（环境工程专业论文）分解六氯苯的厌氧微生物菌群驯化及其降解特性研究.pdf

摘要 分解六氯苯的厌氧微生物菌群驯化 及其降解特性研究 专业：环境工程 硕士生：黄海勇 指导教师：贾晓珊教授 摘要 本论文综述了作为持久性有机污染物( p o p s ) 之一的六氯苯( h c b ) 的性 质、分类、危害和在自然界的分布状况，对六氯苯的各种去除方法进行了总结， 并深入阐述了氯苯类化合物特别是六氯苯微生物降解的机理研究进展。 本论文研究了厌氧培养环境中，六氯苯降解微生物菌群的驯化条件，通过降 解模拟实验，确定了影响微生物降解六氯苯能力的环境因素，并探讨了各种碳源 条件下六氯苯的还原脱氯效果以及脱氯机理。实验结果表明： ( 1 ) 经过1 5 0 天的驯化，污泥培养体系中v s s 不断减小，而微生物对六 氯苯的降解能力逐渐增强。从驯化后的6 0 天到1 5 0 天，微生物降解六氯苯的活 性由最初的1 4 2 2 p g ( d g v s s ) 升至了3 2 8 a g ( d g v s s ) ，增长了一倍以上。 ( 2 ) 厌氧微生物菌群对六氯苯的降解必须在适宜的环境条件下进行，环境 条件改变，会极大的影响六氯苯的微生物降解性能。经过三个系列的环境因素实 验，确定微生物在反应温度3 5 、p h 值为6 8 之间的条件下，对六氯苯的降 解性能较好；在浓度较小的范围内，六氯苯浓度对于微生物的降解性能影响不大。 ( 3 ) 微生物菌群通过共代谢降解六氯苯。六氯苯的还原脱氯发生在微生物 混合菌群当中，依靠的是其协同、共生作用，当加入有机碳源作为共代谢的初始 物质时，这种作用被加强，使具有潜在脱氯活性的生物量增加；初始物质还会作 为电子供体，促进脱氯反应的进行；同时，微生物对有机碳源的利用诱导出能够 中山大学硕士学位论文 攻击苯环上氯原子的还原酶系，使六氯苯的微生物还原脱氯可以发生。 ( 4 ) 加入有机碳源对微生物降解六氯苯极其重要，不同碳源条件下，微生 物还原脱氯能力不同。各种碳源条件下六氯苯微生物降解的速率常数按照大小顺 序分别为kl = o 0 8 9 5 d k 自# = o 0 3 5 5 d k 十酶= 0 0 3 1 3 d kt 目= 0 0 2 7 5 d k w - - - - 0 0 1 4 8 d k 无硪日= 0 0 0 8 d 。从微生物菌群的扫描照片来看，乙酸利用产甲烷 菌和甲酸利用产甲烷菌是厌氧还原脱氯的主力微生物。 ( 5 ) 通过六氯苯降解动力学分析，在各种碳源条件下，六氯苯的微生物还 原脱氯都符合准一级反应动力学。 ( 6 )乙酸为碳源条件下，微生物降解六氯苯的半衰期为7 7 4 天，达到了 高效降解六氯苯的水平。 本论文同时考察了不同萃取回收方法对六氯苯回收率的影响。结果表明：在 较低六氯苯浓度下，将样品混合于总共8 m l 的正己烷溶剂中，在3 0 0 r r a i n 的条 件下振荡2 h ，然后利用超声波清洗仪超声6 0 m i n 以后，六氯苯的回收率达到8 0 以上，可以达到定量分析泥水混合样中痕量六氯苯的要求。 【关键词】厌氧微生物六氯苯环境因素共代谢 l i a b s t t a c t a s t u d y 0 1 1d o m e s t i c a t i o no f a n a e r o b i c m i c r o o r g a n i s m sd e g r a d i n gh e x a c h l o r o b e n z e n e a n d i t sd e g r a d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s m a j o r ： e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：h u a n gh a i y o n g s u p e r v i s o r ：p r o f j i ax i a o - s h a n a b s t r a c t a so n eo fp e r s i s t e n to r g a n i cp o l l u t a n t s ( p o p s ) ，h e x a c t d o r o b e n z e n e ( h c b ) s c h a r a c t e r , c a t e g o r y , h a z a r d ，d i s t r i b u t i o ni nn a t u r ea sw e l la si t s t r e a t m e n tm e t h o d s w e r er e v i e w e di nt h i st h e s i s m o r e o v e r , t h i sp a p e rw e n td e e pi n t ot h ed e v e l o p m e n to f b i o d e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo fc h l o r o b e n z e n e s ，e s p e c i a l l yh c b t h i s p a p e