（环境科学专业论文）季铵盐对生物除磷的影响及其机理研究.pdf

摘要 一负荷下3 0 时季铵盐对吸磷的抑制最小，1 0 最大。当季铵盐负荷增大到 5 3 1 m g q a c g m l s s 后，磷从细胞中泄漏出来，温度增大，泄漏量增多。不同温 度下，厌氧条件与好氧条件相比，细胞释出的核酸类物质更多，对季铵盐作用 更为敏感。低浓度、高浓度季铵盐作用下对温度的反应不同。温度为1 0 ，2 0 ， 3 0 时，季铵盐对吸磷达到1 0 0 抑制率所对应的季铵盐负荷为在3 3 ，5 ，6 m g q a c 鹰m l s s 。 ( 8 ) 季铵盐的存在使污泥k + 、m 孑+ 离子快速大量释出，远远超出了正常的离子 代谢水平；在季铵盐负荷达到5 3 l m g q a c g m l s s 时，o d 2 6 0 值开始迅速增大， 并且随着季铵盐负荷的增加呈线性增长趋势，2 6 0 n m 物质的快速泄漏证明了高 浓度季铵盐对细胞膜的破坏作用。2 0 m g l 的季铵盐作用1 0 m i n ，就可以使除磷 污泥水相中的蛋白质浓度急剧增加，证实了高浓度季铵盐的快速杀菌作用。大 于5 m g l 的季铵盐浓度作用纯菌时，d n a 条带均出现拖尾，造成了d n a 损伤， 表现出了基因毒性。 关键词：季铵盐厌氧释磷好氧吸磷抑制机理 a b s t r a c t a b s t r a c t b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lo ft h ew a s t e w a t e ri sa l li m p o r t a n tm e a n st op r e v e n t t h ee u t r o p h i c a t i o n ，w h i c hn e e d st om e e tt h ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te m i s s i o ns t a n d a r d s t oi m p r o v et h ew a t e rq u a l i t y q u a t e m a l ya m m o n i u mc o m p o u n d s ( q a c s ) a le ac l a s s o fs u r f a c t a n t sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a la n dc i v i lf i e l d ，w h i c hm a k e st h e mf l o w i n t ot h es e w a g es y s t e m i nt h i sp a p e r , b e n z y lq u a t e r n a r ya m m o n i u mc o m p o u n d sa l e s e l e c t e dt oi n v e s t i g a t et l l e i re f f e c ta n dm e c h a n i s mo nt h ea n a e r o b i cp h o s p h o r u s r e l e a s ea n da e r o b i cp h o s p h o r u su p t a k e t h em a i nc o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep r e s e n c eo ft h eq a c si n c r e a s e dt h ep h o s p h r u sr e l e a s ea m o u n to ft h et e s t e d s l u d g e a n dw i t ht h ei n c r e t m e n to fq a c sc o n c e n t r a t i o n , t h ep h e n o m e n o no fe x c e s s p h o s p h o r u sr e l e a s ei sm o r ep r o n o u n c e d 5 m g lq a c h a dn os i g n i f i c a n te f f e c to nt h e r e l e a s eo fp h o s p h o r u s w h e nt h ec o n c e n t r a i o nr e a c h e d10 m e 扎，t h er e l e a s e d p h o s p h o r u sa m o u n t w a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d ；4 0 m g lq a c m a d et h et e s t e ds l u d g e r e l e a s e dt h r e et i m e s 鹬m u c ha st h ec o n t r o li nf o u rh o u r s w i