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硕士论文多食鞘氨醇菌活性污泥法降解水中甾体雌激素机理研究 摘要 本文利用南京城东污水厂的活性污泥，研究污泥对雌二醇( e 2 ) 的去除作用，分别 研究失活污泥对e 2 的吸附情况和好氧污泥对e 2 的去除行为，包括去除行为中常见环境 因素对去除作用的影响；筛选出高效降解甾体雌激素e 2 的多食鞘氨醇菌株e d 4 ，并对 该菌株的降解特性进行研究。综合文章，得出以下结论： ( 1 ) e 2 的去除受进水e 2 浓度、污泥浓度与温度影响较大。污泥浓度、温度越高， e 2 的降解速率越大。在本次试验中，活性污泥的吸附作用较小，可以忽略不计。污泥 对e 2 的降解过程符合一级反应动力学，速率常数3 5 2 h 。温度系数0 在5 2 0 、2 0 。2 5 范围内分别为1 0 6 9 ，1 0 3 0 ，当污泥浓度较低时，温度对e 2 的去除过程影响更大。 ( 2 ) 通过增殖培养和分离筛选，分离出四种能够降解e 2 的细菌，分别为鞘脂杆菌 属( s p h i n g o b a c t e r i u m ) 、红球菌属( r h o d o c o e c u s ) 和无色杆菌属( a c h r o m o b a c t e ) 。四 种菌株均能将e 2 降解为e l ，只有多食鞘氨醇( s p h i n g o m u l t i v o r u m ) e d 4 ，具有进一步降 解e l 的能力。 ( 3 ) 饥饿效应下，菌株e d 4 降解e 2 过程中中均出现e 1 的积累现象，降解e 2 速 率有所减慢，饥饿时间越长，菌株恢复对e 2 的降解能力越慢。菌株e d 4 降解e 2 的最 适温度为3 0 ，最适p h 为8 。在一定浓度范围内，f e 3 + 、c a 2 + 对菌株e d 4 降解e 2 的影 响不大，而s n 2 十、z n 2 + 、a i ”、b a 2 + 对菌株e d 4 生长和降解e 2 有一定的抑制作用，降 解率明显下降，重金属离子p b 2 + ，完全抑制了菌株e d 4 的生长。基质内e 2 浓度的增加 对菌株e d 4 的生长有一定的抑制作用，e d 4 对低浓度范围的e 2 有较好的去除效率。菌 株降解e 2 能较好的符合m o n o d 模型，k m 为1 s m g l ，q m a x 为0 3 2 m g m g v s s h 。 ( 4 ) 利用质谱对e 2 生物降解过程中的中间产物进行分析，推测得到：e 2 经过一系 列生物催化作用生成e l 、2 羟基2 ，4 二烯戊酸2 种代谢中间产物，并最终进入三羧酸 循环，生成二氧化碳和水。 关键词：甾体雌激素，生物降解，活性污泥 硕士论文多食鞘氨醇菌活性污泥法降解水中甾体雌激素机理研究 a b s t r a c t a e r o b i cb a t c hd e g r a d a t i o no fe s t r a d i o l ( e 2 ) s p i k e di n t ot h ea c t i v a t e ds l u d g el i q u o rf r o m as e w a g et r e a t m e n tp l a n tw a ss t u d i e d ，i n c l u d i n gt h er e m o v a le f f e c to fc o m m o ne n v i r o n m e n t a l f a c t o r s w ea l s oi s o l a t e das t e r o i de s t r o g e n d e g a d a t i o ns t r a i n s ，n a m e de d 4 ，w h i c hh a dah i g h e f f i c i e n c yo fd e g r a d a t i o n f i n a l l y , w ed r a wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t 1 1 er e m o v a lo fe s t r a d i o lf e z ) i na e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si ss t r o n g l y d e p e n d e n to nt h e i n f l u e n te 2c o n c e n t r a t i o n s ，m l v s sa n dt e m p e r a t u r e s i nt h eb a t c h e x p e r i m e n t sc o n d u c t e d ，e 2w a se l i m i n a t e df r o mt h ea q u e o u sp h a s ei naf a s t e rp a c ea th i g h e r m l v s sa n dt e m p e r a t