（环境工程专业论文）氯代硝基苯污染物厌氧好氧序列生物降解的研究.pdf

浙江大学顾j j 学位论文摘要 摘要 氯代硝基苯是一类含氯含硝基芳香烃化合物，广泛用作医药、染料、农药生产 的中间体，它们也是美国e p a 、欧共体及中国优先控制的有毒难降解有机污染物。 本文阻三种氯代硝基苯类有机物( 2 - c n b 、4 - c n b 和3 , 4 d c n ) 作为目标污染物，应 用连续运行反应器和分批操作的方法，研究可降解目标污染物的厌氧及好氧污泥驯 i 化，目标污染物的生物降解机理及历程，厌氧一好氧序列工艺的运行性能等。挺过 一年多的试验，获得了如下研究结果： ( 1 ) 2 - c n b 、4 - c n b 和3 , 4 d c n 三种氯代硝基苯类同系物共存条件下，以易降解 有机物作为共基质进行厌氧处理，在厌氧反应器中可培养获得转化降解2 - c n b 、 4 c n b 和3 ，4 d c n 的厌氧颗粒污泥。反应器在进水c o d 负荷1 4 6 4 1 6 k g ( m 3 d ) 一， 目标污染物5 6 0 r a g - l ，h r t 2 4 4 8 h 条件下，目标污染物的平均去除率均稳定在9 5 以上，c o d 去除率保持在9 5 以上，反应器出水中主要厌氧降解产物为2 - c a 、4 - c a 、 3 , 4 d c a 和a n 类物质。 ( 2 ) 分批试验结果证明，颗粒污泥降解2 - c n b 和4 - c n b 遵循一级动力学，在厌 氧条件下，c n b 发生序列的硝基还原- 5 脱氯作用，苯环上的硝基l k , 氯原子更容易受 到亲电子攻击，发生还原反应生成氨基；所获得的颗粒污泥具有对位脱氯活性，可 使4 c a 进一步脱氯形成苯胺。2 - c n b 和4 - c n b 厌氧降解的建议性途径为： 。p ll n 0 1 c 1c l 白，b l i n o ，n e l 2 o n h 2 z v i ( z e r o v a l e n ti r o n ) 对2 - c n b 和4 - c n b 的作用主要是将苯环上的硝基还原为氨 基；在z v i 与污泥共还原转化体系中，z v i 对氯代硝基苯的硝基转化具有一定的促进 作用，但因z v i 对中间产物的吸附特性，终产物形成速率趋慢。 ( 3 ) 对含氯含硝基废水采用单一好氧处理，因吹脱作用氯代硝基苯( 2 - c n b 、 浙江大学砸f 学位论文摘要 4 - c n b 和3 , 4 一d c n ) 约有5 0 左右逸散，其吹脱逸敬速率常数分别为2 - c n b0 0 5 8 7 0 ；1 2 4 2 h 、4 - c n b0 ，0 6 8 2 0 ，1 4 4 6 h 。、3 ，4 ，d c no ，0 3 3 7 0 1 5 6 8 h 1 ：经2 - c n b 、4 - c n b 和3 , 4 一d c n 三种氯代硝基苯类同系物驯化的好氧活性污泥，对4 - c n b 和3 , 4 。d c n 均具有一定的 降解作用，而对2 - c n b 的降解作用较小；驯化污泥对2 - c n b 、4 - c n b 和3 , 4 一d c n 有较 强的吸附作用。 ( 4 ) 从驯化的好氧污泥中分离得到4 - c n b 好氧降解菌a 1 ，杆状，g + ；降解试 验发现最适p h 7 5 ，最佳接种量5 8 0 m g 1 0 0 m l ；该菌株降解4 - c n b 的最大比降解速率 为0 , 5 0 5 r a g ( gh ) 。，k s 为4 19 8 m gl 1 ；a 1 菌株降解c n b 具有专一性，几乎不能利用邻 氯苯胺、对氯苯胺、3 , 4 二氯苯胺和苯胺等污染物，对3 , 4 二氯硝基苯和邻氯硝基苯 降解作用也相当微弱。 ( 5 ) 根据氯代硝基苯类厌氧、好氧生物降解的特性，建立了含氯含硝基废水的 厌氧一好氧集成偶合工艺，在系统进水c o d4 0 1 1 4 2 1 1 m g l 1 ，氯代硝基苯类有机物 ( 2 - c n b 、4 - c n b 、3 , 4 d c n ) 约5 0 m g l 1 ，a 段h r t1 8 2 4 h ，0 段曝气时间2 4 h 的条 件下，出水中c o d 降至5 0m g l 1 1 左右，c o d 去除率达到9 8 以上；目标污染物在a 段转化为氯苯胺和苯胺，这些中间产物在好氧条件下经8 2 4 h 的曝气后均能完垒去 除；系统出水中检出一种未知物质，可能是氯苯胺和苯胺类的代谢产物苯二酚。这 一结果揭示了厌氧好氧工艺集成偶合可高效地去除有毒难生物降解有机物，并可有 效地消除单一好氧处理可能产生的二次污染， 提供了可靠的理论依据，具有工程应用意义。 工艺高效处理氯代硝基苯废水 关键词：氯代硝基苯；生物降解；厌氧好氧序列工艺；机理；性能 v 一 一。