rp u te m p h a s i s o nt h er e d u c t i v ed e c m o r i n a t i o no fh c b m i c r o o r g a n i s m sw e r ed o m e s t i c a t e du n d e ra n a e r o b i cs i t u a t i o n t h ec i r c u m s t a n c eo f d o m e s t i c a t i o nw a ss t u d i e d t h er e s e a r c h so ne n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sw h i c hh a d i m p a c to nb i o d e g r a d a b i l i t yt oh c b w e r ed i d t h i sp a p e ra l s os t u d i e dt h ee f f e c ta n d m e c h a n i s mo fr e d u c t i v ed e c h l o r i n a t i o nb a s e do nw a t e rs y s t e mw i t ho rw i t h o u tc a r b o n s o u r c e s t h er e s u l t so ft h e s ee x p e r i m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a f t e r1 5 0d a y s d o m e s t i c a t i o n ，v s sd e c r e a s e d b u td e g r a d a t i o na b i l i t y i n c r e a s e df r o m1 4 2 2 g ( d 。g v s s ) t o3 2 8 3 z ( d g v s s ) ，i n c r e a s i n go n et i m ea b o v e ， a st h ed o m e s t i c a t i o nt i m er e a c h e dt o1 5 0d a y sf r o m6 0d a y s ( 2 ) a n a e r o b i cm i c r o o r g a n i s m s m u s tb ec u l t u r e ds u i t a b l ec o n d i t i o n s b i o d e g r a d a b i l i t yt oh c b w o u l db es h a r p l yc h a n g e di ft h es u i t a b l ec o n d i t i o n sw e r e c h a n g e d t h eo p t i m a lt e m p e r a t u r ef o ri tw a s3 5 。c ，t h ep hw a sf r o m6t o8 t h el o w c o n c e n t r a t i o no fh c bh a df e w i m p a c i so nt h er e d u c t i v ed e c h l o r i n a t i o n n 1 中山大学硕士学位论文 ( 3 ) h c b w a sd e g r a d e db ym i x e dc u l t u r e dm i c r o o r g a n i s m sw i t ht h em e c h a n i s m o fc o m e t a b o l i s m t h ee f f e c t so fc o o p e r a t i o na n ds y m b i o s i sb e t w e e nd i f f e r e n t m i c r o o r g a n i s mg r o u p sw e r es t r e n g t h e n e di nt h ec a s eo fa d d i n gc a r b o ns o u r c e ，s u c ha s g l u c o s e ，f o r m i ca c i d ，a c e t i ca c i d ，p r o p i o n i ea c i da n db u t y r i ca c i d ，t ot h em i x e ds y s t e m a sa r e s u l t ，b i o m a s st h a th a dp o t e n t i a la b i l i t yo fd e c h l o r i n a t i o ni n c r e a s e d t h ec a r b o n s o u r c ea l s oa se l e c t r o nd o n o r s ，a c c e l e r a t e dt h ed e g r a d a t i