（环境科学专业论文）典型ppcps降解菌的筛选及其在曝气生物滤池中的应用.pdf

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p o l l u t e ds o u r c ew a t e rb yc o m b i n a t i o no f b i o a u g m e n t a t i o nt e c h n o l o g ya n db i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rt e c h n o l o g y ( b a f ) h a sn o tb e e n r e p o r t e d t op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r t ，t h eb a c t e r i ac a p a b l eo fd e g r a d i n gs e l e c t e dp p c p s w e r ei s o l a t e d a n da p p l i e di n t ob a fi nt h i ss t u d y t h es e l e c t e dp p c p sw e r eb e z a f i b r a t e ( b z f ) ，c a r b a m a z e p i n e ( c b z ) a n di b u p r o f e n ( i b u ) s t r a i nb 31 ，d h u 一3 3 a n db l - 1 ，w h i c hc o u l dd e g r a d et h es e l e c t e dp p c p sb y c o m e t a b o l i s mr e s p e c t i v e l y , w e r ei s o l a t e df r o ma c t i v a t e ds l u d g eo fs e w a g et r e a t m e n tp l a n ti n s h a n g h a i b a s e do ni t sm o r p h o l o g y , p h y s i o l o g ya n dp h y l o g e n e t i ca n a l y s i so f16 sr r n a s e q u e n c e ，t h e yw e r ei d e n t i f i e d a sp s e u d o m o n a sp u t i d a , al c a l i g e n e ss p a n ds e r r a t i a m a r c e s c e n s t h eo p t i m u mi n i t i a ld e g r a d i n gs e l e c t e dp p c p sc o n d i t i o no fe a c hw a sa t3 0 ， p h7 s t r a i nb 一31c o u l dd e g r a d eb z fb y4 8 i nl i q u i dm i n e r a ls a l tm e d i u mw i t h3 0m l b z fa n dl m e t h a n o li n5d a y s s t r a i nd h u 一3 3c o u l dd e g r a d ec b zb y3 4 i nl i q u i d m i n e r a ls a l tm e d i u mw i t h2 5m g lc b za n d1 m e t h a n o li n5d a y s s t r a i nb l - 1c o u l d d e g r a d ei b ub y7 5 i nl i q u i dm i n e r a ls a l tm e d i u mw i t h30m g li b ua n d1 m e t h a n o li n5 d a y s c o m p a r e dw i t hm e t h a n o l ，y e a s te x t r a c t ，p e p t o n ea n dg l u c o s ec o u l ds i g n i f i c a n t l y e n h a n c et h ed e g r a d a t i o nr a t eo fs e l e c t e dp p c p s t h eh i g h e s td e g r a d a t i o nr a t ew a s7 6 6 7 ， 5 4 4 a n d9 4 3 r e s p e c t i v e l yw h e n5g ly e a s te x t r a