（环境工程专业论文）氯代有机化合物在天然沉积物中的微生物降解.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 滴滴涕和敌草隆是两种典型的氯代有机物，属于持久性有机污染物，其在环境中的 迁移转化一直都是国际环境化学领域的重点课题。本课题模拟自然条件下，考察了这两 种氯代有机化合物在沉积物中的微生物降解行为，并进行反应动力学描述等研究。主要 结论如下： ( 1 ) 在厌氧好氧交替过中，选用有机质含量分别为3 2 5 和0 4 1 的两种沉积物， 考察了添加小分子酸对p ，p - d d t 生物降解的影响。单纯厌氧过程中，k 厌_ - 0 0 6 2 1w e e k 1 ， 而厌氧好氧过程中，k 厌好= o 0 7 6 5w e e k 。这说明，与厌氧条件相比，厌氧好氧交替过 程更有利于p ，p - d d t 的生物分解。加入好氧段后，在低有机质含量的沉积物中，p ，p 一d d t 的降解效率提高了约5 ，而在高有机质含量的沉积物中仅提高了1 。无论是厌氧还是 厌氧一好氧过程，低有机质沉积物总是更有利于p ，p - d d t 的降解。 ( 2 ) 厌氧过程中，柠檬酸表现出先抑制后促进的作用。添加柠檬酸进行厌氧- 好氧 培养，1 7 周后，低、高有机质沉积物中，p ，p - d d t 降解率分别为8 4 7 和5 9 。而无 论厌氧还是厌氧好氧过程，草酸的添加均抑制了p ，p - d d t 的转化。 ( 3 ) 以p b 离子作为共存污染物，考察了五种含量黑炭( 0 、0 1 、o 2 、o 5 、 1 ) 对沉积物中敌草隆的生物降解的影响。无论是b c 4 0 0 还是b c 5 0 0 ，敌草隆的降解率 都随着黑炭含量的增高而下降。 ( 4 ) 当混入黑炭含量为o 5 时，无论是b c 4 0 0 还是b c 5 0 0 ，加入p b 2 + 的浓度是5 m g l 还是5 0m g l ，金属离子都促进了敌草隆的生物转化效率。b c 5 0 0 的含量为1 o 时，敌草隆降解的半衰期延长了2 0 5 天。说明了黑炭微孔结构增多、比表面积增大时， 不利于敌草隆的生物降解。其原因可能是敌草隆被吸附在土壤或者黑炭颗粒内部的微孔 中，将不能直接接触到微生物，从而降低了敌草隆的生物可利用率，导致降解率的下降。 ( 5 ) 考察了还原铁粉、1 3 环糊精以及腐殖酸对p ，p d d t 生物修复作用。“f e u + 微 生物体系对p ，p - d d t 的降解以厌氧微生物为主，f e o 加入促进了沉积物中p ，p - d d t 的降解。而环糊精的加入不利于p ，p - d d t 的生物降解，并随着环糊精浓度的增加降解 率逐渐降低。这是因为污染物容易其与形成络合物而变成大分子，将不利于微生物的吸 收。腐殖酸对p ，p - d d t 的降解起到抑制作用。与0 5g k g 的加入量相比，h a 浓度为2 5 g k g 时，p ，p - d d t 降解率下降了8 2 并随浓度的增加抑制作用增强。 关键词：p , p d d t ；敢草隆；黑炭；p b 2 + ；环糊精 氯代有机化合物在天然沉积物中的微生物降解 b i o d e g r a d a t i o no fp o l y c h l o r i n a t e do r g a n i cc o m p o u n d si nn a t u r a ls e d i m e n t s a b s t r a c t p ，p - d d ta n dd i u r o na r et w ot y p i c a lc h l o r i n a t e do r g a n i cc o m p o u n d s i nt h ee n v i r o n m e n t t h e ya r el i s t e da sp e r s i s t e n tt o x i cs u b s t a n c eb vu se p ad u et ot h e i rt o x i c o l o g i c a la n d e c o t o x i c o l o g i c a li m p a c to nt h eh u m a n sa n db i o t a n 圮i re n v i r o n m e n t a lt r a n s f o r m a t i o na n d f a t e sa r eo fg r e a tc o n c e r nb e c a u s et h e i rs i g n i f i c a n tt o x i ce f f e c tt ot h eh e a l t ho fh u m a nb e i n g s i nt h ec u r r e n ts t u d y ，t h eb i o d e g r a d a t i o no fp ，p d d ta n dd i u r o ni ns e d i m e n t sw a s i n v e s t