度、无机物的浓 度、粘土的含量以及土壤和溶解的有机质的浓度等；其次，氧化还原技术成本 比较高，并且这一技术的应用存在着一些不安全的隐患，通用氧化剂的供货及其 毒性等问题也有待解决。 1 2 3 植物去除法 植物吸收法是一种最自然环保的处理方法，能吸收苯系污染物的植物有千年 木和垂叶榕。千年木，是龙舌兰科常绿灌木。茎干圆直，叶片细长，新叶向卜伸 长，老叶垂悬。叶片中间是绿色，边缘有紫红色条纹。垂叶榕，又名柳叶榕。桑 科，榕属。这两种植物对办公室这种小空间的环境有一定的适应能力，在抑制有 害物质方面其他植物很难与之相提并论。它们的叶片与根部能吸收二甲苯、甲苯、 三氯乙烯、苯和甲醛，并将其分解为无毒物质。它们可以有效的去除：甲醛、甲 苯、二甲苯、氨气、苯、三氯乙烯。 第一章文献综述 1 2 4 生物去除法 生物去除法是利用天然土著微生物或人工培养驯化微生物的新陈代谢作用， 在好氧或厌氧条件下以污染物为主要生长碳源3 1 1z , , e , 源，外加氮磷等营养物从而达 到去除污染物的目的。物理和化学方法具有处理成本高、易造成环境二次污染等 缺点，而生物方法则具有安全、经济、高效、无二次污染、不需要大型设备、操 作简单等优点，是实现污染治理的有效手段。凶此，生物去除法是一种去除环境 污染物经济有效具有前途的环境治理技术【16 1 。 1 3 微生物降解b t e x 的研究进展 1 3 1 降解b t e x 的微生物 b t e x 是有机污染中很重要的污染物质，也是石油污染场地的常见污染物 质。自然界存在大量能降解石油的微生物，至少有8 属细菌、6 属放线菌、6 属 酵母和6 属霉菌【1 7 】，y u m a g u c h i l l 8 j 等人发现一些微藻也能降解石油物质。降解石 油的微生物的分布，在海洋中细菌较多，在土壤中以真菌较多【l 引。不同种属的微 生物对石油的降解能力不同，为得到高效的石油降解微生物，研究者做了大量的 筛选工作，获得了很多有效菌种，如表1 - 4 。土壤中现在已经确定且分离出的 b t e x 降解菌主要有假单胞杆菌( p s e u d o m o n a ss p ) 、黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u ms p ) 和红球菌属( r h o d o c o c c u ss p ) 【2 0 1 。丁克强等【2 l 】研究发现，土著真菌f u s a h u ml k ( 简称f ) 和真菌p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p r i u m ( 简称p ) 可以对石油污染土壤中 的石油进行降解，经过一段时间的适应后，外来菌株p 对石油的降解速度超过土 著菌株f ，1 5 0d 后p 和f 对土壤中石油污染物的降解速率分别达到7 0 1 和 5 9 8 ，可以用于石油污染土壤的生物修复。目前，有关b t e x 化合物降解菌的 分离和降解特性研究已有诸多报道，但这些实验中大都应用的是单一菌种，有关 混合菌在降解过程中所起作用的研究却很少。在降解污染物时，混合菌由于能够 充分发挥各菌种之间的协同作用，往往比单菌种更为有效。 表1 - 4 石油降解菌属 t a b l e1 - 4t h eo i ld e g r a d i n gm i c r o o r g a n i s m s 第一章文献综述 产碱杆菌属( a l c a l i g e n e ss p )毛霉属( m u c o r s p ) 节杆菌属( a r c h r o b a c t e rs p ) m o r a x e l l as p 放线菌属( a c t i n o m y c e t e r ss p ) b r e v i b a c i l l u ss p 棒杆菌属( c o ，y n e f o g m $ s p ) 芽孢杆菌属( c r o b a c t e r i u