（环境科学专业论文）芘污染底泥的植物微生物联合修复作用研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni ne n v i r o n m e n t a ls c i e n c e s t u d i e so np h y t o - - m i c r o b i a lr e m e d i a t i o no f p y r e n e - c o n t a m i n a t e ds e d i m e n t b yj i a n gs h i y i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rf a nz h a n g u o ，z h a n gy i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二f 思0 学位敝储魏荟磉 日期：凇g d 7 扩0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 姆f o h ， ，j中，0 东北大学硕士学位论文摘要 芘污染底泥的植物一微生物联合修复作用研究 摘要 多环芳烃( p a h s ) 在环境中分布广泛，且存在时间长，遗传毒性高，对人类健康和生 态环境具有很大危害，由于其具有“三致 作用而备受人们关注。如何利用植物一微生 物联合修复作用将其从环境中去除已成为近年来的研究热点之一。 本研究从长期受含石油类难降解有机物及无机物的工业污水污染的辽河底泥中分 离、筛选到3 株对芘降解效果明显的降解菌株，对3 株菌进行了鉴定，根据菌体形态特征、 培养特征、生理生化特征以及1 6 sr d n a 基因序列分析，将这三株菌鉴定为：菌株h l l 为 善变副球菌( p a r a c o c c u sv e r s u t u s ) ，h 1 7 属于颗粒申氏杆菌( s h i n e l l ag r a n u l i ) ，f 8 属于产碱 杆菌( a l c a l i g e n e ss p ) 。 通过对3 株菌培养条件优化，确定h l l 、h 1 7 、f 8 生长的最适p h 值分别为7 2 、7 2 、 6 5 ，最适温度分别为3 2 、3 7 、3 7 。对菌株在重金属离子胁迫下的生长研究发现， c d 2 + 对三株菌均有毒性；z n 2 + 对菌株均有一定的抑制作用；c u 2 + 的存在对菌株h l l 、f 8 生长没有影响，对菌株h 1 7 有抑制作用；p b 2 + 对菌株h l l 影响很小，抑制菌株h 1 7 生 长，对菌株f 8 有促进其生长的作用。 选取芘降解效率较高的菌株f 8 进行摇瓶条件下对芘降解效能和降解性能的研究。 结果表明，菌株f 8 在3 2 摇床振荡培养条件下培养7 d 时对5 0 m g l 4 芘的降解率为 6 2 8 。加入水杨酸( 5 0 m g l 。1 ) 或葡萄糖( 5 0 m g l 1 ) 作为共代谢底物，7 d 后降解率分别可 达到6 8 8 、7 9 6 。同时测定了f 8 菌株对不同浓度芘的降解率，结果表明，当培养基 中芘浓度为5 0 2 0 0 m g l 1 时，在培养7 d 后f 8 菌株对芘的降解率随芘浓度升高呈下降趋 势。 在芘污染的底泥中种植水稻并将菌株f 8 接种于水稻根际，研究植物一微牛物联合 作用对芘污染底泥的生物修复作用，结果显示水稻促进了菌株f 8 对芘( 5 0 m g l 1 ) 的降解， 使降解率增加了1 1 9 ，明显高于单纯植物修复和微生物修复。 本研究为多环芳烃类有机物污染河流底泥生物修复提供了菌种资源，并为植物一微 生物联合修复提供了理论依据。 关键词：底泥；芘降解菌；多环芳烃污染；植物一微生物联合修复 u ， 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s t u d i e so np h y t o - - m i c r o b i a lr e m e d i a t i o no f p y r e n e c o n t a m i n a t e ds e d i m e n t a bs t r a c t 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 ) ，w h i c hc o n s i s to ft w oo rm o r ef u s e da r o m a t i c r i n g s ，a r ew i d es p r e a di nt h ee n v i r o n m e n ta n dp e r s i s