t ht h es a m eq a c c o n c e n t r a t i o n s ，t h eh i g h e rs l u d g ec o n c e n t r a t i o no ft h eb i o m a s s ，t h es t r o n g e rr e s i s t a n c e t ot h eq a ca c t i o n ( 2 ) t h e r ew a sn od e g r a d a t i o no fq a ci nt h ep r o c e s so ft h ee x c e s sp h o s p h o r u s r e l e a s e a n dt h ec o n s u m p t i o no fc a d o ns o u r c ew a sa l s oi n h i b i t e di nt h i sp r o c e s s t h o s er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ee x c e s sp h o s p h o r u sr e l e a s ei sn o td u et ot h ep r o m o t i o n o ft h en o r m a la n a e r o b i cp h o s p h a t em e t a b o l i s mo fp a o s ，b u tt h eo t h e rm o d eo fa c t i o n o n t h e c e l l s ( 3 ) t h ep r e s e n c eo fq a c si n h i b i t e dt h ea e r o b i cp h o s p h o r u su p t a k e t h ei n h i b i t i o n l e v e li n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e m e n to ft h eq a cc o n c e n t r a t i o n d o d e c y ld i m e t h y l b e n z y la m m o r t i u mc h l o r i d e ( d d b a c ) o f5 m g lo b v i o u s l yi n h i b i t e dt h epu p t a k e a n dt h ep u p t a k ep h e n o m e n o nw a sl o s tw h e nt h ed d b a cc o n c e n t r a t i o nr e a c h e d 10 m g l i n s t e a d ，t h ep h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e ds l i g h t l y , i n d i c a t i n gt h a t s y s t e mh a dl o s tt h ep h o s p h o r u su p t a k ec h a l a c t e r i s t i c w h e nt h et e t r a d e c y ld i m e t h y l b e n z y la m m o n i u mc h l o r i d e ( t d m a c ) c o n c e n t r a t i o nw a slo m g l ，t h es y s t e mw a s i i i a b s t r a c t s t i l l c a p a b l eo fp h o s p h o r u su p t a k i n g a n dt h et d b a co f2 0 m g nc a u s e dt h e c o m p l e t ei n h i b i t i o no fpu p t a k e ( 4 ) w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eq a cl o a d ，t h ei n h i b i t i o nr a t eo fa e r o b i cp h o s p h o r u s u p t a k er a t es h o w e dar a p i dg r o w t ha f t e rt h ef i r s ts l o wg r o w t ht r e n d w i t ht h e p h o s p h o r u su p t a k ei n h i b i t i o nr a t eo f10 0 ，t h et d m a ca n dd d b a cl o a dw e r e 5 m g q a c s | gm l s sa n d2 5 m g q a c s | gm l s sr e s p e c t i v e l y ( 5 ) c o m p a