（环境工程专业论文）固定化镰刀菌降解对氯苯酚废水的研究.pdf

摘要 氯酚类化合物( c p s ) 作为一类非常重要的工业有机化合物，被广 泛应用于许多化工品如染料、颜料、防腐剂、除草剂、杀虫和杀菌剂 等的生产中。利用固定化微生物技术处理氯酚废水是环境工程领域的 研究热点之一。本文提出- fn 用镰刀菌处理对氯苯酚( 4 c p ) 废水的方 法，研究了镰刀菌降解对氯苯酚的特性和产酶特性。初步研制了一种 新型固定化材料c m c 膨润土凝胶材料，探讨了c m c 膨润土的物 化特性，并采用流化床反应器，利用固定化镰刀菌处理对氯苯酚废水， 取得了一些有一定价值的研究结果： 1 、菌体能以对氯苯酚作为唯一碳源生长，外加碳源可促进对氯 苯酚的降解速率。在添加蔗糖浓度1 9 l 、p h 6 0 、温度3 0 。c 条件 下，9 6 小时内，1 0 0 m g l 1 对氯苯酚的降解率可达1 0 0 ，游离h j 0 1 菌的最大耐酚量为1 0 0 m g l 1 。最佳氮源和磷源分别为n h 4 n 和 h 2 p 0 4 p 。4 。c p 为唯一碳源和外加蔗糖下的降解动力学分别符合 h a l d a n e 模型和一级动力学方程。 浙江工商大学硕士学位论文 2 、镰刀菌h j 0 1 能同时产生氯代邻苯二酚l ，2 加氧酶( c c l 2 0 ) 和氯代邻苯二酚2 ，3 加氧酶( c c 2 3 0 ) ，两种酶皆为诱导酶。c c l 2 0 的最适宜p h 为6 8 ，温度为5 0 0 c ，c c 2 3 0 在碱性条件下适应情况较 好，且具有较强的耐热性，其最适宜p h 和温度分别为8 和6 0 c 。两 种酶反应动力学符合米氏方程。 3 、新型固定化材料c m c 膨润土材料的密度范围为1 0 0 ，一- 1 0 7 x1 0 3k g m - 3 含水率9 0 左右，材料对甲基橙和对氯苯酚都表现出 良好的传质性能。 4 、不同固定化方法对对氯苯酚降解率比较，c m c - 膨润土包埋固 定 c b c 吸附固定 海藻酸钙固定 游离菌。装置间歇运行时，最佳曝 气量为0 8 l m i n 。连续进水时，反应器最大耐酚量为1 0 0 m g l 一。 进水负荷为5 0 m g l 一，停留时间4 h ，曝气量0 8l m i n j 条件下，反 应器连续运2 d ，出水稳定，降解率维持在6 5 左右，固定化材料也基 本没有分散破裂的现象，这表明该种材料包埋微生物在废水处理中具 有一定的实践意义。不同停留时间下，固定化镰刀菌对4 一c p 的降解 基本符合零级反应动力学。 解 关键词：镰刀菌，对氯苯酚，c m c 膨润土凝胶，固定化生物降 u a bs t r a c t c h l o r o p h e n o la r ew i d e l yd i s t r i b u t e dd u et ot h e i rc o m m o np r e s e n c e i nt h ee f f l u e n t so fm a n yi n d u s t r i a lp r o c e s s e s ，i n c l u d i n g d y e ，p i g m e n t ， p r e s e r v a t i v e ，h e r b i c i d e ，i n s e c t i c i d e ，f u n g i c i d ei n d u s t r i e s t h ea p p l i c a t i o n o fi m m o b i l i z a t i o nt e c h n i q u e st o c h l o r o p h e n o l se f f l u e n t sh a sb e e nt h e s u b j e c to fn u m e r o u si n v e s t i g a t i o n sb ye n v i r o n m e n t a lw o r k e r s i nt h i s r e s e a r c h ， f u s a r i u mh j o1 h a sb e e n a p p l i e d t o d e g r a d e 4 - c h l o r o p h e n o l ( 4 一c p ) t h es p e c i a l i t y o fh j 01w i t h p o t e n t i a l f o r 4 - c h l o r o p h e n o ld e g r a d a t i o na n di t sb i o d e g r a d a t i o ne n z y m ei si n v e s t i g a t e d an e w c a r t i e r , c a r b