o no fh c b m e a n w h i l e ， r e d u c t i v ee n z y m e sw h i c hw e r ea b l et oa t t a c kc 1a r o u n dh c bw e r ep r o d u c e dt h l o u g h u t i l i z i n go fc a r b o ns o u r c eb ym i c r o o r g a n i s m s t h ee n z y m e sm a d et h ed e g r a d a t i o no f h c b h a p p e n ( 4 ) i tw a si m p o r t a n tt h a ta d d i n gc a r b o ns o u r c et ot h er e a c t i o ns y s t e m d i f f e r e n t k i n d o f c a r b o ns o u r c eh a dd i f f e r e n te f f e c to nt h ed e g r a d a t i o no fh c b t h e d e g r a d a t i o nv e l o c i t yv a l u eo fe a c hc a r b o ns o u r c ew a sa r r a n g e da sf o l l o w s ：磁c c t i b e i d 2 0 0 8 9 5 d k g i u c o = 0 0 3 5 5 d k f o r r a i ca c i d ：o 0 3 1 3 d k b 。t y d ca c i d 一- - o 0 2 7 5 d k p m p i o n i 。i d 2 0 0 1 4 8 d i l oc 岫s o u m 2 0 0 0 8 d a c c o r d i n gt ot h em i c r o s c o p ep h o t o s ，w ec o u l d f i n do u tt h a t m e t h a n o g e n sc o n s u m i n ga c e t i c a c i da n df o r m i ca c i dw e r em a i n m i c r o o r g a n i s m si nt h ep r o c e s so fr e d u c t i v ed e c h l o r i n a t i o n ( 5 ) t h es t a t i s t i c a lr e s u l t ss h o w e dt h a th c bd e g r a d a t i o ni nw a t e rs y s t e mf i t t e dt h e p s e u d o - f i r s t - o r d e rd y n a m i c sr e g u l a r i t y ( 6 ) i tw a sh i g h l ye f f i c i e n tf o rm i c r o o r g a n i s m st od e g r a d eh c b w h e na c e t i ca c i d w a su s e da sac a r b o ns o u r c e i nt h a tc a s e ，t h eh a l f - l i f eo fh c bw a s 7 7 4 d a y s w h a tf a c t o r sw o u l dh a v eai m p a c to nt h er e c o v e r ye t t i c i e n c i e so fh c bu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o w e d t h a tw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fh c bi nt h es a m p l ew a sl o w , e x t r a c t e dw i t h8 m l h e x a n e ，u l t r a s o n i cw a v e rf o r6 0m i n u t e sa f t e rs h a k i n g ( 3 0 0 r m i n ) f o r2h o u r so nt h e r o t a r ys h a k e rc o u l dr e a c ht h ed e m a n df o rt h em i c r o a n a l y s i so fh c bi nt h ew a t e r s y s t e m k e y w o r d s ： a n a e r o b i c m i c r o o r g a n i s m e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n i v h e x a c h l o r o b e n z e n e ( h c b ) c o - m e t a b o l i s m 前言 刖吾 工业革命为人类创造了灿烂的近、现代文明，也加剧了人类对自然界的影响， 环境污染呈几何级数增长，全球性的环境问题已经威胁到人类社会的生存和发展 【l l o 2 0 世纪5 0 年代至今，全世界大规模生产化学品，全球人工合成有机化合物 的数量和种类不断增加，给我们的生活带来了很大影响。