r e dw i t ht h et d m a c ，d d b a ch a dam o r es i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ep u p t a k ep r o c e s s ( 6 ) q a c si n h i b i t e dt h es l u d g er e s p i r a t i o n t h eo x y g e nu p t a k er a t ed e c r e a s e d 弱t h e q a cc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d w h e nt h eq a cc o n c e n t r a t i o nr e a c h e d4 0 m g l ，t h e s o u rv a l u ee x p o n e n t i a l l yd e c r e a s e df r o m5 6 2 m g0 2 ( m g v s s h ) d o w nt o9 6 m g 0 2 ( m g v s s h ) q a c sh i n d e rt h eo x y g e nc o n s u m p t i o nw h i c hm a yc o n t r i b u t et ot h e r e d u c t i o no fp u p t a k ee f f i c i e n c y ( 7 ) w h e nt h eq a cl o a d h a dn o tr e a c h e dt h ec e l l l e a k a g e t h r e s h o l d ( 5 3l m g q a c g m l s s ) ，t h em i n i m u mi n h i b i t o r ye f f e c to fq a ce x i s t e di t s e l fw i t ht h e c o n d i t i o no f3 0 w h i l et h em a x i m u me f f e c tw i t ht h ec o n d i t i o no f1 0 a n dw h e n c e l l sl e a k e d ，h i g ht e m p e r a t u r ec a u s e dh i 曲l e a k a g ea m o u n to fp h o s p h o r u s c e l l s r e l e a s e dm o r en u c l e i ca c i du n d e rt h ea n a e r o b i cc o n d i t i o nt h a nu n d e rt h ea e r o b i c c o n d i t i o n , i n d i c a t i n gt h a tp a o s & r em o r es e n s i t i v ei nt h ea n a e r o b i cc o n d i t i o n ( 8 ) i n10 * c ，2 0 c ，3 0 c ，t h eq a c l o a d sc o r r e s p o n d i n gt ot h e10 0 p h o s p h o r u s u p t a k ei n h i b i t i o nr a t ew e r e3 3 ，5 ，6 m gq a c gm l s sr e s p e c t i v e l y ( 9 ) q a c sm a d et h et e s t e ds l u d g el e a kk _ a n dm 十t h el e a k a g ea m o u n tw a sf a r b e y o n dt h en o r m a li o nm e t a b o l i s m w h e nt h eq a c l o a dr e a c h e dt h et h r e s h o l do f 5 31 m g q a c g m l s s ，o d 2 6 0v a l u e so b v i o u s l yi n c r e a s e d t h eb a l a n c el e a k a g ea m o u n t w a s l i n e a r l y c o r r e l a t e dw i t ht h eq a cc o n c e n t r a t i o n p r o t e i nc o n c e n t r a t i o n d r a m a t i c a l l yi n c r e a s e di n10m i nw h e nt h ep a o sb i o m a s sw a sa c t e db y2 0m e d lq a c ， w h i c hc o n f i r m e dt h er a p i db a c t e r i c i d a le f f