（环境科学专业论文）厌氧微生物对氯苯类化合物的耐毒特性及降解能力初探.pdf

摘要 ( 3 ) 葡萄糖产酸培养微生物受1 ，2 ，4 t c b 的抑制是在1 0h 后表现出来的，而 受h c b 的抑制则是在一开始就反映出来了；葡萄糖产甲烷培养微生物受1 ，2 ，4 一t c b 的毒害和受h c b 的毒害基本相似，影响都不大。 ( 4 ) 不同培养微生物之间比较，他们降解1 ，2 ，4 - t c b 能力的大小顺序为：葡 萄糖产甲烷厌氧培养微生物 葡萄糖产酸厌氧培养微生物 丙酸厌氧培养微生物 丁酸厌氧培养微生物 乙酸厌氧培养微生物 甲酸厌氧培养微生物( 氢气利用微生 物) 。 ( 5 ) 不同培养微生物降解h c b 能力的大小顺序也为：葡萄糖产甲烷厌氧培 养微生物 葡萄糖产酸厌氧培养微生物 丙酸厌氧培养微生物 丁酸厌氧培养微生 物 乙酸厌氧培养微生物 甲酸厌氧培养微生物( 氢气利用微生物) 。 ( 6 ) 就单种培养自身而苦，乙酸培养微生物对1 , 2 ，4 - t c b 的降解能力小于对 h c b 的降解能力；丁酸培养微生物对这两种氯苯化合物的降解能力差不多；其它 四种类型微生物对1 ，2 ，4 t c b 的降解能力则大于对h c b 的降解能力， ( 7 ) 在以葡萄糖为基质的稳定厌氧体系( 利用葡萄糖产甲烷体系) 中，对 1 ，2 ，4 t c b 或h c b 降解起主要作用的似乎是利用葡萄糖产酸微生物和丙酸利用微 生物。 关键词：l ，2 ，4 一三氯苯；六氯苯；有机酸厌氧培养微生物；葡萄糖厌氧培养微 生物；毒害；降解 l i a b s t r a c t p r e l i m i n a r ys t u d yo na n a e r o b i cb a c t e r i a st o l e r a n c e a n d b i o d e g r a d a b i l i t yt oc h l o r o b e n z e n e s m a j o r ： e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：l i z h a n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i a o s h a l lj i a 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 di ni n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e t h e ya r cp e r m a n e n t o r g a n i cp o l l u t i o n s ，a n de x i s ti ns o i l ，w a t e ra n do r g a n i s me x t e n d e d l y m o s to ft h e mc a l l l e a dt oc a n c e r m o n s t r o s i t ya n dm u t a t i o n s ot h e yt h r e a t e nt h eh e a l t ho fp r o p a g a t i o na n d h u m a ns e v e r e l y w a y st or e m o v ee h l o r o b e n z e n e si n c l u d ep h y s i c a lm e t h o d ，c h e m i c a l m e t h o da n db i o l o g i c a lm e t h o d r e c e n t l y , b i o d e g r a d a t i o ni st h o u g h tt ob et h eb e s tw a y i t i n c l u d e sa e r o b i cd e c h l o r i n a t i o na n da n a e r o b i cd e c h l o r i n a t i o n a tp r e s e n t ，m a n ys t u d i e s o na e r o b i cb i o d e g r a d a t i o no fm o n o 一，b i - a n dt r i c h l o r o b e n z e n e sh a v eb e e na c c o m p l i s h e d h o m ea n da b r o a d b u tt op h e n y hp o l y c h o r i d e ，i t sd e c h l o r i n a t i o nh a st or e c u roa n a e r o b i c b a c t e r i a a l t h o u g ht h e r ea r em a n ys u c c e s s f u le x a m p l e so na n a e r o b i cd e g r a d a t i o no f c