砭 z 2 浙江大学硕| 学位论文a b s t r a c i a b s t r a c t c h l o r i n a t e dn i t r o a r o m a t i cc o m p o u n d s ，w h i c ha r ei m p o d a n tb u i l d i n gb l o c k sf o rs y n t h e s i so f i n d u s t r i a lc h e m i c a l s a r es e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t sp r e s e n ti ni n d u s t r i a lw a s t e s t h ee p ao f u s a ，e e ca n dc h i n e s eh a v ed e c l a r e dt h a tc h l o r o n i t r o b e n z e n e sa r et h ep r i o r i t y p o l l u t a n t s t h e r e f o r e w a s t em a n a g e m e n ta n dd e t o x i f i c a t i o no ft h e s ek i n d so fc o m p o u n d sa r ei m p o r t a n tf o r p r o t e c t i n g t h ee n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t h i nt h i s p a p e r t h ea c c l i m a t i o no fa n a e r o b i ca n d a e r o b i c s l u d g e m e c h a n i s m o fc h l o r o n i t r e b e n z e n e s b i e d e g r a d a t i o n a n dt h e p e r f o r m a n c e s o f a n a e r o b i c - a er o b i cp r o c e s sf o rr e m o v i n gc h i o m n i l r o b e n z e n e si nw a s t e w a t e rw e r es t u d i e dt h e f o l l o w i n gr e s u l t sw e r ea c h i e v e d ： ( 1 ) t h e2 - c n b ，4 一c n ba n d3 , 4 d c n - d e g r a d i n ga n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a sa c c l i m a t e d a n de n r i c h e dw h e nam i x t u r eo ft h e s et h r e ec h l o r o n i t r o b e n z e n e sw a se m p l o y e da si n f l u e n to f a n a e r o b i cb i o r e a c t o r t h ea n a e r o b i cb i o r e a c t o rw a so p e r a t e du n d e rc o d1 4 6 4 1 6 k g ( m 3d ) 。， c h l o r o n i t r o b e n z e n e s5 6 0 m g l _ 1a n dh r t2 4 “4 8 h m o r et h a n9 5 o fc h l o r o n i t r o b e n z e n e sa n d c o dw e r er e m o v e d h p l ca n a l y t i cr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h r e ec h i o m n i l r o b e n z e n e sw e r ea l l t r a n s f o r m a t e dt o2 - c h l o r e a n i l i n e ，4 - c h l o r e a n i l i n e 3 , 4 一d i c h l o r o a n i l i n ea n da n i l i n e ( 2 ) t h er e s u l t so fb a t c he x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ea n a e r o b i cb i o d e g r a d a t i o nk i n e t i c s o f 2 - c n ba n d4 - c n bb yg r a n u l a rs l u d g ew e r ef o l l w e db yf i r s t - o r d e rr e a c t i o n t h en i t r og r o u p so f 2 - c n ba n d4 - c n bw e r em o r ee a s i l ya