e c to fq a c s q a co f5 m g r la n da b o v e m a d et h ed n ab a n d sa p p e a rt a i l s ，i n d i c a t i n gt h a tq a cc a u s e dd n a d a m a g e k e yw o r d s ：q u a t e r n a r ya m m o n i u mc o m p o u n d s ；a n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s e ； a e r o b i cp h o s p h o r u su p t a k e ；i n h i b i t i o n ；m e c h a n i s m i v 第一章引言 1 1 1 季铵盐简介 第一章引言 第一节季铵盐的研究进展 季铵盐( q u a t e r n a r ya m m o n i u mc o m p o u n d s ，q a c s ) 是产量高、应用广的类阳 离子表面活性剂。季铵盐从结构上来讲有链状和环状之分，是根据中心n 原子 位置是否处于环状结构中判别；季铵盐也可分为简单季铵盐和多官能团季铵盐， 是根据是否含有其它的亲水基团判别。这类物质的结构为中央的一个n 原子与 四个含n 的功能基团( r l 也) 共价键相连，中心的n 原子构成了季铵盐的亲水 基。季铵盐的疏水基蕴藏在这四个功能r l 山这四个基团中，一般为至少一个长 链的烷基基团，含有8 1 8 个c 。其他的基团通常是甲基或者苯基基团。 中心n 原子与r l r 4 形成的基团带正电，阴离子( x ) 代表卤族元素，在 烷基化试剂作用下通过离子键与n 相连，如图1 1 。 r l | x 。 一r r 4 i r 3 图1 1q a c s 的分子结构示意图 季铵盐是强酸、强碱形成的盐，它的合成主要是靠季铵化反应，化学性质 稳定，不发生水解。普通的铵盐容易受p h 值的影响，例如在碱性介质中可能会 析出自由胺，而季铵盐受p h 值的影响很小。季铵盐可以吸附到带负电的固体表 面，使其具备疏水特性，因而在工业中得到了广泛的应用，可以协助矿物浮选、 沥青乳化和抗静电等。除此以外，季铵盐还具备出色的杀菌特性，其水溶液呈 现出很强的杀菌力，因而在消毒、灭菌方面也得到了广泛的应用。 季铵盐的多种特性使得它在全世界广泛应用，在很多行业和领域发挥了重 第一章引言 要作用。1 9 9 7 年我国的季铵盐年产量就已超过1 7 万吨，产品品种发展到1 4 4 4 个，并且随着季铵盐在工业和民用领域的广泛推广，其产量和品种都在逐年发 展【l 】。2 0 0 6 年我国的阳离子表面活性剂产量达7 万吨，比0 5 年增长了4 0 ，主 要品种为季铵盐【2 】。从全球范围来看，2 0 0 3 年季铵盐的全球年消耗量是5 0 万吨 【3 】。随着全球经济的发展，对季铵盐的需求将继续加大，并且对季铵盐类化合物 的品种和性能提出了更高的要求，季铵盐类化合物将不断开发出新用途、新品 种，其产量和市场需求快速增长。 我国季铵盐应用最广的当属苄基季铵盐，含有苄基的季铵盐的毒性更大、 更难降解【4 】。其中含有苯环以及一个支链含有1 2 至u 1 6 个碳原子的化合物，对微 生物的毒性尤其明显，苯扎氯铵就是这类季铵盐中的一个，又名“洁尔灭”。 季铵盐由于自身的杀菌性在环境中降解速率低且慢。目前由于大量的使 用，季铵盐已经进入到污水处理系统中，国外对污水处理厂进水中季铵盐浓度 的调查显示，印度的浓度3 2 - - - 5 6 m g l t 5 1 ，克罗地亚5 m l 【6 1 ，季铵盐的难降解 性和生物毒性会对水处理系统产生不良影响8 】【9 】。 1 1 2 季铵盐对污水处理系统的危害研究 据统计，全球季铵盐产量的约7 5 在利用之后被排放到城市污水厂，其它 的多直接进入环境【3 】，这必然会对污水处理厂的运行效果产生影响。目前，国 内还没有季铵盐在城市污水处理厂的种类、分布和浓度的调查报告，国外也只 有少数学者做了相关的研究( 见表1 1 ) 。从表1 1 中可以看出，季铵盐广泛分布 于城市污水处理厂，并且泥相中的含量远高于水相，这说明季铵盐的强吸附特 性和难降解性已经造成了其在水环境中的累积。季铵盐在污水处理厂水相和泥 相中的浓度、分布所带来的影响不容忽视。 表1 1 不同地区季铵盐浓度调查 2 第一章引言 由于季铵盐具备杀菌特性，进入污水处理厂后会对活性污泥的代谢活性产 生影响，并对其它物质( 如v f a s 、n 、p ) 的生物转化造成影响，其中对硝化过 程的影响非常显著【l5 1 ，研究的也比较多。硝化反应对季铵盐毒性作用的敏感度 比有机碳的去除更强，季铵盐在2 m g l 时就对好氧生物处理系统的硝化反应有明 显的抑制作用，而对有机碳去除是在浓度增加到1 0 m g l 时才显现出明显的抑制 【16 1 。刘东方【1 7 】等人研究发现5 m l 的季铵盐就会对硝化细菌的代谢活动产生明显 的抑制。 