h l o r o p h e n o l a n d p o l y c h l o r i n a t e db i p h e n y t s ，s y s t e m i cr e p o r t s o na n a e r o b i c b i o d e g r a d a t i o no fc h l o r o b e n z e n e se s p e c i a l l yh e x a c h l o r o b e n z e u ea r er a r e i nt h i ss t u d y , a s s i m i l a t i o ns l u d g ei sr e s p e c t i v e l yc u l t u r e di na n a e r o b i cc o n d i t i o nb yf o r m i ca c i d ，a c e t i c a c i d ，p r o p i o n i ca c i d ，b u t y r i ca c i da n dg l u c o s ew h i c hi n c l u d e sa c i d o g e n st h a tc o n v e r t g l u c o s et ov o l a t i l ef a t t ya c i d s ( v f a ) a n dm e t h a n o g e n st h a tc o n v e r tg l u c o s et om e t h a n e ( c 地) a n dt h e nm u d yt h e s es i xk i n d so fa n a e r o b i cm i c r o o r g a n i s m s t o l e r a n c et o 1 , 2 ，4 - t r i c h l o r o b e n z e n e ( 1 ，2 ，4 一t c b ) a n dh e x a c h l o r o b e n z e n e ( h c b ) a n dt h e i rc a p a b i l i t i e s o fd e g r a d i n g1 , 2 ，4 - t c ba n dh c b r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h ep r o c e s s e so fa s s i m i l a t i o ns l u d g ec u l t u r e d ，a ss sa n dv s s a l er e d u c i n g ， v s s s sa l ei n c r e a s i n ga n dt h es p e e d so fm i c r o o r g a n i s m su s i n gt h e i ro w ns u b s t r a t e sa r e r i s i n g , t h ea i mb a c t e r i aa r eb e i n gr i c hg e n e r a l l y t h es l u d g e sa r eg e n e r a l l yc u l t u r e dt ob e r i p eo nt h e1 2 0 i “d a y ( 2 ) i nt o x i c i t yt e s t ，t h ep o i s o no f1 , 2 ，4 - t c bi sm o r es e r i o u st h a nt h a to fh c b t o a c e t a t e d e g r a d i n gb a c t e r i a b u tt op r o p i o n a t e - d e g r a d i n gb a c t e r i aa n db u t y r a t e d e g r a d i n g i i i a b s l i t a c t b a c t e r i a ，t h ep o i s o no fh c bi sm o r es e r i o u s ( 3 ) t ot h ea c i d o g e n sc u l t u r e db yg l u c o s e ，t h ep o i s o no f1 , 2 ，4 - t c ba p p e a r e da tt h e 1 0 1 “h o u r , w h i l et h a to fh c ba p p e a r e da tt h eb e g i n n i n g t h ep o i s o no f1 , 2 ，4 一t c ba n d h c bt om e t h a n o g e n sc u l t u r e db yg l u c o s ea l en o ts os e v e r e ( 4 ) t h ec a p a b i l i t yo fd e g r a d i n g1 , 2 ，4 一t c b o f m e t h a n