t t a c k e db ye l e c t r o nt h a nc h l o r i n e sa n dt h e yw e r er e d u c t i v e l y b i o t r a n s f o r r n e dt oa m i n og r o u p su n d e ra n a e r o b i cc o n d i t i o n s t h ea c c l i m a t e da n a e r o b i cg r a n u l a r s l u d g e ，w h i c h c o u l dd e c h l o d n a t e4 - c h l o r e a n l i n et o a n i l i n e s h o w e d t h a ti th a dt h ea b i l i t yo f p a r a _ d e c h l o r i n a 帅g t h e a n a e r o b i c b i o d e g r a d a t i n g o r l p a t h w a y o f2 - c n ba n d4 - c n bw e r e s u g g e s t e da sf o l l o w s ： n 0 3 。d 戈 l l n 0 3n h 2 9。审 一 。审 浙江人学坝 学位论文a b s e a c t i n z v l ( z e r o v a l e n ti r o n ，f e o ) 。r e d u c t i o ns y s t e m ，t h en i t r og r o u p so f2 - c n ba n d4 - c n bw e r e r e d u c t i v e l y t r a n s f o r m e dt oa m i n o g r o u p s t h e e n h a n c e m e n to ft r a n s f o r m a t i o no f c h l o r o n i t r o b e n z e n e sw a so b s e w e di nz v i - s l u d g e r e d u c t i o ns y s t e m ( 3 ) s b rs y s t e mw a se m p l o y e dt ot r e a tw a s t e w a t e rc o n t a i n i n gc h l o r o n i t r e b e n z e n e s ，i nc k r u n w i t hn o n s l u d g ea e r a t i o n a p p r o x i m a t e l y5 0 o f 2 - c n b 4 - c n ba n d3 , 4 - d c nw e r eb l o w e do f ff r o m l i q u i dp h a s et oa t m o s p h e r e t h eb l o w - o f f r a t eo ft h e mw e r e0 0 5 8 7 o 1 2 4 2 h 1 1f o r 2 - c n b ， 00 6 8 2 0 1 4 4 6 h 。1f o r4 - c n b a n d0 0 3 3 7 0 1 5 6 8 h 。1f o r3 , 4 d c n i tw a sf o u n dt h a t4 - c n 8a n d 3 , 4 - d c nw e r eb i e d e g r a d a t e di ns b rb ya c c l i m a t e da e r o b i cs l u d g e ，b u ti lw a sp o o rf o r2 - c n b ( 4 ) a na e r o b i cc u l t u r eu t i l i z i n g4 - c n ba st h es o l es o u r c eo fc a r b o n n i t r o g e n ，a n de n er g y n a m e da sa 1h a sb e e ni s o l a t e df r o mt h ea c c l i m a t e da e r o b i cs l u d g e ，i tw a sg r a m ep o s i t i v e t h e o p t i m a lc o n d i t i o nf o r4 - c n bd e g r a d a t i o nw e r ep h7 5 ，t h em a x i m u ms p e c i f i cs u b s t r a t ed e g r a d a t i o n r a t eo f4 - c n bw a s0 5 0 5 m g ( g h ) k s4 1 9 8 m g l 1 t h i si s o l a t e da e r o b i cc u l t u r ew a