c tw a sa d d e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng l u c o s ec o n s u m p t i o na n dt h ed e g r a d a t i o no fp p c p sw a s v a b s t r a c t s t u d i e d i ng e n e r a l ，t h ed e g r a d a t i o no fp p c p sw a sc o r r e l a t e dw i t hg l u c o s ec o n s u m p t i o n p o s i t i v e l y t h ed e g r a d a t i o np r o c e s so fc b z ，i b ua n dg l u c o s ec l o s et of i r s t o r d e rk i n e t i c s ， e x c e p tf o rt h ed e g r a d a t i o np r o c e s so fb z fc l o s et oz e r o o r d e rk i n e t i c s w h e nm e t h a n o lw a st h ep r i m a r ys u b s t r a t e ，7k i n d so fd e g r a d a t i o np r o d u c t so fb z f w e r ed e t e c t e db yg c m s 4 - c h l o r o b e n z o a t ew a st h em a i n l yd e g r a d a t i o np r o d u c t a c c o r d i n g t o a n a l y s i s o fd e g r a d a t i o np r o d u c t s ，b z fd e g r a d a t i o n p r o c e s s i n v o l v e sa m i d eb o n d h y d r o l y s i s ，o x i d a t i o no fp r i m a r ya m i n eg r o u p s ，b e n z e n ea n dd o u b l eh y d r o x y l a t i o n t h e l e w e r e4k i n d so fd e g r a d a t i o np r o d u c t so fc b z ，i n c l u d i n gc b z e p ( 1a h d i b e n z o 【b ，f 1 o x i r e n o 2 ，3 - d a z e p i n e - 6 ( 10 b h ) - c a r b o x a m i d e ) ，c b z - d i o h ( 10 r ，1is ) 一10 ，1l d i h y d r o x y - 10 ，11 - d i h y d r o - 5 h - d i b e n z o 【b ，f 】a z e p i n e 一5 - c a r b o x a m i d e ) ，2 - h y d r o x yb e n z o i ca c i da n do - a m i n o b e n z o i ca c i d t h em a i n l yd e g r a d a t i o np r o d u c t so fi b uw a s2 一( 4 - a c e t y l p h e n y l ) p r o p i o n i c a c i d a n dar e dp i g m e n tw a sf o u n di nt h ed e g r a d a t i o np r o c e s so fi b u t h em i x t u r e o fp p c p sd e g r a d a t i o nb a c t e r i aa n da c t i v a t e ds l u d g ew e r ea d d e dt o b i o - c e r a m i cb a fa n dh i g he f f e c t i v ef i b e rb a l lb a ft of o r m a t t i n gb i o f i l m a n do n l ya c t i v a t e d s l u d g ew a sa d d e da sc o n t r 0 1 t h er e m o v a lo fc o d m , a n dn h 3 - nw e r ed e t e c t e d b i o l o g i c a l p