o g e n s ，a c i d o g e n s ， p r o p i o n a t e c u l t u r e db a c t e r i a ，b u t y r a t e c u l t u r e db a c t e r i a ，a c e t a t e - c u l t u r e d b a c t e r i aa n d f o r m a t e - c u l t u r e db a c t e r i af o l l o wad e s c e n d i n go r d e n ( 5 ) t h e s es i xk i n do fb a c t e r i a sc a p a b i l i t yo fd e g r a d i n gh c b a sf o l l o wt h es a m e o r d e ra s ( 4 ) ( 6 ) a c e t a t e d e g r a d i n g b a c t e r i ac a nd e g r a d e 诬e1 , 2 , 4 - t c bt h a nh c b c o n t r a r i l y ， t h eo t h e rf i v ek i n d so fb a c t e r i ac a nd e g r a d em o r e1 , 2 ，4 一t c bt h a nh c b a sf o re a c h k i n do fb a c t e r i a ，a c e t a t e c u l t u r e db a c t e r i a ，i t sd e g r a d a b i l i t yt o1 , 2 ，4 ，t c bi sw e a k e rt h a n t h a tt oh c b ；b u t y r a t e c u l t u r e db a c t e r i a sd e g r a d a b i l i t yt o1 , 2 ，4 一t c ba n dt oh c b a r e a l i k e ；t h eo t h e rf o u rk i n d so fb a c t e r i a sd e g r a d a b i l i e st o1 , 2 , 4 - t c ba r es t r o n g e rt h a n t l l a t t o h c b ( 7 ) i nas t e a d ya n a e r o b i cs y s t e mt h a tg l u c o s ea c t s a ss u b s t r a t ec o n v e n e dt o m e t h a n e ，t h em a i nb a c t e r i ac o n t r i b u t i n gt o1 , 2 ，4 一t c b so rh c b sb i o d e g r a d a t i o ns e e m t ob ea c i d o g e n sa n d p r o p i o n a t e d e g r a d i n gb a c t e r i a k e yw o r d s ：1 , 2 ，4 一t r i c h l o r o b e n z e n e ；h e x a c h l o r o b e n z e n e ；a n a e r o b i c v f a 。c u l t u r e d b a c t e r i a ；a n a e r o b i cg l u c o s e c u l t u r e db a c t e r i a ；t o x i c i t y ；d e g r a d a t i o n 全文缩略词( a b b r e v i a t i o n s ) 1 , 2 ，4 - t c b 1 ，2 ，4 - 三氯苯f 1 , 2 ，3 - t r i c h l o r o b e n z e n e ) h c b l 叠粥 h r t u s e p a 六氯苯 ( h e x a c h l o r o b e n z e n e ) 挥发性脂肪酸( 文中简称为有机酸) ( v o l a t i l ef a t t y a c i d s ) 水力停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ) 美国环保局( u s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c y ) v 全塞堕型! 些坠! ! ! ! 罂! 