（环境工程专业论文）光合细菌降解2氯酚的研究.pdf

at h e s e si ne n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s t u d y o n b i o l o g i c a ld e g r a d a t i o n o f 2 - c h l o r o p h e n o lb yp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a b ys h a n gj i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh ux i a o m i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 1 学位论文作者签名：l 萄也 日 期：肋) 7 乡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年囱 学位论文作者签名：、与救 签字目期：如9 _ 7 弓 导师签名：嘲绽钇 签字日期vt 2 内， 东北大学硕士学位论文 摘要 光合细菌降解2 氯酚的研究 摘要 氯酚类化合物是一类用途广泛、产量大、毒性大( 具有“致癌、致畸、致突 变”作用) 、具有良好的化学稳定性和热稳定性且不易被分解或生物降解有机化 合物。因此经常因其未经处理，或处理不完全就释放到环境中，通过食物链在生 物体内富集，从而对自然生态和人类健康带来极大威胁。利用微生物处理含氯酚 废水是一种经济有效且无二次污染的方法。本研究考察了一株光合细菌 ( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ，p s b ) 对2 氯酚的降解效率和影响因素。 从农药厂排污管道下游浅层底泥、农药厂周边水稻地、校园树下土以及湖水 中分离、筛选、驯化得到一株降解2 氯酚的光合细菌，通过形态观察和生理生 化实验，初步鉴定其为紫色非硫光合细菌沼泽红假单胞菌属( r h o d o p s e u d o m o n a s p a l u s t r i ss p ) 。 通过毒性实验( 脱氢酶活性实验) ，得出结论：驯化可以降低p s b 对2 氯 酚毒性的敏感性。运用评价化学品对水生生物毒性的标准方法，得到2 氯酚对 已驯化的p s b 、未驯化的p s b 和湖水复合菌生长的安全浓度，即最小无显著差 异浓度( l o e c ) 分别为5 0 m g l 、2 5 m g l 和2 5 m g l 。根据实验结果采用几率单位 法进行数据处理，得到抑制已驯化的p s b 、未驯化的p s b 和湖水复合菌生长的 半致死浓度( 9 6 h e c 5 0 ) 分别为3 3 1 1 3 m g l 、1 8 8 3 6 m g l 和1 6 7 4 9 m g l ，并对 各剂量反应方程进行矛检验，结果均符合精度要求，计算出的9 6 h e c 5 0 真实可 靠。研究结果表明，p s b 对2 氯酚的耐受性高于自然水体中的湖水复合细菌， 而且经过驯化后，其耐受性进一步提高。 实验表明2 氯酚不能作为p s b 生长的唯一碳源和能源，需采用共代谢的方式 降解。 通过条件实验，分别考察了光照和氧气供给条件的组合、暴露浓度、碳源及 其用量、氮源及其用量、初始p h 值、接种量、温度、光照强度、投加c 0 2 对 p s b 降解2 氯酚的影响，得出结论：在光照厌氧条件下，3 5 ，光照强度3 0 0 0 1 x ， 初始p h = 7 ，2 氯酚暴露浓度5 0 m g l ，以2 0 9 l 柠檬酸钠作为共代谢碳源，以 2 o g l 酵母膏作为氮源，p s b 接种量1 0 ，9 6 h 后2 氯酚去除率可达5 8 7 ，投 i i 东北大学硕士学位论文摘要 加c 0 2 不能对2 氯酚的降解起到促进作用。 本研究结果表明：筛选所得的p s b 经过驯化，获得较强的耐受2 氯酚的能 力；通过条件优化实验，得到较强的降解2 氯酚的能力；利用微生物处理难降 解毒性有机物是一种具有开发前景的有效方法。 