目前关于季铵盐对聚磷菌毒性的研究还比较少，j a s n ah r c n o v i c 1 8 】等人认为 季铵盐对聚磷菌的生长和吸磷均有抑制；季铵盐对聚磷菌的毒害作用，依赖于 疏水烷基链上的碳原子数目，氯代十二烷基吡啶( d p c ) 对聚磷菌除磷效率的抑 $ 1 j e c 5 0 为7 7 x 1 0 6 m o l l 。z g 等【l9 】认为季铵盐对吸磷的抑制使聚糖菌在利用碳源 上比聚磷菌更具优势。目前季铵盐对聚磷菌释磷的影响还未见报道。此外，季 铵盐对反硝化茵也有抑制作用【2 2 1 。 季铵盐会对厌氧生物处理的产甲烷菌和产酸菌都有影响，季铵盐对产甲烷 菌的毒性会随着季铵盐长链烷基c 原子数的减少而增加【2 0 】【2 。而且与产酸菌相 比，产甲烷菌群对季铵盐的作用更为敏感，b a c 在2 5 m g l 时就会对产甲烷菌产 生明显影响【2 3 1 。 季铵盐的自身结构决定着它的生物毒性。研究发现，各种结构因素，如电 荷密度、两亲性、分子大小和分子流动性，决定t q a c 对细菌细胞壁膜的粘合 能力及对细胞功能进行破坏的能力【2 4 1 。季铵盐所带的功能基团也决定着季铵盐 的毒性大小，如双烷基比单烷基的毒性小；同类季铵盐烷基链的长短不同，毒 性也不同，一般情况下，短的比长的毒性大1 2 5 1 。 季铵盐的强吸附性能也影响着它的毒性，季铵盐在活性污泥上的吸附行为 十分快速，一般在3 0 m i n 内就能达到吸附平衡【2 6 】，较长吸附平衡时间的也只用 2 4 h 【27 1 。有研究表明季铵盐在活性污泥、消化污泥上的吸附都符合f r e n d l i c h 吸附 等温模型【2 7 】 2 s 】。 1 1 3 季铵盐对微生物的毒性机理研究 目前，化合物的作用机理在国际上是一个非常活跃的研究领域，国内外研 究者从细胞壁、细胞膜、核酸以及细胞的物质能量代谢等不同层面和角度进行 3 第一章引言 了研究，认为存在以下可能【2 9 】：扰乱膜转运系统的质子移动力，阻碍氧化磷酸 化，并抑制细胞膜的转运；抑制呼吸和代谢作用；破坏繁殖复制；破坏细胞膜 完整性，导致细胞内重要成分泄漏，例如钾离子，无机磷酸盐，戊糖，核酸和 蛋白质；导致细胞自溶；使细胞内物质凝结。但是关于季铵盐对聚磷菌的抑制 机理鲜有报道。 1 1 3 1q a c s 对细胞膜和细胞壁的作用 细胞壁的主要成分是肽聚糖，凡能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物 质，都能损伤细胞壁而使细菌变形或杀伤细菌。c o r i n n eld 等【3 0 】发现细菌 细胞壁中的肽聚糖对季铵盐的吸附和透过具有重要影响。a y r e s 等【3 1 】研究表 明革兰氏阴性细菌由于细胞壁外膜的存在对季铵盐没有革兰氏阳性细菌敏 感；与细胞壁外膜作用的季铵盐可以提升其对革兰氏阴性菌的活性。张冰 等【3z j 发现季铵盐既可以同细菌细胞壁外膜上的多磷脂反应，也能使细菌细 胞壁上的肽变性。j o n e s 3 3 1 和f i t z g e r a l d 3 4 1 的研究表明洗必泰和杀藻铵可以改变 革兰氏阴性细菌的憎水性，损害细胞壁和外膜，从而增加了自身的吸附进而到 达它们在细胞质膜和细胞质内的作用位点。吴迪等【3 5 】发现壳聚糖季铵盐的强阳 离子性导致了细菌细胞壁功能的破坏，使得大肠杆菌在壳聚糖季铵盐的作用下 出现了质壁分离和缺失，细胞外可检测到大肠杆菌的内酶。许欣等【3 6 】研究了双 长链季铵盐消毒剂作用大肠埃希菌后的细胞变化，发现作用3 0 m i n 后细胞的形 态就发生了明显的变化，细胞膜与细胞壁之间的距离变宽，作用时间加长后， 内容物更加不均匀，甚至出现团缩，并检测到有大量d n a 溶出。 季铵盐对细胞壁的作用可以通过测试细胞表面的z e t a 电位获得。通过研究 消毒剂对z e t a 电位的影响得出，消毒剂与细胞壁上的官能集团发生反应，会改 变细胞壁表面的性质，如所带电荷的大小，进而改变z e t a 电位的大小【3 7 】。 细菌的细胞膜主要由磷脂双分子层和蛋白质构成，两者都可以成为季铵盐 作用的目标。细胞膜被认为是是季铵盐作用的主要部位【3 引，目前对季铵盐的作 用机制了解的还不深入，尤其在低浓度下的情况。c h r i s t o p h e rj i o a n n o u 掣3 9 】研 究表明，烷基苄基季铵盐( a d b a c ) 在9 m g l 浓度下，使葡萄球菌的细胞发生 泄漏，细胞内的钾和2 6 0 n m 处吸光物质依次序被释出。尽管高浓度的季铵盐对 自溶酶的活性有抑制，但a d b a c 的破坏性导致了自溶现象的发生。 离子通道的活性，就是细胞通过离子通道的开放和关闭调节相应物质进出 4 第一章引言 细胞速度的能力，对实现细胞各种功能具有重要意义。h u a n gz q 等【删认为氟呱 町醇季铵盐衍生物，具有开放钾通道的作用和抑制钙电流的作用。陈明锴等【4 。】 研究表明黄连素及其衍生物对不同组织细胞膜的钙通道表现出激活剂、抑制剂 或双向调节作用，而对钾通道主要表现出抑制剂作用。r o b e r to b l a u s t e i n 4 2 】研 究发现马来酰胺基季铵盐会阻塞k + 通道，符合马来酰亚胺半胱氨酸连接动力 学，马来酰亚胺端聚集到k + 通道的半胱氨酸靶位，利用季铵官能团可逆地阻塞 孔道。 