sn o te f f i c i e n t f o rd e g r a d a t i o no f2 - c h l o r o a n i l i n e ，4 - c h l o r o a n i l i n e ，3 , 4 - d i c h l o r o a n i l i n e ，a i l i n e ，2 - c h l o r o n i t r o b e n z e n e a n d3 , 4 - d i c h l o r o n i t r o b e n z e n ei n d i c a t i n gb i e d e g r a d a t i n ga c t i v i t yo ft h ei s o l a t e db a c t e r i aw a s s p e c i a l ( 5 ) t h es e q u e n t i a l a n a e r o b i c a e r o b i c s y s t e mw a ss e tu pt o t r e a t s y n t h e t i c a lw a s t e w a t e r c o n t a i n i n gam i x t u r eo ft h r e ec h l o r o n i t r o b e n z e n e s t h ec o m b i n e ds y s t e mw a so p e r a t e d w i t hi n f l u e n t c o d 4 0 1 1 - 4 2 1 1 m g l 1 ，c h l o r o n i t r o b e n z e n e s ( 2 - c n b ，4 - c n ba n d3 , 4 - d c n ) 5 0 m g l - ，h r t1 8 。2 4 h ( a n a e r o b i cp r o c e s s ) a n d h r t 2 4 h ( a e r e b i cp r o c e s s ) i n t h ea n a e r o b i c p h a s e ，t h r e e c h l o r o n i t r o b e n z e n e sw e r em o s t l yb i o t r a n s f o r m e dt oc h l o r o a n i l i n e sa n da n i l i n e i nt h ef o l l o w i n g a e r o b i cp h a s e 。c h l o r o a n i l i n e sa n da n i l i n ec o u l db ee l i m i n a t e db ya e r o b i cs l u d g ew i t h i n8 2 4 h c o d c o n c e n t r a t i o ni ne f f l u e n tf o mn os y s t e mw a sl o w e rt o5 0m g l - 1 a n dc h l o r o n i t r o b e n z e n e sw e r e u n d e t e c t e d o n eu n k o w np r o d u c t ，w h i c hw a sm o r el i k e l yt ob ec a t e c h 0 1 w a sd e c t e d e di ne n f f i u e n t a o f t h e s er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tn o s y s t e mw a s e f f i c i e n tf o rd e t o x i f i c a t i o na n da l s op r o v i d e d w i t ht h et h e r o t i c a lf o u n d a t i o nf o ra p p l i c a l i o no fs e q u e n t i a ln os y s t e mt ot r e a t m e n to fi n d u s t r i a l w a s t e w a t e r c o n t a i n i n gc h l o r o n i t r o b e n z e n e s k e yw o r d s ：c h i o r o n i i m b e n z e n s ：b i e d e g r a d a t i o n ；s e q u e n t i a la n a e r o b i c - a e r o b i cp r o c e s s ；m e c h a n i s m d e r f o r m o n a c e 2 浙江 学硕【：学位论文 前高 1 前言 氯代硝基苯是一类含氯含硝基芳香烃化台物，广泛用作医药、染料、农药生产 的中间体，它们也是美国e p a 、欧共体及中国优先控制的有毒难降解有机污染物。 