u r el e v e l s ，w i t ht h er o l eo fs o r p t i o nb yb i o m a s ss e e m e dt ob el e s s s i g n i f i c a n t b yf i t t i n go b s e r v e dc o n c e n t r a t i o nd a t a 、析t 1 1af i r s t o r d e rr a t ee x p r e s s i o n t h e d e g r a d a t i o nr a t ec o n s t a n t s ( k ) u n d e rd i f f e r e n ti n i t i a le 2c o n c e n t r a t i o n sw a s3 5 2 h 1 t h e t e m p e r a t u r ep a r a m e t e r s ( o ) d e t e r m i n e df o rt h er a t ec o n s t a n tko v e r5 2 0 a n d2 0 3 5 f e l l i nt h er a n g eo f1 0 6 9 - 1 0 3 0 ，诵t ht h et e m p e r a t u r ei m p a c tb e i n gm o r es i g n i f i c a n tf o ro p e r a t i o n s w i t h1 0 w e rm l s s ( 2 ) s e v e r a ln o v e lb a c t e r i ac a p a b l eo fd e g r a d i n ge 2w e r ei s o l a t e df r o ma c t i v a t e ds l u d g e a c c o r d i n gt ot h e i rm o r p h o l o g y , p h y s i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e s es t r a i n sw e r ei d e n t i f i e d a sd i f f e r e n tb a c t e r i a si ns p h i n g o b a c t e r i u m ，r h o d o c o c c u sa n da c h r o m o b a c t e f o u rs t r a i n s c o u l dd e g r a d ee 2 ，b u to n l yo n eh a df u r t h e rd e g r a d a t i o na b i l i t yo fe1 ，w h i c hi ss p h i n g o m u l t i v o r u ma n dn a m e de d 4 ( 3 ) i nt h ep r o c e s so fe 2d e g r a d a t i o nw i t hh u n g e re f f e c t , t h ea c c u m u l a t i o no fe 1 p h e n o m e n o na p p e r r e da n dh a ds l o wd e g r a d a t i o nr a t e w h e nt h eh u n g e rt i m ei n c r e a s e d ，s t r a i n s n e e d e dm o r et i m et or e s u m ee 2d e g r a d a t i o na b i l i t y t h eo p t i m u mt e m p e r a t u r ef o rs t r a i n s e d 4i s3 0 a n dt h eo p t i m a li n i t i a lp hi s8 i nac e r t a i nc o n c e n t r a t i o nr a n g ei nw a t e r , t h e i m p a c t sb yf e 3 + ，c a + t om ee 2d e g r a d a t i o nw e r en o tb i g ，b u ts n 2 + ，z n 2 + ，a 1 3 + ，b a 2 + h a d c e r t a i ni n h i b i t i o n st os t r a i n se d 4g r o w t h mh e a v ym e t a li o n sp b 2 + ，f u l l yi n h i b i t e dt h e g r o w t ho fs t r a i n se d 4 a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fe 2c o n c e n t r a t i o ni ns u b s t r a t e ，t h eg r o w t h o fs t r a i n se d 4w e r er e s t r a i n e d l o w e rc o n c e n t r a t i o no ft h er a n g eo fe 2h a db e t t e rr e m o v a l e f f i c i e n c y t h ed e g r a d a t i o np r o c e s sf i tt h em o n o dm o d e l ，w h i c hk mw a s1 8m g l ，a n dq m a x w a so 3 2 m g m g v s s 。