i g a t e du n d e rn a t u r a lc o n d i t i o n s 1 1 1 e i rb i o d e g r a d a t i o nk i n e t i c sw a sa l s os t u d i e d 1 1 1 e m a i nc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w e d ： ( 1 ) d u r i n gt h ea n a e r o b i c a e r o b i ci n c u b a t i o n ，t h ee f f e c to fs m a l lm o l e c u l a ra c i do nt h e b i o d e g r a d a t i o no fp ，p - d d ti nt w os e d i m e n t so fd i f f e r e n tc a r b o nc o n t e n t s ( = 3 2 5 a n d = 0 4 1 ) w a si n v e s t i g a t e d d u r i n ga n a e r o b i ci n c u b a t i o n ，k i - 0 0 6 2 1 w e e k ；d u r i n gt h e a e r o b i ci n c u b a t i o n ，k a - a - - - 0 0 6 21w e e k t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p a r i n gt ot h ea n a e r o b i c i n c u b a t i o n , t h ea n a e r o b i c a e r o b i ci n c u b a t i o ne n h a n c et h eb i o d e g r a d a t i o no fp ，p i d d t d u r i n gt h ea e r o b i ci n c u b a t i o n ，t h eb i o d e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yo fp , p - d d ti n c r e a s e db y5 i nt h es e d i m e n tw i t hl o wo r g a n i cm a t t e rc o n t e n tw h e r et h eb i o d e g r a d a t i o ne f f i c i e n c y i n c r e a s e do n l yb y1 i nt h es e d i m e n t s 丽t i ll l i g i lo r g a n i cm a t t e rc o n t e n t 1 f 1 1 es e d i m e n t s 、加t l l l o wo r g a n i cm a t t e rc o n t e n tc a ne n h a n c et h eb i o d e g r a d a t i o no fp ，p - d d ti nb o t ht h e a n a e r o b i ci n c u b a t i o na n dt h ea n a e r o b i c a e r o b i ci n c u b a t i o n ( 2 ) d u r i n gt h e a n a e r o b i ci n c u b a t i o n , t h ec i t r i ca c i di n h i b i t e dt h eb i o d e g r a d a t i o no f p , p - d d ta tf i r s ta n dt h e ne n h a n c e dt h eb i o d e g r a d a t i o no fp ，p - d d t a f t e r17w e e k so f t h e a n a e r o b i c a e r o b i ci n c u b a t i o na d d e dw i t hc i t r i ca c i d t h ed e g r e d a t i o nr a t ew e r e8 4 7 a n d 5 9 r e s p e c t i v e l yi nt w os e d i m e n t sw i t hl o w a n dh i g ho r g a n i cm a t t e rc o n t e n t s o x a l i ca c i d i n h i b i t e dt h eb i o d e g r a d a t i o no fp p - d d ti ns e d i m e n t si nb o