一方面，人工合成有机 化合物的使用，使我们的生活变得非常便利，许多生活用品、生产资料的生产过 程中，都用到了人工合成有机化合物。另一方面，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。因此人工合成有毒有机污染物的污染和 危害已经成为当前世界上重大的环境问题之一。 针对这个问题，从2 0 世纪7 0 年代开始，有关人工合成有毒有机化合物的研 究在全世界范围内兴起，成为环境界、生物界、化学界各个学科领域新的研究热 点之一。其中，尤以对持久性有机污染物( p e r s i s t e n to r g a n i cp o l l u t a n t s ，简称p o p s ) 的研究最受世界各国的关注 2 1 0p o p s 在环境中不易降解，存留时间长，能够通 过大气、水体的输送影响全球环境，并且可以通过食物链富集，最终威胁人类健 康和生态安全。因此，对p o p s 的来源、分布、迁移转化规律以及降解方法的研 究是国际环境界渴望突破的领域。 六氯苯( h e x a c h l o r o b e n z e n e ，简称h c b ) 是一种典型的p o p s ，它在水体、 土壤、大气以及哺乳类动物、鱼类和植物等生物体中广泛存在 3 - t e l 对人类健康 具有潜在的巨大威胁。六氯苯在自然环境中降解很慢，在不同的环境介质中，它 的半衰期从几天至几十年不等“2 1 9 2 2 1 。不过，有研究表明，在厌氧环境中，六氯 苯的生物降解性能可以大大提高。这就使得在短时间内降解六氯苯成为可能。而 国内外关于这方面的研究较少，尚有空白需要填补。 本研究考虑了上述情况，研究了经过六氯苯驯化的厌氧微生物菌群对六氯苯 的降解特性，以期为六氯苯厌氧降解微生物纯种菌株的分离、纯化研究以及p o p s 的监测、管理做出贡献。 中山大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 持久性有机污染物概述 1 1 1 持久性有机污染物的性质、分类与危害 持久性有机污染物( p e r s i s t e n to r g a n i cp o l l u t a n t s ，以下简称p o p s ) 是一类在 环境中具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性的有机合成物质的专用 名词。多数p o p s 是人工合成有机物，在生产中被当作农药、油漆、化学中间体 等来使用，在使用过程中通过各种途径流失进入自然环境。 世界上p o p s 种类繁多，达数千种，可以分为氯代芳香族化合物、多环芳烃、 杂环化合物、有机氰化合物以及合成高分子有机物等几类，其中许多是含有特殊 化学结构的同系物和异构体。目前受到各国关注的主要有3 类1 6 种，分别是： ( 1 ) 杀虫剂：滴滴涕、氯丹、灭蚁灵、艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂、七氯、毒 杀酚、林丹和六氯苯；( 2 ) 工业化学品：多氯联苯、多环芳烃、多氯酚和六溴 联苯；( 3 ) 非故意生产的工业副产物：二嗯英和多氯代二苯并呋喃”。这1 6 种p o p s 当中，绝大多数属于有机氯化合物。这也说明了有机氯化合物是世界各 国政府、环境专家以及学者关注的焦点和研究的重点。 p o p s 凭借其长达几年，甚至上百年的半衰期，极高的生物富集因子( b c f 介于4 0 0 0 7 0 0 0 0 ) ，通过食物链给人类和其他生物带来了巨大的危害，严重影 响生态安全。它造成生物体内分泌紊乱，生殖和免疫系统遭到破坏，并诱发癌症 和神经性疾病。在已发现的致癌物中，8 0 属于有机污染物“1 ，而p o p s 则首当 其冲。急性毒性试验表明典型二嗯英化合物t c d d 能够耗竭动物体内脂类组织， 引起动物消瘦，并在几天或几周内死亡；此外，t c d d 是一种很强的多位点致癌 物。研究者用3 种不同的动物对其进行多项致癌性检测，实验结果均为阳性；动 物实验也表明，t c d d 易诱发肝、肺、粘膜和皮肤内癌症的发生：另外，采用统 计医学观点对不同人群进行初步调查的结果也表明，t c d d 染毒与由呼吸系统癌 2 第1 章绪论 症所致死亡具有明显的相关性。世界卫生组织( w h o ) 于1 9 9 7 年将二嗯英确认 为一级致癌物，其它1 1 种p o p s 中也有7 种被列为可能的人体致癌物“”，分别 为六氯苯、d d t 、艾氏剂、狄氏剂、七氯、氯丹和多氯联苯 2 3 1 。此外，p o p s 还 可能影响人的智力发育水平。