h ( 4 ) a c c o r d i n gt op r o d u c t i o na n a l y s i sb ym s ，i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a te 2w a so x i d i z e d t oe1f i r s t l y , t h e n2 - h y d r o x y 一2 4 - d i e n e v a l e r i ca c i dw a sp r o d u c e da n df m a l l yd e g r a d e dt oc 0 2 a n dh 2 0 b yt c a - c y c l e i i i a b s t r a c t 硕十论文 k e yw o r d ：s t e r o i de s t r o g e n ，b i o d e g r a d a t i o n ，a c t i v a t e ds l u d g e i v 硕士论文多食鞘氨醇菌活性污泥法降解水中甾体雌激素机理研究 1 绪论 1 1 甾体雌激素概述 内分泌干扰物是一种有可能引起的人类和动物内分析系统负面影响的化学物质。发 挥雌激素效应的物质包括药品、农药、工业化学品、重金属等l l 】。美国环保署定义内分 析干扰物为：能干扰生物体内维持自身稳定性、调节生殖发育和其他行为的荷尔蒙的产 生、代谢、结合、交互作用和排泄的外源性物质 2 1 。 其中，甾体雌激素具有很强的内分泌干扰能力 3 1 而引人关注。据报道，污水厂出水 中的雌激素内分泌干扰物在n g l 的浓度水平即可干扰水生生物生殖系统的正常工作模 式，造成以鱼为代表的水生生物雌性化，使雄性生物体内产生高于正常雄性水平的卵黄 蛋白原，且雄性腺体萎缩、功能退化【4 j 。当水环境中的雌激素浓度高于干扰阈值则会影 响水生生物性腺的正常功能，破坏性别比例，影响其种群密度，进而通过食物链对生态 系统构成威胁。人类女性青春期提前、男性生殖能力下降也被认为与这些物质有关1 5 】。 近年来，研究人员【6 】对甾体雌激素的环境影响和环境中的降解研究日益关注，成为 研究热点【1 7 1 。目前，欧盟将雌酮( e 1 ) 、雌二醇( e 2 ) 、雌三醇( e 3 ) 和1 7 c t 乙炔基雌二 醇( e e 2 ) 等具备高雌情活力的雌激素物质【8 j 列为1 1 8 种内分泌干扰物中优先研究物质。 甾体雌激素能够影响生物机体的内分泌，并且具有致癌、致畸、蓄积和生物放大的 作用。因此，为保证水环境的安全性，去除水中的甾体雌激素显得非常重要。由于水中 的雌激素浓度很低，引起的影响作用相对缓慢，可能在1 0 2 0 年后才能发现。一旦发现， 对当代和后代人的健康影响严重。因此，研究水环境中微量甾体雌激素的去除具有十分 重要和迫切的意义例。 甾体雌激素的筛选、分析、评估以及去除是一项长期的工作，内容涉及许多科学领 域，必须经过相当长的一段时间，才可进一步了解雌激素的作用机理，更好地分析对人 类健康的风险，发现有效的去除方法。 1 1 1 甾体雌激素的种类 甾体雌激素分为天然甾体雌激素和合成甾体雌激素。天然甾体雌激素是人体和动物 体内天然存在的雌激素，化学结构相似，分子中含有1 8 个碳原子。人和哺乳动物的卵 泡颗粒细胞，肾上腺皮质和睾丸间质细胞能够少量雌激素，由胆固醇衍生而来，可以互 相转变。绝大部分哺乳动物的主要雌激素是e 2 ，其他重要的雌激素有e 3 和e 1 。后两 者是前者的代谢产物，它们的活性比例是1 0 0 ：1 0 0 ：3 ，前者的雌情活性最强。浓度极 低的该类物质即具有较大的生物效应i l o 。 合成甾体雌激素是与e 2 结构相似的类固醇衍生物，用作避孕药和促进家畜生长的 i i 绪论 硕上论文 同化激素。e e 2 是其中代表。这类雌激素对雄性生殖系统不良影响的报道最多【1 1 1 ，一般 较稳定，不易被降解，生物活性较强。原形药物及代谢产物主要经尿和粪排出体外后对 水源造成污染。目前从城市生活污水处理厂中已检测出不同浓度的上述物质。 1 1 2甾体雌激素的结构和特性 甾类雌激素的化学结构基本结构：环戊烷多氢菲分子，由3 个6 元碳环和1 个5 元碳环组成，其中第一个环为苯环，第二个环为萘环，第三个环为菲环，外加环戊烷( 5 碳环) ，构成类固醇激素的核心。所有天然活性类固醇均为平面结构，在平面环下方和 上方分别命名为仅和1 3 基团。