o x y m e t h y l c e l l u l o s e ( c m c ) 一b e n t o n i t eg e li ss t u d i e da n d p a r t i a l l yc h a r a c t e r i z e dp h y s i c a l l ya n dc h e m i c a l l y t h ef l u i d i z e db e d r e a c t o rf i l l e dw i t hc m c - b e n t o n i t eg e l - i m m o b i l i z e df u s a r i u mh j 0 1i s c o n s t r u c t e da n d o p e r a t e dt o4 - c h l o r o p h e n o lt r e a t m e n t t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h er e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 f u s a r i u ms p h j o1c o u l dg r o wu s i n g4 - c h l o r o p h e n o la so n l yc a r b o n i i i 浙江工商大学硕士学位论文 r e s o u r c ea n de n e r g y a d d i t i o n a lc a r b o nc a ns p e e dt h e4 - c h l o r o p h e n o l b i o d e g r a d a t i o n i nt h ec o n d i t i o no flg - l 1s u c r o s e ，p h 6 ，3 0 。c ，10 0 m g l 1 o f4 - c h l o r o p h e n o li s e n t i r e l yd e g r a d e dw i t h i n9 6 h t h em a x i m u mo f i n i t i a l 4 - c h l o r o p h e n o lc o n c e n t r a t i o nw h i c ht h i s s t r a i nc a l le n d u r ei s 10 0 m g l 1 ，w h e na b o v et h ev a l u e ，t h e ya r ei n h i b i t e d t h eb e s tn i t r o g e n r e s o u r c ea n dp h o s p h o r u sr e s o u r c ea r en h 4 一n ，h 2 p 0 4 一p , r e s p e c t i v e l y t h e k i n e t i co f4 - - c pd e g r a d a t i o na c c o r dw i t hh a l d a n em o d e lw h e n4 - c pi st h e s o l ec a r b o ns o u r c ea n df i r s to r d e r e q u a t i o nw h e ns u g a ri sa d d e d 2 t h i ss t r a i nc a ne x h i b i t a c t i v i t y o f b o t hc h l o r o c a t e c h o l 1 , 2 一d i o x y g e n a s e ( c c 12 0 ) a n dc h l o r o c a t e c h o l2 , 3 一d i o x y g e n a s e ( c c 2 3 0 ) i nf r e ec e l le x t r a c t s t h ea c t i v i t i e so fc c12 0a n dc c 2 3or e a c ht h e h i g h e s tv a l u ew h i c hw e r e0 6 0 9 u m g 一1a n do 1 2 5 u m g 一1r e s p e c t i v e l y w h e nu s e4 - c h l o r o p h e n o la ss i n g l ec a r b o nr e s o u r c e w h e nc c12 0m a k e f u n c t i o n ，a c t i v i t yi so p t i m a la tp h 6 8 ，5 0 。