（环境科学专业论文）电气石联合微生物对沉积物物土壤中pahs和ocps污染修复研究.pdf

摘要 石和黄孢毛皮革菌组 黄孢毛皮革菌组 电气石组 空白对照组或电气石和黄孢 毛皮革菌组 电气石组 黄孢毛皮革菌组 空白对照组；且随着降解天数的增加， 电气石和黄孢毛皮革菌联合对目标污染物的降解较降解初始阶段增加幅度减 小。 5 表面活性剂和营养盐强化电气石辅助黄孢毛皮革菌修复较联合组对p a h s 和o c p s 有不同程度的提高；对不同环数p a h s 促进作用不同，对4 6 环p a h s 促进作用更加明显。三种表面活性剂对联合组修复p a h s 的促进作用效果最好的 剂量是分别是2g k g 的t w 8 0 、o 5g k g 的h p c d 和5g k g 的鼠李糖脂，较电气 石辅助黄孢毛皮革菌联合组分别提高了1 6 3 、1 5 2 和1 8 3 。两种营养盐对 联合组修复p a h s 效果最好的剂量是分别是5 0g k g 的氯化铵和5 0g k g 的硝酸 铵，较电气石辅助黄孢毛皮革菌组分别提高了7 4 和9 6 。对于o c p s 强化修 复而言，修复效果最好的剂量分别为0 4g k g 的t w 8 0 、5g k g 的h p c d 、5g k g 的鼠李糖脂、5 0g k g 的氯化铵和5 0g k g 的硝酸铵。 6 修复机理研究表明，电气石促进土壤过氧化氢酶、转化酶和脲酶酶活分 泌；土壤腐殖酸的相对含量随着修复天数的增加而减少，同时，f t i r 图谱显示 在2 3 7 2c m 。1 处峰在加入电气石的土壤组出现，均证实明电气石对土壤腐殖酸有 影响且导致土壤腐殖酸吸附能力或者极性下降。因此，电气石能促进土壤中p a h s 和o c p s 降解。 关键词：黄孢毛皮革菌，电气石，多环芳烃( p a h s ) ，有机氯农药( o c p s ) ，修 复，沉积物，土壤，酶活，腐殖酸 a b s 缸a c t a b s t r a c t an o v e lr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yo nt o u r m a l i n ec o m b i n e dw i t hm i c r o o r g a n i s m a s s i s t e dw i t ht o u r m a l i n eh a sb e e ne s t a b l i s h e dt h r o u g ht h es t u d yo nb i o r e m e d i a t i o no f p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p a h s ) a n do r g a n o c h l o r i n ep e s t i c i d e ( o c p s ) c o n t a m i n a t e ds e d i m e n t sa n ds o i lf r o md a g ud r a i n a g er i v e ru s i n gt o u r m a l i n e 尸 c h r y s o s p o r i u ma n dpc h r y s o s p o r i u mc o m b i n e dw i t ht o u r m a l i n e t h e r e f o r e ，t h i ss t u d y c a np r o v i d et h eb a s i so ft h et h e o r yf o rr e m e d i a t i o no fp a h s o c p sc o n t a m i n a t e d s e d i m e n t sa n ds o i l ，a n dh a v ee n v i r o n m e t a ls i e n c es i g n i f i c a n c e t h em a j o rc o n c l u s i o n s o ft h i ss t u d yw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 t h ed i s t r i b u t i o n so fp a h s o c p si ns e d i m e n t sf r o md a g ur i v e rv a r i e df r o m t h ed i f f e r e n ts e d i m e n t s a n d ，t h et o t a la m o u n to fp r i o r i t yc o n t r o lp a h si n1 s e d i m e n t sw a s1 0 0 1 士0 0 2 3m g & g w h i l e2 0 3 土o 0 18m g k gi n3 s e d i m e n t s ；t h e t o t a lc o n t e n to fo c p si n1 s e d i m e n t sw a s3 0 8 44 - 0 。