关键词：光合细菌；氯酚；去除率；耐受性；o d 值 i i i s t u d yo nb i o l o g i c a ld e g r a d a t i o no f 2 - c h l o r o p h e n o lb yp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a a bs t r a c t c h l o r o p h e n o l s ( c p s ) a r ec a t e g o r i z e da sn o n b i o d e g r a d e do r g a n i cc o m p o u n d s w h i c ha r ew i d e l yu s e d ，l a r g e - v o l u m ep r o d u c e d ，h i g h l yt o x i ca n de x h i b i tf a i r c h e m i c a la n dt h e r m a ls t a b i l i t y d u et ot h e i rd i s c h a r g ei n t ot h ee n v i r o n m e n tw i t h o u t b e i n ga p p r o p r i a t e l yd i s p o s e d ，c p sh a v ep o s e dg r e a tt h r e a tt on a t u r a le c o s y s t e ma n d h u m a nh e a l t hb ye n r i c h m e n tt h r o u g ht h ef o o dc h a i n t r e a t m e n to fw a t e rc o n t a i n i n g c p sb ym i c r o o r g a n i s mi sc o n s i d e r e de c o n o m i c a la sw e l la sf r e eo fs e c o n d a r y p o l l u t i o n i nt h i sw o r kac o m p l i c a t e ds t u d yw a st a k e nt oe v a l u a t et h ed e g r a d a t i o n e f f i c i e n c ya n di n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ep r o c e s s - - - - d e g r a d a t i o no f2 - c h l o r o p h e n o l ( 2 一c p ) b yp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ( p s b ) f r o md i f f e r e n tp l a c e ss u c ha ss h a l l o ws u b s t r a t es l u d g ei nd o w n s t r e a ms i d eo f t h es e w a g ep i p e l i n eo fp e s t i c i d ef a c t o r y ，n e a r b yp a d d yr i c ef i e l d ，s o i lu n d e rt h et r e e i nt h en o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t yc a m p u s ，as t r a i no fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i an a m e d p s b aw a so b t a i n e dt h r o u g hs e p a r a t i o n ，s e l e c t i o na n da c c l i m a t i z a t i o n 。f o l l o w e db y m o r p h o l o g i co b s e r v a t i o na sw e l la sp h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a le x p e r i m e n t s ，i t w a si n i t i a t i v e l yi d e n t i f i e da sr h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i ss p b yt o x i ce x p e r i m e n t( i e d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t ye x p e r i m e n t ) ，w ed r e wt h e c o n c l u s i o nt h a ta c c l i m a t i z a t i o nc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h es e n s i t i v i t yo