研究人员发现：母亲怀孕期间食用了含有机氯化合 物的鱼，出生的孩子大部分都表现出一定的智力障碍 2 6 1 通过调查欧美国家男 性精子数时发现，男性精子数平均数值从1 9 4 0 年的1 1 3 1 0 6 m l 下降到1 9 9 0 年的6 6 1 0 6 m l ，研究者们推测，这与有些p o p s 的影响直接相关”1 。 1 1 2p o p s 的全球控制战略 随着p o p s 污染的日益严重，人类对于p o p s 污染这个问题逐渐感到不安与 焦虑，也迈出了制订p o p s 全球控制战略的步伐。 2 0 0 1 年5 月2 2 日，在联合国环境署于瑞典首都斯德哥尔摩组织召开的外交 全权代表会议上，来自1 2 7 个国家的代表通过了关于持久性有机污染物的斯德 哥尔摩公约，我国政府于第二天就签署了公约。我国全国人大常委会于2 0 0 4 年6 月2 5 日正式批准公约，8 月1 3 日中国政府向联合国交存了批准、接受、 核准和加入书。按照公约的规定，9 0 天后，也就是2 0 0 4 年1 1 月1 1 日该公 约正式对中国生效了”2 ”。 该公约旨在减少和消除p o p s 的排放，保护人类健康和生态环境免受其 危害。第一批受控的是3 类1 2 种p o p s ，分别为第一类杀虫剂：滴滴涕、氯丹、 灭蚁灵、艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂、七氯、毒杀酚和六氯苯：第二类工业化学 品：多氯联苯；第三类非故意生产的工业副产物：二嗯英和多氯代二苯并呋喃“1 。 此外，1 9 9 8 年6 月2 4 日，美国、加拿大和欧洲3 2 国在丹麦奥尔胡斯正式 签署了关于长距离越境空气污染物公约下的关于持久性有机污染物的议定 书，规定禁止或削减1 6 种( 类) p o p s 物质的排放，并禁止和逐步淘汰某些含p o p s 产品的生产。除了u n e p 提出的1 2 种物质之外，还有六溴联苯、林丹六六六、 多环芳烃、五氯酚 2 3 1 0 一条对抗p o p s 的全球战线正在逐渐建立，全球削减和淘汰p o p s 的行动进 3 中山大学硕士学位论文 入实质性的全面开展阶段。 1 2 氯苯类化合物及其研究方法 1 2 1 氯苯类化合物的性质 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。c b s 多属于p o p s 物质，在环境中普遍存在，是一类物理化 学性质极为稳定，难溶或不溶于水的人工合成有机化合物，被认为具有潜在的毒 性。1 ，其中的h c b 更被联合国环境保护署列为首要的需要控制的1 2 种p o p s 之 一。c b s 一般具有强烈的气味，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。 表卜l 氯苯类化合物( c b s ) 的基本物理化学性质 t a b l e1 - 1p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a t e r so fc b s 化台物名称分子式 mpt m1 b l 即+培c i 。枷1 9 k b 。l g k o w p k h ( g t o o l 。1 ) ( g c m - 3 ) pa 计算值 ( 试验值) 注：m 一摩尔浓度：p 一比重：t i n 一熔点：t b 一沸点：矿一蒸汽压：c 两叫一溶解度；k 湘一空气一水分配 常数；k 曲一辛醇水分配系数；k t 。一酸度常数 4 第1 章绪论 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“3 ”。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过程的中间体，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川。氯苯类 化合物( c b s ) 包括一氯苯( m c b ) 、二氯苯( d c b s ) 、三氯苯( t c b s ) 、四氯苯 ( t e c b s ) 、五氯苯( p c b ) 、六氯苯( h c b ) ，共有1 2 种同系物。c b s 的基本理化 性质如表卜1 。 1 2 2 六氯苯 在c b s 的1 2 种同系物当中，六氯苯无疑是最引人注目的。它不仅毒性最强， 被列为关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约首批控制的1 2 种p o p s 之 一，而且最难降解，无论是物理、化学、生物方法都很难令顽固的的六氯苯驯服。 因此，许多环境工作者都以能够找到有效的降解h c b 的方法为研究方向，同样 也包括本研究。 1 2 2 1 六氯苯的基本理化性质 六氯苯( 又称六氯代苯、全氯苯，英文名 h c x a c h l o r o b e n z e n e ，简称h c b ) ，分子式为c 6 c 1 6 ，结构 式如图卜1 。六氯苯纯品为无色针状结晶，溶点为2 2 7 ， 沸点为3 0 9 3 1 04 c ( 7 2 5 m m h g ) 。六氯苯工业品为淡红色 结晶，在加2 0 时蒸汽压为1 0 8 9 8 x1 0 一m m h g ，几乎不 溶于水，微溶于乙醇，易溶于苯、甲苯、乙醚、氯仿等 有机溶剂中。