2 9m g k g w h i l e9 4 6 6 士0 9 8 m g k gi n3 群s e d i m e n t sw a s t h et o t a la m o u n to fp r i o r i t yc o n t r o lp a h si n s o i lw a s 6 3 5 土o 0 4 5m g k g a n dt h ec o n t e n to f2 - 3r i n gp a h sw a sl o w e rt h a n4 - 6r i n gp a h s ； t h et o t a lc o n t e n to fo c p si n s o i lw a s1 4 5 9 2 士1 9 2m g k g ，a n de n d r i n ( 7 7 11 士5 1 2 m g k g ) r e p r e s e n t e das i g n i f i c a n tp r o p o r t i o n 2 o n6 0 恤d a y s ，t h eb i o d e g r a d a t i o nr a t eo fp a h si nt h e1 a n d3 群s e d i m e n t si n t h epc h r y s o s p o r i u mr e m e d i a t i o ng r o u pw e r ei n c r e a s e db y2 0 33 a n d21 4 0 c o m p a r e dt ot h ec o n t r o lg r o u p ，r e s p e c t i v e l y , w h i l eo c p sd e g r a d a t i o nr a t ee n h a n c e d b y2 3 19 a n d2 2 15 c o m p a r e dt ot h ec o n t r o lg r o u p ，t h et o t a ld e g r a d a t i o nr a t eo f p a h si nt h et o u r m a l i n eg r o u pw e r ee n h a n c e db y2 1 6 a n d2 3 1 i nt h e1 a n d3 撑 s e d i m e n t s ，r e s p e c t i v e l y , w h i l eo c p sd e g r a d a t i o nr a t ee n h a n c e db y21 2 a n d13 8 i na d d i t i o n ，c o m p a r e dt ot h epc h r y s o s p o r i u mg r o u p ，t h et o t a ld e g r a d a t i o nr a t eo f p a h sb yt o u r m a l i n ea s s i s t e dw i t hpc h r y s o s p o r i u mw e r ee n h a n c e db y6 6 a n d 13 1 i nt h e1 群a n d3 s e d i m e n t s r e s p e c t i v e l y , w h i l ec o m p a r e dt ot h et o u r m a l i n e g r o u p ，t h e yw e r ei n c r e a s e db y5 3 a n d11 4 ，a n dc o m p a r e dt ot h ec o n t r o lg r o u p ， t h e yi n c r e a s e db y2 6 9 a n d3 4 5 s i m i l a r l y , t h et o t a ld e g r a d a t i o np e r c e n t a g eo f o c p si nt h e1 存a n d3 群s e d i m e n t sw e r ee n h a n c e db y8 4 a n d8 1 i nt h et o u r m a l i n e a b s t r a c t c o m b i n e dw i t hpc h r y s o s p o r i u m r e m e d i a t i o ng r o u p ，r e s p e c t i v e l y , a n d r e m e d i a t i o ng r o u p ，w h i l ee n h a n c e d g r o u pc o m p a r e dt o i nt h ep 10 4 a n d16 4 c o m p a r e dw i t h b y31 6 a n d3 0 2 c o m p a r e d c h r y s o s p o r i u m t h et o u r m a l i n e t ot h ec o