我国1 9 5 0 年开始生产氯代硝基苯，多年来一直供不应求，氯代硝基苯工业发展很快， 尤其是邻、对氧硝基苯产量增加迅速，是世界上产量最大的国家之一。目前全国生 产厂家有1 0 余家，总年产能力达3 0 万吨左右。国内已拥有世界上最大的7 万吨年 单套装置，产品质量达到世界先进水平，出口到3 0 多个国家和地区。据不完全统计， 2 0 0 1 年全国氯代硝基苯总产量约为2 0 万吨。但是氯代硝基苯生产废水，因含有氯代 硝基苯、硝基酚、氯苯、硫酸、硝酸等多种污染物，特别是氧代硝基苯类其毒性大、 难处理，国内氯代硝基苯生产企业外排废水大多超标排放。近年来，针对氯代硝基 苯污染物及其生产废水的的特性，国内外研究者曾提出多种处理工艺，包括树脂吸 附、化学高级氧化与催化还原处理及萃取膜生物反应器等n 2 - 8 】。本实验室通过实验 室的小试，开发了处理氯代硝基苯生产废水的f e c a o 处理工艺，并在常山化工 厂废水处理系统中得到工程化应用，近三年来工程运行表明，n o 生物处理单元对 氯代硝基苯等典型有机污染物具有良好的转化和降解作用。为阐明氯代硝基苯污染 物在a o 系统中转化降解的内在机理，优化废水废水生物处理运行工况，有必要进 一步研究目标污染物厌氧、好氧生物降解机理以及目标污染物在厌氧好氧序列工艺 中的归趋，以期为难降解有机废水生物处理及受污染环境生物修复提供可靠的理论 依据。 1 1 氯代芳香化合物的生物降解研究现状 氯代芳香化合物从结构上说是指芳香烃及其衍生物中一个或几个氢原子被氯原 子取代后的产物，可分为氯苯、氯酚、氯代苯氧酸、氯萘、氯联苯( p c b s ) 、氯代硝 基苯等几大类，它们广泛用于工农业生产中，是一类污染面广、毒性较大、不易降 解的化合物。在美国e p a 所列1 2 9 种优先污染物中占2 5 种之多，这些物质大多具有 ”三致”作用。前人在降解菌群的富集、分离及系统发育解析、脱氯降解机理、关键 酶基因与分子生物学转化等方面进行了大量的工作，取得了许多有益的成果。 1 1 1 氯代芳香化合物的生物降解性 氯代芳香化合物在环境中较为稳定，表现出较难降解的特性；但现有研究表明， 在好氧、硝酸盐还原、硫酸盐还原、铁还原及产甲烷条件下，许多氯代芳香化合物 浙江人学硕：l 学位论文前苦 可发生不同程度的转化与降解，甚至矿化。然而，氯代芳香化合物氯代程度及氯代 位置的不同，其生物降解性存在明显的差异。 一些氯代芳香化合物可以作为微生物纯培物利用的底物，微生物可将其彻底代 谢氧化为二氧化碳和水，如3 氯苯甲酸、3 氯邻二酚、4 氯邻二酚，3 ，5 - 二氯邻二酚 等，它们可作为微生物纯培养生长的碳源和能源，被彻底降解为二氧化碳和水，释 放出无机的氯离子。但有些氯代芳香化合物则不能作为纯培养物的底物而被微生物 彻底氧化，只能部分地被转化，只有多种微生物共存时才能最终被彻底氧化为二氧 化碳和水，如4 氯联苯、1 对氯苯基1 苯乙烷等，在它们分子结构中，未被氯取代 的苯环被开环裂解，产生乙醛和丙酮酸，可用于微生物的生长，而被氯取代的苯环 则生成末端产物4 氯苯甲酸。还有一些氯代芳香烃，不能作为微生物纯培养生长的 底物，只能在有生物降船基质存在的条件下，被微生物转化与降解，如一些多氯联 苯。多氯联苯降解必须经过其它生长基质的诱导，使微生物产生适应多氯联苯的酶 系或电子供体，改变多氯联苯的结构，最终达到降解多氯联苯的目的。由于许多氯 代芳香化合物属于人工异生物合成物( x e n o b i o t i c s ) ，可以通过微生物诱导或者对微生 物进行- 9 1 j 化，使其适应化学物质的特性。如对降解氯酚的微生物诱导驯化研究表明： 用2 氯酚驯化污泥时，降解速率大小顺序为2 - 氯酚 4 - 氯酚 3 - 氯酚，用3 氯酚- 9 1 】化 污泥时，降解速率大小顺序为3 氯酚 4 - 氯酚 2 - 氯酚，用4 - 氯酚驯化污泥时，降解 速率大小顺序为4 氯酚 3 - 氯酚 2 - 氯酚吼显然，经驯化的污泥首先是对驯化物有 最好的适应性，即使是同系物也是一样。 1 1 2 具有降解氯代芳香化合物活性的微生物 迄今为止，许多学者已从土壤、水体沉积物等环境中分离获得具有降解活性的 纯培养物，见表1 - 1 。 浙江大学硕士学位论文 前言 表1 1可降解氯代芳香化合物的好氧微生物 t a b l e l - 1a e r o b i cb a c t e r i af o rd e g r a d a t i n gc h l o r i n a t e da r o m a t i c s 一氧酚m y c o b a c t e f i u ms p ，n o c a r d i as p 2 3 - 4 - 氯酚，2 ，4 - 二氯酚 a t c a f i g e n e ss p 五氯酚 r f l o d o c o c c , u sc h t o r o p h e n o f i c u s p c e p a c i a ( a c l 1o o ) r a v o b a d e f i u ms p后者发现质粒 1 3 二氯苯a l c a l i g e n e ss p 1 4 二氯苯p s e u