t ht h ea n a e r o b i ci n c u b a t i o na n d t h ea n a e r o b i c a e r o b i ci n c u b a t i o n ( 3 ) t h ee 脏c to f t h eb l a c kc a r b o nc o n t e n t s ( 0 、0 1 、0 2 、0 5 、1 ) i nt h es e d i m e n t s o nt h eb i o d e g r a d a t i o no fd i u r o ni nt h ep r e s e n c eo fp bw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h eb i o d e g r a d a t i o nr a t eo fd i u r o nd e c r e a s e da st h eb l a c kc a r b o nc o n t e n t si n c r e a s e di n b c 4 0 0a n db c 5 0 0 ( 4 ) m e t a li o ne n h a n c e dt h eb i o t r a n s f o r m a t i o nr a t eo fd i u r o nw h e nt h eb l a c kc a r b o n c o n t e n ti s5 i nt h ec u r r e n te x p e r i m e n t 卫1 eb i o d e g r a d a t i o nh a l f - l i v ei n c r e a s e db y2 0 5d w h e nt h ec o n t e n to fb c 5 0 0i s1 o 1 1 l cr e s u l t ss h o w e dt h eb l a c kc a r b o nc o u l di n h i b i tt h e 大连理工大学硕士学位论文 b i o d e g r a d a t i o no fd i u r o nw i t hm o r em i c r o p o r es t r u c t u r e sa n dl a r g e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e a t h ea b s o r p t i o no fd i u r o ni nt h em i c r o p o r e so fs o i la n db l a c kc a r b o nc o u l dm a k ei t u n a v a i l a b l ef o rb i o d e g r a d a t i o nt h u ss l o w e dt h eb i o d e g r a d a t i o nr a t e ( 5 ) t h ee f f e c to ff e u ，1 3 - c y c l o d e x t r i na n dh ao nt h eb i o - r e m e d i a t i o no fp ，p i - d d tw a s i n v e s t i g a t e d t h ed e g r a d a t i o no fp ，p i - d d ti nt h e “f e o + m i c r o o r g a n i s m s ”s y s t e m sa r em a i n l y a n a e r o b i c t h ea d d i n go ff e ue n h a n c e dt h ed e g r a d a t i o no fp ，p i - d d t t h ea d d i n go f 1 3 - c y c l o d e x t r i ni n h i b i t e dt h eb i o d e g r a d a t i o no fp ，p - d d ta n dt h ed e g r a d a t i o nr a t ed e c r e a s e da s t h ec o n t e n t so fp - c y c l o d e x t r i ni n c r e a s e d t h er e a s o nf o rt h i sd e c r e a s eo fd e g r a d a t i o nr a t ew a s t h a tp ，p i - d d tc o u l de a s i l yf o r m a tm a c r o m o l e c u l a rc o m p l e xw i t h i 3 - c y c l o d e x t r i nw h i c hm a d e p ，p 一d d t b i o - u n a v a i l a b l