n t r o l g r o u p 3 f o rs o i l r e m e d i a t i o n ，t h et o t a lr e m e d i a t i o nr a t eo fp a i l si nt h ep c h r y s o s p o r i u mr e m e d i a t i o ng r o u pw e r eh i g h e rt h a n2 8 51 t h a nt h a ti nt h ec o n t r o l g r o u po nt h e6 0 hd a y , r e s p e c t i v e l y , w h i l et h et o t a ld e g r a d a t i o no fo c p sw a si n c r e a s e d b y2 2 0 4 h o w e v e r , t h et o t a lr e m e d i a t i o nr a t eo fp a h sa n do c p si nt h et o u r m a l i n e c o m b i n e dw i t h 尸c h r y s o s p o r i u mg r o u pw e r eh i g h e rt h a n6 7 a n d6 3 t h a nt h o s ei n t h epc h r y s o s p o r i u mr e m e d i a t i o n g r o u p 21 3 a n d 17 1 t h a nt h o s ei nt h e t o u r m a l i n er e m e d i a t i o ng r o u p 4 t h er u l eo fp a h sa n do c p sr e m e d i a t i o nw e r ei nt h eo r d e ro ft o u r m a l i n e c o m b i n e dw i mpc h r y s o s p o r i u mg r o u p pc h r y s o s p o r i u mg r o u p t o u r m a l i n eg r o u p c o n t r o lg r o u po rt o u r m a l i n ec o m b i n e dw i t hpc h r y s o s p o r i u mg r o u p t o u r m a l i n e g r o u p p c h r y s o s p o r i u mg r o u p c o n t r o lg r o u p m o r e o v e r , w h e nt h ed e g r a d a t i o n t i m ei n c r e a s e d ，t h ei n c r e a s e de x t e n to fp a h sa n do c p sd e g r a d a t i o nr a t e b y t o u r m a l i n ec o m b i n e dw i t hp c h r y s o s p o r i u mw a sg r a d u a l l yd e c r e a s e dc o m p a r e dt ot h e i n i t i a ld e g r a d a t i o np e r i o d 5 t h ep a h sa n do c p sd e g r a d a t i o ni nt h es o i lf r o mt h ed a g ud r a i n a g er i v e r w e r ee n h a n c e di nt h et o u r m a l i n ec o m b i n e dw i t hp c h r y s o s p o r i u mu n d e rt h ef u n c t i o n o fs u r f a c t a n ta n dn u t r i e n t s h o w e v e r , t h ei n c r e a s e de x t e n to fd e g r a d a t i o no fd i f f e r e n t r i n g sp a h sw e r ed i f f e r e n t ，e s p e c i a l l y4 - 6r i n g sp a h sw e r em o r eo b v i o u st h a no t h e r r i n g s a n d ，t h eb e s td o s eo ft h r e et y p e so fs u r f a c t a n tt h a te n h a n c e dp a h sd e g r a d a t i o n b yt o u r m a l i n ec o m b i n e dw i t hpc h r y s o s p