ms p ) 黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u ms p ) 微球菌属( m i c r o c o c c u ss p ) 微杆菌属( m i c r o b a c t e r u ms p ) 诺卡氏菌属( n o c a r d i as p ) o c h r o b a c t r u ms p 假单胞荫( p s e u d o m o n a ss p ) s e r r a t i as p 被孢霉属( m o r t i e r e l l as p ) 青霉属( p e n i c i l l i u ms p ) 木霉( t r i c h o d e r m as p ) 红酵f 母属( r h o d o t o r u l as p ) 掷孢子酵母属 ( s p o r o b o l o m y c e ss p ) p r o t o t h e c az o p f i i ( 藻类) 在b t e x 污染物研究中，以甲苯( t o l u e n e ) 为对象的单底物污染物研究最多。 1 9 9 4 年，z h o u 等对菌株进行d n a 扩增和d n a 分子杂交等分析，表明1 0 个菌 株中有8 个是不相同的菌株。在好氧条件下，这8 个菌株均能降解甲基苯，5 个 能降解乙基苯，3 个可以降解苯，1 个可以降解氯代苯，1 个可以代谢间二甲基 苯【2 2 】。但是，目前为止，只了解到少数几个菌株的降解途径的部分特征，因此， 确定甲苯的生化降解途径研究仍是一个极具挑战性的工作。己有很多研究表明 b t e x 可以在有氧条件下或缺氧条件下发生生物降解。好氧生物降解反应容易受 到氧气的限制，通常单独的降解菌如恶臭假单胞菌( p s e u d o m o n a sp u t i d a ) 不能将 b t e x 完全降解【2 3 1 ，而目前研究发现恶臭假单胞菌和荧光假单胞菌( p f l u o r e s c e n s ) 共同存在时，缺氧条件下也可以将苯和甲苯完全矿化成c 0 2 和h 2 0 1 2 4 2 5 。在有氧 的情况下先进行有氧代谢，由于氧气消耗的速率比其从大气或周围区域扩散到反 应区域的速率小，一般都转入了厌氧代谢。但是，由于好氧降解污染物被降解得 更完全，其中间产物更有利于环境，所以如何强化微生物的好氧降解成为国内外 研究的热点。张英兰等【2 6 】针对地下水环境中甲苯的好氧生物降解过程开展了室内 模拟实验研究。尤侯平等【27 j 研究了富氧条件下二甲苯的降解中间产物及转化速 率。陈余道等【2 8 j 建立了室内含水层物理模型研究浅层地下水中石油烃污染的去除 第一章文献综述 机理和降解规律。m a r g e s i n l 2 9 等对土壤中b t e x 的生物降解速率进行了研究，发 现降解速率大小为乙苯 甲苯 苯 对二甲苯。b t e x 的降解动力学一般符合一级 反应动力学模型，但g o d e k e 等1 3 0 j 研究却显示甲苯用m o n o d 动力学模型比一级反 应动力学更能模拟其过程。好氧条件下b t e x 的去除研究主要包括【3 卜3 4 】：b t e x 的降解和代谢机理研究，有机碳源( 如乙醇) 与b t e x 的好氧共代谢的研究以及 污染现场以及实验室条件下释氧化合物的应用。 从国外研究现状来看，b t e x 生物降解领域已经着重于地下水系统内在微生 物的降解与强化技术和强化工艺的研究方面；国内该研究领域则刚刚起步，缺乏 地下水系统内在微生物降解机理以及其与地球化学特性相互关联的认识，在利用 强化微生物作用控制和去除污染物方面更缺乏实践证明。 1 3 2 微生物对b t e x 的好氧降解机理 b t e x 化合物的有氧代谢必须有分子氧的参与，同时需要加氧酶的催化。单 加氧酶和双加氧酶分别催化不同的反应途径，使苯环开裂，形成容易降解的直链 烃。