to v e rl o n gp e r i o d so ft i m e t h e d e c o n t a m i n a t i o no fp a h p o l l u t e de n v i r o n m e n ti so fi m p o r t a n c eb e c a u s es o m ep a h sa r e t o x i c ，m u t a g e n i c ，a n dc a r c i n o g e n i ca n dt h e r e f o r ea r eh e a l t hh a z a r d s p h y t o - m i c r o b i a l r e m e d i a t i o no fp a h s ，b yi t su n i q u em e r i t s ，h a sr e c e i v e dg r e a ta t t e n t i o n i nt h i ss t u d y , t h r e es t r a i n so fp y r e n e - d e g r a d i n gb a c t e r i aw e r ei s o l a t e df r o ml i a o h er i v e r s e d i m e n t t h e yw e r ei d e n t i f i e d a sp a r a c o c c u sv e r s u t u sh 11 ，s h i n e l l ag r a n u l ih17a n d a l c a l i g e n e ss p f 8u s i n go fp h y s i o l o g i c a l b i o c h e m i c a la n ds e q u e n c i n go f16 sr d n am e t h o d s s t u d yo no p t i m i z a t i o no fc u l t i v a t i o nc o n d i t i o n ，t h eo p t i m a lp ha n dt e m p e r a t u r ef o rh 11 ， h 1 7 ，f 8g r o w t hw a s7 2 ，7 2 ，6 5a n d3 2 c ，3 7 c ，3 7 c d i f f e r e n th e a v ym e t a li o n so ng r o w t h w e r ei n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a tp b 计( 2 0 0 m g l 。1 ) h a dl i t t l ei n f l u e n c et ot h eg r o w t ho f hll ，i n h i b i t e dh 17a n dp r o m o t e dg r o w t ho ff 8 c d 2 + ( 1 0 0 m g + l 1 ) w a st o x i ct ot h eb a c t e r i u m s t r a i n s z n 2 + ( 1 0 0 m g l 。1 ) h a di n h i b i t o r ye f f e c tt os t r a i n s c u 2 + ( 5 0 r a g l 1 ) h a dn os i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h eg r o w t ho f i l l1a n d f 8 ，b u th a di n h i b i t i o nt oh 1 7 t h e r e l a t i v e l yh i g hd e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yo fp y r e n eb yb a c t e r i a ls t r a i nf 8w a se x a m i n e d t h ed e g r a d a t i o nr a t eo f p y r e n e ( 5 0 m g l q ) w a s6 2 8 a f t e r7 d t h ed e g r a d a t i o nr a t eo f p y r e n e c o u l dr e a c h6 8 8 a n d7 9 6 w h e ns a l i c y l i ca c i d ( 5 0 m g l 1 ) o rg l u c o s e ( 5 0 m g