o r i u mw e r e2e g k gf o rt w 8 0 ，0 5g k gf o r h p c da n d5g 爪gf o rr h a m n o l i p i d ，r e s p e c t i v e l y , a n d ，t h ei n c r e a s e dr a t eo fp a h sw e r e 16 3 ，15 2 a n d18 3 ，r e s p e c t i v e l y t h eb e s td o s eo ft w ot y p e so fn u t r i e n t st h a t e n h a n c e dp a h sd e g r a d a t i o nb yt o u r m a l i n ec o m b i n e dw i t hpc h r y s o s p o r i u mw e r e5 0 e g k gf o rn h 4 n c la n d5 0g k gf o rn h 4 n 0 3 ，r e s p e c t i v e l y , a n d t h ei n c r e a s e dr a t eo f p a h sw e r e7 4 a n d9 6 ，r e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ，h eb e s td o s eo fs u r f a c t a n ta n d n u t r i e n t sh a te n h a n c e do c p s d e g r a d a t i o nb y t o u r m a l i n ec o m b i n e dw i t hp c h r y s o s p o r i u mw e r e 0 4g & gf o rt w 8 0 ，5g k gf o rh p c d ，5 g k gf o rr h a m n o l i p i d ， a b s t r a c t 5 0 班g f o rn h 4 n c la n d5 0g l ( gf o r n h 4 n 0 3 ，r e s p e c t i v e l y 6 t h er e m e d i a t i o nm e c h a n i s ms h o w e dt h a tt o u r m a l i n ec a ne n h a n c et h e p r o d u c t i o no fc a t a l a s ee n z y m e ，i n v e r t a s ea n du r e a s ee n z y m e f u r t h e r m o r e ，f t i r s p e c t r u ms h o w e dt h a tt h ep e a ka ti n2 3 7 2c m 1b a n da p p e a r e di nt h et o u r m a l i n e r e m e d i a t i o ng r o u p ，w h i l ea t2 0 4 7t i l l b a n dd i s a p p e a r e d t h e yb o t hc o n f i r m e dt h a t t o u r m a l i n eh a v ei n f l u e n c eo ns o i lh u m i ca c i d t h e r e f o r e ，t o u r m a l i n ec o u l dp r o m o t e t h ed e g r a d a t i o no fp a h sa n do c p si ns o i l k e yw o r d s ：pc h r y s o s p o r i u m ，t o u r m a l i n e ，p a h s ，o c p s ，b i o d e g r a d a t i o n ，s e d i m e n t s ， s o i l ，e n z y m a t i ca c t i v i t y , h u m i ca c i d v 第一章前言 第一章前言 第一节研究背景 p a h s 和o c p s 是两类高憎水性化合物，高辛醇一水分配系数( 1 9k o w 为 3 3 7 6 7 5 ) t 1 】使得其易被吸附于沉积物和土壤颗粒上，因此，沉积物和土壤就成为 p a h s 的主要载体【2 1 ，沉积物和土壤中的p a h s 和o c p s 会通过食物链发生传递和 迁移，最终影响到人体的健康。 因此，控制和减少土壤和沉积物中p a h s 和o c p s 的量具有实际环境意义。 1 1 1 多环芳烃危害及在沉积物和土壤中的含量 多环芳烃( p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ，简称p a h s ) ，是指两个或两个以 上苯环以线状、角状或簇状排列的稠环化合物【3 】，是有机物不完全燃烧或高温裂 解的副产物。