真核细胞( 真菌等) 微生物是利用单加氧酶将分子氧中的一个氧原子引入芳香 烃中；而原核细胞生物( 细菌) 则常常利用双加氧酶，将分子氧中的两个氧原子 化合至芳香化合物中。 单加氧酶将氧原子导入芳香环中，形成中间产物环氧化物，中间产物通过水 合作用形成水合中间产物反式二羟基1 ，2 二水合物，然后再转化为反式二羟 基化合物。双加氧酶催化，将氧导入芳香环中，其初级代谢产物为顺式二羟基 二醇，这是中间产物，然后再转化形成邻苯二酚。单加氧酶和双加氧酶的两条不 同的降解途径都经过邻苯二酚这个环节。邻苯二酚再通过邻位或间位途径形成三 羟酸循环的中间产物【3 引。 甲苯、二甲苯以及乙苯等烷基苯，在微生物的氧化下生成顺式二羟基二醇。 在好氧条件下，微生物的氧化可以有两条途径。一种是苯环上相邻位被羟基化， 而形成烷基邻苯二酚，然后再被氧化开环。另一种是取代基上发生氧化，形成芳 香醇类，再经过进一步氧化，直至苯环的开裂。氧化是发生在苯环上，还是发生 在取代基上，取决于微生物种类。在烷基取代苯中，甲基苯是最基本的，也是污 染物质中最常见的种类。在生物氧化过程中，甲基被氧化，可以形成苯乙醇、苯 乙酞、苯甲酸及邻苯二酚等。当取代基为乙基、丙烷基、异丙烷基、丁烷基或异 丁烷基时，发生在取代基上的氧化与甲基苯的甲基氧化类似，取代基的末端甲基 被氧化，直至苯环被氧化。当取代基部分的烷基烃链长度增加，使取代基部分的 分子量更大时，或者超过苯环时，微生物在氧化过程中，则将苯环当作烷烃链上 的取代基，整个化合物便成为了苯基烷烃，其氧化反应是从烷烃的末端开始，形 第一章文献综述 成苯基烷酸，随后再发生一系列反应，直至苯环被氧化开环。 苯、甲基苯等一些石油污染物质进入到水体环境中被氧化的情形如前所述， 这类物质在水中的溶解量可达1 0 0m g l 左右。它们在好氧条件下被氧化所需的 氧的量是污染物本身质量的2 倍左右，例如1 0m g l 的污染物含量被氧化至少要 消耗2 0m g l 的氧【1 】。自然水体环境中，没有足够的氧供给，特别是地下水环境 中更加缺少氧气供应。因此，该类物质常常会在缺氧或厌氧环境下，发生厌氧降 解。所以向污染地下水中投加释氧材料，强化微生物的好氧降解是当今研究的热 点。 i 3 3 影响微生物降解b t e x 的因素 一般地，微生物降解有机化合物的速率取决于三个主要方面，即环境因素、 微生物以及污染物的物化属性。其中，环境因素包括温度、p h 值和溶氧等。例 如温度不仅影响到微生物体内的生物化学反应速度、生长速度以及生物降解速 度，并且还影响到污染物的物理状态和溶解度等特性，因此选择适宜的降解条件 对降解过程来说非常关键。此外，初始微生物量的多少对延滞期和细胞生长速度 有一定影响，是微生物代谢过程中的一个重要控制参数。底物浓度对微生物生长 的影响也是相当关键的，有些底物浓度太高对微生物具有毒杀作用，即可能存在 底物抑制作用。 1 3 3 1 温度 温度是对微生物各种特性产生影响的一个重要因素。温度通过影响蛋白质、 核酸等生物大分子的结构与功能以及生物细胞结构来影响微生物的生长、繁殖和 新陈代谢。过高的环境温度会导致蛋白质或核酸的活性失活，而温度过低会使酶 活力受到抑制，细胞新陈代谢活动减弱。每一种微生物只能在一定的温度范围内 生长，并有其生长、繁殖最快的最适生长温度。温度支配着酶反应动力学、微生 物生长速率以及化台物的溶解度等，对控制化合物降解转化起着关键作用。凶此， 选择合适的温度对微生物的生长繁殖及其对污染物的降解能力的提高至关重要。 1 3 3 2p h 值 p h 值是一个影响微生物生长的重要环境因素，其对微生物生命活动的影响 是通过以下几个方面实现的：一是使蛋白质、核酸等生物大分子所带电荷发生变 化，从而影响其生物活性；二是引起细胞膜电荷变化，导致微生物细胞吸收营养 物质能力改变；三是改变环境中营养物质的可给性及有害物质的毒性。不同微生 物对p h 值条件的要求各不相同，它们能在一定的p h 值范围内生长，而其生长 筇一章文献综述 最适p h 值常在一个较小的范围内，对p h 值的适应范围不同，在一定程度，卜反 映出微生物对环境的适应能力。