c ，w h i l ec c 2 3 0h a sah i g h e r a c t i v i t y i na l k a l e s c e n c ec o n d i t i o na n di sm o r es t a b l ea te l e v a t e d t e m p e r a t u r e sw h e nt h eo p t i m a lc o n d i t i o ni sp h 8 ，6 0 。c k i n e t i c so f e n z y m e - c a t a l y z e dr e a c t i o n so fc c 12 0a n dc c 2 30a c c o r dw i t ht h e m i c h a e l i s - m e n t e ne q u a t i o n 3 t h ed e n s i t yo fc m c b e n t o n i t eg e la r e1 0 0 1 0 7xl0 3k g m 一， w a t e rc o n t e n to ft h em a t e r i a li sa b o u t9 0 t h em a t e r i a la p p e a r sag o o d c h a r a c t e ro f4 一c pa n d c y m e n eo r a n g em a s st r a n s p o r t a t i o n 4 、i nt h ec o n d i t i o no ft h es a m eb i o m a s sa n ds o l i dt ol i q u i dr a t i o ，t h e i v 浙江工商大学硕士学位论文 c o m p a r i s o no f4 - c h l o r o p h e n o ld e g r a d a t i o nr a t ea lec m c b e n t o n i t eg i m m o b i l i z e db ye m b e d m e n t c b cg e l - i m m o b i l i z e db ya b s o r p t i o n c a - a l g i n a t e - i m m o b i l i z e d f r e ec e l l s i nb a t c h r e c i r c u l a t i o nm o d e e x p e r i m e n t ，t h eo p t i m a la i rf l o wr a t ei s0 8 l m i n1 i nc o n t i n u o u sf l o w p r o c e s s ，t h ed e g r a d a t i o nr a t eo b v i o u s l yf e l lw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f 4 - c h l o r o p h e n o li ni n f l u e n ti sl a r g e rt h a n1 0 0m g l - 1 t h er e a c t o r o p e r a t e ds t a b l yi n2d a y su n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ：c o n c e n t r a t i o no f 4 - c h l o r o p h e n o li ni n f l u e n ti s5 0m g l 一，r e t e n t i o nt i m e4 h ，a i rf l o wr a t e i s0 8 l m i n l ，t h ed e g r a d a t i o nr a t ei ne f f l u e n tm a i n t a i n e da ta b o u t6 5 ， a n dt h ec m c b e n t o n i t eg e li sn o tb r o k e nu p ，i ts h o w st h a tt h i sc a r t i e rh a d s o m ep r a c t i c a lm e a n i n gi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h ek i n e t i co f4 c p d e g r a d a t i o n i nd i f f e r e n tr e t e n t i o nt i m ea c c o r d sw i t hz e r oo r d e re q u