h a s ew a sa l s oa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep p c p sd e g r a d a t i o nb a c t e r i aw e r en o t a c c e l e r a t e dt h eb i o f i l mf o r m a t i o ns i g n i f i c a n t l y w h e nt h ei n f l u e n tw a s1 5 6 一2 4 5 ，p h6 8 8 7 2 7 ，t h er e m o v a lo fc o d m na n d n h 3 一nw e r ei n c r e a s e dw i t ht h eh y d r a u l i cl o a d i n g ，a n dd e c r e a s e dw i t hg a s w a t e rr a t i o w h e n t h ei n f l u e n tl o a dw a s0 2m 3 m 2 ha n dg a sw a t e rr a t i ow a s1 5 ：1 ，t h eb a fa d d e dw i t hp p c p s d e g r a d a t i o nb a c t e r i ah a ds o m es l i g h ta d v a n t a g ei nr e m o v i n gc o d m na n dn i - 1 3 - n c o m p a r e d w i t ht h ec o n t r o l ，t h er e m o v a lo fc o d m ni n c r e a s e d1 17 a n d1 4 4 ，a n dt h er e m o v a lo f n h 3 ni n c r e a s e d0 6 0 a n d1 5 6 w h e t h e ra d d i n gp p c p sd e g r a d a t i o nb a c t e r i ao rn o t ，t h er e m o v a lo fs e l e c t e dp p c p s w e r ed e c r e a s e dw i t ht h eh y d r a u l i cl o a d i n ga n dg a s - w a t e rr a t i o h o w e v e r , t h eb i o c e r a m i c f i l l e ri sb e t t e rt h a nh i g he f f e c t i v ef i b e rb a l lf i l t e r w h e nt h ei n f l u e n tl o a dw a s0 2i n j m 2 h a n dg a sw a t e rr a t i ow a s1 5 ：1 ，t h eb a fa d d e dw i t hp p c p sd e g r a d a t i o nb a c t e r i ah a dag r e a t a d v a n t a g ei nr e m o v i n gs e l e c t e dp p c p so ns h o r t - t e r m c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o l ，t h e r e m o v a lr a t eo fp p c p sh a si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y e s p e c i a l l yt h eb i o c e r a m i cb a fa d d e d w i t hp p c p sd e g r a d a t i o nb a c t e r i ah a dab e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h eo t h e rb a f i t scb z ，i b u a n db z fr e m o v a lr a t ew a s4 6 5 5 ，9 3 0 3 a n d9 6 9 7 r e s p e c t i v e l y a 8 s t r a c t y a n gx i n g ( e n v i r o m e n t a ls c i e n c e ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o r z h a ox i a o x i a n g k e yw o r d s ：p p c p s ，b e z a f i b r a