fp s bt o 2 - c p t h es a f e t yc o n c e n t r a t i o n ( i e l o e c ) o fa c c l i m a t i z e dp s b ，b e f o r e - a c c l i m a t i z e d p s ba n dm u l t i p l el a k eb a c t e r i aw e r e5 0 m g l ，2 5 m g la n d2 5 m g lr e s p e c t i v e l y p r o c u r e df r o ms t a n d a r dm e t h o df o ra s s e s s m e n to ft o x i c i t yo fc h e m i c a l so na q u a t i c o r g a n i s m i na d d i t i o n ，9 6 h - e c 5 0f o rt h o s et h r e es a m p l e s 一一- 3 31 13m g l ，1 8 8 3 6 m g la n d16 7 4 9 m g li n d i v i d u a l l yw e r eo b t a i n e db ya p p l y i n gp r o b a b i l i t yu n i t m e t h o d ，w h i c hw a sv e r i f i e db yz 2t e s t i naw o r d ，ps bp e r f o r m e dh i g h e rt o l e r a n c e t h a n m u l t i p l e l a k eb a c t e r i aa n dt h i sc h a r a c t e rw a sf u r t h e rf o r t i f i e d b y a c c l i m a t i z a t i o n i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s u l t sa l s oi n d i c a t e dt h a t2 c pc o u l dn o ta c ta ss o l ec a r b o ns o u r c ea n d e n e r g y f o rp s b aa n dt h e d e g r a d a t i o np r o c e s s c o u l d p r o c e e db y v i r t u eo f c o m e t a b o l i s mm e c h a n i s m c o n d i t i o n a lo p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n t sp r e s e n t e dt h a tw h e nt h eo x y g e nw a s p r o v i d e d ，t e m p e r a t u r es e ta t3 5 c ，i n t e n s i t yo fi l l u m i n a t i o na t3 0 0 0 1 x ，i n i t i a lp ha t7 ， 2 - c pc o n c e n t r a t i o na t5 0 m g l ，2 0 9 lc i t r i ca c i da sc o - m e t a b o l i s mc a r b o ns o u r c e ， 2 o g ly e a s te x t r a c ta sn i t r o g e ns o u r c e ，i n o c u l u mc o n c e n t r a t i o n o f2 - c pa t10 ( v o l u m e ) a n dr e a c t i o nt i m ea t9 6 h ，t h ed e g r a d a t i o ne f f i c i e n t c yw e r eu pt o5 6 0 5 i n a d d i t i o n ，d o s i n go fc 0 2h a dn op o s i t i v ee f f e c to n2 - c pd e g r a d a t i o n i nc o n c l u s i o n ，a s - s e l e c t e dp s b ( p s b a i ) e n j o y e df a i r l ys t r o n ga b i l i t yt oe n d u r e 2 - c pa f t