a t i o n k e y w o r d s ：f u s a r i u ms p ，4 - c h l o r o p h e n o l ，c m c b e n t o n i t eg e l ， i m m o b i l i z e db i o d e g r a d a t i o n v 浙江工商大学硕士学位论文 v i 浙江工商大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章引言1 1 1 选题意义1 1 1 1 概述l 1 1 2 研究目的与意义2 1 2 研究现状3 1 2 1 氯酚类物质的研究现状3 1 2 2 生物法处理研究现状5 1 2 3 固定化技术在环境治理中的应用1 l 1 3 研究内容1 7 1 3 1 对氯苯酚降解优势菌培养条件1 8 1 3 2 对氯苯酚代谢酶的研究1 8 1 3 3c m c 一膨润土固定化材料的制备及其物化特性1 8 1 3 4c m c - 膨润土固定化材料的应用实验1 9 第2 章镰刀菌降解对氯苯酚特性2 0 2 1 材料与仪器2 0 2 1 1 材料与试剂2 0 2 1 2 仪器设备2 l 2 2 实验方法2 1 2 2 1 菌种驯化及孢子悬液的配制2 1 2 2 24 - c p 标准曲线的绘制2 l 2 2 3 分析方法2 2 2 2 4 镰刀菌的培养及对氯苯酚降解条件的选择2 2 2 2 5 镰刀菌降解动力学研究2 3 2 3 结果与讨论2 4 2 3 14 - c p 浓度对镰刀菌生长和4 - c p 降解的影响2 4 2 3 2p h 对镰刀菌生长影响和4 - c p 降解影响2 5 2 3 3 蔗糖添加对镰刀菌生长和4 - c p 降解的影响2 6 2 3 4 温度对镰刀菌生长和4 - c p 降解的影响2 7 2 3 5 不同氮源对4 - c p 降解影响2 8 2 3 6 不同磷源对4 - c p 降解影响2 9 2 3 7 镰刀菌降解4 - c p 的降解动力学3 0 2 4 小结3 1 第3 章对氯苯酚降解开环酶学特性及机理3 2 3 1 材料与仪器3 2 3 1 1 材料3 2 3 1 2 仪器设备3 3 3 2 实验方法3 3 3 2 1 考马斯亮蓝g 一2 5 0 染色法标准曲线的绘制3 3 3 2 2 氯代邻苯二酚加氧酶的提取3 4 3 2 3 酶活性分析3 5 v i i 浙江工商大学硕士学位论文 3 2 4 不同培养条件下的产酶活性分析3 5 3 3 结果与讨论3 6 3 3 1 不同碳源对c c l 2 0 和c c 2 3 0 活性影响3 6 3 3 2p h 值对c c l 2 0 和c c 2 3 0 活性影响3 7 3 3 3 温度对c c l 2 0 和c c 2 3 0 活性影响3 8 3 3 4 酶反应动力学分析3 9 3 3 5 镰刀菌降解4 一c p 机理初探4 0 3 4 小结4 l 第4 章c m c - 膨润土固定化材料的制备及其物化性能4 2 4 1 材料与仪器4 2 4 1 1 材料与试剂4 2 4 1 2 仪器设备4 3 4 2 实验方法4 3 4 2 1 实验原理4 3 4 2 2 实验设计4 4 4 2 3 材料制作方法4 6 4 2 4 测定方法4 7 4 3 2c m c - 膨润土材料的密度及含水率的测定4 9 4 3 3 温度对c m c - 膨润土材料传质的影响5 0 4 3 4 盐度对c m c 一膨润土传质的影响5 0 4 3 5c m c - 膨润土材料对4 一c p 的传质性能5 l 4 3 6c m c - 膨润土材料电镜观察5 2 4 4 小结5 4 第5 章c m c - 膨润土材料的应用实验5 6 5 1 材料与仪器5 6 5 1 1 材料5 6 5 1 2 试剂配制5 6 5 1 3 仪器设备5 6 5 2 实验方法5 6 5 2 1 摇床实验5 6 5 2 2 固定化装置的设计。、5 7 5 2 3 固定化间歇实验5 9 5 2 4 固定化连续实验5 9 5 2 5 分析方法6 0 5 3 结果与讨论6 1 5 3 1 不同固定化方法的比较6 1 5 3 2 固定化镰刀菌降解4 - c p 的稳定性6 2 5 3 3 曝气量对固定化镰刀菌降解4 - c p 的影响6 3 5 3 4 停留时间对固定化镰刀菌降解4 - c p 的影响6 4 5 3 5 进水负荷对固定化镰刀菌降解4 _ c p 的影响6 5 5 3 6 连续运行的降解稳定性6 5 5 3 5 固定化镰刀菌降解4 1 p 的动力学6 6 5 4 小结6 7 第6 章结论与建议6 9 v i i i 浙江工商大学硕士学位论文 6 1 主要研究结论6 9 6 2 建议7 0 参考文献：7 l 浙江工商大学硕士学位论文 x 浙江工商大学硕士学位论文 1 1 选题意义 1 1 1 概述 第1 章引言 进入2 0 世纪以来，随着人口的飞速增长和工业的快速发展，环境 污染逐渐成为一个世界性的问题。