1 1 3 2 季铵盐对代谢的影晌 维持生命活动的重要代谢活动包括糖酵解、三羧酸循环、呼吸链( 电子传递 链) 、氧化磷酸化( a t p 的生成) 、核酸和蛋白质的合成等。这几个重要代谢活动 中的任何一个被终止都可能导致生命活动的停止。物质能量代谢成为研究消毒 机理更为深层次的问题。1 w a m i 4 3 】通过用洗必泰作用链球菌突变体后，造成了糖 酵解中间产物的泄露，进而使糖酵解速率下降。 细胞质子驱动力( p m f ) 是由细胞质膜内外的化学渗透浓度梯度引起的，存 在于所有的呼吸和光合作用过程中，例如主动运输，氧化磷酸化和a t p 合成。 d e n y c r 删发现季铵盐通过消耗质子驱动力而抑制a t p 的合成。d i n n i n g 等【4 5 】用虫 荧光素虫荧光素酶生物发光法测定并发现亚抑制浓度的羟基吡啶硫酮就能使胞 内a t p 水平大幅度下降。 代谢过程涉及到各种酶，镶嵌在细胞膜中的酶蛋白，参与了电子转移。 m a i l l a r d 倒的研究表明一些抑制剂对这些蛋白有抑制( 如图3 ) ，进而阻碍了很多 重要的生物过程，如糖酵解，脂肪酸和磷脂的合成，以及对有用物质的吸收。 抑制剂与酶蛋白的硫醇作用，抑制细胞的活性甚至是细胞失活。刘敏等【4 7 】研究 了季铵盐双子表面活性剂与人血清蛋白的结合位点，得出表面活性剂的疏水和 亲水基团分别于蛋白质的氨基酸残基和疏水空腔结合的结论。 1 1 3 3 季铵盐对遗传特性的影响研究 目前关于季铵盐对硝化细菌遗传物质的影响研究较少。v i k t o r 等【4 8 】用同位素 标记法研究了1 6 种季铵盐类消毒剂对阴沟肠杆菌( e n t c r o b a c t e rc l o a c a e ) 的蛋白 质及d n a 合成的影响，发现有1 5 种季铵盐类消毒剂的d n a 合成的i c 5 0 小于蛋白 质合成的i c 5 0 ，其中7 种季铵盐类消毒剂作用于d n a 的合成，并且阴沟肠杆菌 5 第一章引言 d n a 合成比蛋白质合成更容易受到季铵盐类消毒剂的影响。黄金营等【4 9 】发现长 链烷基甲硝唑季铵盐会破坏d n a 中的胸腺嘧啶或其衍生物，导致d n a 的解 旋。d i z m a n 等【5 0 】的研究表明抗生素诺氟沙星对d n a 的影响表现在它抑制复制转 录所用到的旋转酶和拓扑异构酶。ef e r k 等1 5 l 】研究发现，苄基季铵盐( b a c ) 和 氯化二甲基双癸基铵( d d a c ) 两类季铵盐在环境浓度下( 1 3 m g l ) 对真核细 胞均产生了温和但是重要的基因毒性效应，阻碍d n a 转移，使微核形成量下降。 c h r i s t o p h e l 等【5 2 】研究用a d b a c 和d d a c 作为抑制剂对金黄色葡萄球菌的抑制 作用。结果表明加入a d b a c 和d d a c 后细胞泄漏的在2 6 0 r i m 具有吸光度的物质 比氨基酸代谢库的高，是因活性的r n a s e ( 核糖核酸酶) 破坏r n a 及r r n a ，并且 3 5 时r n a 泄漏量比2 5 时大。 季铵盐的抑制作用还与微生物细胞膜结构、极性有关。t e z e l 等【5 3 】认为季铵 盐对产甲烷菌的抑制作用比产酸菌大。一方面，产甲烷菌没有外部膜，细胞壁 是由单分子晶体排列的表面层( s 层) 组成，而s 层是由蛋白质或糖蛋白构成， 因此季铵盐很容易到达产甲烷菌的细胞膜上形成抑制。另一方面，产甲烷菌独 特的细胞膜结构使其憎水性强于产酸菌，因而更容易受到季铵盐的攻击。 c h a p m a n 州研究认为对季铵盐耐受力强的微生物的细胞膜具有较多的亲水性脂 肪酸，因此可以降低细胞膜的憎水性进而可以抵抗季铵盐的毒害。季铵盐的抑 制作用还表现在对微生物生理活动相关酶类活性的抑制上。 第二节生物除磷研究进展 1 2 1 生物除磷的紧迫性及其机理研究 水体的富营养化已成为重大的环境污染问题【5 5 1 。我国的湖泊富营养化面积在 过去的3 0 多年里增长了约6 0 倍，速度之快，影响之大不容忽视。目前，我国 6 6 以上的湖泊水库处于富营养化水平，处于重富营养或超富营养水平的湖泊和 水库占到了全国的1 4 5 5 6 1 ，这严重的危害到了湖泊水库的水生态平衡以及用水 安全。因此，控制磷的排放进而缓解水体富营养化的意义非常重大【5 7 】。 废水除磷在控制水体富营养化方面具有重要意义，只要从废水中除去磷，就 可以缓解水体的富营养化问题【5 8 】。为了改善水质，城镇污水处理厂污染物排放 标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 的一级a 标准严格了总磷的排放标准为1 m l ( 2 0 0 5 6 第一章引言 年1 2 月3 1 日前建立的) 或0 5 m g l ( 2 0 0 6 年1 月1 日起建立的) 。所有污水除 磷的方法都是要将溶解性磷转化成不溶性的悬浮固体，城市污水处理工艺主要 为生化处理，主要通过将这些溶解性磷转化为含磷污泥而从水相中去除。 1 2 1 1 传统的生物除磷机理 污水生物除磷技术来源于聚磷菌( p a l o s ，p o l yp h o s p h a t e - a c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s ) 的超量吸磷现象，基于厌氧释磷和好氧吸磷的生物除磷模式。