雌激素的差别主要在于c 1 6 和c 1 7 位置上的基团种类和 空间化学排列的差异。e 2 由于c 1 7 位上羟基指向不同而分为1 7 a e 2 和1 7 1 3 e 2 ；e 1 在 c 1 7 位上是羰基而非羟基。e 3 在c 1 6 位和c 1 7 位上均有羟基，因此具有四种异构体。 e e 2 在c 1 7 位上有羟基和乙炔基。四种雌激素结构及理化性质分别见图1 1 、表1 1 。 h 0 h 0 7h 0 7 h 0 7 o 图1 1 常见甾体雌激素结构 表1 1 常见甾体雌激素结构及理化性质 e e 2 c ；c h 2 硕士论文 多食鞘氦醇菌活性污泥法降解水中甾体雌激素机理研究 由表1 1 可知，甾体雌激素微溶于水，天然雌激素溶解度约1 3 m g l ，e e 2 的溶解度 4 8 m g l t l 2 j 。雌激素的辛醇水分配比( k o w ) 在2 4 - 4 0 之间，疏水性一般，挥发性较低。 甾体雌激素由于c 3 、c 1 7 位羟基被葡萄糖醛酯或硫酸酯取代而形成共轭雌激素， 如雌激素葡萄糖苷酸共轭物，以雌二醇3 葡萄糖苷酸( e 2 3 g ) 为代表，雌激素的硫酸 共轭物，如雌二醇3 硫酸( e 2 3 s ) 和雌二醇1 7 硫酸( e 2 1 7 s ) 等。四种共轭雌二醇具 体结构见图1 2 。 二 = o h o e 2 3 g h o e 2 1 7 g 三 h o h h e 2 - 3 s e 2 - 17 s 图1 2 e 2 共轭物结构 活性类固醇激素和代谢物以磺酸和葡萄糖醛酸共轭物形式排出。通常认为，硫酸共 轭物是一种活性分泌形式，并可作为前体物质，因其与血清白蛋白结合，在血液中具有 较高的浓度。一般情况下，大部分类固醇激素在肝脏和肠粘膜中形成共轭物，是代谢性 失活的第一步，对于最后从尿液和胆汁排出是必要的步骤【l 引。 与自由雌激素相比，共轭雌激素显示较低的雌激素活性。然而，一旦排出体外，在 整个污水处理流程中，共轭雌激素会缓慢分解释放出具有雌情活力的自由雌激素【1 4 】，从 而造成水体的雌激素污染。水中雌激素的损失通过挥发可以忽略不计。 l 绪论硕士论文 1 2 甾体雌激素的来源与污染水平 1 2 1甾体雌激素的来源 甾体雌激素主要来自人类和牲畜的排泄。约9 5 的e 1 ，e 2 和e 3 以葡萄糖醛酸和硫 酸共轭形式通过尿液排出。处于生育年龄( 1 5 5 9 岁) 的妇女，e 1 、e 2 、e 3 的排泄量分 别为e 1 ：5 - 3 1 肛g , ：t ，3 - 1 g d ，4 - 3 3 “g d 。妇女怀孕期间，雌激素的分泌水平达到最高 记录，分别为e 1 ：6 0 0 9 4 0 1 t g d ，e 2 ：1 7 0 3 3 0 r t g d ，e 3 ：4 5 0 0 6 5 0 0 9 9 d 【1 5 】【1 6 】【17 1 。妊娠 后期，e 1 主要以硫酸盐共轭形式排出体外【l8 1 。其余时间，女性的雌激素排泄中三种雌 激素分别稳定在e 1 ：4 1 2 r t g d ，e 2 - 1 5 - 7 i t g d 和e 3 - 1 5 - 6 9 9 d 【1 9 】，每天摄入体内的人 工合成的激素( e e 2 ) 大约是2 0 6 0 l a g ，用于避孕和控制更年期障碍等。药剂摄入量的 3 0 9 0 通过尿液和粪便排出体外【2 0 】。因此，经由人体排泄进入环境的雌激素总量估计 在4 4 k g 年百万居民。美国人1 ：3 普查局2 0 0 9 年的调查显示，地球人1 ：3 估计为6 7 亿居民， 这意味着雌激素排泄量为2 9 5 吨年。除此之外，加上消耗的药物雌激素1 0 0 k g 年5 0 0 万居引2 1j ，在平均约有6 0 万妇女使用荷尔蒙避孕药且排泄量达到6 0 的基础上，每年 约有7 2 0 k g 的合成雌激素进入环境。 动物体内天然雌激素的排泄，也涉及e 1 ，e 2 ，e 3 1 2 2 1 。尽管各种脊椎动物都排放雌 激素，但其排放量与动物种类、生长阶段、性别、年龄等有关。反刍动物的雌激素排放 主要通过粪便( 牛为5 0 7 0 ，羊为9 6 ) ，猪和家禽主要通过尿液( 分别为9 0 9 6 、 6 9 ) 排出体外。不同物种排泄激素产生种类不尽相同：e 2 和e 1 是牛排泄的主要激素 种类，而在猪的排泄物中，检测到的雌激素主要是e 1 ，e 2 ，e 3 和其共轭形式口3 1 1 2 4 1 。e 2 主要存在猪粪中【25 1 。家禽排泄的主要类固醇激素是e 1 和e 2 。与人类相比，当涉及繁殖 行为时，动物的激素分泌水平更高。由于有关动物排泄的雌激素水平的数据有偏差，准 确估计动物排放雌激素的总量是困难的。l a n g e 2 6 】等根据现有数据，并考虑不同种类牲 畜( 猪，羊，牛，和鸡) 产生排泄物统计，计算在美国和欧盟雌激素排放量分别为4 9 吨和3 3 吨。常见哺乳动物雌激素排泄量见表1 2 。 表1 2 常见哺乳动物的雌激素排泄量 4 硕士论文 多食鞘氨醇菌活性污泥法降解水中甾体雌激素机理研究 1 2 2 甾体雌激素的分布 甾体类雌激素分布较广，目前，地表水、废水、沉积物、地下水、水生生物中都检 测到甾体雌激素的存在。