e t h ea d d i n go fh ai n h i b i t e dt h e d e g r a d a t i o no fp ，p d d t c o m p a r e d 、 ，i t ht h ea d d i n ga m o u n to f0 5g k g ，t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fp ，p i - d d td e c r e a s e db y 8 2 w h e nt h eh ac o n t e n ti s2 5 # k g k e yw o r d s ：p , p d d t ；d i u r o n ；b l a c kc a r b o n ；p b 2 + ；1 3 c y c l o d e x t r i n - i i i - 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：氢岱盔狃丝佥堑垄丞筮江塑堑主数垡生堑隆艋 作者签名： 盈赵 日期：尘里2 年厶月l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 氢垡查狃丝佥堑在丞筮通毯堑主鲍邀生堑隆鲤 作者签名： 拯氩日期：j 蛆年月立生日 导师签名：吻丝型辽二日期：2 年二l 月厶；一日 大连理工大学硕士学位论文 1 氯代有机化合物的环境行为及其研究进展 1 1氯代有机化合物的危害及污染状况 1 。1 1 氯代有机化合物性质及危害 多氯代有机化合物( p c o c ) 是指脂肪烃、芳香烃及其衍生物中的一个或几个氢原 子被氯原子取代后的产物。它的种类繁多，包括氯代脂肪烃、氯代苯、多氯联苯( p c b ) 、 有机氯农药、多氯代二苯并二嗯英吠喃( p c d d 用) 等化合物，是重要的化工原料、有 机合成中间体和有机溶剂，广泛地应用于医药、农药、染料、有机合成电子等行业，是 一类典型的环境污染物【l 捌。 这些化合物通常为人工合成化合物，化学性质稳定，具有较高的辛醇水分配系数 ( k w ) ，易在生物体和土壤沉积物的有机质中积累，且不易自然降解，其上的氯原子 的存在会增大其对微生物的毒性，所以在自然界中降解缓慢，容易对环境造成持久性污 染，其踪迹至今遍布世界各地【卜3 】。氯代有机化合物通过挥发、容器泄漏、废水排放、农 药使用以及含氯有机物成品的燃烧等途径进入环境，严重污染了大气、土壤、地下水和 地表水【4 】。 近年来的研究表明，许多p c o c 类化合物是内分泌干扰物或潜在的内分泌干扰物， 当它们长期低剂量存在时，容易使人和生物的内分泌系统紊乱【5 】。几乎所有的氯代有机 物都有毒性，其中很多化合物被认为具有“致癌、致畸、致突变效应( 三致效应) 或 可疑的三致效应。美国1 9 7 7 年公布的1 2 9 种环境优先污染物中，有3 0 多种为卤代烃及 其衍生物；欧共体公布的“黑名单上，排在首位的也是卤代物和可以在环境中形成卤代 物的物质，这类化合物主要包括氯代脂肪烃、氯代芳香烃及其衍生物。 1 1 2 氯代有机化合物在环境中的残留 1 1 2 1 水体中的残留 在我国，李敏学等人在1 9 8 2 1 9 8 4 年内分别对第二松花江中各排污口及各断面水中 的p c b 进行了调查，总检出率为3 1 5 ，平均检出浓度为0 0 1 3l ag l ，检出浓度范围 为0 0 0 3 0 0 8 5 l ag l 6 1 。黄玉瑶等人在1 9 7 8 年和1 9 7 9 年就发现蓟运河水中h c h 和d d t 的平均含量分别为0 0 1 7p g l ，0 0 0 1 6p g l 【7 】。1 9 9 8 年，有机氯农药在长江南京段悬浮 物中的含量分别为：d d t 浓度为0 5 2 - + 1 1 5n g l ，h c b 浓度为0 1 l o 4 8n g l ，h c h 浓度 为o 1 仙4 7n g l 8 1 。2 0 世纪9 0 年代在国外的不同水体中也检测到了有机氯农药： j e r e m i a s o n 等人于1 9 7 5 1 9 9 2 年对l a k e s u p e r i o r 水中的p c b 进行了监测【9 j 。1 9 9 3 年p h a m 氯代有机化合物在天然沉积物中的微生物降解 等人报道了加拿大的s t l a w e n c e 河水中h c h 的平均浓度为o 0 6n g l ，d d t 的浓度为 0 9 2 2n g l 1 o ；1 9 9 9 年f e r n a n d e z 等人报道了西班牙e b r e 河水中h c h 的平均浓度为 3 4n g l ，d d t 浓度为3 1n g l ! j 。 1 1 2 2 沉积物中的残留 由于氯代有机污染物的辛醇水分配系数很高，它们进入水体后很容易就吸附在沉积 物上，因此，在许多沉积物中都检测到了氯代有机化合物。 1 9 9 3 年，s c a k k a 报道了芬兰l a d o g a 湖沉积物中h c h 的平均浓度为1 5n g g ，d d t 浓度为11n g 9 1 1 2 j 。