d o m o n a s p u i d a , r s p 氯甲苯，3 ，4 - 二氯甲苯p s e u d o m o n a sc e # l a c i a 2 - , 3 - 4 氯甲苯2 昏二氯甲苯p s e u d o m o n a sc 印a c i a 一氧苯甲酸( 盐) m y c o b a c t e f i u ms p ；n o c a r d i as p 2 氯苯甲酸( 盐) p s e u d o m o n a sc e p a c i a f t a c o b a c t e 础ms p a e u t r o p h u sh 8 5 0 a l c a t i g e n e sa r a d o x u s c j m p l 3 0 ，1 3 3 ，1 3 4 ) p s e l d o m o n s $ p u t i d a ( a c 8 5 8 ，a c 8 6 6 l p s e u d o r n o n a sa e r u g i n o s a p s p ( b 1 3 l 3 _ 氯苯甲酸( 盐)a c i n e t o b a c t e r a f c o a c e t i c u s , r s p ( b 1 3 ) 4 氯苯甲酸( 盐)a r t h r o b a c t e r a l c o a c e t i u s , p s p ( c b s 3 ) r # u t i d a ( a c 8 6 6 ) ，r a e r u g 加o s a 2 4 - 二氯苯甲酸( 盐)a c i n e t o b a c t e r a t c o a c e t i e u s r c e p a c i a c o t y n e b a c t e r i u ms e p e d o n i c u m 3 , 4 - - - 氯苯甲酸( 盐) p s e u d o m o n a sc e p a c i a , r s p 3 导二氯苯甲酸( 盐)p s e u d o m o n a s 印，r a e r u g i n o s e 一氮二氯联苯a c h r o m o b a c t e r s 卢 艄联苯 f e v e b a c t e f i u ms p ，r s p s p i r i f f u m 印；v i b f i os p a c i n e t o b a c t e r s p a c h t o m 曲a c t e r s p , b a c i t l u sb r e v i s e u t r o p h u s ( h 8 5 0 1 一l c a t i g e n e ss p k l e b s i e e a # n e u m o n i a e ( a c 9 0 1 ) 1 , 4 - 氯联苯p s e 倒o m o n e ee p j p c r u d v i a e 多氮联苯k e b s i e f a p n e u m o n i a e ( a c 9 0 1 j a e p e r g i l 山sn i g e r , f l a v o b a c t e r i u ms p 4 - 氯苯乙酸 a r t h r o b a c t e rs p r c e p a c i a ( a c l l 0 0 ) 孓氯4 羟基联苯p s e u d o m o n a ss p ( c b s 3 ) 3 氯牛氯导氯水杨殴p s e u d o r t l o n a s c r u c i v i a e 2 氯3 _ 氯串氯苯胺p s e u d o r t l o n a $ s p 3 , 4 - 二氯苯胺p s e u d o m o n a ss 卢 删卧2 稍基酚p s e u d o m o n e sp u t i d a c o r y n e b a c t e r i u ms e p e d o n i c u m 尸s p 2 , 4 0a d e n i t r i f i c a n s ( n t b 一1 】 a e u t r o p h u sh 8 5 0 a s p ，。a p a r a d o x u s ( j m p l l 6 ，1 3 0 ，1 3 3 1 3 4 ) a r t h r o b a c t e r s p ，a s p e r g i t u sn i g e r z 4 。5 t r a v o b a c t e f i u ms pp s p m c p a r c e p a c i a a c l l 0 0 ) 。