( 见图1 3 ) 。 图1 3 甾体雌激素水中分布 a b a t a 等2 7 1 研究发现，日本的1 0 9 条河流、2 5 6 个水样中，2 2 2 个水样中含有e 2 ， 浓度为2 1 n g l 。饮用水中也证明含有甾体雌激素【2 8 1 。动物粪便排放到农业耕地上作为 肥料，导致甾体激素转移到地表水和地下水中【2 9 】【3 0 1 。 1 2 3甾体雌激素的环境浓度 甾体雌激素的环境浓度见表1 3 。 1 绪论 硕士论文 表1 3 甾体雌激素环境浓度 研究显示，沉积物和废水中有较高浓度的甾体雌激素。据报道，未经处理的污水中 激素水平稳定在n g l 。原水中的甾体雌激素主要来自人类尿液。e 1 、e 2 和e 3 浓度，分 别为3 0 一8 0 、5 3 0 、8 0 3 0 0 r t g l 。检测到的e e 2 浓度低于1 0 n g l 。 a d l e r l 4 0 1 等发现共轭激素在进水总雌激素负荷中高达6 0 。相比于雌激素葡萄糖苷 酸共轭物，硫酸盐共轭物较难降解【4 l 】。e l 、e 2 、e 3 共轭雌激素水平分别为的0 2 9 ，3 8 5 和3 3 - 2 5 3 肛g l 。 n e l u md o r a b a w i l a t 3 l j 等采用酶联免疫吸附法( e l i s a ) 测定马里兰州东海岸近海海 湾、污水处理厂、河流和地表水中e 2 浓度。河流中e 2 浓度介于1 9 肛g l 6 g l 。河水 下游的污水处理厂的e 2 浓度最高。沿海港湾e 2 浓度为2 3 3 2 n g l 。 h o l g e rm t 3 4 1 等测定了德国南部河流和饮用水中酚类固醇激素的含量。甾体雌激素浓 度为2 0 0 p g l 一5 n g l 。饮用水中测出甾体雌激素浓度为l o o p g l 2 h e e l 。实验结果表明， 污水处理过程中雌激素不能被完全去除。甾体雌激素通过水循环重新进入地表水系统。 b r a g ao 等研究了深海排污口出海洋沉积物中类固醇激素浓度。e 1 、e 2 和e e 2 浓度 为分别为0 1 6 - 1 1 7 n g g 、0 2 2 - 2 4 8 n g g 、o 0 5 _ 0 5 n g g 。 w i c k s 【4 2 】研究了低剂量( 约2 5 n g l ) 浓度下，天然雌激素e 2 对地表水中鱼类数量的 6 硕士论文多食鞘氦醇菌活性污泥法降解水中甾体雌激素机理研究 影响。地表水和地下水中e 2 主要来自禽类、人类和哺乳动物的排泄。研究人员通过测 定奥索卡高原含水层中e 2 的含量来评估雌激素对该生态环境中水生生物健康的不利影 响。该地区全年度e 2 浓度为1 3 8 0 n g l 。 k o l o d z i e j 等利用气相色谱串联质谱法( g c m s m s ) 测定牛奶养殖场废水中甾体雌 激素浓度，以此评估雌激素来源对周边水生环境的影响。养殖废水中，内源性雌激素 e 2 和e l 的检测浓度高达6 5 0 n g l 。地下水水样同样检测出甾体雌激素的存在。由于动 物粪便的污染，在地表水水样中检出约l n g l 的类固醇雌激素浓度。三个鱼类养殖场排 水中也存在接近l n g l 浓度的e l 。含有成年奇努克鲑鱼的河流中也检出类似雌激素浓 度。这些结果表明，乳品废水、水产养殖污水、甚至产卵鱼类可导致地表水中类固醇激 素的检测浓度变化。 国外有关甾体雌激素的调查见表1 4 。 表1 4 不同国家不同污水处理厂自由雌激素与共轭雌激素浓度( n g l ) c a r g o u e tm p 6 j 等对法国巴黎及其周边污水处理厂出水和河流的调查显示，样品中雌 酮( e 1 ) ，1 7 1 3 雌激素( e 2 ) ，雌三醇( e 3 ) 和1 7 a 炔雌醇( e e 2 ) 的浓度范围为n g l 。 合成雌激素e e 2 在污水厂处理过程中似乎更难降解，占雌激素活性的3 5 5 0 。四种雌 激素的浓度差异及体外生物雌激素活性测定从侧面反映了生物降解雌激素的机理复杂 性。 d e s b r o w l 5 3 】等报道英国几家污水处理厂出水中的e 2 和e l 的浓度分别为1 - 5 0 n g l 和 1 - 8 0 n g l 。另外d e s b r o wc 等人在三个污水厂检测到e e 2 的浓度为o 2 7 0 n g l 。 a s c e n z o 【5 4 】等人通过测定罗马多个污水处理厂中自由雌激素和共轭雌激素浓度发 现，污水处理过程可以将e 3 1 7 g 、e 3 3 g 、e 3 3 s 完全去除，出水中检测到了e l 、e 2 、 e 3 和、e l 一3 g 的存在1 5 引，这表明污水处理过程并不能使雌激素完全除去。 l 绪论硕上论文 1 3 甾体雌激素的处理方法 甾体雌激素在环境中广泛存在，主要的去除方法有：物理去除、化学氧化和生物降 解。 1 3 1 物理吸附 活性炭( a c ) 是消除各种有机污染物的常用手段。几组科研人员均对活性炭去除水 中痕量污染进行研究【5 6 】【5 7 1 。