六氯苯化学性质稳定，不怕酸，但在高温 下能碱解生成五氯酚钠“”。 1 2 2 2 六氯苯的来源、用途和危害 图卜1 六氯苯结构式 f i g u r e l 一1s t r u c t u r eo fh c b 六氯苯产生于1 9 4 5 年，最初用于处理种子，是粮食作物的杀菌剂，全球累 计消费量为1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 t 。目前中国不把六氯苯直接作为农药使用，而是 作为化学中间体生产五氯酚和五氯酚钠，或作为化学溶剂等，也有少量用于生产 烟花。因此，五氯酚和五氯酚钠农药中含有的六氯苯杂质是六氯苯流失进入环境 中山大学硕士学位论文 的一条重要途径。此外，各种有氯存在的燃烧过程，包括医疗垃圾燃烧，城市垃 圾燃烧和污泥燃烧等，都会产生六氯苯 2 3 1 0 六氯苯不表现出显著的急性毒性，但它具有强烈地“三致”效应，同时还能 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ia s l 。它 还会导致肝脏的不良反应，与甲状腺肿大、关节炎以及生长停滞有关 2 3 1 0 1 2 2 3 六氯苯在自然界的分布状况 与许多p o p s 一样，六氯苯在自然界的污染也是全球性的。作为一种典型的 p o p s ，六氯苯在全球的迁移转化规律更具有代表性，它的分布状况也非常被人 关注。2 0 0 5 年，英国的j o n a t h a nlb a r b e r 对六氯苯在全球各种环境中的背景值、 分布状况和降解趋势做了一个比较完整的综述1 1 2 1 。 历史上，六氯苯曾被大量生产和使用，因此，世界上许多生产和使用过六氯 苯的地区空气中曾经出现过六氯苯含量的峰值。比如西班牙一个靠近溶解氯生产 企业的小村子f l i x ，当地空气中的六氯苯含量在最高时达到了3 5 n g m 3 ，比巴塞 罗那空气中六氯苯的含量要高出1 0 0 倍：法国农业区空气中的六氯苯浓度也曾经 达到2 4 n g m 3 。相对这么高的六氯苯浓度，北大西洋上空的六氯苯浓度只有4 0 p g m 3 ，而南大西洋上空则是1 0 p g m 3 。此外，由于六氯苯的“全球蒸馏效应”， 南极和北极地区大气中都监测到了六氯苯，平均浓度分别为6 0 p g m 3 和1 0 0 p g m 3 a 幸好，随着世界各国对六氯苯的禁止，六氯苯向空气中的排放也逐渐停止，空气 中六氯苯的浓度趋于平衡。目前北半球空气中六氯苯的平衡浓度为5 5 p g m 3 ，而 南半球则是1 8 p g m 3 1 1 2 。目前，认为六氯苯可以在空气中降解的理论只有两种， 一种认为它可以通过光解降解，半衰期是8 0 天“1 ；另一种理论认为它可以通过 羟基的氧化进行化学降解，半衰期是1 7 年1 1 9 1 。 六氯苯在水体中按照浓度由大到小的分布顺序是：河流 河口 湖泊 海洋1 。 不过，一些曾经被六氯苯污染过的湖泊或者海洋中的浓度却也会比河流或者河口 中的浓度要高。比如埃及的某些受六氯苯直接污染的湖泊，其中的六氯苯浓度可 以达到1 0 0 n g l 3 7 1 比许多河流中六氯苯的浓度要高许多( 河流中六氯苯的浓度 一般为p g l 级别) | 1 2 1 0 水中六氯苯的背景值为，北半球：4 3 7 7 p g l ，南半球： 2 2 2 4 p g l 。由于南北半球海水的融合，全球水中六氯苯的浓度也在逐渐趋于 平衡 1 2 1 0 相对于世界上许多国家已经全面禁止六氯苯的使用，中国仍然在少量 第1 章绪论 生产六氯苯，作为生产五氯酚和五氯酚钠的化学中间体。因此，国内各种水体中 六氯苯的含量仍然在上升 1 2 1 01 9 9 4 年，杨燕红，傅家谟等在研究珠江三角洲内 流经城市的7 条河流中有机氯农药的总量时，就已经发现广州、肇庆、深圳等地 河流中六氯苯最高已经达到了1 0 7 n g l “”，现在虽然还没有最新的调查数据，但 是伴随这六氯苯的继续使用，中国各种水体中六氯苯的浓度将会越来越高。关于 六氯苯在水体中的降解，有人提出光解是一条很重要的途径，其半衰期只有7 0 天1 3 6 1 j 但是也有人提出化学和生物降解，半衰期长达2 7 1 1 4 年i t 2 1 。 1 9 9 8 年，m e i j e r 等人在全球1 9 1 个采样点采集了地球表层5 c m 的土壤，研 究其中的六氯苯含量，得出全球土壤中六氯苯的背景值为0 6 8 n g g 干土。其中 浓度最高的土壤样品来自北欧的挪威和俄罗斯北部，六氯苯浓度达4 8 3 5 2 0 n g g 干土 3 8 1 0 由于挪威和俄罗斯北部处于北温带与北寒带之间，并且当地 植被也比较茂盛，土壤有机质含量丰富，因此，j o n a t h a n 经过分析得出结论：土 壤中六氯苯的含量与土壤的有机质成正比，与当地的气温成反比 1 2 1 0 然而，在 许多被六氯苯直接污染的地区，土壤中六氯苯的含量就不遵循上述的规律。德国 的一个工业地区b i t t e f f e l d ，由于存有许多未密封的化学废物，导致周围的环境受 到污染，其中六氯苯的含量高达3 3 0 0 n g g 干土。1 。