e ra c c l i m a t i z a t i o na n di td i s p l a y e dr e l a t i v e l ys t r o n ga b i l i t yt od e g r a d e2 - c p ， w h i c hs h e dt h el i g h to ft h ep r o s p e c to fa p p l i c a t i o nm i c r o o r g a n i s mt od i s p o s e n o n - d e g r a d a b l ea n dt o x i co r g a n i cc o m p o u n d s k e y w o r d s ：p s b ，2 - c p ，d e g r a d a t i o ne f f i c i e n c y ，t o l e r a n c e ，o dv a l u e v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第一章引言1 1 1 氯酚类化合物污染概述1 1 1 1 氯酚类化合物的使用现状及对环境的污染效应1 1 1 2 氯酚类化合物的物理化学性质1 1 1 3 氯酚类化合物的环境行为一2 1 1 4 氯酚类化合物在环境中的残留一4 1 1 5 氯酚类化合物的生物毒性5 1 2 氯酚的处理现状5 1 2 1 物化法5 1 2 2 化学法6 1 2 3 生物法7 1 3 光合细菌的研究概况1 0 1 3 1 光合细菌的分类1 0 1 3 2 光合细菌的特性1 0 1 4 光合细菌处理有机废水的研究进展1 2 1 4 1 光合细菌处理有机废水的原理1 2 1 4 2 光合细菌在处理有机废水中的应用1 2 1 4 3 微生物对氯代芳香化合物的降解机制1 4 1 5 课题的研究意义和主要研究内容1 6 1 5 1 课题研究意义1 6 1 5 2 论文研究的主要内容17 1 5 3 研究路线1 7 第二章实验材料与方法1 9 2 1 实验仪器、设备和试剂1 9 v i 东北大学硕士学位论文目录 2 1 1 实验仪器、设备1 9 2 1 2 实验试剂2 0 2 2 菌种来源2 l 2 3 试剂的配制2 1 2 3 1 菌株鉴定所用试剂一2 1 2 3 2 培养基配制2 2 2 4 实验方法j 2 2 2 4 1 菌株的富集和分离2 2 2 4 2 菌株的初步鉴定2 3 2 4 3 菌株生长条件的测定2 4 2 4 42 氯酚浓度的测定2 4 2 4 5 菌株的驯化一2 5 2 4 6 脱氢酶活性的测定2 5 2 4 7 毒性实验2 6 2 4 8 条件优化实验2 7 第三章毒性实验3 l 3 ，1 菌株分离驯化结果3 1 3 2 菌株的鉴定3 l 3 2 1 菌体形态和菌落特征3 1 3 2 2 生理生化实验3 1 3 3 生长曲线3 3 3 42 氯酚标准曲线3 4 3 5 毒性实验结果3 4 3 5 。12 氯酚浓度对脱氢酶活性的影响3 4 3 5 22 氯酚浓度对安全浓度( 最低可见效应浓度l o e c ) 的影响3 6 3 5 32 氯酚浓度对半效应浓度( 9 6 h e c 5 0 ) 的影响3 8 3 5 4 小结4 l 第四章培养条件对p s b a l 降解2 一氯酚的优化4 3 4 1 光照和氧气的组合对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响4 3 4 2 暴露浓度对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响4 4 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 共代谢碳源投加对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响4 5 4 4 不同碳源对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响4 7 4 5 碳源用量对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响4 8 4 6 不同氮源对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响4 9 4 7 氮源用量对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响5 0 4 8 初始p h 对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响5 2 4 9 接种量对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响5 