过去几年中，许多研究人员已经证实，活性炭对实验室模拟 废水、实际工厂废水中的甾体雌激素均有良好的吸附去除效果【5 8 】【5 9 】【6 0 1 。活性炭对不同 水环境中甾体雌激素的降解研究主要集中在甾体雌激素的理化性质和a c 的材料性能。 a b e t 6 1j 等从不同内分泌干扰物的化学性质推断a c 的吸附效果，并通过实验进行验证。 结果表示，随着活化时间增加，微孔体积和比表面积增加，吸附效率随着提高。1 w a s a k i 等【6 2 j 利用e l 和e 2 的去除率评估活性炭吸附性能，试验结果显示，k o w 值高，物质容 易被吸附。同时，活性炭的种类和使用寿命同样影响雌激素的去除效犁6 3 】。一些基本的 环境参数，如吸附剂浓度、p h 、盐度、表面活性剂的存在同样影响活性炭的吸附效率。 结果表明，吸附剂浓度升高、表面活性剂的和腐殖酸的存在抑制活性炭的吸附能力。 1 3 2 生物处理 废水处理系统的主要目的是去除水中的有机物和含氮含磷物质。研究发现，经过废 水处理系统，甾体雌激素的浓度同样有所降低。其中，通过预处理、化学沉淀，曝气挥 发和污泥吸收降解雌激素的比例很小，多数废水中的甾体雌激素通过生物降解去除晔】。 然而，大部分的甾体雌激素并没有被完全降解。早在1 9 9 9 年，研究人员分别研究了 德国、加拿大和巴西三国活性污泥工艺对甾体雌激素的去除效率。g c m s m s 的结果显 示，e 1 、e 2 和e e 2 的去除率分别是8 3 ，9 9 9 和7 8 6 5 1 。s v e n s o n t 删等比较了活性 污泥法、滴滤池、化学沉淀法对雌激素的降解效果，结果表示，活性污泥工艺去除率最 高，相应的平均去除率分别为8 1 ，2 8 和1 8 。德国的a n d e r s e n 【4 1 j 发现e 1 、e 2 整 体去除效率在9 8 以上，而e e 2 略低。其中，约9 0 的e 1 和e 2 在活性污泥系统被降 解，e e 2 的降解主要发生在硝化池中。y ia n dh a r p e r l 6 6 】印证着这一现象，并发现e e 2 的 降解率与n h 4 + - n 的浓度存在正比例关系。与实际废水处理系统相比，实验室规模试验 有一定优势，如控制废水优势构成或浓度。同时可进一步研究环境因素像溶解氧，水力 停留时间( h r t ) ，污泥停留时间( s r t ) 和其他影响条件改变对甾体雌激素降解的影响。 因此，要验证在不同条件下甾体雌激素的去除性能及研究生物降解甾体雌激素机理时， 实验室规模的试验是必要的。目前，利用模拟废水或实际废水，研究好氧和厌氧条件下， 天然激素，如e 1 ，e 2 和人工合成的化学物质包括e e 2 等的实验室规模的生物降解已经 陆续展开。 硕士论文多食鞘氨醇菌活性污泥法降解水中甾体雌激素机理研究 t e m e s 6 5 】研究了好氧条件下，污水处理厂中活性污泥对天然和人工合成的雌激素的 生物降解作用。研究人员发现，去除过程中，共轭雌激素解离，e 2 迅速转化为e 1 ，e 1 去除速度低于e 2 转化e 1 速度【6 n 。s u z u k i 和m a r u y a m a 研究了有氧序列实验中，不同的 条件( 如污泥浓度，反应温度，污泥负荷等因素) 对雌激素降解的影响。结果显示，一 开始，e 1 和e 2 迅速被活性污泥吸附，在随后几个小时内被生物降解。当实验温度低， 活性污泥对雌激素的降解速率变慢，溶解氧( d o ) 消耗减慢，硝化作用受到抑制。而 当温度升高时，e 1 和e 2 被快速降解。这说明活性污泥对e 1 、e 2 的降解与溶解氧和硝 化作用有关。在厌氧环境中，甲烷、硫酸盐、铁离子、硝酸盐还原条件下，在较长时间 内，没有发生e e 2 的降解现象，而四种还原条件下，e 2 均可转化为e 1 ，并且不存在 e l 对e 2 降解的抑制作用【6 8 】，同时也观察到e 2 和e 1 之间的相互转换【6 9 】。 1 3 3 化学氧化 近年来，使用不同的化学氧化剂( c a o ) 降解雌激素的研究逐渐增多。化学氧化剂 通过氧化还原反应，氧化废水中目标污染物转变为其他小分子降解物质。甾体雌激素在 水处理中能被够被一系列的氧化物氧化，进而降低其环境的危害性，关键在于对氧化剂 的选择。氧化还原电势的大小依次为：f e 0 4 2 - 0 3 s 2 0 4 2 - h 2 0 2 c 1 2 c 1 0 2 。为提高雌激 素去除效率，u v 0 3 、u v h 2 0 2 和u v f e n t o n 的组合得到广泛应用，产生的羟基自由基 ( o h 。) 氧化还原电位为2 8 0 v 7 0 j ，氧化还原电位越高，越有利雌激素的氧化。 化学氧化对甾体雌激素的去除研究可分为三类：( 1 ) 化学氧化剂操作条件的优化及 氧化特性；( 2 ) 氧化降解雌激素机理研究；( 3 ) 化学氧化甾体雌激素途径。绝大多数研 究是实验室规模下研究废水中甾体雌激素的降解。j i a n g 7 1 】研究了城市生活污水中f 氧化去除效果。结果表明，f e + 6 能有效减少废水中的e l 和e 2 。然而实验没有进一步探 讨实验影响因素和降解动力学研究。 氯被广泛用于自来水消毒和污水杀菌。