土壤中大量的六氯苯会通过 挥发进入大气，有人提出这个过程的半衰期为9 7 0 2 1 0 0 天，而深层土壤中的六 氯苯则主要通过好氧和厌氧生物降解去除，然而半衰期则分别达到2 7 5 7 年 和1 0 6 2 2 9 年 t 2 l 。 来自污染源地区的沉积物中六氯苯的平均含量大概为l n g g 干土，有一些高 污染的地区，六氯苯的浓度可以达到2 3 n g g 干土，比如多瑙河罗马尼亚段1 ； 据报道，尼罗河沉积物中的六氯苯浓度有3 8 4 5 n g g 干土 1 2 1 | 2 0 世纪9 0 年 代中国大陆各个水域中沉积物的六氯苯平均浓度为4 2 n g g 干土，其中东南沿海 的浓度最高，达到5 3 n g g 干土，西南地区最低，为1 1 n g g 干土，而北方地区 的浓度为1 7 n g g 干土，比8 0 年代的平均值0 2 n g g 干土多了将近1 0 倍“：西 班牙埃布罗河三角洲沉积物中的六氯苯浓度也达到了1 9 n g g 干土 1 2 1 0 对比起这 些污染严重的区域，许多偏僻地区的河流、湖泊中六氯苯的含量则低得多，多是 p g g 干土级别。例如远离六氯苯污染的波斯湾地区沉积物中的六氯苯浓度小于 1 0 0 p g g 干土 1 2 1 0 沉积物中的六氯苯主要通过微生物降解和解吸附进入水环境来 7 中山大学硕士学位论文 减少。有报道称天然微生物降解沉积物中的六氯苯的半衰期为1 7 年，而实验室 微生物降解沉积物中的六氯苯的半衰期从6 3 天至3 1 5 天不等1 1 2 1 。 六氯苯在以上4 种介质中的背景值、最大值、降解理论和半衰期等数据列成 如表卜2 。 此外，在各种植被和生物体内部也都发现存在六氯苯。而远离污染源的植被 上所含有的六氯苯与极地地区所含的六氯苯来源都一样，是通过它的“全球蒸馏 效应”而获得。各种植被的六氯苯浓度多为几n g g 以下，最高不超过l o n g g “”； 生物体内部的六氯苯则是通过食物链由低营养级生物传给高营养级生物，并且在 污染源地区情况更为严重。在中国东北一个生产六氯苯的厂矿区，周围人群中母 乳里所含的六氯苯浓度就明显高于没有六氯苯生产企业的中国东南部地区的人 群1 1 2 1 。 总的看来，由于世界各国历史上曾经大量使用过六氯苯，造成自然环境中六 氯苯浓度曾经一度达到高峰。幸好，从2 0 世纪7 0 年代末开始，许多国家纷纷禁 止六氯苯的使用，遏制了它的增长势头，并出现下滑的趋势。在六氯苯的全球分 布状况上，首先，从六氯苯的地区分布状况来看，曾经受过或仍然在受其污染的 河流、湖泊、海湾地区六氯苯浓度较高，如德国某些工业区、中国东南沿海和东 北老工业基地地区等，而许多偏僻地区虽然检出六氯苯，但是浓度较低，主要是 受到其“全球蒸馏效应”的影响。其次，从六氯苯的地理分布状况来看，北纬 5 0 度至北纬7 0 度的地区是六氯苯浓度较高的地区，主要是因为该地区温度较低， 土壤有机质含量丰富，适合六氯苯的沉降条件 1 2 1 0 再次，从六氯苯分布的介质 来看，由于六氯苯的疏水性和亲脂性，土壤、沉积物和植被就成为了它比较常见 的最终聚集场所。而从目前的污染调查来看1 2 l j 其中又以土壤中六氯苯的含量 最多。 8 第1 章绪论 表卜2 六氯苯在4 种介质中的背景值、最大值、降解理论和半衰期 t a b l e l - 2b a c k g r o u dv a l u e 、m a x i m u m 、d e g r a d a t i o nt h e o r ya n dh a l f l i f eo fh c bi nt h ef o u r m e d i u m s 介质背景值 降解理论及其半衰期备注 污染区：1 n g 偿干土；2 0 世纪9 0 年代中国东 非污染区：o 1 n g g 干 南沿海沉积物的六氯苯 土以下。 解吸附进入水环境 浓度最高，达到5 3 n g g 微生物降解：天然环干土，西南地区最低， 沉积物 境1 7 年，实验室为1 1 n g g 干土，北方地 6 3 3 1 5 天不等。 区的浓度为1 7 n g g 干 土，比8 0 年代的平均值 0 2 n g g 干土多了将近 1 0 倍。 + ：n h ：n o r t h e r nh e m i s p h e r e + ：s h ：s o u t h e r nh e m i s p h e r e 9 中山大学硕士学位论文 1 2 3 氯苯类化合物去除方法的研究 目前，国内外对氯苯类化合物去除方法的研究主要涉及物理法、化学法和微 生物法三个方向。 1 2 3 1 物理法 物理法的原理是根据氯苯类化合物的物理特性，利用吸附、吹脱、气提、萃 取等方法将其从气、液、固相中分离出来。主要有以下几种机n - ( 1 ) 吸附法。通过某些介质的表面对氯苯类化合物的吸附作用将污染物从 水中除去，通过解吸可以回收去除的有机物。但是作为吸附剂的活性炭或其它吸 附剂的解吸再生往往是一件需要较大投入的工作。 ( 2 ) 吹脱法。在常温常压、常温减压或升温减压等条件下，通过吹脱去除 有机物。一般来说，低沸点、高挥发性的有机物易被吹脱。但是吹脱容易造成对 周围大气环境的污染或引起爆炸，所以应该利用冷凝法回收吹脱的污染物。 ( 3 ) 气提法。气提法是利用氯苯类化合物高挥发性的特点，用气体吹脱法 去除氯代有机物。