3 4 1 0 温度对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响5 4 4 1 1 光照强度对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响5 5 4 1 2c 0 2 对p s b a l 生长及2 氯酚降解效果的影响一5 6 4 13 小结5 7 第五章结论5 9 参考文献6 1 致谢一6 7 东北大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 氯酚类化合物污染概述 1 1 1 氯酚类化合物的使用现状及对环境的污染效应 氯酚类化合物是一类用途广泛的工业原料，常被用作木材的防腐剂、除草剂、 杀菌剂、有机溶剂、热交换剂等，并且在世界范围内，其产量相当巨大。以美国 为例，近几年一氯酚和二氯酚的平均年产量分别达到1 8 8 0 0 t 和3 9 0 0 0 t 。我国 是目前世界上最大的五氯酚生产和消费国，年产五氯酚及其钠盐达1 0 0 0 0 t ，占 全球总产量的1 5 2 1 。 由于氯酚是一类用途广、毒性大的难降解有机化合物，因此经常因其未经处 理，或处理不完全就释放到环境中，而对自然环境造成极大危害，进而对人及动 物的生命安全带来威胁，在废弃物、污泥、土壤、地表水、地下水、雨水中均已 检测到氯酚的存在【3 j 。 由表1 1 可以看出，在芳香族化合物中，氯酚类化合物在水中的溶解度是相 对较大的。同时由于土壤等固体物质对它的吸附和固定作用较弱【4 】 5 】，故其可以 通过水为载体广泛地扩散。 由于上述种种原因，美国、日本以及我国等世界上很多国家都将氯酚类化合 物列入了优先污染物名单，如美国环境保护局( u s e p a ) 在1 9 7 7 年颁布的“清洁水 法”修正案中明确规定了6 5 类1 2 9 种优先污染物中，其中约7 0 种为氯代有机物， 包括1 1 种酚，2 一氯酚( 2 c h l o r o p h e n o l ，2 一c p ) 、2 , 4 二氯酚( 2 ，4 一d i c h l o r o p h e n o l ， 2 ，4 d c p ) 、2 , 4 ，6 三氯酚、对氯间甲氯酚、五氯酚均在其中。其中2 c p 位列第 2 4 位，2 ，4 d c p 位列第31 位，五氯酚( p c p ) 位列第6 4 位。我国19 9 8 年颁布的国 家危险废物名录规定的4 7 种优先控制废物中，有机农药、木材防腐剂废物、 含酚废物等含有大量氯酚类污染物的危险废物被明确列出。 1 1 2 氯酚类化合物的物理化学性质 氯酚( c p s ) 是氯代苯酚类化合物的总称，其基本结构是用氯取代苯酚苯环上 的氢( 如图1 1 ) 。根据氯原子取代的数目及位置的不同，可形成结构相近而理化 1 东北大学硕士学位论文 第一章引言 性质略有差异的各种氯酚类物质，例如一氯酚( m c p ，三种同分异构体) 、二氯酚 ( d c p ，六种同分异构体) 、三氯酚( t c p ，三种同分异构体) 、五氯酚( p c p ) 等，它 们的理化性质见表1 1 t6 1 。 c 图1 1 氯酚的基本结构 f i g u r e1 1f u n d a m e n t a ls t r u c t u r eo fc p s 表1 1 典型酚类化合物的主要理化性质 t a b l e1 1p h y s i c a ls n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fp h e n o l s 1 1 3 氯酚类化合物的环境行为 1 1 3 1 吸附和挥发 吸附作用是有机化合物在土壤( 沉积物) 中吸着存在的主要机理之一，它是指 在非极性有机溶剂中，土壤矿物质对有机化合物的表面吸附作用或千土壤矿物质 对有机化合物的表面吸附作用，前者主要靠范德华力，后者则是各种化学键力的 结果。氯酚类化合物的亲脂性较强，因此，在环境中对沉积物和悬浮物上的有机 2 东北大学硕士学位论文 第一章引言 质的亲和力也较强。其吸附规律是胶体的表面积越大，吸附的量就越大。氯酚在 水体中沉积型粘土上的吸附不大，但在腐殖质上的吸附大。如p c p 在有机质含 量高的沉积物和悬浮物上的吸附效果非常明显，其吸附量正比于底泥中的有机质 含量。其次，氯酚的被吸附量与环境水体中氯酚的浓度也有很好的线性关系，线 性相关系数在o 9 8 以上【7 1 。 挥发作用是有机物质从溶解态转入气相的一种重要迁移过程，挥发速率依赖 于有机物的性质和水体的特征。氯酚类化合物分子中氯原子的个数越多，氯酚的 辛醇一水分配系数则越大。但就总体来讲，较之大多数的芳香族化合物，氯酚的 分配系数较小。例如，2 c p 的分配系数值仅为1 5 1 t 引。