h u 7 2 j 等人对氯化过程去除b p a 和e 2 进行研 究，测定反应过程中的副产品，并推断可能的降解途径。氯化法不能完全去除水中甾体 雌激素的雌情活性。与氯化法相比，臭氧、u v h 2 0 2 和其他组合工艺能有效的去除甾体 雌激素【7 3 】。r o s e n f e l d t 的试验表明，u v h 2 0 2 对水溶液中e 2 和e e 2 的去除率达到9 0 以上。这一结论被c h e n 等人进一步证实【7 4 】，并对操作条件的优化和降解动力学进行研 究。 1 4e 2 的生物降解 科学工作者对e 2 在水环境中的光解过程、生物降解过程作了大量的工作。研究表 明：生物降解过程才是决定e 2 在环境中持久性的重要因素。由于普通的水处理难以除 去水中的甾体雌激素，而用化学反应的方法，又会生成其它的反应物质。有些生成物的 9 l 绪论 硕士论文 毒性甚至比其原有的物质对环境的危害还要大，从而使利用生物方法降解甾体雌激素日 益受到人们的重视。 s h i 掣7 5 】发现日本某垃圾填埋场渗滤液处理场的硝化污泥以及欧洲亚硝酸单胞菌 n i t r o s o m o n a se u r o p a e a 不仅可以降解e e 2 ，而且可以降解e 1 、e 2 与e 3 ；硝化污泥可将 e 2 完全转化为e l ，然而在欧洲亚硝化单胞菌降解e 2 的过程中未发现e 1 的生成；同时 证实硝化污泥中存在硝化菌以外的雌激素降解菌。y o s h i m o t o 等同样利用硝化活性污泥 和n i t r o s o m o n a se u r o p a e a 降解环境激素，证明其可能具有降解e 2 的能力。 t a k e s h iy o s h i m o t 0 1 7 6 1 从污水处理厂中通过富集培养筛选出四种e 2 降解菌株，均属于 红球菌属，研究人员通过气质联用( g s m s ) 测定发现，菌种能高效快速降解水中 1 0 0 m g l 的e 2 、e l 、e 3 、e e 2 。其中，r z o p f i i y5 0 1 5 8 显示出较高的降解活性效率。 通过人乳腺癌m c f - 7 细胞增值实验测定雌激素活性表明，四种菌株能在2 4 h 之内降解 1 0 0 m g l 的e 2 至l m e g l 以下，并且能彻底去除e 2 雌情效用。 w e n b e r 等1 77 】选择传统活性污泥法和膜生物反应器中的活性污泥，利用e 2 为碳源的 选择培养基，筛选出雌激素降解菌株。该菌株能利用e 2 、e 1 作为增长基质，并转化为 e 3 和1 6 0 【羟基雌酮。e 2 的降解速率为0 0 2 5 0 1 “g 0 a e f u ) ，且不受基底浓度限制。东京 的k a t s u h i k of u j i i 7 8 1 分离出e 2 降解菌，鉴定为新鞘氨醇杆菌( n o v o s p h i n g o b i u m ) 。气质 联用分析显示，培养基中e 2 降解产物对环境无害。 l i y i n gj i a n g 掣7 9 】分离出隶属于芽孢杆菌属菌株的四种菌株，都能将e 2 转化为e 1 ， 极大降低了雌激素活性。其中，两种菌株e 2 y 1 和e 2 y 4 能够进一步降解培养基中积累 的e 1 。e 2 y 1 具有最高降解效率，在四天能能完全降解1 m g l 的e 2 和4 0 的e 1 代谢 产物。此外，e 2 y 4 降解速率随着基体浓度增加而增加。 目前e 2 生物降解的途径如下：( 1 ) 厌氧条件下，e 1 还原成e 2 ；( 2 ) e 2 氧化成e l ； ( 3 ) e 1 降解成一种未知物质；( 4 ) 结合态物质的分解。 曾庆玲【8 0 】通过液相色谱检测初步确定了e 2 的代谢产物e l ，采用液相色谱质谱联用 技术对菌种p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s at j l 降解e 2 的中间产物进一步检测。微生物氧化甾 体化合物的羟基成酮基主要是将c 30 【或c 3 d 位上的羟基转化为c 3 位酮基，或者是将 c 1 7 a 或c 1 7 1 3 位上的羟基转化为c 1 7 位酮基【引】。说明菌株p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s at j l 降解e 2 的过程中，先将e 2 上c 1 7 1 3 位的羟基氧化为酮基，生成e 1 ，然后再进一步降 解成其他产物。 1 5 试验研究意义与内容 1 5 1 课题来源 本课题来源于江苏省基础研究计划( 自然科学基金) 一面上项目“废水中微量雌激素 1 0 硕士论文多食鞘氨醇菌活性污泥法降解水中甾体雌激素机理研究 降解机理与影响因素研究”，编号s b k 2 0 1 0 2 2 4 6 4 。 1 5 2 课题研究意义及主要内容 综上所示，甾体雌激素由于在低浓度浓度下，分布广，污染范围大，对人类健康效 应和野生动物具有危害，逐渐成为一个世界性问题，且伴随着工业化程度的提高，有进 一步扩大的趋势。虽然国外科学家陆续开展了对环境雌激素危害与污染研究，然而在国 内，对甾体雌激素的研究起步较晚，重视程度也不够高，因此，开展深入研究和采取有 效污染防治措施是必要的。 