t e ，c a r b a m a z e p i n e ，l b u p r o f e n ，bi o d e g r a d a t io n ， b i o a u g m e n t a t i o nt e c h n o l o g y , b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r v i l 用求 = = = ! = ! = = ! = = = = ! = = = = = = = = = = = ! ! = = = = ! = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = = = = = = = = = ! = = 目录 摘要i a b s t r a c t v 第一章绪论l 1 前言l 2 药品及个人护瑚n ( p p c p s ) 简介2 2 1 水环境中的p p c p s 及其来源2 2 2p p c p s 的生态与健康影响，4 2 3p p c p s 的去除工艺简析5 3 微污染水源水的曝气生物滤池( b a f ) 预处理技术1 0 3 1 曝气生物滤池简介1 0 3 2 曝气生物滤池原理1 0 3 3 曝气生物滤池的工艺特点1 1 4 生物强化技术l2 5 课题研究意义、研究内容以及创新点1 3 5 1 研究背景及意义1 3 5 2 研究内容1 4 5 3 创新点1 4 第二章实验设计一16 1 实验材料1 6 1 1 实验仪器1 6 1 2 培养基及试剂16 1 3 典型p p c p s 的选择及其性质1 7 1 4 曝气生物滤池强化实验用水1 9 1 5 曝气生物滤池的填料及其参数1 9 1 6 曝气生物滤池强化实验装置2 1 2 典型p p c p s 降解菌筛选的实验方法2 1 2 1 灭菌方法。2 l 2 2 典型p p c p s 降解混合优势菌群的富集2 2 i = = ：| 录 2 3 降解典型p p c p s 菌的驯化2 2 2 4 降解典型p p c p s 菌的分离筛选及鉴定2 2 2 。5 菌种的保存2 3 3 典型p p c p s 降解菌降解特性的实验方法2 3 3 1 初级基质对降解能力的影响2 3 3 2p h 对降解能力的影响2 4 3 3 温度对降解能力的影响2 4 3 4 降解产物的检测2 4 4 曝气生物滤池强化实验方法2 4 4 1 曝气生物滤池的运行方式及设备参数2 4 4 2 曝气生物滤池的启动2 6 4 3 生物强化实验效果分析2 7 5 本章小结2 7 第三章同时检测微污染水源水中典型p p c p s ( b z f 、c b z 和i b u ) 的方法2 8 1 前言2 8 2 实验方法2 8 2 1 标准溶液的配制2 8 2 2 高效液相色谱法条件2 9 2 3 样品制备2 9 2 4 标准曲线的绘制和检测限2 9 2 5 方法的回收率及精密度31 2 6 加标回收率与准确度3 3 3 本章小结3 4 第四章典型p p c p s 降解菌的筛选与鉴定3 5 l 前言3 5 2 典型p p c p s 降解混合优势菌群的富集3 6 3 降解典型p p c p s 菌的驯化3 6 4 降解典型p p c p s 菌的分离筛选3 7 5 菌种鉴定3 7 5 1 菌落形态3 8 5 2 电镜照片3 8 e 1 录 5 3 理化特征4 0 5 4 分子生物学鉴定4 1 6 本章小结4 2 第五章典型p p c p s 降解菌降解特性研究4 3 1 菌株b 3l 对b z f 的降解特性4 3 1 1 初级基质的影响4 3 1 2p h 及温度4 5 1 3 降解产物分析4 7 2 菌株d h u 3 3 对c b z 的降解特性4 9 2 1 初级基质的影响4 9 2 2p h 及温度的影响5l 2 3 降解产物分析5 2 3 菌株b l 1 对i b u 的降解特性5 5 3 1 初级基质的影响5 5 3 2p h 及温度的影响5 7 3 3 降解产物分析5 8 4 本章小结5 9 第六章曝气生物滤池强化实验6 l l 曝气生物滤池的启动61 1 1 挂膜期间曝气生物滤池运行效果6 l 1 2 挂膜期间生物相分析6 3 1 3 挂膜完成后生物载体的电镜观察6 5 2 稳定运行时曝气生物滤池对常规污染指标去除效率的影响因素6 6 2 1 水力负荷对常规污染指标去除率的影响6 6 2 2 气水比对常规污染指标去除效率的影响6 9 3 曝气生物滤池反冲洗及其周期7 2 3 1 反冲洗方式7 2 3 2 曝气生物滤池的反冲洗周期7 3 3 3 反冲洗的时间及强度7 4 4 曝气生物滤池对3 种典型p p c p s 共存体系的去除特性研究7 4 4 1 不同水力负荷下曝气生物滤池对3 种典型p p c p s 的去除效率7 4 1 录 4 2 不同气水比下b a f 对3 种典型p p c p s 的去除效率7 9 5 本章小结8 5 第七章结论与建议8 6 l 结论8 6 2 建议8 8 参考文献9 0 硕士觏间发表的学术论文与申请的专利9 5 致谢9 6 第章绪沦 1 前言 第一章绪论 目前，我国水资源形势严峻，全国地表水污染依然较重。