l - 1 ) w a s c o e x i s t i n gw i t hp y r e n ea f t e r7 d m e a n w h i l e ，t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fp y r e n eu n d e rd i f f e r e n t p y r e n ec o n c e n t r a t i o n sw a sd e t e r m i n e d i tw a ss h o w nt h a ta f t e r7d a y so fc u l t i v a t i o n ，t h e d e g r a d a t i o nr a t eu n d e rp y r e n ec o n c e n t r a t i o n so f5 0 - - - 2 0 0 m g 。l w e r ed o w n t r e n d e f f e c t so fb a c t e r i a ls t r a i n sf 8o np y r e n ed e g r a d a t i o ni np a h sa n dh e a v ym e t a l c o n t a m i n a t e df i v e rs e d i m e n tw e r ei n v e s t i g a t e db y p o tc u l t u r ee x p e r i m e n t t h er e s u l ts h o w e d t h a tt h er i c ec o u l dp r o m o t et h ed e g r a d i n go f p y r e n ea n dr a i s et h ed e g r a d a t i o nr a t ee f f e c t i v e l y ( 1 1 9 ) t h es t u d yp r o v i d e dm i c r o b i a lr e s o u r c e sf o rb i o r e m e d i a t i o no fp y r e n ep o l l u t e dr i v e r s e d i m e n t ，a n da c a d e m i cb a s i sf o rt h ep h y t o - m i c r o b i a lr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：s e x l i m e ：n t ：p y r e n e - d e g r a d i n gb a c t e r i a ；p a hp o l l u t i o n ；p h y t o - m i c r o b i a l r e r n e x l i a t i o n i v 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第l 章绪论1 1 1 辽河水体及底泥污染概况1 1 2 水体底泥中多环芳烃污染物2 1 2 1 多环芳烃的来源2 1 2 2 多环芳烃的性质3 1 2 3 多环芳烃的危害3 1 2 4 多环芳烃国内外污染现状4 1 3 底泥中多环芳烃的处理技术5 1 3 1 物理处理法5 1 3 2 化学处理法6 1 3 3 生物处理法6 1 4 研究的意义与内容1 3 1 5 论文的技术路线l5 第2 章芘降解菌的富集分离与鉴定1 7 2 1 实验材料与方法l7 2 1 1 样品来源。l7 2 1 2 主要仪器17 2 1 - 3 主要试剂。1 7 2 1 4 主要培养基l8 2 1 5 芘降解菌的富集分离。1 8 2 1 6 形态学和牛理生化特性分析1 9 2 1 716 sr d n a 序列分析19 2 2 实验结果1 9 2 2 1 芘降解菌的筛选结果。1 9 2 2 2 形态学和生理生化特性分析结果2 0 2 2 31 6 sr d n a 序列分析结果2 0 2 3 本章小结2 4 第3 章芘降解菌的特性的研究2 5 3 1 实验材料与方法2 5 3 1 1 主要仪器2 5 3 1 2 主要试剂2 5 3 1 3 主要培养基2 5 3 1 4 芘降解菌株生长曲线测定2 5 3 1 5 菌悬液的制备2 6 3 1 6 环境因素对芘降解菌株生长的影响2 6 3 1 7 功能菌株f 8 芘降解能力鉴定2 6 东北大学硕士学位论文 目 录 3 1 8 环境对f 8 降解效能的影响2 7 3 2 结果与讨论。2 7 3 2 1 菌株的牛长曲线2 7 3 2 2 环境因素对菌株生长的影响。