19 9 7 年对香港v i c t o r i a 港的沉积物中持久性有机污染物进行风险评 价时发现，该沉积物中含有p c b 的平均浓度为2 7 2m g k g ( 湿重) ，总d d t 的平均浓 度为2 4 0m g k g ( 干重) ，总h c h 的平均浓度为2 9 3m g k g ( 干重) 1 9 。在国外，1 9 9 9 年f e m a n d e 等人报道了西班牙e b r o 河沉积物中h c h 的平均浓度为0 0 0 7n g g ，d d t 浓 度为3 1n g g 【1 1 1 。1 9 9 9 年在韩国很少进行农业生产的m a s a n 湾沉积物中有机氯农药最高 的是d d t ，浓度为o 和1 2 6n g g ( 干重) ，h c h 的浓度为o 1 1 6 5n g g ( 干重) ，h c b 的浓度为 早地土壤 菜地 土壤 水田土壤1 2 3 l ；龚钟明等对天津土壤的研究也有类似的结果 2 4 1 。其原因除了与d d t 使用量不同外，还与土壤的性质与种植农作物对d d t 吸收能力不同有关。有研究表明， 对d d t 吸收能力系数有机肥粪土：粘土：沙土为8 0 ：1 0 ：1 ，认为多孔性土壤有利微生物活 动而促进农药的降解 2 5 l ；刘振声等对d d t 在土壤中的环境行为研究发现，在施用2 3 6 d 以后，旱田中的d d t 消失率为5 3 3 2 ，水田中为6 3 7 8 t 2 6 j 。这些研究说明了不同类型 土壤由于对d d t 的吸收和降解不同可造成d d t 残留量的差异，此外，不同农作物对d d t 吸收程度也影响着土壤中d d t 的含量。因此，对于那些易吸收、d d t 降解速度慢的土壤 类型更应关注其残留情况，以免造成农作物污染。 ( 2 ) d d t 在水体中的残留 大连理工大学硕士学位论文 d d t 极易被地表所吸附。大部分进入水中的d d t 都是牢固地先附着在土壤的颗上， 持续不变【2 7 1 。d d t 进入干净的水中，它会由于吸附于地表而逐渐消失。在水中的沉积物 将随着溪流顺水而下，最终进入河湾。在各种氯化烃农药中，d d t 及其代谢物是最常见 的农药，然而残留较低。在水体中，包括陆地水体，以及海洋中都有不同程度d d t 的发 现。联合国环境规划署( u n e p ) 在全球十二个淡水区域开展的关于持久性有毒化学品 的区域评估结果表明，除少数情况外，在淡水中d d t 的含量一般较低【2 引。在u n e p 的调 查中显示，d d t 浓度最高的区域分别为中亚和东北亚地区、中美洲和加勒比海及南美洲 东部和西部地区。这主要是因为在这些地区部分发展中国家至今仍在生产使d d t ，导致 淡水污染较为严重。全球许多海水水域也都受到了氯代有机化合物的污染。1 w a t a 等报道 的所调查的海洋表层水中的d d t ( p ，p - d d e 、o ，p - d d t 、p , p - d d t ) 和氯丹的含量，其 中d d t 含量最高的是印度洋【2 9 1 ；在阿拉伯海沿岸、中美洲和加勒比海的部分海区海水中 d d t 浓度也较高，这说明这些地区可能仍在使用d d t l 3 0 l 。 ( 3 ) d d t 在生物中的残留 农药主要通过食品进入人体，占9 0 左右【3 1 1 。因此，食物中农药含量直接影响着人 体的摄入量。2 0 世纪7 0 年代d d t 使用高峰期，我国食品中d d t 残留量高，1 9 7 5 1 9 7 7 年 河南调查的7 5 9 件食品样品中，有1 0 5 件超标( 1 3 8 3 ) ，其中以猪肉( 3 8 8 8 ) 、棉 ( 3 1 7 1 ) 、鸡蛋( 2 5 0 0 ) 、牛奶( 2 4 3 2 ) 超标率最高f 翊，1 9 7 8 年湖南的调查结 果与河南类似，以猪肉( 5 3 3 ) 、鸡蛋( 4 5 o ) 、牛奶( 3 5 o ) 超标最为严重1 3 3 j 。 随着环境中d d t 残留量的减少，食品中d d t 含量明显下降。喷洒在蔬菜或水果表皮上的 d d t ，很容易渗入其蜡质层中，使食物残留量有所提高。d d t 不易被哺乳动物的富蛋白 质的皮肤所吸收，对哺乳动物也无急性的毒杀作用，但能在动物体内积存。d d t 进入人 体后易储积于肾、睾丸、甲状腺等富有脂肪的器官，进而转入肝脏，肾脏，破坏它们的 正常机能。人体i 勾d d t 的累积量达至z j 2 0m g k g 时，神经系统发生障碍；达n 5 0 0m g k g 时，能致人死命l j 4 j 。 通过环境介质或食物链进入机体的d d t 和d d e 可在人体的脂肪组织、血液和乳汁中 蓄积。一般暴露水平越高导致机体d d t 和d d e 生物蓄积量越大。研究表明d d t 体内蓄积 量随着年龄增长而上升，6 0 岁以上年龄组普遍高于其他年龄组f 35 。，体内蓄积d d t 以 p , p - d d e 为主，其次是p ，p - d d t 。p , p - d d t 蓄积体内后，可通过脱氯化氢缓慢地转换为 d d e 。