在厌 氧条件下，聚磷菌将挥发性脂肪酸( v f a s ) 转化为聚羟基烷基酸( p i - i a ) ，合成 p h a 所需的能量少部分来自细胞内糖的酵解，大部分来自磷酸盐的释放；好氧 条件下，聚磷茵利用0 2 为最终电子受体氧化细胞内p h a 获得能量，再从废水中 过量摄取磷酸盐，并以高能聚磷酸键的形式存储能量，通过排除富磷污泥达到 去除磷的目的。 1 2 1 2 反硝化除磷机理 反硝化除磷工艺被认为是一种可持续的污水处理工型5 9 1 ，它将吸磷和脱氮 的过程结合，因而可以降低对c o d 的消耗，同时在缺氧状态就能完成吸磷，氧 气耗量也大大降低。反硝化除磷与传统的除磷机理的不同之处在于，在氧化细 胞内储能物质p h a 时的电子受体是硝态氮而非氧气，这就使吸磷和反硝化这两 个生物过程在反硝化除磷细菌( d p b ) 的同一过程内完成，因而p h a 既是能量 储存物质又是反硝化除磷的碳源，进而节省了碳源。聚磷菌充分释磷合成p h a 之后，硝酸盐为聚磷菌氧化p h a 合成聚磷提供电子受体。 1 2 1 3 单级好氧生物除磷机理 单级好氧生物除磷现象是在无厌氧段的情况下聚磷进而实现磷的生物去 除，是基于对微生物过量摄磷的诱导，并且微生物体内p o l y - p 超量积累的同时 反应过程中的p h a 基本保持不变且含量较低唧6 1 1 ，与传统的a o 除磷工艺在 好氧段合成p h a 不同。通过直接好氧曝气，聚磷菌亦能从废水中吸收磷酸盐而 合成聚磷，达到除磷目的，这就是单级好氧生物除磷现象。 1 2 2 生物除磷的影响因素 生物除磷工艺除了涉及p a o s 自身的生化反应外，还与其他菌种存在着复杂 7 第一章引言 的关系，而且与水解酸化、硝化反硝化等过程也密切相关，因此受到的各种因 素的影响也要更复杂。影响生物除磷效果的因素主要有：温度、溶解氧( d o ) 与 硝酸盐、p h 、进水组分、污水系统中常见毒物等。 1 2 2 1 温度的影响 在生物除磷的过程中，温度是一个复杂的影响因素。由于温度对微生物的 活性、群落和可能存在的物理和化学过程都有影响，因此温度的变化对于除磷 过程的影响还没有被研究者清楚的认识。一般情况下，p a o s 的吸释磷速率会随 着温度的升高而增大，但温度所带来的影响是和生物除磷工艺的其他过程共同 决定的，因而当除磷工艺发生变化时，温度对除磷的影响就会随之变化。 1 2 2 2 溶解氧( d o ) 与硝酸盐的影响 生物除磷过程中厌氧段关系着聚磷菌的生长、释磷及p h b 的合成，十分重 要。为了避免d o 抑制厌氧菌的产酸和聚磷菌的释磷，厌氧段的d o 应控制在 0 2 r a g 1 以下。厌氧段硝酸盐的存在会导致反硝化菌的生长，必定会因为对碳源 的争夺而使聚磷菌释磷受到影响。反硝化过程对c o d 的利用会导致释磷量降低 当厌氧体系中不含有硝酸盐时，聚磷菌凭借体内的聚磷和p h b 在好氧厌氧的循 环系统中获得优势，完成磷的释放与超量吸收。当硝酸盐氮浓度大于1 5m g 1 时，释磷受到明显抑制。在好氧段需保持充足的d o 来实现p h b 的转化、a t p 合成和过量吸磷，因而d o 一般控制在2 m g 1 左右。 1 2 2 3p h 值的影响 除磷系统的p h 值一般为中性、微碱性，p h 值介于6 5 8 时，厌氧释磷比较 稳定；p h 值过低会导致生物除磷的效果显著下降，而p h 值过高则不利于磷的 释放。p h 值一般应控制在7 8 。研究表明p h 值从7 0 上升到8 0 时，污泥中聚 磷菌含量明显增加，系统除磷效果增强【6 2 1 。 1 2 2 4 进水组分 进水组分对生物除磷工艺的运行和效率有很大影响。原水中易生物降解 c o d 的多少决定了释磷速度的快慢，而且释磷量也与c o d 的量正相关。进水组 分中的乙酸盐、酸盐聚等挥发性脂肪酸，是聚磷菌的消耗底物。聚磷菌的数量 与低级脂肪酸的吸收量有关。进水组分的b o d - p 值越高，生物除磷就越易进 8 第一章引言 行。当挥发性脂肪酸成分不足难以满足除磷要求时，可将初沉污泥发酵，或者 在厌氧区加强有机物的水解酸化【6 3 1 。 1 2 2 5 污水处理系统中常见毒物的影响 目前对于聚磷菌的影响因素研究大多集中于环境因子( p n ，温度等) ，c 源、 硝酸盐以及工艺运行参数等，而对季铵盐等抑制物的研究较少。j a s n a h r e n o v i c t 删等人认为季铵盐对聚磷菌有毒害作用，并且毒性依赖于疏水烷基链上 的碳原子数目，氯代十二烷基吡啶( d p c ) 对聚磷菌除磷效率的抑制e c s o 为 7 7 1 0 6 m o l l ，而其调查的污水处理厂进水中季铵盐的浓度约在s m g l ( 折合成 d p c 的物质量浓度为1 7 6 1 0 西m o l l ) 左右，他们认为需要控制污水处理系统中 的季铵盐浓度来维持生物除磷的正常运行。 y a y i w a n g 等【6 5 】研究了c u 2 + 对聚磷菌磷代谢的影响，考察了2 m g l 和4 m g l 的c u 2 + 对吸磷和释磷的影响，并研究了污泥浓度和p h 值对季铵盐作用的影响。 