型 全文图例( l i s to ff i g u r e s ) 图卜11 ，2 ，4 一三氯苯的好氧生物降解机制 f i g u r e1 - 1a e r o b i cd e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo f1 , 2 ，4 - t c b 图卜2h c b 的两种厌氧生物降解机制 f i g u r e1 - 2t w o k i n d so fa n a e r o b i cd e g r a d a t i o nm e c h a n i s m so fh c b 图1 - 3 实验路线图 f i g u r e1 - 3t h er o u t e o fe x p e r i m e n t 图2 - 1 污泥培养反应装置 f i g u r e2 1r o a c t i v es e t so fs l u d g ec u l t u r e 图2 - 2 活性实验血清瓶 f i g u r e2 - 2v i a l so fa c t n i t yt e s t 图2 - 3 气相色谱g c 1 4 ( 岛津制作) f i g u r e2 - 3g c - 1 4 g a sc h r o m a t o g r a p h ( s h i m a d z u ) 图2 4 有机酸培养微生物不同时期的活性情况 f i g u r e2 - 4a c t i v i t yo fv f a c u l t u r e db a c t e r i ai nd i f f e r e n tc u l t u r e p e r i o d s 图2 5 葡萄糖培养微生物不同时期的活性情况 f i g u m2 - 5a c t i v i t yo f g l u c o s ec u l t u r e db a c t e r i ai nd i f f e r e n tp e r i o d s 图3 - 1 溶剂对微生物活性的影响 f i g u r e3 - 1i n f l u e n c eo nb a c t e r i a a c t w i t yb ys o l v e n t s 图3 2 乙酸培养微生物在不同1 ，2 ，4 - 三氯苯浓度下对乙酸的利用 f i g u r e3 - 2a c e t i ca c i du t i l i z e db ya c e t a t e d e g r a d i n gb a c t e r i a i nt o x i c i t yt e s to f 1 , 2 ，4 - t c b 图3 - 3 丙酸培养微生物在不同1 ，2 ，4 - 三氯苯浓度下对各有机酸的利用 h g u r e3 - 3s u b s t r a t eu t i l i z e da n dc o n v e n e db yp r o p i o n a t e c u l t u r e db a c t e r i ai nt o x i c i t y t e s to f1 , 2 ，4 - t c b 图3 4 丁酸培养微生物在不同1 ，2 ，4 一三氯苯浓度下对各有机酸利用 f i g u r e3 - 4s u b s t r a t eu t i l i z e da n dc o n v e n e db yb u t y r a t e c u l t u r e db a c t e r i ai nt o x i c i t y t e s to f1 , 2 ，4 一t c b 图3 51 ，2 ，4 - t c b 毒性实验乙酸、丙酸降解速度回归曲线 f i g u r e3 - 5r e g r e s s i v ec u r v e so fa c e t a t e sa n dp r o p i o n a t e sb i o d e g r a d e d v e l o c i t i e si n t o x i c i t yt e s to f1 , 2 ，4 - t c b v l 图3 61 ，2 ，4 - t c b 毒性实验丁酸降解一级动力学回归曲线 f i g u r e3 - 6f i r s to r d e rk i n e t i c sr e g r e s s i v ec u r v e so fb u t y r a t e sb i o d e g r a d a t i o ni n t o x i c i t yt e s to f1 , 2 ，4 一t c b 图3 - 7 两种葡萄糖培养微生物在不同1 ，2 ，4 t c b 浓度下对葡萄糖的分解 f i g u r e3 7d e g r a d a t i o n so fg l u c o s eb ya c i d o g e n sa n dm e t h a n o g e n si nt o x i c i t yt e x to f 1 , 2 ，4 一t c b 图3 - 85 m g l1 , 2 ，4 一t c b 作用下两种葡萄糖培养微生物分解葡萄糖产生的有机酸 f i g u r e3 - 8v f af r o mg l u c o s e sd e g r a d a t i o nb ya c i d o g e n sa n dm e t h a n o g e n sw i t h 5 m g l1 , 2 , 4 - t c b 圈3 2 乙酸培养微生物在不同六氯苯浓度下对乙酸的利用 f i g u r e3 - 2 a c e t