动物实验证明3 年可转换2 0 ，体内最后的蓄积量为摄入量的7 1 0 t 川。 氯代有机化合物在天然沉积物中的微生物降解 1 2 2 敌草隆的环境行为 敌草隆 n ( 3 ，4 二氯苯基) n ，n 一二甲基脲，是一种人工合成的化学除草剂，被 广泛应用于玉米、棉花、大豆、甘蔗等农田以及菠萝、柑桔等果园的杂草防治，同时也 普遍用于牧场、河道、公路、公园和森林防火道的杂草处理。敌草隆的大量使用不仅对 许多当茬及后茬敏感作物如烟草等造成严重药害，而且可通过各种途径进入水环境和食 物链，直接危害人类的健康。2 0 0 5 年，澳大利亚农药和兽药管理局宣布大幅度削减敌草 隆的施药剂量来缓解环境污染发生的风险。而美国环保总署于2 0 0 6 年8 月再次宣布收 到对除草剂敌草隆制定严格残留限量的申请。因此，了解敌草隆的性质以及它在土壤中 的环境行为，对合理用药，防止作物受害，保护环境和人类健康都是非常必要的。 敌草隆纯品为白色结晶固体，分子式c 9 h l o c l 2 n 2 0 ，分子量2 3 3 1 0 ，化学结构式如 图1 2 所示。熔点：1 5 8 1 5 9 ，沸点：1 8 0 1 9 0 。c ，相对蒸气密度( 空气= 1 ) ：8 0 4 ，饱 和蒸气压：0 4 1m p a ( 5 0 ) ，溶解度( 2 5 ) ：水中约3 6m g l ；对氧化和水解稳定， 在常温和中性条件下水解速度可忽略，在升温和酸碱条件下水解速度有所加快【”】。 c l cj o u n n h l 图1 2 敌草隆的结构式 f i g 1 2 t h es t r u c t u r eo fd i u r o n 敌草隆在土壤中具有较长的残留期，研究表吲3 8 】，敌草隆在田间土壤的残留半衰期 为9 0d 左右。敌草隆在土壤中的迁移与吸附过程密切相关。敌草隆作为苯脉类除草剂， 属非离子型化合物，所以在水土体系中很难在土壤矿物质的吸附点上与水分子竞争，因 此具有较高的移动性。研究发现，敌草隆的吸附行为与土壤中的有机质含量有关，其吸 附系数有随土壤有机质含量增高而增大的趋势【3 9 】。因此在有机质含量低的土壤里，敌草 隆容易产生淋失渗漏而导致水环境的污染。2 0 0 5 年欧洲水与废水工业协会称，敌草隆、 异丙隆、绿麦隆、荞去津、苯达松等几种除草剂的有效成分使欧洲5 0 以上的河流受到 严重污染，1 0 的地下水受到影响。在美国加利福尼亚州的地下水中，也普遍检测出敌 草隆的成分 4 0 , 4 h 。 大连理工大学硕士学位论文 1 3d d t 、敌草隆的微生物降解研究进展 1 3 1d d t 的微生物降解研究进展 1 3 1 1 降解途径 ( 1 ) 还原脱氯 p r o t e u sv u l g a r i s 是最早报道的能够把d d t 还原成d d d 的微生物之一【4 引。从d d t 还原脱氯形成d d d 的过程包括用一个氢原子取代脂肪链上的一个氯原子，需要过渡态 的金属和金属复合物充当还原剂【4 3 1 。在大多数情况下，这个过程包含一个电子转移，去 除一个氯离子和形成一个烷基。这个过程和其他还原反应( 如硫酸盐还原) 不一样。它 不产生能量，因为d d t 并不是生物产能途径的最终电子受体。 在厌氧条件下，d d d 可以被进一步还原脱氯至d d m s 和d d n u ，接着被氧化成 d d o h 和d d a ，后者再被脱梭基至d d m 。d d m 被氧化成在厌氧条件下不能被进一步 代谢的d p b t 4 4 1 。当把新鲜培养的p s e u d o m o n a ss p 细胞接种到含有这些代谢产物的培养 基中，在好氧条件下培养时，可以检测到p c p a 的产生【4 5 1 ，这也说明好氧和厌氧条件的 交替使用在d d t 生物降解方面的优势。 ( 2 ) 先脱氯再开环 b u m p u s 和a u s t 4 6 1 研究了白腐真菌p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m 对d d t 的生物降 解。在培养的3d 内，培养基中有d d d 产生。d d t 还可发生羟基化反应，生成三氯杀 螨醇( d i c o f 0 1 ) 。在c 2 1 位上引入羟基后，生成代谢物f w 2 1 5 2 。羟基化后的d d t 在c 2 1 和c 2 2 之间的键更容易断裂，形成d b p ，随后的氧化反应使苯环裂解。 h a y 等【4 7 】推测了p s e u d o m o n a sa c i d o v o r a n sm 3 g y 以联苯为碳源共代谢降解d d t 的 可能途径。该菌株先将d d t 脱氯化氢生成d d e ，再由双加氧酶在苯环上引入双轻基， 苯环开环后经一系列推测的代谢过程生成对氯苯甲酸及对氯苯乙酸。 ( 3 ) 直接开环 n a d e a u 等【4 8 1 研究了a l c a l i g e n e se u t r o p k u sa s 降解d d t 的途径。