2 7 3 2 3 液体培养基中菌株f 8 对芘的降解效能3 2 3 2 4 环境对f 8 降解效能的影响3 3 3 3 本章小结。3 4 第4 章芘降解菌一水稻联合修复芘污染底泥的研究3 5 4 1 实验材料与方法3 5 4 1 1 供试菌株、植物3 5 4 1 2 供试底泥样品3 5 4 1 3 主要仪器3 5 4 1 4 底泥理化性质测定方法3 6 4 1 5 供试菌株与水稻联合修复污染底泥的研究3 6 4 2 实验结果3 7 4 2 1 底泥理化性质及p a h s 含量的测定3 7 4 2 2 供试菌株与水稻联合修复污染底泥的研究3 8 4 - 3 本章小结4 0 第5 章结论4 1 参考文献4 3 硕士期间发表文章4 9 致谢5 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 辽河水体及底泥污染概况 底泥一般系指江河湖海的沉积物，它是自然水域的重要组成部分，是环境污染物在 广泛空间和长期时间内的聚集处，能够反映河流演化的历史过程。底泥又是众多底栖生 物的生存场所，对生态系统的稳定性有着至关重要的作用。当水域受到污染后，水中部 分污染物将通过沉淀或者由颗粒物吸附而蓄存在底泥中。当水体污染发生时，污染物在 水体和底泥之间不断吸附解吸，达到一种动态平衡。然而一旦环境条件，如温度、流量、 p h 值等发生变化，污染物分配的动态平衡即被打破，底泥中的污染物( 主要包括重金属、 营养物质和难降解有机物) 会向上覆水体释放，成为二次污染源，对水生生态系统构成 严重威胁，影响到水生生物乃至人类的健康。当污染物分布在水体环境中时，水体底层 沉积物就成为它们的主要归宿地，而且一旦进入水体的底部，由于其难降解性、在环境 中持久存在的特点，就会严重影响沉积物的生态质量。底泥既是水体污染物沉积的归属 地，又能在一定条件下( 如洪水爆发、河道清淤) 反过来污染水体。因此，有效治理底泥 污染对保障人民身体健康和社会经济可持续发展都有着极为重要的意义。 辽河流域位于我国东北地区西南部，是东北地区重要的工矿业经济区，在我国国民 经济中占有重要的地位。然而，由于工农业生产活动使辽河流域河流底泥受到有机污染 物及重金属等的严重污染，大部分河段已达不到类标准，一些支流和城市河段水质己 超过v 类。浑河枯水期超标严重的指标主要有c o d 、石油类、挥发酚，个别河段铅超 标。 辽河中、下游地区是东北乃至中国工业经济最发达的地区之一，包括以沈阳为中心 的本溪、辽阳、抚顺、鞍山、营口、铁岭和盘锦的重工业城市群，其中本溪、鞍山是重 要的冶金城市，辽阳和盘锦是重要的化工和石油城市，抚顺和沈阳是煤炭、能源和机械 工业城市，铁岭则是新兴的能源基地。由于这一地区经济的快速发展，辽河水系污染严 重，尤其是有机污染物污染【i 】。辽河水体接纳的污染物主要来自这些城市的工业废水和 生活污水，辽河流域工业废水中只有一半左右经处理达标排放，另外近一半的工业废水 未经任何处理便直接排入河道，是造成辽河流域水污染严重的一个重要原因。同时，大 量生活污水未经处理直接排入河道，是造成辽河流域水污染严重的另一重要原因。此外， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 辽河流域耕地面积广阔，该流域化肥农药的使用量一直快速增加，大量残余化肥、农药 随农田废水进入河道，也对辽河流域的水体产生了污染。 随着人们对有机污染毒害作用的逐渐认识，一些学者已经开展了对辽河流域各段底 质中有毒有机污染物的研究。杨敏，倪余文掣2 】在2 0 0 7 年的调查指出辽河沉积物中1 6 种 检出的多环芳烃( p a h s ) ，以菲、荧葸芘和萘为主，1 6 种p a h s 总含量介于2 7 8 1 4 7 9n g - g - 1 ， 平均值为2 8 5 5n g g ，不同河段沉积物中的p a h s 含量存在较大差别，含量最高点为铁岭 市何家新村1 4 7 9n g - g - 1 ，其次为辽中县朱家房村7 6 1 7r i g g 。1 和辽中县古城子 , j 。3 2 7 1 n g g - 1 ，最低点为铁岭市双井子乡关家砣子村2 7 8n g g ：张秀芳等3 1 调查了辽河中下游 水体中多氯有机物( p c o c s ) 的残留情况，共检出1 3 种有机氯农药和4 种多氯联苯( p c b s ) ， 在水中和沉积物中所检出的p c o c s 浓度分) j i j ( 氐于9 1 - 3n g g 。1 和2 8 6n g g ；贾青竹等【4 】测 定了辽河沉积物中高丙体六六六( 7 - 6 6 6 ) 在缺氧条件下的分解速率。但近几年随着产业结 构的调整，污染物的排放出现了新的趋势，同时，已有的研究仅限于辽河流域的某一河 段，对流域还缺乏系统性的调查研究。 