排放到自然环境中的废水、废气和 废渣无时无刻不在危害着周围的生态系统，许多重金属和有机污染物 甚至严重威胁到人民的生产生活安全，对于环境污染修复的研究与应 用也随之受到社会各界的重视。在为数众多的环境污染物中，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 ) 的治理一直 都是重中之重。p o p s 且p 具有毒性、生物蓄积性和半挥发性，能在环境 中持久存在的人工合成有机污染物质n 1 。由于持久性有机污染物化学 结构都十分稳定，对微生物具有毒性，同时大规模进入自然环境的时 间不长，大多数微生物还不具有对p o p s 的降解能力，能够利用p o p s 的 微生物种类不多，这给其治理过程带来很大麻烦。受到p o p s 污染的主 要是水系统和土壤，被污染的水资源和土地的使用受到极大限制，对 我们的生活和经济发展造成严重影响。石油、化工、造纸等工业废水 中就含有大量持久性有机污染物，它们通过流动和蒸发作用扩散到江 河湖海，甚至在南极的冰中都可以检i 贝4 至u d d t 残留，水系统中p o p s 污染 的治理重要性不言而喻。而氯酚类化合物及其衍生物一直都是引起水 污染的一大类持久性有机污染物嗍。 氯酚类化合物( c h l o r o p h e n o ls ，c p s ) 被广泛应用于造纸、农药、 医药、防腐剂等工业中口1 。其中2 ，4 - - - 氯酚主要用于制造杀菌剂、农 药除草醚( 2 ，4 一d ) 及防蛀、防腐和种子消毒剂，同时作为医药硫双二氯 酚的中间体n 1 。而作为污染物出现的氯酚类化合物则主要来源于上述 工业的废水如纸浆漂白废水，木材防腐剂以及有机氯农药分解物瞄1 ： 较低一级的氯酚类化合物可由较高的氯酚类化合物分解产生，如五氯 浙江工商大学硕士学位论文 酚就可以分解为四氯酚、三氯酚和二氯酚1 ；另外含氯有机物的燃烧 也会产生c p s ，例如焚烧城市或工业垃圾常常会伴有c p s 的产生。通过 中国科学院生态环境研究中心的实地监测，中国各大水系均可检测到 c p s 残留，c p s 主要出现在工业或农业比较发达的地区，主要是沿海地 区和农业大省。其中2 ，4 一二氯酚含量较高地区主要为沿海，2 ，4 ，6 一三 氯酚含量较高地区是黄河流域及东北三省，五氯酚含量较高地区则是 江浙地区、淮河流域及珠江三角洲n 】。这些地区人口密集，经济发达， 因此氯酚类化合物污染的状况必须得到严格控制和治理。 1 1 2 研究目的与意义 生物法是氯酚废水处理中应用最为广泛的一种方法。传统的生物 法一活性污泥法存在污泥易膨胀，处理成本高，难达到排放标准的缺点。 采用固定化技术可以很好地解决这些问题。固定化微生物技术具有很 多优点，如保持高生物浓度，反应启动快，处理效率高，产污泥量少， 固液分离简单等【8 】。研究和开发耐用廉价的微生物固定化载体和开发 适合的高效生化反应器是固定化技术推广应用的关键。 相比细菌，真菌具有较强的抗毒性和环境适应能力，镰刀菌是一 种常见的真菌，在环境中广为存在，镰刀菌对营养要求不高，容易培 养。镰刀菌对氯酚的降解在国内尚无报道。 因此，研究降解氯酚真菌及新型的高效固定化材料，为含酚废水 的处理提供新方法具有重要的理论与实际意义。 本课题利用从膨润土中分离出来的一株镰刀菌，研究了其降解对 氯苯酚特性及机理。并初步研制了一种新型固定化材料，研究了固定 化镰刀菌的降对氯苯酚条件与效果，为真菌处理含氯酚废水的实际应 用提供理论依据。 2 浙江工商大学硕士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 氯酚类物质的研究现状 自2 0 世纪3 0 年代以来，氯酚类化合物( c p s ) 作为一类非常重要的工 业有机化合物，被广泛应用于许多商品如染料、颜料、防腐剂、除草 剂、杀虫和杀菌剂等。由于氯酚类化合物具有不同程度的毒性，生产 上述物质时所排放的工业废物是很大的污染源。此外，如石油相关产 业、纺织工业和制浆造纸漂白工业有氯漂白过程，以及饮用水使用氯 气杀菌过程等都会产生一些氯酚及其衍生物，对环境和人类健康造成 严重危害 9 - 1 1 o 在亚洲、非洲和南美洲还用于血吸虫病的防治，其中2 ，4 一 二氯酚( d c p ) 和2 ，4 ，5 一三氯酚( t c p ) 还大量用于农药2 ，4 - d 和2 ，4 ，5 一t 的 生产，因此在许多工业化国家c p s 的生产规模非常庞大。同时4 一氯酚、 2 ，4 一二氯酚、2 ，4 ，6 一三氯酚和五氯酚都是毒性很高的物质，被美国 e p a 列入优先控制污染物的黑名单n 2 1 引。氯酚类化合物的大量使用，使 得大量的c p s 污染物进入了环境，给自然环境造成很大的危害n 1 7 1 。