氯酚的蒸气压较低，从水 中挥发的趋势不强，且它们的高水溶性和高溶剂化作用减弱了它们的挥发性。对 于水环境中的绝大多数氯酚来说，挥发并不是其重要的消失途径【9 1 。 1 1 3 2 氧化、水解及光解 酚类化合物可在水中受分子氧的进攻而产生氧化作用，因此，在含氧量较高 的水体中，低氯代酚存在有非光化氧化的可能性，但多氯代酚不易被氧化。因为 苯环的负电荷密度高，共价键作用很强，因此不易发生水解作用。例如，要使 p c p 上的一个氯原子被羟基取代，必须给予l3 0 2 0 0 的高温和高碱性的反 应条件 10 1 。因此，酚在自然水体中的水解不是其重要的消失途径。尽管非解离 酚的最大吸收波长k 。= 2 7 0 n m ，但如与金属原予配合变为阴离子，其k 。x 可超 过310 n m ，因此，酚阴离子容易发生光解作用，而非解离的酚亦可借助光敏剂 的能量转移作用而产生光解。例如，2 c p 在3 1 3 n m 光作用下转化为邻苯二酚；一 2 ，4 d c p 在目光辐射l o d 后可降解成黑色的2 羟基苯醌高聚物；p c p 在夏季阳光 或波长在3 0 0 - 4 5 0 n m 的紫外光照射7 d 后，可生成氯酚、四氯二羟基苯和非环 分子二氯马来酸 。 1 1 3 3 氯酚类化合物在生态系统中的转移 芳香族化合物在生态系统中的环境行为非常复杂，总的规律是生态系统中生 物体吸收环境中芳香化合物的多少与环境中的存留量有关，也与生物种类和特性 有关。生长率较快的生物吸收量较大，脂肪性组织中芳香族化合物的积累较多， 代谢旺盛的生物能更多地降解芳香族化合物，当然还会与生物体本身的营养状况 和环境条件有关。 1 1 3 4 生物降解 虽然氯酚被用作杀虫剂，但它们能被菌类微生物降解和脱氯，且降解的难易 3 东北大学硕士学位论文 第一章引言 程度与氯原子的取代数有关，含氯越多，稳定性则越高。氯酚被微生物降解的速 率取决于“适应时间”。在生活污水中加入2 c p 和4 c p ，浓度l m g l ，2 0 。c ，直 至3 00 c 都不能降解。但相同浓度的同样化合物却能在受氯酚污染的表层水中得 到降解。因此，可以认为，只有以氯酚为碳源的特殊菌种才能降解氯酚。 1 1 4 氯酚类化合物在环境中的残留 1 1 4 1 大气 就目前来讲，对大气中酚的浓度了解较少，但许多对环境造成污染的酚是在 城市和工业区上空形成，随后沉积到水体和土壤中。 1 1 4 2 水体 氯酚广泛分布在水体中，尤其在水体的表面。其浓度根据废水排放源的不同 而存在很大的差异。另外，降雨和水的流动在很大程度上也影响了各种氯酚浓度 的变化。j o n e s 等人发现，纸浆厂排放的废水使加拿大的s u p e r i o rl a k e 的二氯酚 和三氯酚的浓度分别达到4 m g l 和1 3 m g l 1 2 】。p i e t 和d r u n t 也发现，在荷兰的 河流和沿海海域，一氯酚、二氯酚和三氯酚的浓度分别为3 2 0 、0 0 1 1 5 和 0 0 0 3o 1m g l 1 3 1 。 1 1 4 3 沉积物 许多氯酚最后归宿到沉积物中，因此在河流底泥中经积累产生的氯酚的浓度 一般都比在水体中高得多，污染也更为严重。而且酚的氯取代基越多，其在沉积 物里的持留时间越长，危害也就更大。例如，加拿大不列颠哥伦比亚地区的木材 防腐厂向沿海水域排放含有大量氯代酚的生产废水，导致海底沉积物中的三氯酚 和四氯酚的浓度达到9 6 m g k g ，且持留时间相当长，污染相当严重 1 2 】。 1 1 4 4 水生植物和无脊椎动物 水生植物对氯酚的吸收起初是很快的，随后达到稳态，时间大约需要1 0 2 0 m i n ，依化合物种类、植物种类和起始浓度的不同而不同，且对绝大多数植物 来说，吸收速率随温度增加而增加，与p h 值成反比【1 4 】。无脊椎动物可从水中或 食物中吸收氯酚，速度也较快，随后达到稳态。富集因子的大小与化合物类型、 动物类型和吸收条件皆有关系。s h c i m m e l 等发现，蛤砺对p c p 的生物富集因子 ( b c f ) 为4 1 - - 7 8 ，而河螺对2 , 4 ，6 t c p 的b c f 值可达7 4 0 3 0 2 0 1 5 1 。 1 1 4 5 鱼 鱼的身体组织可以吸收多种酚类化合物经常可以在鱼体中检测到的酚就包 4 东北大学硕士学位论文 第一章引言 括氯酚。王芳等通过试验证明，鱼即鱼的各个组织，包括胆、肝、肾、肌肉，对 2 c p 、2 4 d c p 、2 , 4 ，6 t c p 和p c p 等四种氯酚都存在明显的吸收，其中鱼胆对 c p s 的b c f 值达到2 0 0 0 - 6 3 0 0 1 6 】。k i s h i n o 等也研究了1 2 种氯酚对金鱼的毒性 及在其体内的富集效应，结果表明其毒性及富集因子都随着氯原子取代基的增多 而增加【17 1 。 