1 2 水体底泥中多环芳烃污染物 多环芳烃( p o l y a r o m a t i ch y d r o c a r b o n ，p a h s ) 是指2 个或2 个以上的苯环以稠环和非稠 环形式相连接的化合物，是具有疏水性和难降解性的芳香族化合物，在环境中主要存在 于石油污染的土壤和河流中，不仅具有强烈的毒性致癌、致畸变和致突变性，还有 促进致癌作用，对生物和人类的生存和健康构成威胁【5 羽。2 0 世纪8 0 年代初，美国e p a 就把1 6 种无支链的p a h s 确定为环境中的优先污染物，我国环保局第一批公布的6 8 种环 境优先监测污染物黑名单中，p a h s 有7 种。随着工农业生产的迅速发展，河流受石油类 有机物污染的范围及程度有不断扩大和加剧的趋势，被颗粒物吸附了的p a h s 将沉降于 底泥中，生化降解速度很慢，因而在底泥中逐渐富集、大量积累，底泥将成为p a h s 长 期的潜在的释放源 7 1 。底泥中多环芳烃污染相比大气污染和水体污染而言，具有长期性、 隐蔽性、不可逆性、易迁移以及不能完全被分解或消逝的特点。故沉积在底泥中的p a h s 对环境的潜在危害非常大，必须采取有力的防治措施来避免其危害。 1 2 1 多环芳烃的来源 一般认为，多环芳烃主要是由石油、煤炭、木材、气体燃料、纸张等含碳氢化合物 的不完全燃烧以及在还原状态中热分解而产生的，同时它们也是原油、煤和油页岩的组 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 成成分。环境中p a h s 的自然来源主要包括：火山爆发、森林植被的燃烧以及细菌代谢 作用等。但是人为活动特别是化石燃料的燃烧才是环境 p a h s 的主要来源【8 】。与石油化 工产业相关的工业区附近均可检测到极高浓度的p a h s 9 1 。 p a h s 由于水溶性差，辛醇水分配系数高，在水环境中常被吸附于悬浮颗粒中，沉 积物成为这些污染物的主要载体和最终环境归宿之一。p a h s 在底质中有较高的稳定性。 苯环的排列方式决定着p a h s 的稳定性，非线性排列较线性排列稳定，苯环数与其牛物 可降解性明显呈负相关关系【l 们。由于五环以上的高分子量p a h s 及非线性排列的p a h s 占 绝大部分，其牛物降解及自然挥发损失是极少的，所以p a h s 在环境中是不断积累的。 研究表明，在河水海水沉积物中p a l l s 的浓度高，且积累速度快。s a e e d 等人【l l 】对科威特 一采油厂附近的湖中沉积物的调查发现，在2 1 个月内p a h s 的总浓度从5 7 6m g k g 。增加 n 7 1 3m g k 9 1 ，而苯并 a 芘从0 7m g k 分1 增加到1 2 9m g k g 。 1 2 2 多环芳烃的性质 p a h s 的熔点和沸点较高，具有疏水性、蒸汽压小，辛醇水分配系数高，化学性质 稳定，而且具有致癌、致突变、致畸作用，是环境中的持久性有机污染物。p a h s 苯环 数量愈多，脂溶性愈强，其致癌性愈高。纯的p a h s 大部分是无色、白色和黄绿色的固 体，略有些刺激味道，其物理和化学特征随分子量的不同而不同。随着分子量的增加， 其抗氧化、抗还原和抗气化能力增强，但是水中溶解度逐渐降低，辛醇水体系分配系 数增大，亲脂性增强，易于通过径流、大气沉降、污水排放和养殖等进入水环境，并在 沉积物和生物体中富集，破坏生态系统，直接危害人体健康。芘( p y r e n e ) 和菲 ( p h e n a n t h r e n e ) 分别是p a h s 三环、四环的代表物，属难降解有机污染物，在环境中广 泛存在，是检测p a h s 污染的指示物1 2 1 ，其性质见表1 1 。 1 2 3 多环芳烃的危害 环境污染物p a h s 因为其中有些具有强烈的毒性受到人们的广泛关注。 多环芳烃是一类强致癌物质，具有“三致”效应，免疫抑制性【1 3 】、可损伤生殖系统， 易导致皮肤癌，肺癌，上消化道肿瘤，动脉硬化，不育症等【1 4 1 。由于其低溶解性和憎水 性，比较容易进入生物体内，并通过生物链进入生态系统，从而危害人类健康和整个生 态系统的安全【1 5 】。由于多环芳烃同系物众多和生物反应的复杂性，目前的毒理学研究结 果认为应将它们的毒性当量因子和浓度综合考虑来决定对目标生物或组织的总毒性负 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 荷。 