i c a d du t i l i z e db ya c e t a t e c u l t u r e db a c t e r i ai nt o x i c i t yt e s to fh c b 图3 - 3 丙酸培养微生物在不同六氯苯浓度下对各有机酸的利用 f i g u r e 3 3 s u b s t r a t e u t i l i z e da n dc o n v e n e db yp r o p i o n a t e c u l t u r e db a c t e r i ai n t o x i c i t yt e s to fh c b 圈3 - 4 丁酸培养微生物在不同六氯苯浓度下对各有机酸利用 f i g u r e 3 - 4 s u b s t r a t eu t i l i z e da n dc o n v e n e db yb u t y r a t e c u l t u r e db a c t e r i ai nt o x i c i t y 1 b s to f h c b 图3 - 9h c b 毒性实验丁酸降解一级动力学回归曲线 f i g u r e3 - 9f i r s to r d e rk i n e t i c sr e g r e s s i v ec u r v e so fb u t y r a t e sb i o d e g r a d a t i o ni n t o x i c i t yt e s to fh c b 图3 7 两种葡萄糖培养微生物在不同h c b 浓度下对葡萄糖的分解 f i g u r e3 - 7 d e g r a d a t i o n so fg l u c o s eb ya c i d o g e n sa n dm e t h a n o g e n si nt o x i c i t yt e s t o f h c b 图3 1 0l o m g l 两种氯苯作用下葡萄糖分解的比较 f i g u r e3 - 1 0c o m p a r i s i o n so fg l u c o s e sb i o d e g r a d a t i o nw i t hl o m g l1 , 2 ，4 一t c ba n d 1 0 m g lh c b 图3 1 11 0 r n g l 两种氯苯作用下乙酸分解的比较 f i g u r e3 - 1 1c o m p a r i s i o n so fa c e t a t e + sb i o d e g r a d a t i o nw i t h1 0 m g l1 , 2 ，4 一t c ba n d 1 0 m g lh c b 图3 1 21 0 m g l 两种氯苯作用下丙酸分解的比较 f i g u r e3 - 1 2c o m p a d s i o no fp r o p i o n a t e sb i o d e g r a d a t i o nw i t hl o m g j l1 , 2 ，4 一t c ba n d 1 0 m g lh c a 图3 1 31 0 m g l 两种氯苯作用下丁酸分解的比较 f i g u r e3 - 1 3c o m p a r i s i o no fb u t y r a t e sb i o d e g r a d a t i o nw i t h1 0 m g l1 , 2 ，4 - t c ba n d l o m g lh c b v i i 全三鬯型些竺! ! ! ! 型：! 生 图3 一l d1 ，2 ，4 - t c b 在不同培养单位v s s 中的减少量 f i g u r e3 - 1 4d e g r a d a t i o no f1 , 2 ，4 一t c bb yp e rv s s o fd i f f e r e n tc u l t u r e s 图31 4 h c b 在不同培养单位v s s 中的减少量 f i g u r e3 - 1 4 d e g r a d a t i o no fh c bb yp e rv s so fd i f f e r e n tc u l t u r e s 全文表例f l i s to f t a b l e s ) 全文表例( l i s to f t a b l e s ) 表1 - 1 持久性有机污染物的分类、来源及危害 t a b l e1 - 1c a t e g o r i e s ，s o u r c e sa n dh a r m so fp e r m a n e n to r g a n i cp o l l u t i o n s 表卜2 氯苯类化合物( c b s ) 的基本物理化学性质 t a b l e1 - 2p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r so fc b s 表1 - 3 用于培养厌氧还原脱氯微生物的接种物 t a b l e1 - 3i n o c u l au s e d 幻c u l t u r ea n a e r o b i cd