1 1 5 氯酚类化合物的生物毒性 环境中难降解有毒有机物的处理一直是环境治理中的难点，氯酚类芳香化合 物是其中的典型代表。氯酚具有较高的毒性和较强的“致癌、致畸、致突变”的作 用，具有良好的化学稳定性和热稳定性，不易被分解或生物降解，且容易通过食 物链在生物体内富集，严重的威胁着自然生态和人类健康【l8 1 。国内外对酚、氯 ， 酚、苯、氯苯的生物毒理试验表明此类污染物对动物有神经毒性作用，而且其毒 性随着含氯度的增加而上升，尤为严重的是氯酚类化合物能通过食物链在生物圈 积累从而大大加剧了他们的污染性，所以氯酚类化合物对环境的污染越来越引起 世界的关注。职业性五氯酚或五氯酚钠( 以下统称五氯酚) 中毒主要是经皮肤大量 吸收五氯酚后，机体基础代谢异常亢进所致的全身性疾病。临床表现以突然发病， 进展迅速，有高热，大量出汗，极度疲乏，烦燥不安等现象为特征，并可发生肺、 心、肝、肾损害( g b z 3 4 2 0 0 2 ) 。2 , 4 ，6 三氯酚可经由呼吸道、接触与食入引起人 体中毒，症状为：吸入性中毒可刺激鼻子、喉咙及呼吸道等，吸入高浓度会造成 呼吸困难、虚弱、颤抖、甚至死亡。皮肤接触性中毒造成皮肤之红肿、热、痛且 可能并发皮肤炎；若不小心食入，会有虚弱、颤抖、恶吐等现象，若食入量太大 甚至会死亡。 1 2 氯酚的处理现状 目前，我国氯酚废水的处理方法主要可以分为三大类：物化法，氧化法和生 化法。 1 2 1 物化法 物化法包括吸附法、萃取法等19 1 。 吸附法是利用吸附剂( 常用活性碳、磺化煤和树脂等) 具有多孔性和大的比 表面积的性质，将废水中的酚类物质吸附，达到饱和后，再利用有机溶剂、碱液 5 东北大学硕士学位论文第一章引言 或蒸汽等使其脱附，从而达到去除水中有害酚类的目的。吸附法具有设备简单， 操作方便，高效等优点；但是此法通常只适用于低浓度废水的处理，并且吸附剂 的再生往往比较困难，从而提高了成本。 萃取法是利用与水不相溶的萃取剂与含酚废水接触，利用酚类在萃取剂中 溶解度大的性质，将其转移到萃取剂中，负载饱和的萃取剂可通过改变p h 值和 温度等方法实现再生，从而实现净化含酚废水的目的。萃取法具有一次性投资少， 设备简单，能耗低等优点，特别适合于高浓度含酚废水的处理；但是在实际操作 过程中，往往由于萃取剂与废水两相具有一定程度的互溶性，从而可能造成二次 污染，因此其可靠性较差。 1 2 2 化学法 化学法主要包括酚醛缩聚法和氧化法等 1 9 】 酚醛缩聚法是在酸性或碱性催化剂存在下，调整酚醛摩尔比，将废水中酚 缩聚成低分子热塑性或热固性树脂。特别适合于树脂厂、塑料厂等高浓度废水的 处理，作为初级处理，可回收大量的酚类物质。 氧化法是指向含酚废水中投加化学氧化剂，提高废水的可生化性或直接达 到氧化降解酚类物质的目的。常用的化学氧化剂有高锰酸钾、过氧化氢和臭氧等。 常规的氧化法往往由于氧化不彻底或选择性氧化而达不到预期的效果。近年来， 以产生氧化自由基为主体的多种水处理高级氧化技术( a o p s ) 得到很大发展。其 特点是通过反应产生的羟基自由基( o h ) 将废水中的有机污染物有效地去除甚 至彻底地氧化为二氧化碳水以及其他小分子羧酸。辐照技术2 0 1 处理水中污染物 的基本原理是：体系中的水分子受高能射线辐照产生水合自由电子( e a q ) 、羟基 自由基( o h ) 、氢原子( h ) 以及h 2 0 2 等具有极高化学反应活性的物质，它们与 水体中的污染物分子发生一系列的加成、取代、电子转移、断键等各式反应，使 水体中的大分子难降解有机物降解成低毒或无毒的小分子易降解物质，甚至彻底 矿化为c 0 2 和h 2 0 。与其它水处理技术相比，a o p s 技术具有广泛的适应性，可 处理众多难降解污染物；可不添加任何化学试剂，不产生二次污染，安全可靠； 具有反应速率快、降解效率高、污染物降解彻底等优点，有着良好的发展前景。 但是其成本较高。 6 - 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 2 3 生物法 人们早就发现微生物对自然界有机物的循环起着重要的作用。随着工农业 的快速发展，进入环境中的外来有机物越来越多，其中许多有机污染物对微生物 的生长和繁殖有抑制作用，甚至杀灭作用。但是，研究发现，经过长期的接触驯 化，有些微生物能通过自然变种，或形成诱导酶，具备了新的代谢功能，从而能 降解或部分转化这些外来化合物。到目前为止，己经发现、分离出多种对氯酚类 芳香化合物具有代谢功能的微生物。 1 2 3 1 细菌对氛酚的代谢 对节杆菌口r t h r t o b a c t e rs p ) 的研究证实甲基化是氯酚代谢的机制之一。例 如，五氯酚、4 氯愈创木酚、4 ，5 二氯愈创木酚经甲基化转变为响应的邻苯二甲 醚。