结果表明，当污泥浓度为2 5 0 0 - - 4 0 0 0 m g l 时，2 m g l 的c u 2 + 没有对生物除磷系 统产生明显不良影响。当c u 2 + 浓度增加到4 m g l 时，除磷系统效果恶化。除磷 污泥对c u 2 + 的耐受力可以通过增加污泥浓度来提高。2 m g lc u 2 + 的作用下，除磷 率在p n = 6 2 时最大，在p h = 6 9 时降到最小。c u 2 + 对除磷的影响与p o l y - p 的降 解有关，c u 2 + 可能对p o l y - p 的降解产生了抑制，进而减少了可供p h a 合成的能 量而导致了差的除磷效果。 秦海霞【吲研究了c d 2 + 、c ，c u 2 + 、z n 2 + 对聚磷菌除磷率的影响，发现这些 重金属在低浓度时生物除磷有促进作用，高浓度时会表现出抑制作用。浓度越 高，对除磷效率的抑制作用越大，并且c d 2 + 、c ，c u 2 + 聚磷菌的毒性较z n 2 + 的毒性大。 第三节本课题的研究目的、内容和意义 1 3 1 研究目的和意义 季铵盐( q u a t e r n a r y a m m o n i u m c o m p o u n d s ，q a c s ) 被广泛用于众多的工业 以及民用领域，其产量和品种都在不断增加。由于具备生物毒性，难以被微生 物降解，q a c s 在使用过程中不可避免地进入到城镇污水处理厂，对城市污水处 9 第一章引言 理厂的运行效果造成不良影响。 生物除磷是控制自然水体富营养化的重要途径。但是，生物除磷的效果并 不稳定。虽然进行了很多研究，试图找到稳定高效的生物除磷方法，但是由于 其复杂性，仍然没有得到确切的结果。随着科技的发展，一些新型化合物如含 氮季铵盐的大量使用必然导致这些类物质最终进入污水处理厂，这些化合物对 微生物都有一定的抑制作用，但是目前我国城市污水处理厂进水中这些化合物 的浓度至今还没有做过详细的调查报道，这些化合物对城市污水处理系统的影 响需要迸一步明确，其对聚磷菌的毒性作用不容忽视。所以研究季铵盐对生物 除磷的影响程度、机理，对阐述生物除磷稳定性和效果具有重要意义，同时也 为改善污水处理厂除磷效果提供依据。 1 3 2 研究内容 本实验主要研究季铵盐对于污水处理系统中聚磷菌释磷、吸磷活性的影响， 并且对抑制机理进行探讨。具体如下： ( 1 ) 季铵盐对生物除磷的影响研究 研究不同浓度和种类的季铵盐对除磷污泥好氧吸磷、厌氧释磷的影响，以 及在这个过程中污泥浓度、温度等影响因素的作用。通过抑制率等参数来表征， 并分析规律。 ， ( 2 ) 抑制机理探讨 研究季铵盐对微生物除磷作用的抑制机理，从细胞离子浓度、呼吸作用、细 胞内大分子泄露和基因等方面着手，探究不同浓度季铵盐的作用位点，作用机 理。此外，研究季铵盐能否在除磷系统中被降解而作为碳源被聚磷菌利用。 1 3 3 论文结构安排 根据研究内容，本研究首先探讨了季铵盐对厌氧释磷的影响，分别从不同 季铵盐浓度、种类和污泥浓度下对释磷的作用效果进行了分析；接着研究了季 铵盐对好氧吸磷的影响，对比了两种不同的季铵盐的抑制效果，并且采用季铵 盐负荷指标来量化这种影响，采用耗氧速率来表现这种影响；其次研究了不同 温度下季铵盐对厌氧释磷和好氧吸磷的影响，并对比了不同温度下的聚磷菌对 季铵盐的敏感性：最后，从细胞壁、细胞膜和基因方面对季铵盐的抑制机理做 1 0 第一章引言 了探讨。本研究为认识季铵盐的危害、减少其对生物除磷的影响提供理论依据 和技术支持。 第二章季铵盐对厌氧释磷的影响研究 第二章季铵盐对厌氧释磷的影响研究 2 1 1 实验药品 第一节实验药品与仪器 实验药品主要为苄基季铵盐( 十二烷基二甲基苄基氯化铵和十四烷基二甲 基苄基氯化铵) 、模拟废水组分以及指标测试用药。 ( 1 ) 季铵盐 实验所用季铵盐为苄基季铵盐，包括十二烷基二甲基苄基氯化铵和十四烷 基二甲基苄基氯化铵，选用这两种季铵盐是因它们在工业和民用领域被广泛使 用，其结构如下表所示，实验中所用的1 0 0 0 0 m g l 季铵盐储备液置于4 c 冰箱保 存备用。 表2 1实验用季铵盐种类及结构 种类 十二烷基二甲基苄基氯化铵十四烷基二甲基苄基氯化铵 英文简写 t + + 结构 c 1 2 如卜饵厂飞彦 q 哪竹吗弋 a 。 强 a 孔 一电 u 分子式cc 分子量3 3 i ( 2 ) 实验所用微量元素储备液 1 2 第二章季铵盐对厌氧释磷的影响 表2 2 微量元素储备液成分组成( g l ) 【明 成分浓度成分浓度 h a b 0 3 0 0 5 f e s 0 4 7 h 2 0 5 7 z n c l 2 0 0 5 c a c h 5 6 c u c h 2 h 2 0 0 0 0 0 1 9 m g s 0 4 7 1 4 2 0 2 0 6 m n s 0 4 h 2 0 0 1 4e d t a0 1 ( 3 ) 指标测试用药 表2 3 指标测试用药 试剂名称等级规格 钼酸铵 抗坏血酸 浓硫酸 过硫酸钾 硫酸银 重铬酸钾 硫酸亚铁铵 盐酸 二氯甲烷 无水乙酸钠 硫酸汞 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 实验所用的乙