e e h l o r i n a t i n gb a c t e r i a 表2 a 营养液成份表 t a b l e2 - 1c o m p o s i t i o no ft h es u b s t r a t e 表2 - 2 实验测定项目和测定方法 1 a b i e2 2m e m ei t e m sa n dm e a s u r e m e t h o d s 表2 - 3 不同培养时期各种培养污泥的情况 t a b l e2 - 3s l u d g ec o n d i t i o n si nd i f f e r e n tc u l t u r ep e r i o d s 表3 - 11 , 2 ，4 ，t c b 毒性实验中乙酸、丙酸降解速度回归方程及k 值 t a b l e3 - 1r e g r e s s i v ee q u a t i o n so fa c e t a t e sa n dp r o p i o n a t e sb i o d e g r a d e dv e l o c i t i e s a n dkv a l u ei nt o x i c i t yt e s to f1 , 2 ，4 一t c b 表3 21 , 2 ，4 一t c b 毒性实验丁酸降解一级动力学回归方程 t a b l e3 2f i r s to r d e rk i n e t i c sr e g r e s s i v ee q u a t i o n so fb u t y r a t e sb i o d e g r a d a t i o ni n t o x i c i t yt e s to f1 , 2 ，4 - t c b 表3 - 3h c b 毒性实验丁酸降解一级动力学回归方程 t a b l e3 - 3f i r s to r d e rk i n e t i c sr e g r e s s i v ee q u a t i o n so fb u t y r a t e sb i o d e g r a d a t i o ni n t o x i c i t yt e s to fh c b 表3 4 不同培养微生物对两种氯苯的降解率 t a b l e3 - 4r e d u c t i v er a t e so f1 , 2 ，4 - t c ba n dh c bd e g r a d e db yd i f f e r e n tc u l t u r e d b a c t e r i a i x 前旨 刖舌 人类社会发展到今天，创造了前所未有的文明，但同时又带来了一系列的环境 问题。随着人口激增、工业与经济的发展，特别是发展中国家急切改变本国贫穷 落后状态的愿望与行动，在工业发达国家环境治理刚刚取得某种进展的同时，发 展中国家的生态破坏和环境污染却更为突出，反过来又制约和影响着经济的发展。 从上世纪八十年代末可持续发展概念提出开始，人类在注重经济发展的同时，对 其生存的环境也投入了越来越多的关注，力图达到经济一社会环境的和谐统一口1 1 1 。 二十世纪五十年代以来，由于现代工业尤其是有机化工、石油化工、农药等工 业的迅速发展，有机化合物的产量和种类与日俱增。这些有机物在生产和使用过 程中，通过各种途径流失到环境中，而且往往难分解，有剧毒，长期残留在环境 中，对人类健康及生态安全构成严重的威胁。 全球性有机污染的严竣现实，愈来愈迫使人们对环境的有机污染问题给予极 大的关注。尤其是具有毒性、难以降解的有机污染物，如氯苯类有机物，更应是 环境工作者的研究重点。它敦促人们应就其种类、来源、迁移转化规律、降解机 理、去除方法等方面展开系统深入的研究。本研究即是基于上述情况，着重比较 评价了氯苯化合物中有代表性的1 ，2 ，4 三氯苯( 1 , 2 ，4 一t c b ) 和六氯苯( h c b ) 在才 常见厌氧培养污泥中的降解性能及毒性状况。希望能为今后还原脱氯微生物筛选、 驯化、分离、富集及脱氯机理等方面的研究提供一定的基础。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 持久性有机物的污染及降解性能研究概况 据统计1 8 8 0 年人们知道的有机物有1 2 万种，1 9 1 0 年增加至1 5 万种，1 9 4 0 年达4 0 万种，1 9 7 8 年剧增至5 0 0 万种，目前已知的有机物种类就有约8 0 0 万种， 一、 并以每年数以万计的速率上升【1 2 】。人类向环境中排放的有机污染物至1 9 9 0 年总 量己达2 5 亿吨【1 3 1 4 1 。估计在过去1 0 0 年间人工合成的化学品在全球环境中，已 造成其背景浓度由稍大于零增加到1 p p b 的后果，在今后1 0 0 年将有可能使其浓 度由l p p b 增加到l m g l 的严重程度，引起一系列危害严重的环境污染事件。 而且由于很多合成的有机物不易被微生物降解，容易在环境中积累。其中有 些还对生物和人类具有毒害作用，如致癌、致畸、致突变作用，因此已经构成了 对人类健康的严重威胁。