表1 1 菲和芘的性质 t a b l e1 1c h a r a c t e r so f p h e n a n t h r e n ea n dp y r e n e c a s 号 1 2 9 0 0 0 8 5 0 1 8 中文名称 英文名称 分子式 分子量 外观与性状 密度 熔点 溶解性 稳定性 主要用途 芘 p y r e n e c 1 6 h 1 0 2 0 2 2 6 无色棱形晶体( 不纯物为黄色) 相对密度( 水- - 1 ) 1 2 7 1 5 0 不溶于水，溶于乙醇苯等 稳定 用于合成树脂还原染料和分散性染料： 直接氧化成芘醌，用于制还原染料 菲 p h e n a n t h r e n e c 1 4 h 1 0 1 7 8 2 3 无色有荧光，单斜形片晶体 相对密度( 水= 1 ) 1 0 6 1 0 0 3 5 不溶于水，溶于乙醇苯等 稳定 可用于合成树脂、植物生长激素 还原染料鞣料等方面，菲经氢化 制得全氢菲可用于生产喷气飞机 的燃料 1 2 - 4 多环芳烃国内外污染现状 目前，国外已经对多种底泥沉积物环境介质展开了p a h s 的调查和评估研究，包括 现代湖泊沉积物、河口沉积物和海湾沉积物等等【1 6 】。n d e zp 等旧对欧洲1 0 个高纬度地区 的湖泊底泥调查发现，自十九世纪三十年代以来，湖泊底泥中的p a h s 逐渐增长，超过 工业革命前未污染水平的3 至1 j 2 0 倍。m o n t g o m e r ym t 等【l8 】对美国罗得岛 ) + c o a s t e r s 海湾潮 间带的调查发现，底泥中的p a h s 含量严重超标，分析其来源认为是现代工业发展所致。 国内近年来对沉积物中p a h s 的报道也比较多，主要集中在含量、来源和污染水平上。王 东辉【1 9 】研究了松花江水体d p p a h s 污染物，指出底质中p a h s 的含量达到江水的3 0 0 - 3 0 0 0 倍不等；张跃进等【2 0 】研究了浑河沉积物中的p a h s 类污染物，指出浑河沈抚、浑蒲灌区 附近沉积物d f l p a h s 苯并【a 】葸、苯并 k 荧葸检出率分别为1 0 0 和8 2 6 。许士奋等【2 l 】研 向水中释放。或将底泥疏浚，将污染严重的部分进行固化后再进行土地填埋，即异位固 定眵9 1 。但固化的方法存在潜在的危害，如果固化措施失败，对环境将产生极大的危害。 ( 2 ) 生物淋滤。 利用微牛物作用将p a h s 等有机物浸提出来，收集滤液再进行处理，这样可以对 p a h s 集中处理。如硫杆菌能利用夕b j n 的单质硫，氧化生成硫酸，可以刺激微牛物对p a h s 的降解，大大降低p a h s 在底泥中的含量【3 1 1 。 ( 3 ) 湿式空气氧化。 在高温高压条件下，利用氧的强氧化能力将p a l l s 进行氧化。l o p r o x 在2 0 0 * ( 2 ，2m p a 压力下，以二价铁作催化剂，p a h s 的去除率可达9 7 以上【3 3 1 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 4 ) 热解吸。 r i e n k s 等人研究表明在5 5 0 6 0 0 ，9 9 以上的有机物均能被汽提出来。将收集到 的有机物蒸汽在8 5 0 9 0 0 。c 下处理，能去除9 2 。9 9 的p a h s 3 0 1 。 1 3 2 化学处理法 化学处理主要有化学脱毒、分解、超临界二氧化碳提取和溶剂提取四种方法。 ( 1 ) 化学脱毒。 通过化学手段，使亲电活性区消失或减弱，脱毒区占优势，因而不表现出致癌活性。 如果能找到一条简捷的途径实现这一目的，将减少破坏整个分子而消耗的能量，如在化 学反应或生化反应过程中加一种催化剂或助剂来有效地破坏p a h s 的结构。但这种想法 目前在污染物的大规模治理上不现实。姑且不说中间产物难以控制，就是发生反应的条 件也很难满足。因此，在现阶段有关该方法的研究还没有公开报道。 ( 2 ) 分解。 将p a h s 彻底分解为c 0 2 和h 2 0 ，如高温热解。这种方法对去除p a h s 的毒性最有 效、最彻底，但能耗高，分解不彻底时有副产物生成。 ( 3 ) 超临界二氧化碳提取。 利用在超临界条件下，二氧化碳既具有液体的溶解性，又具有气体的流动性和小的 粘性，加一定的溶解助剂，能够有效地提取出p a h s 。r i e n k s 等人以甲苯作助剂，对底 泥中p a h s 进行超临界二氧化碳提取，结果为：总p a h s 去除率为7 0 8 0 ，其中含四 个环或五个环的p a h s 浸出率为4 0 ，而含两个或三个环的p a h s 浸出率为9 9 t 3 0 1 。 ( 4 ) 溶剂浸提。利用有机溶剂对p a h s 有较强的溶解能力，将p a h s 浸提出来。丙 酮是一种较好的低毒溶剂，能与水完全互溶，浸提效率高，价廉易得，而且便于回收， 因而得到普遍使用。