据2 0 0 9 年中 国环境状况公报，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系 总体为轻度污染。2 0 3 条河流4 0 8 个地表水国控监测断面中，i - - - i i i 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 7 3 、2 4 3 和1 8 4 。2 6 个国控重点 湖泊( 水库) 中，满足i i 类水质的1 个，占3 9 ；i i i 类的5 个，占1 9 2 ；i v 类的6 个，占2 3 1 ；v 类的5 个，占1 9 2 ；劣v 类的9 个，占3 4 6 。主 要污染指标为总氮和总磷。营养状态为重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富 营养的2 个，占7 7 ；轻度富营养的8 个，占3 0 8 ；其他均为中营养，占 5 7 7 。 随着地表水质的恶化，饮用水水源也相应受到不同程度的污染。微污染 水源是指水的物理、化学和微生物指标已经不能达到地面水环境质量标准 中作为生活饮用水水源的水质要求。水体中污染物单项指标，如混浊度、色 度、嗅昧、硫化物、氮氧化物、有毒有害物质、病原微生物等超标现象，多 数情况下是受有机污染的水源。微污染水源污染物种类较多，性质较为复杂， 但浓度较低微( 浓度一般为n g l - l ag l ) 。这些微量的污染物对人体的危害 很大，特别是一些有机微污染物质具有致癌、致畸、致突变的作用，而常规 的传统净化工艺不能有效的将它们去除 2 1 。其中药品及个人护理用品 ( p h a r m a c e u t i c a la n dp e r s o n a lc a r ep r o d u c t s ，p p c p s ) 作为一种微量有机污染物 造成的环境问题日益突出。由于p p c p s 生产和使用量迅猛增长，导致它们在 水和土壤中均有残留。在世界范围内，频繁检测到污水处理厂的污水、地表 径流、地下水甚至是饮用水中含有痕量级的p p c p s t 3 1 。p p c p s 被持续不断地 输入环境，它们在环境中的残留浓度呈上升趋势，并逐渐显现出对微生物以及 动植物的生态毒性，对人类也具有潜在的生态风险【4 】，p p c p s 造成的环境污染 问题已经成为目前国际上的研究热点问题之一。同时，发展中国家正在应对 广泛存在的水质问题，如何去除水环境中，尤其是饮用水中的p p c p s ，是发 展中国家面临的又一新的挑战【5 】。 第章绪论 2 药品及个人护理品( p p c p s ) 简介 2 1 水环境中的p p c p s 及其来源 p p c p s 是药品与个人护理用品的英文f p h a n n a c e u t i c a l sa n dp e r s o n a lc a r e p r o d u c t s ) 缩写，最早在l9 9 9 年出版的( ( e n v i r o n m e n t a lh e a l t hp e r s p e c t i v e s ) ) 中 由c h r i s t i a ngd a u g h t o n 提出。随后，p p c p s 就作为药品和个人护理用品的专 有名词而被广泛接受。p p c p s 主要包括各种处方药和非处方药( 如抗生素、类 同醇、消炎药、镇静剂、抗癫痛药、显影剂、止痛药、降压药、避孕药、催 眠药、减肥药等) 、香料、化妆品、遮光剂、染发剂、发胶、香皂、洗发水等 6 1 。国外对p p c p s 在城市污水厂出水中的浓度已有了初步研究，m i d g ec 等 从1 1 7 篇文献中获得6 6 4 1 个数据和1 8 4 种药物，并统计出研究频率较高的 药物，结果见表l 一1 【7 1 。由于我国是药品生产和消费大国，在广州珠江也已 检测到多种p p c p s 8 | 。 表1 - 1 污水处理系统中研究较多的药品与个人护理用品 t a b 1 - 1t h ep h a r m a c e u t i c a l sa n dp e r s o n a lc a r ep r o d u c t st h em o s ti n v e s t i g a t e di n w a s t e - w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s 第一章绪论 水源水中的p p c p s 主要来源于人群的利用和排泄、养殖、畜牧业及p p c p s 工厂剩余物等。p p c p s 通过污水厂的出水排放、径流及垃圾渗滤液的渗透等途 径进入水源水环境。其中，城市污水厂的出水排放被认为是一条重要的途径。 