强酸强碱会抑制大多数微生物的活性，但也有嗜 酸嗜碱的微生物存在。p h 值还可能影响化合物的降解转化产物。凶此，确定微 生物最适生长p h 值是很有必要的。 1 3 3 3 接种量 初始微生物量的多少对延滞期和细胞生长速度有一定影响，是微生物代谢过 程中的一个重要控制参数。生物降解过程是一个酶催化反应过程，由降解动力学 过程可知，接种量不同，单位菌体量所负荷底物的量不同，反应速度会表现出差 异。接种量过少，菌体生长所需要的基质较少，降解速度过慢；菌体浓度过高， 菌体之间的相互竞争作用反而降低反应速率。因此，必须确定一个适宜的接种量 范围，以便达到最佳的降解效果。 1 - 3 3 4 底物浓度 底物浓度对微生物生长的影响也是相当关键的。某些化合物在高浓度时由于 微生物量的迅速增加而导致快速降解，另一些在低浓度时易降解的化合物，高浓 度时会抑制微生物的活性。这是由于有些底物浓度太高对微生物具有毒杀作用， 即可能存在底物抑制作用。 微生物除具备降解有机污染物的内在因素外，还需要合适的环境条件作为外 在因素来辅助其更好地实现特有的性能。从环境凶素的角度看，其生物降解性并 不是化合物的固有特性，而是环境状态表现的结果。改变了环境状态，本来难降 解的化合物可能变得易于降解了。因此，对b t e x 降解菌的降解性能的研究过程 也就是找到适合微生物生长的环境过程。 1 4 动力学模型研究 1 4 1 微生物动力学模型及其发展 1 4 1 1 微生物动力学模型 微生物动力学研究的是微生物种群的比增长速率肛与底物浓度s 之间的关 系，这是微生物相关科学各个领域不可缺少的工具 3 6 3 7 】。微生物生长与生物降解 是密不可分的过程。微生物生长动力学模型包括结构化模型和非结构化模型。非 结构化模型又分为间歇培养和连续培养两种条件。 第一章文献综述 1 4 1 1 1 间歇培养条件下的微生物动力学模型 ( 1 ) m a l t h u s 模型 不受任何资源限制的微生物生长可用m a l t h u s 方程来表示： d x 2 = 2 嗍 x 口r 式中，p 为细菌的比增长速率，h ；x 为菌浓度，m g l ；一为菌体的最大比生 长速率，h 。 当t - = t o 时微牛物浓度x - - - - x o 。方程的解为： x = x o e 一( ，- f 0 )( 1 2 ) ( 2 ) l o g i s t i c 模型 如果在有限资源条件下或者在增殖的末期由于资源消耗，设微牛物能够达到 最大浓度为工一，则( z 一一x ) x 一可用来表示微生物浓度达到的饱和程度j 微 生物生长可用下列l o g i s t i c 方程表示： 从= 堕= 一( 1 一土) 从2 一x d t2 一1 一i 式中a x 为菌体的比生长速率，h ；一为菌体的最大比生长速率，h - i 。 当t = t o 时微生物浓度x = ) 【o 。方程的解为： ( 1 3 ) 弘西瓦了再x n l a x 丽石可( 1 - 4 )【l + ( z 懈工。一1 ) p 一i 一】 为了进一步了解微生物浓度的变化情况，求取x 的二阶导数。二阶导数为0 的条件是x = 0 ，x = x r m x ，或x = 工一2 。x = 0 无意义，x = x 一是微生物增殖 的极限情况，x = x 。2 时，生长曲线出现拐点，即微牛物的生长出现了转折点。 微生物的增值速率在拐点前后由增加变为减小。该点微生物增殖速率达到极大值 出一一x 一a 盔4 第一章文献综述 百d 2 x = t m a x2 x ( 1 2 x ) ( 1 一土) 0 - 5 ) d t x mx n m 如果把微生物的初始条件放在t = t o 和z 。= 等时，这时l 。百s t i c 方程化为 简单形式： x = 百x m i a x 而 l + e 一卢一1 0 ( 1 - 6 ) 这就是l o g i s t i c 方程解的b a r t l e t t 形式