城市污水是甾体雌激素的主要来源之一。因此，城市污水处理厂对甾体雌激素的去 除潜能将成为世界范围内废水处理出水水质的主要问题之一。甾体雌激素中，e 2 是一 种常见的天然雌激素，通过人体和哺乳动物的排泄进入环境，在水环境中普遍存在，并 且是诸多环境雌激素的雌情作用最强，影响最大的一种。因此，本研究选取e 2 作为研 究对象，研究水环境中e 2 的生物去除模式，为实际污水处理系统去除雌激素提高理论 支撑和可行性研究，具有重要意义和价值。 本论文主要研究了活性污泥对e 2 的去除性能，包括吸附作用和生物降解影响因素， 并进一步考察了高效降解菌降解e 2 模式及其降解性能。论文的主要内容分为以下三个 部分： ( 1 ) 研究活性污泥对e 2 的去除作用，包括吸附作用的影响。具体考察了试验过 程中不同e 2 初始浓度、污泥浓度( m l s s ) 、温度等因素对活性污泥去除e 2 的影响。 ( 2 ) 筛选e 2 高效降解菌株。采用微生物富集、分离技术筛选出对甾体激素e 2 具 有生物降解作用的菌株。通过驯化，研究不同菌株对e 2 的不同降解模式，确定高效降 解菌株，并进行进一步菌株鉴定。 ( 3 ) 以e 2 高效降解菌为研究对象，研究各种环境因素( 如温度、p h 、初始浓度、 金属离子等) 对e 2 降解效果及菌株生长的影响，确定最佳降解条件，同时通过质谱对 e 2 代谢产物进行分析鉴定，以期初步阐明e 2 的生物降解机理进行初步的探讨。为高效 菌降解e 2 在环境污染修复领域中的实际应用提供理论依据。 2 活性污泥对e 2 的去除研究 硕士论文 2 活性污泥对e 2 的去除研究 为获得活性污泥处理系统中e 2 去除过程的更多信息，研究污泥吸附作用和生物 去除过程中不同因素的影响作用。本研究采用驯化污泥，研究其对甾体雌激素e 2 的吸 附及其降解作用，同时研究活性污泥对雌激素的降解作用中的因素影响，如e 2 初始浓 度、污泥浓度、温度。并在此实验条件下推测e 2 的去除速率。 2 1 实验材料 2 1 1 活性污泥 活性污泥取自于南京城东污水处理厂( a o o ) 污泥回流池，利用有效容积为2 0 l 的间歇式反应器进行配水驯化。反应器配有一套小的曝气装置，维持反应器1 0 3 0 m g l 的溶氧量( d o ) ，并配有搅拌器，间歇式进行中速搅拌。实验装置见图2 1 。 图2 1 实验装置图 实验配水见表2 1 。 表2 1 污泥驯化配水 1 2 硕士论文 多食鞘氨醇菌活性污泥法降解水中甾体雌激素机理研究 通过测定c o d 、氨氮、污泥沉降比( s v i ) 等指标观察污泥驯化情况。经过两个月的 驯化，s b r 系统对c o d 和氨氮有良好的去除效果，去除率分别为9 0 和9 5 ，且去除 效果稳定。m l s s 在2 5 0 0 m g l 左右，s v 在2 0 左右，污泥沉降指数为6 6 7 5 。镜检可以 观测到钟虫、轮虫存在。污泥吸附试验设计参考y ia n dh a r p e d 8 2 1 、x u t 8 3 】等人的试验方法。 在反应器静止期取出污泥，离心，去除上清液，用等体积去离子水清洗。保持污泥的 m l s s 在2 5 0 0 m g l 。污泥活性指标见表2 2 。 表2 2 驯化污泥指标 2 1 2 实验试剂 1 7 1 3 - 雌二醇( c a s5 0 2 8 2 ， 9 8 ) ，购自于美国s i g m a 公司，其它化学药品为分析纯， 购自于国药集团化学试剂有限公司。配制1 0 0 0 m g l 的e 2 甲醇储备溶液，用蒸馏水稀 释至试验所需浓度。其他试剂均为化学纯。 2 1 3 分析方法 实验中测试的项目主要包括c o d 、n i - 1 4 + - n 、m l s s 以及水相的e 2 浓度。 ( 1 ) e 2 的分析测定方法 准确量取水样1 0 0 m l ，在5 0 0 0 r p m 条件下离心5 m i n 后取上清液。e 2 由化学发光免 疫分析法测定。e 2 化学发光免疫分析试剂盒为b e c k m a n 公司提供，仪器为美国b e c k m a n c o u l t e r 公司生产的a c c e s s 全自动微粒子化学发光免疫分析系统【洲。液体培养物离心后 收集上清液，0 2 p m 滤膜过滤，采用自动化分析过程，仪器自动吸入液相试剂后自动吸 样加入测试杯或反应管。在3 7 。c 温育3 0 m i n 或6 0 m i n ，高速离心分离，加入发光底物， 通过光电倍增管记录发光强度( r l u s ) 8 5 0 利用标准曲线确定待测溶液中的e 2 浓度。 ( 2 ) 其他项目测定方法：m l s s ：1 0 3 1 0 5 烘干重量法；c o d ：重铬酸钾法；n h 4 + - n ： 纳氏试剂法。 2 2 污泥去除实验设计 取一定体积活性污泥，去除上清液，加入等量的反应器系统出水稀释污泥，维持污 泥m l s s 在2 5 0 0 m g l 左右，进行灭活污泥吸附与去除试验。 2 2 1 污泥吸附试验 由于活性污泥系统中含有丰富的微生物种类，为避免生物降解对实验