但也有例外，如节杆菌1 3 9 5 可先将3 ，4 ，5 三氯愈创木酚先羟基化，再甲基 化，随后产生的化合物不能再被该菌株进一步降解【2 。 另一种降解机制是由氯酚形成儿茶酚。诺卡氏菌( n o c a r d i a s p ) 可将2 c p 转 变成3 一氯儿茶酚，将3 c p 和4 - c p 转化成4 氯儿茶酚卿 22 1 。相似地，假单胞菌 b 1 3 能利用4 c p 作为唯一碳源和能源，并随着4 c p 的代谢，将2 c p 和3 c p 完全降解而不积累中间代谢产物【2 引。无色杆菌似c h r o m o b a c t e r t s p ) 静止细胞悬浮 液在与普通的儿茶酚，2 ，3 双加氧酶不同的独特的儿茶1 ，6 双加氧酶作用下， 将4 氯儿茶酚代谢成4 氯2 羟基粘康酸半醛，将3 ，5 二氯儿茶酚代谢成3 ，5 二 氯2 羟基粘康酸半醛，这两种产物均不能被进一步代谢【24 1 。恶臭假单胞菌将 4 c p 代谢成4 氯儿茶酚，再在间位裂解酶即儿茶酚，2 ，3 双加氧酶作用下产生 2 羟基一5 氯粘康酸半醛，这种产物可积累到起始底物的1 0 t 2 引。 假单胞菌b 1 3 ( p s 掰e 如珑托。口s s p b 1 3 ) 产碱杆菌似l c a l i g e n e s p a 7 ) 两株细菌被 用于产生改变了代谢芳香化合物能力的遗传工程菌。假单胞菌b 13 能降解氯酚， 产碱杆菌a 7 能通过问位裂解途径利用酚类，但不能直接利用氯酚。将两菌杂合 产生一突变因子a 7 2 ，它能通过邻位裂解途径利用酚类，同时，也具备了代谢 单氯代酚以及3 氯苯甲酸的能力，即具备了原来两种细菌的降解特征。从突变 因子a 7 2 中最终可以分离出邻苯二酚酶，对氯代芳香化合物具有高活力的环异 构酶和在氯代芳香化合物降解途径中将氯代粘康酸脱氯化的专一性酶等三种酶 系f 2 6 】。 陈勇生等从3 个不同地点采集的混合土壤中，分离到2 株可利用，2 ，4 d c p 为唯一碳源和能源的假单胞菌d c p 1 和d c p 2 。在此基础上，研究探索了菌株 7 东北大学硕士学位论文第一章引言 d c p 1 降解2 ，4 d c p 的影响因素和降解过程以及其遗传特性。结果表明菌株 d c p 1 可降解2 ，4 d c p ，并有氯离子、邻2 氯酚和醌积累；经检测该菌株中有一 条迁移速率比p u c l 8 小的质粒【2 7 | 。 可降解2 ，4 ，5 三氯苯氧乙酸的洋葱假单胞菌( p s e u d o m o n a sc e p a c i a ) a c l1 0 0 能 够对多种氯酚类化合物进行脱氯。该菌株静止细胞悬浮液能够在3 h 内能够对二 氯酚、三氯酚、四氯酚，甚至五氯酚进行脱氯【2 引。 1 2 3 2 真菌对氛酚的代谢 真菌对氯酚类的代谢通常也发生甲基化，其方式类似于细菌的甲基化方式 【2 9 1 。对从鸡舍粪便中分离得到的1 1 6 株真菌的研究表明，5 9 的菌株能利用 2 ，3 ，4 ，6 四氯酚产生2 ，3 ，4 ，6 四氯愈创木酚，转化效率从1 到8 3 不等。将摇瓶 培养物密闭保温5 d ，使其在好氧和厌氧条件下转化，表现出这种转化能力的真 菌包括曲霉似印p g 谚“j s p ) 、拟青霉( p a e c i l o m y c e s s p ) 、青霉( p e n i c i l l i u m s p ) 和帚 霉( s c o p u l a r i o p s i s s p ) 3 0 】。一些菌株代谢2 ，3 ，4 ，6 四氯酚未积累苯甲醚，提示存在 另一种氯酚代谢机$ l j 2 9 】。生长在酚中的胶粘红酵母( r h o d o t o r u l ag l u t i n i s ) 能将 3 c p 转化成4 一氯儿茶酚【3 1 1 。黄孢原毛平革菌( p h a n e r o c h a t ec h r y s os p o r i u m ) 也是 对氯酚类化合物具有非专一性降解作用的真菌，还能降解菲、葱等多环芳烃和多 氯联苯，以及各种染料等 3 2 1 。 1 2 3 3 复合菌培养物对氯酚的代谢 废水污泥上清液使1 6 m g l 的2 c p 和3 c p 完全降解，需要1 4 - 2 5 d 的时间。 但其经过驯化之后所得的污泥培养物，可以在一周之内将3 种单氯酚以及 2 ，4 d c p 降解完全，同时对2 ，5 二氯酚( 2 ，5 d c p ) 、2 , 4 ，6 t c p 产生一定的降解能 力【33 1 。接种1 0 的城市污水污泥，在厌氧条件下保温培养，以完全降解浓度为 5 0 m g l 的一氯酚，结果2 c p 需要3 周，3 - c p 需要7 周，4 c p 需要1 6 周【3 4 | 。 通过测定甲烷的净产量这种方法可以检测氯酚的矿化程度，s u f l i t a 等人驯化所得 的