r e e p a c i a 氯苯甲酸( 盐)a e u t r o p h u sh 8 5 0 ，r s p 氯氢醌( p o p 代谢物)a t e e # g e n e sd e n 研f i c a n s f t a v o b a c t e 脚ms p r h o d o c o c c u ss p p 发现质粒 发现质粒 存在共代谢9 发现质粒分别为p r c l 0 p j p 4 发现质粒，分别为p j p 2 - 4 发现质粒分别为p a c 2 5 ，p a c 2 7 发现质粒分别为p a c 2 9 p b l 3 发现质粒分别为p a c 2 7 p a c 2 9 后者发现质粒 发现质粒 发现质粒分别为p a c 3 1 p a c 2 9 高度脱氯，主要产物为c 0 2 生物降解与氯化程度成反比 发现质粒p k f l 和p s s 5 0 ( 3 5 k b ) 后者发现质粒p s $ 5 0 ( 3 5 k b ) 发现质粒p a c 2 1 发现质粒p a c 2 1 后者发现质粒 发现质粒 后者发现质粒p j p 4 发现质粒p j p - 6 ；p j p 4 ( 8 0 k b ) 发卿t 粒净另哟p 叫刚杠f 珥 发现质粒p r c l 0 后者发现质粒 前者发现质粒p j p 4 浙江人学硕i ：学位论文l 前南 1 1 3 氯代芳香化合物的生物降解机理 氯代芳香化合物与芳烃类化合物相比，生物降解性大大降低，这主要是由于 氯原子的引入引起本身结构改变所致。它的降解至关重要的一步在于脱氯，根据 脱氯过程中的电子得失，可分为氧化脱氯和还原脱氯，此外，氯代芳香化台物的 降解还存在共代谢机制。 1 、氯代芳香化合物的好氧生物降解 微生物在降解氯代芳香化合物时，可以利用环境中的氧或人为提供的氧进行 好氧降解。氧作为最终电子受体，接受被氧化的底物提供在氧化过程中释放的电 子。氧的另一种作用是像被氧化的底物一样参与生物化学反应，最终被化合到反 应的生成物中。一般情况下，氧需要在加氧酶的激活下，成为激活态氧，参与反 应。大量研究已经发现各种生物所特有的如单加氧酶、双加氧酶有1 0 0 多种。 氯代芳香化合物的氧化脱氯是指芳香环被氧化并脱去氯取代基的过程，参与 脱氯的酶主要有羟化脱氯酶、双加氧酶和单加氧酶等氯代芳香化合物上的c c i 键被认为是惰性键，很难发生亲核取代反应，c c i 键的激活需要很高的活化能以 及很强的亲核催化剂，一般微生物很难直接破坏c c i 键，因此，氯代芳香化合物 生物降解的关键是脱氯。在好氧条件下，脱氯过程有2 种方式：一种是先脱氯再 开环，另一种是先开环再脱氧。脱氯途径主要有水解或氧化分解，其中开环形成 的非芳香结构物上的氯取代基主要是通过水解的途径脱氯。 a 先脱氯再开环方式 氯代芳香化合物先脱氯再开环降解是指氯取代基先被羟基或其他较活泼的基 团所取代，然后再进行开环的降解。4 氯苯甲酸是a c i n e t o b a c t e r s p 或a c h r o m o b a c f e r s p 等纯培养好氧降解4 氯联苯时的末端产物，在a r t h r o b a c t e rs p p s e u d o m o n a ss p 等纯培养中，4 - 氯苯甲酸的生物降解首先在羟基化酶的作用下，分子氧参与而转化 为4 羟基苯甲酸，同时脱去一个氯，4 羟基苯甲酸再氧化为3 , 4 二羟基苯甲酸，然 后裂船开环，图1 1 为对氯苯甲酸的氧化脱氯途径。3 氯苯甲酸的脱氯过程也具有 与4 一氯苯甲酸档似的降解途径。 x u 1 9 9 9 ) 和a n a n d a d a h ( 2 0 0 0 ) 蝴s p h i n g o r n o n a sc h b r o p h e n o f i c a 参与p c p 降 解的四氯羟基醌还原脱氯酶( p c p a ) ，使p c p 在开环前发生脱氯；该还原酶催化的脱 氯反应需要谷胱甘肽( g s h ) 的参与，其氨基酸序列类似与g s h 转移酶1 1 0 】。另外k i r n 浙江大学硬上学位论文 和f i c a r d a l 等( 2 0 0 1 ) 分离得到可利用2 , 2 ( 4 。) 二氯联苯( c b ) 作为唯一碳能源的 a t c a t i g e n e ss ps k 4 ( 1 仉 b 先开环再脱氯方式 由于氯代芳香化合物中的c c i 键要比非芳香化合物中的c c i 键强得多，因此， 当反应可以将芳香环开裂的情况下，则选择先开环，再脱氯，如氯代邻二酚等氰 代酚类污染物是先开环再脱氯方式的一个典型代表。 p s e u d o m o n a s ，a r t h r o b a c t e r , f t a v o b a c t e r i u r n 等菌株降解氯代酚氧乙酸类如2 , 4 d 、m c p a 等产生末端产物氯代邻二酚，氯代邻二酚首先在加氧酶的作用下开环为3 - 氯顺， 顺粘糠酸，内酯化过程中释放出氯离子，脱氯降解途径如图1 2 所示。3 , 5 二氯邻 二盼，3 氯邻二酚也具有类似的脱氯途径。 c g o h c 。o hc o o n 豁j ，味 图1 1 对氯苯甲酸的氧化脱氯途径 o g ，一以磊，铲 c 1o 图，2 氯代邻二酚的氧化脱氯途径 由于不同好氧微生物脱氯降解的生化机制( 包括共代谢作用) 不同，因而赋予氯 代芳香化合物降解途径的多样化，但大多以氰代邻苯二酚f ，2 双加氧酶催化的部位 ( o r t h o ) 裂解途径为主，即修饰邻位裂解途径( t h e m o d i f i e do d h o c l e a v a g ep a t h w a y ) 。