由 于氯酚结构稳定，难以降解，因此，如何有效地处理含酚废水，降低 污染物的毒性，减轻对环境的污染，是环保、印染、造纸等各行业普 遍关注的重要课题以及人类面临的一大挑战n 8 删。 物化方法是现今处理氯酚废水的主要方法之一。采用物理和化学 方法来治理氯酚类化合物污染，就是利用氯酚类化合物的物理化学特 性，达到去除或分解c p s 的目的。这些方法主要包括物理吸附法，电动 力学法，f e n t o n s 试剂法和纳米催化技术。 物理吸附法的实质就是使用的吸附剂表面的活性部位与氯酚类化 合物连接，使氯酚类化合物吸附到物理吸附剂的表面。由此可知，物 理吸附剂要求表面积大，活性位点多，吸附能力强，符合要求的物理 吸附剂包括活性炭、硅藻土和腐殖酸树脂等，其中最简便和应用最广 泛的是活性炭嘶1 。物理吸附法的优点在于操作简单，见效快，无需仪 器；缺点就是实际应用中吸附剂很难进行特异性吸附，导致回收困难， 另外并没有改变污染物的化学特性，危害并没有得到根治。 3 浙江工商大学硕士学位论文 电动力学法主要用于治理受c p s 污染的土壤及地下水，电动力学法 对土壤施加一个直流电场，通过电渗析和电泳作用将污染物带动到电 极的附近分离嘶1 。电动力学法原来主要用于从低渗透性土壤中去除离 子性污染物( 如重金属离子) ，但近年来也逐渐应用于土壤有机物污染 的治理。电动力学法的优点在于处理过程简单，可以进行原位修复而 不破坏环境。缺点则是能源消耗大，容易使被修复场址固化和酸化， 容易产生电极极化现象啪1 。 在p h 在2 - 5 的酸性环境下，若溶液中共同存在f e 2 + 和h ：0 ：，则反应体 系具有强氧化性，这个反应就叫做f e n t o n s 反应。f e n t o n s 反应的原 理在于在酸性条件下h 。0 ：在f e 2 + 催化作用下能产生具有高反应活性的羟 自由基( o h ) ，o h 氧化有机物使其分解。f e n t o n s 试剂法的强氧化 性可应用于氧化水溶液中的持久性有机污染物，因此被广泛用于各种 难降解有机废水汹1 。f e n t o n s 试剂法操作简单，反应迅速，对环境友 好；但只能应用于酸性环境中，许多中性、碱性废水需要投入大量酸 反应才能进行；同时氧化污染物有时也会造成二次污染。 纳米催化技术主要是使用纳米t i o 。等纳米材料作为催化剂，在紫 外光或日光的条件下对氯酚类废水进行降解。原理是在紫外线的照射 下，溶液中的纳米t i o 。材料表面产生羟自由基( o h ) ，0 h 氧化氯酚 产生分解。纳米t i o 。催化技术的优点是：降解速度快，一般只需要几 十分钟到几个小时即可取得良好的废水处理效果；降解范围广，有 机污染物都能降解；反应简单。但是，纳米材料催化氯酚后得到的分 解产物毒性并没有降低，没有做到真正的环境修复。 总而言之，物理和化学方法治理氯酚类化合物污染反应一般较快， 处理污染物的范围广，但都存在处理费用昂贵，仪器材料要求高，常 造成二次污染的缺点，同时对低浓度的有机污染废水处理效率很低。 而氯酚类化合物在水溶液中的溶解度不高，对生物具有强毒性，上述 几种物理和化学方法对低浓度氯酚废水的实际处理效果不佳。因此， 越来越多的研究集中到生物修复技术上，希望通过生物方法找到去除 氯酚污染的最佳途径。 4 浙江工商大学硕士学位论文 1 2 2 生物法处理研究现状 1 2 2 1 能够降解氯酚的微生物 氯酚类化合物进入环境已有几十年，有些微生物通过长期自然进 化具有降解氯酚类化合物的能力。对此人们进行了多年的研究，现己 分离出具有降解氯酚类化合物能力的多种微生物菌株，其中假单胞菌 是降解氯酚类化合物最常见的微生物，不仅能降解多种氯酚1 ，而且 能降解氯苯、多氯联苯、硝基苯和多环芳烃等近1 0 0 种有毒物质口2 删。 黄孢原毛平革菌( p h a n e r o c h at ec h r y s o s p o r i u m ) 是对氯代酚化合物具 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 及其各种染料等啪3 钉j a m e s 等啪3 从河底淤泥筛选出一株能在厌氧条件 下利用2 一c p 生长的细菌。该菌为革兰氏阴性杆菌，接触酶、氧化酶阴 性，初步鉴定属伪s t o b a c t e r i n c a 。在厌氧条件下，该菌能以乙酸盐为 电子供体，将2 - c p 还原脱氯产生苯酚。 早在7 0 年代，人们已经认识到可以利用生物降解法将氯酚类化 合物转化成没有毒性的二氧化碳、无机氯等。8 0 年代后，对氯酚类化 合物的生物降解有了很多的报道。