p a h s 按照其结构分为稠环型和非稠环型。稠环型的分子结构中至 少两个c 原子为两个苯环所共有，如萘、葸、菲等：非稠环型的分子结构中苯环 与苯环之间各有一个c 原子相连，如二联苯、三联苯等。 p a h s 是一类广泛存在于环境中的持久性有机污染物，在地表水、沉积物、 土壤中均有检出【4 1 ，主要来源于工业工艺过程、缺氧燃烧、垃圾焚烧和填埋、食 品制作及直接的交通排放和同时伴随的轮胎磨损、路面磨损产生的沥青颗粒以 及道路扬尘中【3 。环境中的多环芳烃虽然含量量微小但分布广泛，特别是一些多 环芳烃不仅有强烈的毒性致癌、致畸和致突变性，还有促进致癌作用【5 。 p a h s 在环境停留时间长、脂溶性强、易于在生物体内累积，世界卫生组织 ( w h o ) 和美国e p a 先后将1 6 种无支链多环芳烃作为环境优先控制污染物【6 ，刀； 欧洲将6 种p a h s 确定为主控污染物【8 】；1 9 9 0 年，我国环保总局第一批公布的 6 8 种优先控制污染物中有7 种p a h s 【9 1 。 最近的研究显示，2 0 0 3 年我国排放的1 6 种美国e p a 优控的p a h s 总量已经 达到2 53 0 0t ，接近美国历年来排放量的最大值【l o 】。根据z a k a r i a 掣1 1 的研究，全 球的河流、湖泊、溪流、港口和海湾都普遍受到p a h s 的污染，全球水体沉积物 的污染水平为1 7 6 00 0 0 p g k g ，平均值为10 0 0 1 00 0 0 p g k g 。沈抚灌区土壤表层 第一章前言 1 6 种优先控制p a h s 的平均含量达2 2 2m g k g ，亚表层为0 7 5m g k g ；无论表层 还是亚表层，多环芳烃均以4 环和5 环为主，其在总p a h s 中所占比例均在3 4 以上 1 2 - 1 4 】。 p a h s 的苯环数量越多，结构越复杂，疏水性越强，就越容易被土壤和沉积 物吸附，也越难被微生物降解。这些难降解的p a h s 长期滞留在土壤和沉积物中， 对土壤和沉积物的微生物、植物和动物造成持续毒害，进而损害土壤功能，并 可通过食物链最终富集到人体中，成为潜在的致癌物质 1 5 】。 1 1 2 农药危害及在沉积物和土壤中的含量 有机氯农药( o c p s ) 是对人、畜毒性较大的杀虫剂，包括脂肪族、芳香族和 脂肪族氯代碳氢农药，总的可以归纳为两类【l6 】：一类为氯代苯及其衍生物，如 六六六( h c h s ) 、滴滴涕( d d t s ) 等；另一类为环戊二烯制剂，如狄氏剂、艾氏剂、 七氯等。有机氯农药具有低水溶性( s w ) 和高吸附系数( k o c ) ，很容易吸附在土壤 和沉积物有机质中【1 7 】。有机氯农药不易分解，具有一定的挥发性和强脂溶性，能 通过食物链在生物体中富集，对生态系统和人类健康造成潜在危害。 在2 0 0 1 年关于持久性有机污染物斯特哥尔摩公约中首批控制的1 2 种持 久性有机污染物( p o p s ) q b 有9 种为有机氯农药【1 8 ，包括滴滴涕( d d t s ) 、艾氏剂、 氯丹、狄氏剂和六氯苯等，它们是许多国家尤其是发达国家环保监测的重点。 在上述国际上公认的1 2 种p o p s 物质当中，其中有机氯农药如d d t 曾在我 国大范围使用，我国自2 0 世纪5 0 年代开始使用有机氯农药，直到1 9 8 3 年禁止 使用，三十多年来，我国共累计施用d d t s 约4 0 万吨，h c h s 约4 9 0 万吨，分 别占全球同期生产总量的2 0 和3 3 。1 9 9 2 年卫生部监测结果表吲 】，在全国 各地的3 5 5 件食品( 粮食、蔬菜、水果、肉禽、水产、油、蛋、乳) 中，h c h 检出 率6 9 ，d d t 检出率4 2 。 此外，由于还没有找到理想的替代品，含7 - h c h 率在9 0 以上的林丹仍 可以注册使用；d d t s 用于防治疟疾和作为三氯杀螨醇的中间体仍在生产；h c b 既可被用作杀虫剂也可被用作工业化学品。同时，由于某些地区非法使用o c p s ， 导致该地区o c p s 污染严重。d d t s 和h c h s 的浓度分布规律为：南部 中部 北部，中国的东南部是使用农药最多的地方，o c p s 每年平均使用量为2 4 4 5 k g h a 。 2 0 】 第一章前言 土壤和沉积物是有机氯农药的主要储集场所，有研究估计，施于环境的农 药2 0 7 0 能在土壤中形成结合态残副2 1 1 。天津市人口稠密，工业企业众多， 特别是分布了很多化工、农药和制药等企业，由于有机氯农药的大量生产和长 期施用，导致天津市o c p s 的污染相当严重。 1 2 1 微生物修复现状 第二节微生物修复技术 生物修复是近二十年来发展起来的用于治理环境污染的一门新技术，它主 要是利用微生物或其他生物将存在于土壤、地下水和海洋中的有毒、有害污染 物降解为c 0 2 和h 2 0 或转化为无害物质的系统。生物修复是目前治理环境污染 的有效途径，被公认为是一种有效、安全、廉价和无二次污染的方法【2 2 】。生物 修复主要包括生物吸附和生物降解两个去除过程【2 3 1 。 