地表水和地下水受污染的程度直接影响到饮用水的水质，图1 1 为饮用水中 p p c p s 的来源及其进入饮用水的途径旧1 。 图1 - 1 饮用水中p p c p s 的主要来源 ，f i g 1 - 1m a i ns o u r c eo fp p c p si nd r i n k i n gw a t e r 图1 1 可见，未被完全代谢的人类服用药物随城市污水进入污水处理厂进行 第+ 草绪论 处理后，其残余物随出水排入河流和溪流等地表水中。此外，废弃的p p c p s 通过城市污水厂的出水和垃圾渗滤液的渗透等途径进入水源水环境。在用堆 肥或污水处理厂消化污泥改善土壤结构时，牲畜医药及其代谓f 物很有可能污 染土壤，同时，通过地表径流与下渗作用污染地表水和地下水。工业废水也 是地表水污染的可能来源之一，但工业污染源不是造成p p c p s 普遍存在于地表 水的主要原因。个人护理品通过涮洗、游泳和洗浴等途径进水城市污水。来 源于医院、工厂和日常生活的同体废弃物中也含有p p c p s ，在填埋处置后经过 长期迁移会渗滤到地下水中。使用污水处理厂出水灌溉农田也会导致土壤和 地下水的污染。另外，采用已处理出水作为蓄水层补给水源是地下水受到污 染的另外一种形式阳1 。 2 2p p c p s 的生态与健康影响 与一些传统的污染物( 如农药、石油等) 不同，p p c p s 污染量即使持续 处于一个较低的水平也会导致生态毒性的增加【1 0 ，l l 】。已有研究表明，残留在 环境介质中的p p c p s 正在以各种方式影响着环境中的非目标生物体，例如高 等生物的性别比、地球生物化学循环的局部变化过程、植物生长的渐进改性、 昆虫蜕皮或幼仔孵化的失败发生概率、各种畸形生命体在解剖过程中呈现出 的生理结构等【1 2 】，而在细微且不易察觉的亚致死量作用下，可以引起水生生 物知觉行为、免疫力和性功能的逐渐退化【1 3 】。 p p c p s 化合物中的药物，为了达到治疗效果，多数具有特定的氧化活性。 当生物暴露于这类化合物时，体内的氧化剂和还原剂的平衡状态就会被破坏， 这一过程中细胞色素p 4 5 0 酶就会受诱导表达，并清除氧化自由基，从而导 致氧化应激增加。而低等环境生物的新陈代谢系统并不像哺乳动物和人类一 样完善，代谢和转化这些药物的能力相对较弱，因而无法及时清除体内产生 的氧化自由基， 这些化合物进入其体内以后就有可能会产生细胞毒性【14 1 。 例如，g a g n e 等研究了2 5 1 0 0 p m o l l 的咖啡因、布洛芬( i b u ) 、萘普 生、土霉素、磺胺嘧啶和磺胺甲基异恶唑等化合物对虹鳟鱼的肝细胞毒性， 结果表明，上述化合物可以通过干扰c y p 3 a ( 细胞色素酶p 4 5 0 的亚酶) 的活 性来影响虹鳟鱼肝细胞的氧化代谢过程，进而导致氧化损伤。并且化合物的 亲核性与其氧化性呈正相关。g a g n e 等同时研究了1 0 种p p c p s 对淡水贻贝 e l l i p t i oc o m p l a n a t a 的内分泌系统的干扰作用。发现吉非罗齐、苯扎贝特 第一章绪论 ( b z f ) 和磺胺嘧啶可以增强血细胞吞噬作用，新生霉素和吗啡会削弱吞噬 作用；甲安- t h 0 z 明、吉非罗齐，b z f 、新生霉素和卡巴咪嗪可以强烈地削弱 细胞内酯酶活性；土霉素、新生霉素、茶普生会削弱血淋巴细胞的细胞的粘 附作用，而吉非罗齐、b z f 和磺胺嘧啶会促进粘附作用；荼普生可以削弱过 脂质氧化作用，而新生霉素和磺胺嘧啶可以促进脂质过氧化作用【1 4 】。已有研 究证实水中低浓度的i b u 不仅对雌性日本青鲻【”1 和淡水端足目类动物1 6 1 的 生殖活动产生影响，而且刺激蓝藻的生长和抑制浮萍的生长【1 7 l 。此外，水环 境中的b z f 对人体有类雌激素作用【1 8 】。 总之，目前科学界已经达成了广泛的共识：水环境中残留药物的出现对 于人类健康和水生生物的不利影响很可能会大幅度增加。虽然在生命周期内 连续接触了低浓度的p p c p s 后，些水生无脊椎动物和脊椎动物只受到了一 些或者说是微小的影响，但是这些影响在慢慢地积累，最终会导致一个在几 代人之后才会被注意到的不可逆危害，并影响到水生生物种群的可持续发展 f 4 】 o 2 3p p c p s 的去除工艺简析 p p c p s 污染物进入环境的最主要途径是污水处理厂出水，而再次进入人 体最主要的途径是通过饮用水。因而，关于p p c p s 的去除手段的研究也主要 集中在对现有污水处理工艺和饮用水净化工艺的改进，以及新工艺的开发方 面1 4 1 ，以下侧重饮用水净化工艺介绍。 2 3 1 常规工艺 目前以地表水为水源的城市给水处理的常规工艺流程为：混凝沉淀一过 滤一消毒。有研究表明，混凝絮凝对亲脂性p p c p s 组分有较好地去除效果， 去除效率的高低依赖于其对固体颗粒的吸附能力；另外，由于范德华力的作 用，带有正电荷的p p c p s 组分也