其主要设备是气提塔。朱永安曾经利用气提法来去除某化工厂 生产废水中的二氯苯和苯，效果明显 4 2 1 。 ( 4 ) 萃取法。利用有机溶剂将废水中的氯苯类化合物提取出来并加以回收， 该有机溶剂应与水不相溶，并可以采用其它化学药剂使之溶解，其中的氯苯类有 机物被溶出，而萃取剂可以重复使用。迟春娟等对浙江某农药化工厂的高氯难溶 有机废水进行了萃取处理，经过萃取后的废水，其可生化能力大大提高k 4 3 1 0 1 2 3 2 化学法 化学法处理氯苯类化合物可以分为化学氧化法和化学还原法。化学氧化法包 括焚烧、湿式氧化、臭氧氧化、过氧化氢氧化、f c n t e n 试剂法和光催化氧化法等。 化学还原法比较常用的有零价金属还原法和双金属催化还原法。 近年来，解清杰等人分别使用f e n t e n 试剂法 4 4 1 电f c n t e n 法“”和阳极电 f e n t e n t 去t “l 来处理六氯苯废水，处理效果为：阳极电f e n t e n 法 电f c n t e n 法 f e n t e n 试剂法，3 小时的处理率最高可达9 6 9 6 4 6 1 0 所谓化学还原法是通过一些还原性物质，使氯苯类有机物脱氯，转化为危害 第1 章绪论 性较小的物质或易于被生物降解的物质。当前，最有前景的是利用零价金属降解 氯苯类有机物。德国的c h r i ss c h l i m n 用m g , f e ，a i ，z n 等金属单质或是用铜活化 了的这些金属对六氯苯等化合物进行脱氯研究。结果发现，在中性介质中，这些 金属能够加速氯苯类有机物进行脱氯反应，脱氯效率达9 9 以上 4 7 1 。 由于物理法处理氯苯类化合物只是将其从一个相转移到另外一个相，不是彻 底的降解，而化学法则面临着能源消耗大的问题，因此，许多学者都将目光投向 了氯苯类化合物的微生物降解。 1 2 3 3 生物法 所谓微生物降解法，即在微生物作用下使有机物得到分解。一方面，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；另一方 面，微生物在共代谢的过程中，通过分解生长物质不断提供碳源和能源，从而使 非生长物质的降解能够进行。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。但并不排除采用微生物 处理方法处理难降解有机物的可能性。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，而酶的专一性却不是绝对的，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，研究难降解有机 物的微生物降解性和采用微生物处理方法处理难降解有机物的可行性，仍成为世 界科学界关注的热点 4 8 1 a 由于微生物处理方法一般比化学和物理处理方法费用 低廉的多，微生物处理方法已经成为处理有机污染物的常用方法。因此，本研究 采用的氯苯类化合物的处理方法为微生物降解法。 在实际应用中，影响有机物微生物降解的因素主要有环境条件、微生物状况 和待降解有机物的结构特性三个方面“1 。( 1 ) 环境条件包括温度、p h 值、 营养元素和有毒物质的浓度等，环境条件改变，微生物降解有机物的效率将会改 变。( 2 ) 微生物状况包括微生物的种类、数量，一般微生物未必具备降解氯苯 类化合物的酶系统，但是可以通过对其进行驯化使它产生此种酶系统。( 3 ) 待 降解有机物的结构特性是决定微生物能否将其降解的内在因素。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 1 1 中山大学硕士学位论文 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。 1 2 4 氯苯类化合物微生物降解的研究进展 氯苯类化合物苯环上的氢被1 个或多个氯取代后，由于氯原子有较高的电负 性，强烈吸引苯环上的电子，使苯环成为一个疏电子环，这样的结构特性造成氯 苯类化合物很难发生亲电反应。随着取代基的增多，氯苯类化合物的活性逐次下 降。再加上氯苯类化合物是人工合成的有机物，即环境外来化合物，自然界中的 微生物缺乏相应的降解酶，所以难以被微生物利用。但是经过长期的驯化，有些 微生物通过自然变种，或通过形成诱导酶，而逐步改变自身以适应环境，能将氯 苯类化合物降解或者部分转化。 1 2 4 1 氯苯类化合物的好氧降解 由于好氧微生物能够将有机物彻底矿化，生成c o 。和h 2 0 ，并且好氧处理设 施具有启动时间短，出水c o d 低等优点，因此对于氯苯类化合物的微生物降解 研究也是从好氧微生物开始的。 好氧微生物对低取代氯苯类化合物的降解是有效的。在好氧条件下，氯苯类 化合物的降解反应基本上遵循一种相似的先开环再脱氯的机制。首先在芳环羟基 化1 ，2 - 双加氧酶作用下，在芳环中插入氧原子，形成相应的环状氯代二醇，再在 去氢酶作用下，脱除两个氢原子转化为相应的氯代邻二酚。研究表明，好氧生物体 中不仅含有1 ，2 - 双加氧酶，而且还含有可使苯环发生邻位裂解的酶。该酶可催化 氯代邻二酚邻位开环，生成相应的氯代粘康酸，此产物在内酯化过程中脱除氯原 子并被氧化成氯代马来酰基