微生物修复( b i o r e m e d i a t i o n ) 是研究得最早和最深入，也是应用最为广泛的一 种生物修复方法。它利用自然环境中的土著微生物或特效外源微生物的代谢活 动，在人为优化的环境条件下加速对环境中污染物的转化、降解与去除。【2 4 1 一般情况下，微生物对多环芳烃的降解都要有0 2 参与，产生加氧酶，使苯 环分解。真菌主要产生单加氧酶，使多环芳烃羟基化，把一个氧原子加到苯环 上形成环氧化物，接着水解生成反式二醇和酚类。细菌常产生双加氧酶，把两 个氧原子加到苯环上形成过氧化物，然后生成顺式二醇，接着脱氢生成酚类。 多环芳烃环的断开主要依靠加氧酶的作用，把氧原子i i i ! ic c 键上形成c o 键， 再经加氢，脱水等作用使c c 键断开，达到开环的目的。 1 2 2 微生物修复的缺陷 生物降解被认为是修复p a h s 污染的土壤最有效的手段。但生物降解过程常 常受到一些因素的影响，不能完全去除土壤中的p a h s ，使得生物修复后土壤中 的p a h s 仍然很难达到安全标准。 修复工程实践证明，很多微生物修复工程不成功。一方面，由于环境条件限 制，微生物不能迅速繁殖【2 5 】，使得一些特效菌种或者基因工程菌不能在修复现 第一章前言 场形成优势，而对基因工程菌的开发只能停留在实验研究阶段；另一方面，由 于土壤系统是一个非常复杂的高度不均一体系，p a h s 进入土壤系统中，土壤对 p a h s 进行吸附组分主要包括：矿物外表面、可膨胀黏土矿物、无机成份的微孔、 膨胀的和紧密的土壤有机质，与其它成分相比，被有机质吸附是主要的，由于 与土壤颗粒的不同微观结构相互作用，其结合状态也发生了高度分化 26 | 。表现 为一部分比较容易解吸，污染物在生物修复的开始阶段以快速速率被降解；一 部分比较难解吸，甚至一部分形成不可逆残留，被锁定在土壤中，均导致生物 可降解性降低，使得污染物修复进行到某一阶段，污染物不再下降，形成持久 性残副2 7 倒j 。上述环境因素限制微生物的生长和活性，同时，土壤因素限制吸 附态有机污染物的流动性，导致生物有效性低下、微生物及其营养元素在土壤 中运移效率低，不能与目标污染物有效接触。 对于低分子量多环芳烃( 萘，菲，葸) ，在环境中能被一些微生物作为惟一碳 源很快降解成为c 0 2 和h 2 0 。由于环境中能降解高分子多环芳烃( 4 环以上) 的菌 类很少，难以被直接降解【2 9 1 。研究表明，p a h s 的生物可降解性随着苯环数和苯 环密集程度增加而降低，尤其是四环以上的高分子量多环芳烃【3 0 】。因此，微生 物对土壤中四环和五环多环芳烃降解效率不是很高。 因此，寻求克服上述生物修复技术两大缺陷，提高目标污染物的生物修复效 率的修复技术并阐明其修复机理成为目前应该解决的科学问题。 1 2 3 强化微生物修复技术 由于微生物修复技术存在着缺陷，近年来，用添加表面活性剂和营养物等 手段强化微生物修复技术来提高土壤中多环芳烃修复效率 3 1 - 3 4 】。 1 2 3 1 表面活性剂 表面活性剂是是指加入少量就能显著降低溶剂界面张力，并具有亲水、亲油 和特殊吸附等特性的物质。表面活性剂既含有亲水基又含有疏水基。按亲水基 是否带电荷将表面活性剂分为离子型和非离子型两大类。 其中，非离子表面活性剂具有溶解力强、稳定性好、在固体表面不容易发 生较强吸附、易于生物降解等优点。t w - 8 0 是由失水山梨醇油酸单质与环氧乙 烷加合而成的非离子型表面活性剂，具有很好的增溶和乳化作用，其毒性和临 界胶束浓度也较小，常用作难溶性物质的增溶剂，t w - 8 0 的临界胶束浓度c m c 4 第一章前言 为1 3 1 5m g l 【”】。 生物表面活性剂是由微生物产生的代谢产物，是一种天然表面活性剂。由于 分子较大、结构复杂，生物表面活性剂具有较低的c m c 。以鼠李糖脂为例，当 生物表面活性剂浓度高于c m c 时，鼠李糖脂能加快芴、菲和芘与非水相液体分 离的速率。李祖义等【3 6 】研究表明，鼠李糖脂质量浓度为1g l 时，有5 5 2 的 芘被增溶溶解。 表面活性剂的增效修复技术效率高、周期短，已经成为有机污染修复的主 要方法之一【37 1 。一方面，表面活性剂通过使目标污染物增溶而增强污染物的生 物可利用性；另一方面，它也为微生物提供了较好的碳源和能源。但是，高质 量浓度的表面活性剂对目标污染物的降解也有一定的抑制作用。 由于p a h s 和o c p s 在水相中的溶解度极小，强烈吸附在土壤和沉积物上， 生物可利用性差，使得p a h s 和o c p s 的生物降解缓慢、降解率低。降解实验表 明【3 引，表面活性剂的作用不仅仅促进了土壤中p a h s 的释放，提高了p a h s 的降 解率，同时也可能充当了p a h s 降解的共代谢底物，促进了菌体的生长，从而提 高了p a h s 的降解。低浓度( c m c ) 表面活性剂抑制土壤中p a h s 的降解，而高浓 度( 2 5 c m c ) 表面活性剂促进土壤中p a h s 的降解，并且随着浓度的增加，p a h s 的降解率也逐渐增大。 