美国在1 9 7 7 年颁御的“清洁水法”( p l 9 2 5 0 0 ) 修难 案中明确规定了6 5 类1 2 9 种优先控制的污染物，其中1 1 4 种为人工合成有机化 合物，占总数的8 8 4 t 1 5 6 1 。我国在修订的1 9 8 8 年“污水综合排放标准”中规 i t 定了的i 类污染物( 即易在环境或动植物体内蓄积，对人体健康产生不良影响者) 也包括了氯苯类化合物和多氯联苯等有毒有机物。持久性有毒有机污染物对环境 的污染和危害已成为当今世界的“三大环境问题”之一l l 。 1 1 1 持久性有机物的分类、来源及危害 持久性有机物一般是人工合成的有机物。人工合成有机物是相对于自然界固 有的有机物而言的。它们除了具有一般有机物的共同的特性外，同时具有一些不 同于一般有机物的特性。例如分子量大，结构复杂，对生命体有毒害作用，不易 被生物降解，具有生物积累性，具有“三致”作用等。表1 - 1 列举了几类主要持 久性有机物的来源和危害。 持久性有毒有机物对人体健康的危害包括急性中毒、慢性中毒和潜在中毒。 其中潜在中毒是指持久性有毒有机物一旦经过食物链富集进入人体后，不仅会危 害人体本身，而且可能导致长远的遗传影响，对生物体细胞产生不可逆转的改变 第一章绪论 表1 - 1 持久性有机污染物的分类、来源及危害 t a b l e1 - 1c a t e g o r i e s 。s o a r c e sa n dh a r n so f p e r m a n e n to 疆晌l cp o i l u t i e m 持久性有机物主要来源危害 影响人类和其它生物的生育繁衍，诱发“三致”效应，产生严重的危害“7 1 。据报 道，人类癌症8 0 - - 9 0 与环境因素有关，而在已发现的致癌化合物中8 0 为有 机污染物。氯苯类化合物即属于此类有机物。据所做动物实验中，大鼠摄入h c b ( h c b ) 和五氯苯( d c b ) 后，联苯一羟化酶活力会因此加强，从而促进具有致癌 作用的多环胺类代谢产物氨基酸的形成1 1 2 , 1 8 ，例。 1 1 2 持久性有机物的去除方法 目前，持久性有机物的去除方法包括有：吹脱法、吸附法、萃取法、化学氧 化法和生物降解法。吹脱法、吸附法和萃取法均属于物理方法，只是将持久性有 机物从一种介质转移到另一种介质，不能从根本上去除持久性有机物。而且吹脱 法如果处理不当可能会造成周围大气环境的污染或引起爆炸；吸附法也需要较大 第一章绪论 的投入伫0 1 。化学氧化法虽然处理效果很好，但运行费用较大，且极易造成二次污 染；生物降解法具有费用低、占地小、效果好、无二次污染等优点，因此它逐渐 成为研究的热点。 简单的说，有机物的生物降解是指通过微生物的活动使有机物分解稳定的特 性。一般条件下，微生物在利用有机物作为碳源和能源的过程中，可以有效地将 有机物分解稳定。而合成有机物仅在地球上出现了5 0 年或更短的时间，微生物 并不具有相关的酶系统可以利用这些有机物。但并不排除采用生物处理方法处理 持久性有机物的可能性。首先，某些合成有机物具有与天然有机物相似的化学结 构，使微生物能够对其发生作用；其次，虽然对于每一种反应都有专一性的酶， 而酶的专性却不是绝对的，它可以作用于一定范围的基质。因此考虑到微生物降 解有机物的强大能力及其可变异性与可适应性，研究持久性有机物的生物降解性 和采用生物处理方法处理持久性有机物的可行性，仍成为世界科学界关注的热点 1 1 3 1 。由于生物处理方法一般比化学处理方法费用低廉的多，所以已经成为处理有 机污染物的常用方法，但对于生物降解性差的有机污染物，生物处理方法的效果 不够理想，甚至会完全从生物处理设施中逸出，这使得许多科研工作者致力于研 究并设法提高持久性有机物的可生物降解性，以提高持久性有机物的生物处理效 率。 1 i 3 持久性有机物的生物降解 1 1 3 i 有机物的生物降解性 目前，处理持久性有机物公认的最好方法是生物降解法。在理论上，几乎所 有的有机污染物都能被微生物降解，但在实际废水处理过程中由于受到多种环境 条件的限制，因而实际情况很复杂。 根据有机物被降解的程度，可将生物降解分为三种m 1 ： ( 1 1 初步降解：即指母体有机物的一部分结构发生了变化，原有分子的完整 性已经改变，但其对环境的危害尚未去除，其分解产物仍将对环境质量或生物体 健康有不利影响。但由于许多有机物的生物降解过程与降解的起始步骤密切相 4 第一章绪论 关，所以对初级生物降解的研究具有非常重要的意义。 ( 2 ) 环境可接受的生物降解：即母体有机物虽然还没有彻底降解，但已被降 解到对环境无害的程度，从保护环境不受损害的目的出发，这种程度的降解已是 可以接受的。 ( 3 ) 完全降解：即母体有机物已完全无机化，在好氧条件下，有机物彻底氧 化分解的最终产物是二氧化碳和水，可能还有氨、硫酸盐等无机物。在厌氧条件 下，有机物将通过水解酸化、产氢、产乙酸、产甲烷等阶段稳定为甲烷和二氧化 碳等气体。 1 i 3 2 影响有机物生物降解的因素 影响有机物生物降解的因素主要有内因和外因两方面。内因是有机物的化学 组成和结构影响，是不可改变的。外因则包括各种外界环境因素( 物理条件、化 学条件和生物条件) 。有机物虽然有不可改变的固有因素，但可以通过环境条件 的改变与强化，使有机物得到完全降解。这也是当前有机物降解研究的主要方向 f 2 z , 5 。 ( 1 ) 基质因素( 内因) 作为基质的有机物的化学组成与分子结构，对生物降解性能有着决定性的影 响。与生命物质的分子结构越是类似的有机物，越容易被微生物降解。非生命有 机物分子中常含有生理学中少见或完全不存在的某些特殊的基团，这些特殊基团 的性质、数量、位置都会影响有机物的生物降解性能。卤素、氮基、氰基等特殊 的基团，都会使有机物的生物降解性能大大降低。同时，基团的数目越多，生物 降解性越差。基团的位置对生物降解性也有很大的影响，但是针对不同的有机物， 影响不同。 研究表明，脂肪族化合物一般较芳香族化合物易被生物降解；分子量大的聚 合物和复合物一般具有抵抗生物降解的特征；不饱和脂肪族化合物一般易被生物 降解，但主要分子链上如有碳原子以外的其它原子、其生物降解性降低。化合物 上有羟基或胺基取代后，生物降解性会提高，但氯代作用则使生物降解性大大降 低，大部分含氯有机物的生物降解性较差，有些很难降解，如氯苯类化合物。 基质的理化特性对生物降解性能也有较大影响。例如水溶性对生物降解性的 第一章绪论 影响很大，溶解度差的有机物一般具有较差的生物降解性能。因为难溶性有机物 在水中的扩散程度较差，且很容易被吸附在或捕集到颗粒物或者气泡等的表面， 不易达到与微生物相反应的位置，影响了生物降解作用的进行 2 6 - 2 7 1 。 ( 2 ) 生物体因素 影响有机物降解的生物体因素主要是微生物的种类、数量，以及微生物是否 具备分解该种有机物的酶系统。对于持久性有机物，其降解过程一般较长，其中 会有中间产物的生成。因此，系统种还必须有具各分解各种中阃产物的酶的微生 物，即要求有各种微生物共存的微生物群体，这些不同种属的微生物相互影响、 相互作用、协同代谢，共同完成对有机物的分解。自然界固有的微生物往往不能 降解人工合成的复杂的有机物，但经过适当的驯化，微生物可以培养出适宜于降 解此类有机物的酶系统。分子量大、结构复杂的合成有机物往往需要多种微生物 的协调、多步代谢才能有效降解，因此这样的微生物群体也需要精心的培养。另 外，微生物的数量也对有机物的分解起着重要的作用。 ( 3 ) 环境因素 外部环境，如温度、d h 值、溶解氧、营养元素、有毒物质等所有影响微生 物生命活动的环境因素，对有机物的生物降解都会产生影响。大多数细菌的适宜 生长温度在2 0 4 0 c 范围内，生物降解速率在其所容忍的温度范围内随着温度的 升高而增加：不同生物存在不同最适p h 范围，一般在6 8 生长最快；不同种 类微生物对溶解氧有不同的要求，好氧环境中，氧气作为许多降解反应的最终电 子受体，如果溶解氧不足则会抑止降解速率，但是氧气的存在却会影响厌氧降解 的进行；一些研究者阽8 1 指出，缺乏无机营养物氮、磷等是影响水环境中生物降解 的重要因素。 1 1 3 3 好氧生物降解和厌氧生物降解 目前，国内外对有机污染物好氧生物降解的研究已经非常成熟，而且在实际 应用中也已取得了很好的效果。结构较简单的有机物在好氧环境中能被微生物降 解其彻底矿化，产生c 0 2 和h 2 0 。在污水处理中，好氧处理有许多优点，如启 动时间短、出水c o d 浓度低、对一般污染物降解彻底等。但是对于持久性有机 第一章绪论 物，如多氯代苯、四环以上多环芳烃等在好氧状态下却难以降解。与好氧生物降 解相比，虽然厌氧微生物培养过程条件要求严格、时间较长，而且降解速度较慢， 但是对持久性有机物的降解，厌氧微生物却表现出相当大的优势。多氯代芳香烃 的脱氯往往是由厌氧微生物的还原作用开始的，雨还原所得的氯代基较少或不含 氯代基的化合物又可能继续厌氧降解得到甲烷、二氧化碳等气体和水，或被好氧 微生物将其彻底氧化。 由此可见，厌氧微生物对持久性有机物的降解启动起着非常重要的作用。另 外用厌氧反应器处理污水还有成本低、生物活性保留时间长、剩余污泥量少、反 应器容积负荷高、占地面积少等优点。因此接种培养厌氧微生物，开展持久性有 机物对其毒性的研究，对今后持久性有机物厌氧生物降解的深入研究有着很重要 的理论意义和应用价值。 1 。2 氯苯类化合物 氯苯类化合物( c h l o r o b e n z e n e s ，简称c b s ) 是苯环上的氢被1 个或多个氯取 代的芳香族氯化物，在环境中普遍存在，是一类物理化学性质极为稳定，不易溶 解或难溶于水的人工合成有机化合物。氯苯类化合物可以作为溶剂、还原剂、氧 化剂及一些农药和化工生产中的中间体，其主要来源于染料、制药、农药、油漆 和有机合成等工业排放的废水中1 2 9 l 。这类物质具有强烈的气味，对人体皮肤、结 膜和呼吸器官产生刺激，进入人体后有蓄积作用，抑制神经中枢，严重中毒时会 损害肝脏和肾脏p 1 1 。由于其难溶于水却易溶于有机溶剂及脂肪，一般难以被微 生物所降解，广泛地残留在大气、水体、沉积物和土壤等自然环境中，特别容易 在生物体的脂肪大量富集。它虽然不表现出显著的急性毒性，但其具有强烈地“三 致”效应，同时此类有机物还能够对动物和人体的生长和免疫系统造成严重损害， 并可以遗传给下一代m l 。因此c b s 被认为对环境具有潜在的毒害m l ，美国 t s c a ( 有毒物质控制法案) 已将其列为优先毒性有机物【1 6 “。 1 2 1 氯苯类化合物的基本理化性质 氯苯类化合物( c b s ) 包括一氯苯