a p a j a l a h t i ( 1 9 8 7 ) 、 h a g g b l o m ( 1 9 8 8 ) 、s c h w i e n ( 1 9 8 8 ) 、g i b s o n ( 1 9 8 8 ) 嬲1 分另u 用 p s e u d o m o n a ss p 、n o c a r d i as p 、a r t h r o b a c t e rs p 和m y c o b a c t e r i u m c o e l i a c u m 对- - 氯苯酚、二氯苯酚的降解性进行了研究。b o y d 等人( 1 9 8 3 ) 及s a k e r 和c r o w f o r d ( 1 9 8 5 ) 1 注意到在被污染的土壤和水源中存在着 五氯苯酚的好氧降解，于是便在实验室中进行研究。k i r s c h ( 1 9 7 3 ) 、 s a k e r 和c r o w f o r d ( 1 9 8 5 ) h h 3 都从被五氯苯酚污染的土壤中筛选出一 些属于黄杆菌属的菌体，用于降解氯酚类化合物有较好的效果。接着， 将驯化过的污泥用于降解氯代苯酚的研究报道也陆续出现。 到目前为止，常见的可降解c p s 的细菌总结于表1 1 浙江工商大学硕士学位论文 表1 1 常见降解酚类物质的细菌 t a b l e l - 1k i n d so f b a c t e r i ai n4 - c h l o r o p h e n o l sd e g r a d a t i o n 氯酚c h l o r o p h e n o l s微生物m i c r o b e s 产碱杆菌a c a l i g e n e ss p ，固氮菌a z o t o b a c t e r s p ，恶臭假单胞菌p s e u d o m o n a s p u t i d a ，洋葱假单 3 一氯酚3 - c h l o r o p h e n o l胞菌p s e u d o m o n a s c ep a c i a , d e s u l f o v i b r i a 4 一氯酚4 - c h l o r o p h e n o d e c k l o r o c e t i v o r a n s , 2 ，3 - - - - - 氯酚 d e s u l f o m o m i l et i e d j e i 恶臭假单胞菌p s e u d o m o n a sp u t i d & 洋葱假单胞 菌p s e u d o m o n a s c ep a c i a , 产碱杆菌a l c a l i g e n e s z3 - d i c h l o r o p h e n o s p ，固氮菌a z o t o b a c t e rs p ，睾丸酮丛毛菌 2 ，4 一二氯酚c o m a m o n a st e s t a s t e r o n lj h 5 ， z4 - d i c h l o r o p h e n o ld e s u l f i r o b a ct e r i u md e h o l o g e n a n s 2 ，5 - - - 氯酚 d e s u l f o m o m i l et i e d j e i 洋葱伯克霍尔德氏菌b u r k h o l d e r i ao e p a c i a , 皮氏 假单胞菌尸曩p i c k e t t i l 梭状芽胞杆菌 2 5 - d i c h l o r o p h e n o l c l o s t r i d i u ms p d e s u l f i r o b a ct e r i u m 2 ，6 一二氯酚 3 ，4 - - 氯酚 d e h a l o g e n a n s , d e s u l f a v i b r i a d e c h l o r a c e t iv o r a n s , r a l s t o n i as p d e s u l f i r o b a ct e r i u m d e h a l o g e n a n sd e s u l f a v i b r i a z4 - d i c h l o r o p h e n 0 1 d e c h l o r a c e t i v o r a n s 3 ，5 一二氯酚 2 ，3 ，4 一三氯酚 d e s u l f i r o b a ct e r i u md e h o l o g e n a n s , r a l s t o n i a s p 分歧杆菌m y c o b a c t e r i u mc h l o p h e n o l i c u m , 洋 葱假单胞菌p s e u d o m o n a s c ep a c j & 固氮菌 2 。3 4 一t r i c h l o r o p h e n o la z o t o b a c t e rs p 2 ，4 ，6 一三氯酚 皮氏假单胞菌风 p i c k e t t i ld e s u l f i r o b a c t e r i u m 2 4 。