实验表明表面活性剂具有提高p a h s 从土壤中释放的能力，使p a h s 分配到 表面活性剂胶束中或吸附到表面活性剂单体上，提高其表观溶解度，从而促进 污染物的流动性和生物可利用性3 9 - 4 0 。但是，一些化学表面活性剂本身具有毒 性，会对微生物的活性产生影响【4 1 1 。另外，一些表面活性剂如果可以被微生物 降解，会与目标污染物竞争充当微生物生长的碳源，由于表面活性剂的浓度往 往大大高于目标污染物的浓度，反而会影响目标污染物的降解效率【4 2 】。所以， 控制这一技术成败的影响因素非常的复杂，表面活性剂辅助生物修复技术需要 根据实际的条件、目标污染物和特效微生物的特性，进行慎重选择。 1 2 3 2 营养盐 环境中许多p a h s 和o c p s 均能被微生物全部或部分降解，但在土壤环境中 营养盐的缺乏往往是限制微生物降解的重要因素。为了使污染物达到完全的降 解，适当添加营养盐可以明显地促进污染物的降解。 b r e e d v e l d 和s p a r r e v i k 4 3 】的研究表明，加入无机氮、磷刺激了表土及砂质含 第一章前言 水层多环芳烃的降解，其中4 环的多环芳烃降解增加，而3 环的多环芳烃反应小。 j o n e r 等m j 利用p a h 浓度为3 1g k g 的工业污染土壤进行的碳、氮和磷对多环芳 烃污染的修复试验表明，3 环和4 环的p a h s 的降解受加入氮的刺激最大。 g u 嘶n 【4 5 j 的研究发现在土壤混合、通气和施用缓释肥料这些修复措施下，多环芳 烃和苯酚的土著降解微生物数量增加，2 、3 环的多环芳烃降解最多，高分子量 的多环芳烃降解率较低，6 环的多环芳烃降解最少。 第三节电气石的环境应用 电气石主要产自伟晶岩和气成高温热液矿床，是一种典型的高温气成矿物。 具有玻璃光泽，硬度7 7 5 ，无解理，密度2 9 3 5 9 c m 3 。根据类质同像的不同， 电气石可分为铁电气石、镁电气石和锂电气石。电气石晶体结构通式为x y z s i 6 0 1 8 ( b 0 3 ) 3 w 4 ，式中，x = n a + 、c a 2 + 、k + ，或者空位，y = m 9 2 + 、f e 2 + 、m n 2 + 、 a l 、f e ”、m n ”、m n 3 + 、c r 3 十、t i 4 十、l i 十，z = a 1 、f e j + 、c r 3 + 、m g ，w = o h 、f 。、 o 二，x ，y ，z 三位置的原子和离子种类不同导致电气石成分和和特性不刚4 6 1 。 1 9 8 9 年，k u b o 47 】首次发现电气石存在永久性自发电极，他发现来源于常年 积雪的富士山河里的水很难被污染，并注意到河水流经火成岩的地层，提出电 气石微粒表面存在静电场，并预测了电气石在环境领域的应用前景，兴起了电 气石在健康和保健领域的应用热潮。研究表明，电气石具有四大效应：辐射远 红外线、释放负离子、持续发生直流静电，释放矿物质和微量元素 4 引。电气石 可重复利用，不产生二次污染，是很好的绿色环保材料。 目前，有限的相关研究表明，电气石对一些微生物繁殖起促进作用。w e i 和n i 等【4 9 5 0 】研究发现电气石促进了硫还原菌和发酵菌的繁殖。x i a 等学者酬研 究发现电气石能够促进沼泽红假单孢菌数量和脱氢酶的产生，且电气石均能将 溶液调至中性，并且能在茵悬液中释放小量可溶性的c a ，m g ，a 1 ，f e ，b ，k ， n a ，l i 和s i ，电气石此特性有助于培养过程中微生物的生长繁殖。蒋侃等【5 2 】 学者的研究证实也证实了这一点。相关研究表明，电气石可以使水中的溶解氧 增加，上海晶晶纳米工程有限公司发现电气石有增氧功能，在无增氧设备的鱼 池中，水体中溶解氧可保持7 5m g l 以上。然而，近年来少量电气石应用方面 的研究主要集中在：水质和空气净化、水体重金属和染料选择性去除、水产养 殖等领域，这些研究是目前的研究热点【5 硒0 1 。利用电气石治理土壤环境污染领 第一章前言 域的研究和应用却为空白。 第四节本论文研究背景及内容 大沽排污河是天津市专用的城市排污河之一，日排污量超过8 0 万吨【6 1 1 ，很 多污染物都可以通过物理化学作用进入到水体沉积物中，成为二次污染的源头。 土壤是人类赖以生存、发展的根本，也是人类生态环境的重要组成部分。目前， 我国土壤污染严重，与水体和大气污染相比，其修复困难，且具有更长的时效 性。 有机氯农药( o c p s ) 和多环芳烃( p a h s ) 是沉积物中两类典型的亲脂类疏 水性有机污染物，它们具有突出“三致”作用和环境持久性、生物蓄积性等特性， 可对人类和动物的神经系统、生殖系统和免疫系统造成极大破坏并引发癌症【6 2 】。 据文献报道，大沽排污河沉积物中h c h s 和d d t s 的残留量分别为2 3 0 1 2 4 6 l 、1 1 2 8 - 2 3 7 3 0n g g 【6 3 1 ，o c p s 的总含量范围为4 2 2 - 6 8 0n g g ，平均浓度为 2 2 2n g g ；沉积物中p a h s 的总含量范围为3 7 0 5 6 0 7n g g ，平均浓度为2 0 4 1n g g 。 