对氯 代邻苯二酚双加氧酶基因分析发现，编码修饰邻位( o r t h o ) 裂解途径酶基园通常位于 质粒上，操纵子结构与位于染色体上的普通邻位( o r t h o ) 裂解酶的基因组织结构有很 大的差异，其中对编码3 氯苯甲酸降解酶( p s e u d o m o n a s p u t i d a , p a c 2 7 ) l 均c l c a b d 操纵 予、编码2 ，4 一d 降解酶f a t c a t i g 舯e s e u t r o p h u s j m p l 3 4 ，p j p 4 ) 的f f d c d e f 操纵予、编码氯 苯降解酶( p s e u d o m o n a ss p p 5 1 ，p p 5 1 ) 的t c b c d e f 操纵子等已有深入的研究【1 2 1 4 】。已知 降解p c b 的代表性菌橡有b u n k h o l d d e t i a c e p a c i a l b 4 0 0 、p s e u d o m o , t a s p s e u d o a f c a i g e n e s 恕一由 i h a b 浙江大学硕士学位论文 l 前音 k f 7 0 7 、p s e u d o m o n a ss pk k s l 0 2 ，并发现k k s l 0 2 菌株中参与降解p c b i 联苯的b p h 基因簇结构为自肿e g f a l a 2 a 3 b c d a 4 r ，各基因功能已基本清楚，由b p h a 编码的联 苯双加氧酶( b p h a ) 有四个亚基，联苯降解的中间产物( h o p d a ) 对b p h 基固的表达具 有调控作用1 1 5 】。 近几年来国外研究者在所分离的污染物降解菌中，发现了一些具有新功能的 好氧降解菌。m a r s 和j a n s s e n 等( 1 9 9 9 ) 发现p s e u d o r n o n a sp u t i d ag j 3 1 存在特异的氯 代邻苯二酚2 ，3 - 双加氧酶，通过问位( m e t a ) 裂解途径降解氯苯，使3 氯邻苯二酚同 时进行开环与脱氯，形成2 羟基粘康酸【1 6 】；而在此之前普遍认为修饰邻位( o 曲o ) 裂 解是氯代芳香族污染物降解的最佳途径，氯代邻苯二酚不能通过间位( m e t a ) 裂解途 径转化，原因是会产生一种不稳定、有毒的氯代酰基化合物；对编码氯代邻苯二 酚2 3 双加氧酶的3 1 k b 基因组d n a 片段( 3 1 k bp s t ) 进行克隆、序列分析，发现其 基因簇结构为：c b z t c b z e c b z x c b z g ，其中c b z e 编码氯代邻苯二酚2 ，3 - 双加氧酶，同 时确定间位( m e t a ) 裂解途径基因位于质粒上。o h t s u b o ( 1 9 9 9 ) 在矿化五氯酚( p c p ) 的 却n i n g o m o n a sc h f o r o p h e n o l i c a 菌株同样发现了一种双加氧酶，通过问位( m e t a ) 裂解途 径将2 6 二氯羟基醌转化为2 氯马来酸乙酸盐【1 7 】。 国内钟文辉和郑平等( 2 0 0 1 ) 开展了2 ，4 二氯代苯酚的好氧生物降解及其相关基 因克隆的研究，分离获得2 , 4 二氯代苯酚的好氧降解菌( p s e u d o m o n a ss p g t 2 4 1 - 1 ， g t 2 4 1 2 ) ，成功地对2 , 4 二氯代苯酚羟化酶基因( d c p a ) 、3 5 一二氯儿茶酚、1 2 一双加氧酶基因( d c p b ) 进行克隆、表达；初步研究了二氯儿茶酚氧化操纵子基因簇 ( d c p 8 、氯粘康酸环异构酶基i 习( d c p c ) 、反式氯双稀内酯异构酶基f 习( d c p e ) 、双稀内 酯水解酶基因( d c p d ) 结构与功能；探索构建高效降解二氯苯酚基因工程菌的策略。 2 、氯代芳香化合物的厌氧生物降解 还原脱氯是氯代芳香化合物厌氧降解的最重要步骤，它是氯代芳香化合物得 到电子的同时去掉一个氯取代基并且释放出一个氯阴离子的过程。现已证实在产 甲烷厌氧条件或硫酸盐、硝酸盐还原条件下，氯代芳香化合物均可发生还原脱氯 转化。3 - 氯苯甲酸厌氧还原脱氯过程模式图如图1 - 3 所示1 1 8 】。 浙江大学硕f 学位论义 图1 - 3间氯苯甲酸的还原脱氯途径 氯代芳香化合物的还原脱氯作用直到8 0 年代才为人们认识，许多种末确定的 厌氧微生物群体( u n d e f i n e da n a e r o b i cc o m m u n i t i e s ) 被用于氯代芳香化合物的降解研 究，结果发现它们都具有还原脱氯作用，根据二十余年对氯代芳香化合物脱氯机 制的研究，可归纳如下： 首先，厌氧还原脱氯是氯代芳香化合物厌氧生物转化降解的一条重要途径， 氯原子强烈的吸电子性使苯环上电子云密度降低，在好氧条件下氧化酶很难从苯 环上获取电子，当氯原子的取代个数越多时，苯环上的电子云密度就越低，氧化 就越困