6 - t r l c h l o r o p h e n o d e h o l o c e k k v o r a n s 6 2 ，4 ，5 一三氯酚 浙江工商大学硕士学位论文 皮氏假单胞菌p s p i c k e t t i $ 梭状芽胞杆菌c l o s t r i d i u ms p 。皮氏假单胞菌p s 2 4 5 一t r i c h o r o p h e n o lp j c k e t t i ld e s u f i r o b a c t e r i u m 四氯酚d e h o l o c e k k v o r a n s t e t r a c h l o r o p h e n o 圃氮菌a z o t o b a c t e rs p ，梭状芽胞杆菌 五氯酚 c o s t r i d i u ms p ，皮氏假单胞菌风p i c k e t t i i p e n t a c h o r o p h e n o 梭状芽胞杆菌c o s t r i d i u ms p ，皮氏假单胞菌 皮氏假单胞菌p s p j c k e t t i l 节杆菌 a r j k r o b a c r e rs p ，g a s t o n i as p 黄杆菌f l a c o b a c t e r i u ms p ，梭状芽胞杆菌 c o s t r j d i u ms p ，洋葱假单胞菌p s e u d o m o n a s c e p a c i a , 红球菌r h o d o c a c c u s s p ，d e s u l f i i o b a ct e r j u mf r a p p j e l , d e s u l f i r o b a ct e r i u m d e h o l o g e n a n s , d e s u l f o m o m i l et i e d j e i 1 2 2 2 微生物降解氯酚的机制 氯代酚类化合物与其它芳香化合物相比，更难以被微生物降解， 主要原因在 于高负电性的氯原子使苯环成为一个难以被氧化的疏电子环。氯代酚 类化合物降 解的关键在于脱氯。根据脱氯过程中电子的得失，可将氯代酚类化合 物生物降解 分为氧化脱氯和还原脱氯。除了脱氯机制以外，氯代酚类化合物还有 共代谢降解 机制。 ( 1 ) 氧化脱氯机制 在好氧条件下，氯酚类化合物的降解是在一系列酶的作用下通过 7 浙江工商大学硕士学位论文 进入电子呼吸链来进行的，它的开环裂解需要通过氧从苯环分子中获 得电子来完成。由于氯原子对苯环上的电子产生强烈吸引，使苯环上 电子云密度大大降低而成为一个疏电子环，因而氯代酚类化合物较难 发生亲电反应，氧化过程难度增加，取代氯原子越多，环上的电子云 密度就越低，越难以被氧化降解。 在好氧条件下，低氯代酚类化合物的降解反应一般遵循一种相似 的先开环再脱氯的机制( 图1 1 ) 。首先在羟化酶的作用下在苯环上加 入另外一个羟基，形成重要的中间产物氯代邻苯二酚。氯代邻苯二酚 在加氧酶的作用下开环形成相应的氯代粘康酸，然后在内脂化过程中 脱出氯离子。脱氯过程如图所示。多氯代酚的降解与低氯代酚有着不 同的途径。d i n e s h 等研究了真菌对2 ，4 ，5 三氯代酚的降解过程【4 4 1 。降解 开始于木质素氧化酶催化作用下脱去经基对位的氯原子将其氧化成 2 ，5 一二氯1 ，4 一苯醌，2 ，5 二氯1 ，4 二羟基苯则是醌的还原产物，再进一 步由过氧化酶催化的氧化脱氯反应使苯环上的氯全部被轻基取代，在 开环之前苯环上的氯己经被全部脱去，使得苯环容易打开，进而被完 全矿化。p c p 有着与三氯代酚相似的降解过程，由催化酶作用首先在 对位发生轻基化反应，生成四氯代对苯二酚，而后连续脱去3 个氯，生 成l ，2 ，4 一三羟基苯，该化合物开环后最终矿化成c 0 2 。 o h o o o h _ - 图1 - 1 氯代邻苯二酚的氧化脱氯过程 f i g 1 - 1t h eo x i d a t i v ed e c h l o r i n a t i o nc o u r s eo fc h l o r o c a t e e h o l ( 2 ) 还原脱氯机制 还原脱氯是指氯代酚类化合物在得到电子的同时去掉一个氯取代 基并且释放出一个氯离子的过程。还原脱氯主要发生在厌氧条件或缺 氧条件。由于氯原子强烈的吸电子性，使苯环上电子云密度降低，在 8 3 h i i h 一 a 浙江工商大学硕士学位论文 好氧条件下，氧化酶很难从苯环上获取电子而发生氧化反应，而且氯 原子取代个数越多，苯环上的电子云密度就越低，氧化就越困难。而 在厌氧或缺氧条件下，环境的氧化还原电位较低，电子云密度较低的 苯环在酶作用下容易受