m j 它们对大沽排污河底泥污染严重，这影响着沉积物正常功能，降低沉积物的 环境质量。因此，有必要对其进行污染治理。 微生物修复技术是通过微生物降解污染物的绿色环保技术，一直倍受国内外 科学家的青睐，是目前最具潜力的土壤修复技术之一。其中白腐真菌是一类具 有很强降解能力的白色丝状真菌，能够分泌木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶 等多种氧化酬6 5 】，具有降解p a h s 、o c p s 、p c b s 、p c d d s 等持久性有机污染物 的能力，在p o p s 污染生物修复应用中受到广泛关注。但是，由于p a h s 和o c p s 的疏水性及对微生物生长的强抑制作用，严重限制了其生物可利用程度和生物 修复速度。因此，寻求克服微生物技术缺陷、提高目标污染物的生物修复效率 的修复技术成为环境污染修复的科学问题。 新型功能化材料电气石辅助白腐真菌一黄孢毛皮革菌( pc h r y s o s p o r i u m ) 对 p a h s 和o c p s 污染进行修复是一项一项崭新的修复技术，本课题针对这一技术 开展以下研究：( 1 ) 天津市大沽排污河沉积物中和河岸土壤中p a h s 和o c p s 分 布调查；( 2 ) 微生物pc h r y s o s p o r i u m 对大沽排污河沉积物和土壤中污染p a h s 和o c p s 污染修复；( 3 ) 电气石辅助pc h r y s o s p o r i u m 对沉积物和土壤中p a h s 和o c p s 污染修复研究；( 4 ) 表面活性剂和营养盐强化电气石黄孢毛皮革菌对 7 第一章前言 土壤中p a h s 和o c p s 污染修复研究；( 5 ) 电气石黄孢毛皮革菌对土壤p a h s 和 o c p s 污染修复机理。通过这些研究，开发并建立一种修复效率高和成本低廉的 增强电气石辅助黄孢毛皮革菌修复技术，阐述电气石辅助微生物修复机理。对 推动我国土壤污染修复技术具有一定的环境意义。 8 第二章电气石辅助黄孢毛皮革菌对天津市大沽排污河沉积物中队h s 和o c p s 污染修复 第二章电气石辅助黄孢毛皮革菌对天津市大沽排污河沉积 物中p a h s 和o c p s 污染修复 第一节引言 大沽排污河是天津市南部的一条排污河道。它担负着市区咸阳路系统、纪庄 子系统和双林系统三大污水系统以及沿线西青区、津南区、塘沽区的部分污水 排放任务。因此，大沽排污河的河道治理对于改善周边环境、提高沿线市民生 活的环境标准、改善天津市的生态水环境、减轻对渤海的污染等，都具有非常 重要的意义。据报道，大沽排污河底泥污染严型6 4 1 ，因此，对其污染进行治理 势在必行。 目前，治理沉积物技术有疏浚、物理或化学方法、生物修复。疏浚、物理或 化学方法成本高，周期长。其中微生物修复技术作为有机污染物污染土壤的修 复是一种具有潜力的绿色环保技术，因其经济、高效、无二次污染、适用范围 广等优势一直备受国内外科学家的青睐。然而，微生物修复技术存在一些难以 克服的障碍，主要表现为目标污染物、特效微生物在土壤中活动性低下，最终 导致微生物不能与目标污染物充分接触，致使污染物降解效率低。因此，制约 微生物修复效率主要原因为：( 1 ) 一些环境因素限制了微生物生长和活性；( 2 ) 吸附态有机污染物的流动性及生物有效性低下，微生物及其营养元素在土壤中 运移效率低，不能与目标污染物有效接触。 电气石作为一种新兴在保健领域中的新型材料，具有释放负离子、持续发 生直流静电，释放矿物质和微量元素、且能够自动地、永久地释放负离子，且 电气石可促进微生物繁殖 4 9 - 5 1 】，因此，本章节尝试利用电气石辅助p c h r y s o s p o r i u m 对天津市大沽排污河中p a h s 和o c p s 污染进行修复研究，以便为 沉积物及土壤污染治理提供技术依据和理论基础。 第二章电气石辅助黄孢毛皮革菌对天津市大沽排污河沉积物中p a h s 和o c p s 污染修复 2 2 1 供试微生物 第二节材料与方法 黄孢毛皮革菌( pc h r y s o s p o r i u m ，菌种编号为：5 7 7 6 ) 购买自中国科学院微 生物研究所微生物菌种保藏中心。 2 2 2 实验材料 电气石( 购买江西赣州) ，黑色，为铁电气石。粒径范围为o 5 5 0u m ，化 学组成为s i 0 2 ，4 1 5 6 1a 1 2 0 3 ，2 6 3 ；f e 2 0 3 ，1 2 1 9 ；t i 0 2 ，o 2 6 ；b 2 0 3 ， 9 3 3 ；f e o ，5 4 ；c a o ，0 5 2 ；m g o ，o 5 5 ；k 2 0 ，0 1 4 ；n a 2 0 ，1 2 ； p 2 0 5 ，0 2 2 ；f e 2 0 3 ，1 5 9 ；l i 0 2 ，1 8 7 ；m n o ，o 0 4 ；f ，1 0 6 。b e t 为2 6 4 m 2 g ； 1 6 种p a h s 标样购自美国j & k a c r o s ；1 5 种o c p s 标样购自美国a c c u s t a n d a r d 公司：回收