采用丙酮能提取出底泥中9 8 以上的p a h s 3 2 1 。 物化处理是目前p a h s 处理常用的一种方法，它处理速度快，效果明显，处理后的 底泥还可以再利用，如作建筑材料，但存在能耗高、处理费用高的问题。如超临界溶剂 浸提、热处理、湿式空气氧化等，一般需高温高压，还需特定的处理装置，能耗和费用 较高。另一方面，在物化处理过程中，可能有二次产物形成。p a h s 在分解过程中，如 有含氯的烃类存在，处理温度在3 0 0 5 0 0 c ，则可能会生成二恶英。 1 3 3 生物处理法 生物修复( b i o r e m e d i a t i o n ) ，也称生物恢复、生物整治，是一种利用生物技术和方法 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 来治理环境污染使其恢复其正常的方法，可以依靠真菌、细菌、高等植物甚至细胞的游 离酶等。生物修复包括植物修复、动物修复、微生物修复等。 生物修复与物理、化学修复污染底泥技术相比，它具有成本低，不破坏原有底泥环 境，污染物氧化安全，无二次污染，处理效果好，操作简单等特点。生物修复可通过环 境因素的最优化而加速自然生物降解速率，是一种高效、经济和生态可承受的清洁技术， 特别是利用环境微生物灵活的适应性和遗传多样性，定向地富集培养和驯化专性环境微 生物，建立以微牛物降解过程为核心的生物修复技术，己成为国际上解决土壤及底泥环 境污染问题的重要发展方向。 1 3 3 1 微生物修复 微生物具有氧化、还原、分离以及转移和变换元素周期表中的大部分元素价态的能 力。所谓的微生物修复就是利用微生物的上述能力去除和解毒土壤、底泥沉积物和地下 水中的污染物，从而使污染的底泥部分或完全恢复到原始状态。 受污染的环境之所以能够用微生物的方法来治理修复，其原因有二：其一是在环境 中存在着多种多样的微生物，这些微牛物能够适应变化了的环境，具有或产生酶，具备 代谢功能，能够降解或转化环境中难降解的有机化合物；其二是进入环境的有机化合物 具有可生物降解性，即在微生物作用下由大分子化合物转变为小分子并进一步矿化为 c 0 2 和水。 毒 ( 1 ) p a h s 降解微生物 用于微生物修复的微生物主要有土著高效降解菌。由于环境中p a h s 分布的广泛性， 能够降解它的微牛物也是广泛存在的( 表1 2 ) 【3 4 1 。但是不同微生物对不同p a h s 有不同降 解能力( 降解速率、降解程度) ；而不同的p a h s 对于不同的微生物降解也有不同的敏感性。 一般来说，随着p a h s 苯环数的增加，其微生物可降解性越来越低。许多细菌、真菌和 藻类等都具有降解p a h s 的能力。细菌中有多个菌属具有降解的能力，典型的也是研究 较多的是鞘氨醇单孢菌属( s p h i n g o m o n a s ) 、假单孢菌属( p s e u d o m o n a s ) 等；真菌对p a h s 的降解也是普遍的，研究较多的是黄孢原毛平革菌( p h a n e r o c h a e tc h r y s o s p o r i u m ) ；尽管 有些藻类也具有降解p a h s 的能力，但由于其光能自养特性，降解能力较差。 ( 2 ) 微生物降解多环芳烃的机理 p a h s 的微生物降解难易度取决于化学结构的复杂性和降解酶的适应程度。不同的 微生物对各类p a h s 有不同的降解能力，所以降解p a h s 的途径就有较大的差别。研究表 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 明，微生物降解p a h s 一般有两种方式【3 5 】：一种是以p a h s 为唯一碳源和能源；另一种是 将p a h s 与其他有机质进行共代谢。 表1 2 几种典型p a i l s 的降解微生物 t a b l e1 2d e g r a d i n gm i c r o o r g a n i s m sf o rt y p i c a lp a h s p a h s降解微生物 s p h i n g o m o n a s ( 鞘氨醇单胞菌属) ；a e r o m o n a s ( 气单胞菌属) ；p s e u d o m o n a s ( 假单胞菌 菲 属) ；m y c o b a c t e r i u m ( 分枝杆菌属) ；r h o d o c o c c u s ( 红球菌属) ；a l c a l i g e n e s ( 产碱杆菌 属) ；b a c i l l u s ( 芽孢杆菌属) ；n o c a r d i a ( 诺卡氏菌属) ；f l a v o b a c t e r i u m ( 黄杆菌属) ； 一 彳砌加概州节杆菌属) ；s