结果表明，首先是 在联苯双加氧酶的作用下在苯环的邻位和间位的轻基化作用，生成2 ，3 - d i h y d r o d i o ld d t 和2 ，3 - d i h y d r o x yd d t ，接下来被开环后生成4 一氯苯甲酸，这个途径代表了好氧条件下 对d d t 比较完全的降解过程。 n e d e a u 4 9 在研究好氧细菌a l c a l i g e n e se u t r o p h u sa 5 对d d t 的降解时发现，a e u t r o p h u sa 5 能使d d t 苯环的邻位和间位羟化。然后进一步使羟化产物开环，生成一种 黄色的开环产物，通过紫外可见光谱分析，该产物在4 0 2a m 处有最大吸收峰值。最后 的降解产物是4 ，2 氯苯甲酸。 氯代有机化合物在天然沉积物中的微生物降解 1 3 1 2 降解d d t 的微生物 目前还没有发现能利用d d t 为唯一碳源并将其降解的微生物，一些微生物能在好 氧或厌氧条件下通过共代谢降解d d t 。然而人们己经从不同的生境中分离出能够以共 代谢方式降解d d t 的微生物。虽然d d t 从2 0 世纪4 0 年代中期就开始被投放到环境中， 但是到目前为止只报道了2 株能以d d t 为唯一碳源生长的微生物【5 0 1 。 微生物能降解d d t ，然而目前尚无研究表明外生菌根真菌能降解d d t 。值得注意 的是d d t 及其同系物d d e 、d d d 都具有氯代芳烃结构。一些研究表明，外生菌根真菌 也有降解木质素的能力。 氮素限制启动降解是白腐真菌降解木质素的一个主要机理，同样白腐真菌p c h r y s o s p o r i u m 对d d t 的降解也需要通过氮素缺乏启动，预示着真菌对d d t 的降解与木质素的 降解可能需要相同的酶系。外生菌根真菌降解木质素的酶是否能降解d d t 需要研究验 证【5 1 1 。 j u h a s z 和n a i d u 5 2 】研究发现，土壤真菌c l a d o s p o r i u ms p 能够通过共代谢降解d d t 。 b u m p u s 等【5 3 】研究发现，在有葡萄糖作为碳源的情况下，白腐真菌pc h r y s o s p o r i u m 能通过共代谢降解d d t ，当葡萄糖的浓度从5 6m m o l l 增加到11 2m m o l l 时，d d t 的 降解率增加了一倍以上。外生菌根真菌可以通过与宿主植物的共生关系，获得碳水化合 物作为碳源，为共代谢降解p o p s 提供了条件。 1 3 2 敌草隆的微生物降解研究进展 微生物降解在敌草隆在土壤中降解过程中起着非常重要的作用，目前被认为是自然 环境中敌草隆降解的主要途径。敌草隆在土壤中具有较长的残留期，研究表明，敌草隆 在田间土壤的残留半衰期为9 0 天左右。 1 9 9 7 年，w a g n e r 等唧】发现野豌豆、水稻、黑麦草等作物的残留物能促进敌草隆的 降解，但未分离出具体起作用的化合物。 1 9 9 9 年，j o h n 等【5 5 】培养得到的一种能更快降解敌草隆的土壤细菌，2 4 h 即可降解敌 草隆5 0 左右。 2 0 0 0 年，b o g a r e t s 5 6 】等通过连续流动培养，从土壤中筛选出了能够快速降解敌草隆 的球抱白僵菌和葡酒色被抱霉，最快的在接种后第7 天，便能降解大约5 0 的敌草隆。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 研究目的、内容和意义 1 4 1 研究的目的和意义 本课题源于国家重大基础研究计划( 9 7 3 ) 项目“京津渤区域复合污染过程、生态 毒理效应及控制修复原理 之专题：陆地水系统中共存污染物的交互作用机理。实验选 用p ，p d d t 和敌草隆两者氯代有机化合物为对象，研究厌氧一好氧交替状态下沉积物中 多氯代有机物的微生物降解行为，有助于深入了解多氯代有机物在河流环境中的生物学 归宿及其生态效应，对河流环境质量的评价以及正确认识持久性有毒污染物的生态风险 性等方面具有着重大的现实意义和参考价值，更能为环保决策部门制定切实可行的环境 标准提供可靠理论依据。 以往关于多氯代有机物降解的研究，多集中在优化降解的环境条件、驯化培养高效 降解菌或者用活性污泥降解，而少有模拟自然条件下进行的，根据枯水期和丰水期交替 过程可以知道，沉积物的有机污染物相应有厌氧一好氧的微生物环境。因此本实验采用 厌氧一好氧交替来模拟自然河流，降解污染沉积物中的多氯代有机物类污染物，目的在 于考察多氯代有机物在模拟自然条件下的微生物转化过程和规律 1 4 2 研究内容 本课题以p , p d d t 和敌草隆两者氯代有机化合物为目标物，开展了多氯代有机物 的微生物降解作用研究。具体研究内容如下： ( 1 ) 由于柠檬酸、甲酸在自然界普遍存在，且不同程度的影响了难降解有机污染 物的可生物利用性，因此考察了厌氧好氧交替状态下，两种小分子酸对p ，p - d d t 在沉 积物中的微生物降解的影响。 ( 2 ) 为了了解不同形貌的黑炭对敌草隆微生物降解情况的影响，采用白腐真菌作 为降解菌，加入不同浓度的重金属p b 2 + ，确定其微生物降解速率和半衰期，定量评价敌 草隆的微生物转化。 ( 3 ) 选取还原铁粉、环糊精和腐殖酸作为添加剂，考察了这三种物质对土著微生 物降解p ，p d d t 的影响。 氯代有机化合物在天然沉积物中的微生物降解 2 厌氧好氧交替状态下沉积物中滴滴涕的生物降解特性 在天然河流中，存在枯水期和丰水期的交替及覆水深度的改变，从而使得氧化还原 边界层在沉积物水界面附近发生季节性迁移，表层沉积物处于厌氧、兼性厌氧、好氧 不断变化的状态。目前国内外不少学者通过各种试验方法模拟天然环境中有机污染物的 生物降解，然而对污染物在厌氧一好氧交替处理时的生物降解性研究却鲜有报道。 在自然环境中，许多难解有机物受到好氧和厌氧环境的交替作用而得到降解，但这 种变化是缓慢的。在人工体系中，应该研究如何强化这种过程。例如，j o h n 等人【5 7 】研究 微生物降解p c b 一1 2 6 0 的过程中发现，许多p c b 可以先被厌氧脱氯，然后再迸一步被好 氧降解。这是因为氯离子对好氧降解过程不利，而厌氧过程下好转移了氯离子，形成的 脱氯产物易被好氧降解。因此，对于在单一处理条件下难于生物降解的多氯代芳烃类化 合物，研究其在厌氧一好氧交替处理时的生物降解性就更具有实际意义。 京津地区的河流径流量小，流量受季节影响大。夏季水量较大，河流区域沉积物呈 缺氧厌氧状态；春秋冬季水量小，河岸区域的沉积物呈缺氧好氧状态，因此沉积物的 有机污染物相应有厌氧好氧的微生物环境，为了揭示这类持久性污染物在沉积物中的 这种变化规律，笔者有针对性地考察了d d t 在厌氧、厌氧好氧过程中的降解规律、环 境化学行为及代谢中间产物，以期为进一步研究难降解有机污染物在沉积物及水体中的 迁移转化规律、正确评价河流污染状态提供依据。 2 1 实验材料 2 1 1 实验药品与试剂 ( 1 )实验所用试剂 p ，p - d d t ，纯度9 9 o ，美国e p a 提供； 柠檬酸，分析纯，天津市化学试剂厂； 草酸，分析纯，天津市化学试剂厂； 正己烷，分析纯，天津富宇精细化工有限公司； 二氯甲烷，分析纯，天津富宇精细化工有限公司； 丙酮，分析纯，天津富宇精细化工有限公司； 无水硫酸钠，分析纯，天津博迪化工有限公司： 中性硅胶，层析用1 0 0 2 0 0 目，国药集团化学试剂有限公司； k 2 h p 0 4 ，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司； 大连理工大学硕士学位论文 k h 2 p 0 4 ，分析纯，天津石英钟厂霸州市化工分厂； n i - 1 4 n 0 3 ，分析纯，江苏无锡市民丰试剂厂； m g s 0 4 - 7 h 2 0 ，分析纯，天津石英钟厂霸州市化工分厂； n a n 3 ，分析纯，天津市化学试剂厂； ( 2 )实验仪器 p h 计，p h s 3 b 数字酸度离子计，s a r t r i u s 公司，德国； 微量注射器，1 0 此上海安亭微量进样器厂； 电子天平，b p 2 2 1 s 型，s a r t r i u s 公司，德国； 超声波发生仪，s b 2 2 0 0 型，上海必能超声有限公司； 高速离心机，l g l 0 2 2 1 4 a ，北京医用离心机厂； 旋转蒸发器，r e 一5 2 9 9 ，巩义市英峪予华仪器厂； 循环水式真空泵，s h z d ( 1 1 1 ) ，巩义市英峪予华仪器厂： 烘箱，d g 7 0 1 型，大连仪表厂； 恒温摇床，中国科学院武汉科学仪器厂； 生化培养箱，哈尔滨市东联电子技术开发有限公司； 氮吹仪，天津恒奥技术开发有限公司； 马弗炉，上海电机( 集团) 公司，实验电炉厂； 气相色谱仪，h p 6 8 9 0 ，e c d 检测器，n i 6 3 ； g c 毛细管色谱柱，h p 5 型，柱长3 0m ，内径0 3 2m m ，液膜厚度0 2 5 i xm ； g c - m s ，h p 6 8 9 0 5 9 7 3 n ： h p 5 m s 毛细管色谱柱，h p l 9 0 9 1 s 4 3 3 ，柱长3 0m ，内径o 2 5m i l l ，液膜厚度o 2 5 ur n 。 2 1 2 供试沉积物 实验用两种沉积物：沉积物样品采自北京市潮白河和大连市马拦河两条河段，各设 一个断面，每个断面取表层( 0 - - 2 0c m ) 沉积物样品，每个断面平行取样3 次。 所有样品经碎散、除杂、自然风干，混匀研磨，过6 0 目筛，分别测定p h 、有机碳含 量( f o c ) 以及沉积物质地组成。样品有机碳含量( f o c ) 的测定用k 2 c r 2 0 z 氧化还原滴定 法；离心激光粒度分析仪测定沉积物质地组成，测定结果如表2 1 所示。 氯代有机化合物在天然沉积物中的微生物降解 注：1 4 取自马拦河，2 。取自潮白河。 2 2 实验方法 2 2 1 沉积物物化参数的分析 2 2 1 1 有机质的测定 ( 1 ) k e c r 2 0 7 一h 2 s 0 4 溶液： 称取分析纯重铬酸钾4 9 ，溶解于1 0 0m l 水中，在