a c c h a r o t h r i x ( 糖菌属) ；a s p e r g i l l u s 刀函“黑曲霉) ； h b r i o ( 弧菌属) ；b e i j e r i n c k i ad e r x ( 拜叶林克氏菌属) ；m i c r o c o c c u s ( 微球菌属) ； c y c l o c l a s t i c u s ( 解环菌属) ；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 ( 黄孢原毛平革菌) s p h i n g o m o n a s ( 鞘氨醇单胞菌属) ；p s e u d o m o n a s ( 假单胞菌属) ；m y c o b a c t e r i u m ( 分枝 茁 杆菌属) ；r h o d o c o c c u s ( 红球菌属) ；g o r d o n a ( 戈登菌属) ；f l a v o b a c t e r i u m ( 黄杆菌属) ； s a c c h a r o t h r i x ( 糖丝菌属) ；a s p e r g i l l u sn i g e r ( 黑曲霉) ；p l e u r o u so s t r e a t u s ( 糙i 皮侧耳) ； rp 7 b u r k h o l d e r i ac e p a c i a c 洋葱伯克霍尔德菌) ；p h a n e r o c h a e t c h r y s o s p o r i u m ( 黄孢原毛平 革菌) ；c y c l o c l a s t i c u s ( 解环菌属) s p h i n g o m o n a s ( 鞘氨醇单胞菌属) ；p s e u d o m o n a s ( 假单胞菌属) ；m y c o b a c t e r i u m ( 分枝 苯并 a 】芘 杆菌属) ；剧r a n e r o c h ! a e t ec h r y s o s p o r i j v 聊( 黄孢原毛平革菌) ；p i e “r d 船彻加( 糙皮侧 ( b a p ) 耳) ；b e i j e r i n c k i ad p 搿( 拜叶林克氏菌属) ；曰“，_ 勋d 姚砌乞即c 讼( 洋葱伯克霍尔德菌) ； p e n i c i l l i u mj a n t h i n e l l u m ( 微紫青霉) ；c u n n i n g h a m e l l ae l e g a n s ( 雅致小克银汉霉) ； a s p e r g i l l u so c h a r a c e u s ( 赭曲霉) ；s y n c e p h a l a s t r u mr a c e m o n s u m ( , 总状共头霉) 以p a h s 作为唯一的碳源和能源的代谢机理。 微生物降解有机物获得牛长繁殖所需的能量是在各种酶的催化下提供，微生物降解 p a h s 也不例外。在p a h s 等诱导下，微生物可分泌单加氧酶和双加氧酶。在这些酶的催 化作用下，把氧加入到苯环上，形成c o 键，再经过加氢、脱水等作用而使c - c 键断裂， 苯环数减少。其中真菌产生单加氧酶，加一个氧原子到苯环上，形成环氧化物，然后， 加入h 2 0 产生反式二醇和酚。细菌产生双加氧酶，加两个氧原子到苯环上，形成过氧化 物，然后氧化为顺式二醇，脱氢产生酚。不同的途径有不同的中间产物，但普遍的中间 产物是：邻苯二酚，2 ，5 二羟基苯甲酸，3 ，4 二羟基苯甲酸。邻苯二酚是普遍的中间 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 产物，具体的化合物依赖于羟基组的位置，有正、对或其它。这些代谢物经过五种相似 的途径降解：环碳键断裂，丁二酸，反丁烯二酸，丙酮酸，乙酸或乙醛。这些物质都能 被微生物利用合成细胞蛋白，最后的产物是c 0 2 和h 2 0 【3 6 】。 p a h s 的共代谢机理。 在有其他碳源和能源存在的条件下，微生物酶活性增强，提高降解非生长基质的效 率，也称为共代谢作用。在共代谢降解过程中，微生物通过酶来降解某些能维持自身生 长必需的物质，同时也降解了某些非生物生长必需的物质【3 7 】。p a h s 苯环的断开主要是 靠加氧酶的作用：加氧酶把氧加到c c 键上形成c o 键，经加氢、脱水等作用使c c 键断 裂，苯环数减少。加氧酶的活性程度对p a h s 的降解有很大影响，可以用作有机污染的 监测指示。由于p a h s 代谢酶的可诱导性，故可选择投加基质类似物的方法来提高酶的 活性，增强降解作用。诱导物的选择还需要考虑各方面的因素( 如毒性要低