（化学工程专业论文）持久性有机污染物五氯苯酚（pcp）的生物降解.pdf

中文摘要 五氯苯酚( p c p ) 是一种污染广泛的持久性有机污染物，最早是作为木材防 腐剂得到了应用，随后它的用途逐渐扩展，与其它氯代酚一起广泛地用作杀菌剂、 除草剂、除海藻剂。p c p 的广泛应用已经造成了世界范围的污染，研究污水中p c p 的去除具有重大的意义。 本研究首先以原生动物为靶生物对p c p 的生态毒性进行了综合评价。确定了 p c p 对原生动物群落1 2 h 急性中毒的最大无致死和最小全致死浓度范围，并得到 了半数致死效应浓度( l c 5 0 ) 为2 4 0 m g l 。其次，在实验室内自行培养和筛选了四 株对p c p 有较强耐受能力的菌株，分属于k l e b s i e l l at e r r i g e n a 、u n c u l t u r e d b a c t e r i u m 、b a c t e r i u ms v 2 6 i i 和p s e u d o m o n a sm i g u l a e 菌属。通过研究各菌株的生 长曲线，得到了最适合菌株生长的实验条件，在此条件下用游离状态的菌株以 p c p 为唯一碳源，对含有p c p 的废水进行了间歇降解实验，得到去除率达到9 0 以上时，各菌株对p c p 的降解曲线。降解实验的同时还检验了细菌代谢过程中存 在的还原脱氯现象，并分析了不同菌株代谢过程的中间产物。 本研究还重点考察了固定化微生物法中使用的包埋材料对废水p c p 的吸附， 得到吸附平衡时间为2 4 h ，并计算得到聚乙烯醇( p v a ) 和海藻酸钠、硅藻土和 海藻酸钠作为包埋材料时，固定化颗粒对p c p 的吸附均符合f r e u n d l i c h 等温吸 附方程。采用固定化微生物法去除p c p 时，首先通过正交实验确定了固定化微 生物降解p c p 的最优实验条件。然后在实验条件下分别固定化四株耐受菌对含 有p c p 的废水进行了间歇降解实验，得到了固定化单株菌的降解曲线，将此结 果与游离状态菌株的降解结果相比，固定化微生物降解p c p 的方法优于游离状 态的细菌对p c p 的降解。最后，利用固定化混合菌株的颗粒对含有p c p 的废水 进行生物降解，结果表明，混合固定化后降解速率提高较快，尤其是混合固定菌 株b 、c 、d 后，降解效率提高尤为明显。为了解共代谢基质在p c p 生物降解过 程中的影响，本研究还考察了不同浓度的葡萄糖、丙三醇、苯酚、丁二酸作为共 代谢基质时，对含有p c p 废水的降解效果的影响。 关键词：五氯苯酚，原生动物，混合固定化，共代谢，污水处理 a b s t r a c t p e n t a c h l o r o p h e n o l ( p c p ) i so n eo fp e r s i s t e n to r g a n i cp o l l u t a n t s ；i ti se x i s t e d b r o a d l yi nt h ew a t e r s f i r s t l y , i ti su s e dt ot i m b e ra n t i s e p t i c ，a n dt h e ni ti sp o p u l a r a p p l i e d a si n s e c t i c i d e sa n dh e r b i c i d e st o g e t h e rw i t ho t h e rc h l o r o p r e n e t h eu s eo fp c p l e a dt oab r o a dp o l l u t e d ，n l es t u d i e so nd e g r a d a t i o no fp c pa r es i g n a l e d f i r s t l y , t h et o x i c i t yo fp e n t a c h l o r o p h e n o l ( p c p ) w i t hp r o t o z o a nc o m m u n i t ya s t a r g e to r g a n i s mw a ss t u d i e d i nt h e12 h - c u t et o x i c i t yt e s t i n g ，t h em a x i m a lt o l e r a n c e a n dm i n i m a la l ll e t h a la r ei n v e s t i g a t e d ，t h eh a l fl e t h a lc o n c e n t r a t i o nw a s2 4 0 m g l s e c o n d l y , f o u rb a c t e r i at h a tc o u l dl i v e i nt h eh i g hc o n c e n t r a t i o no fp c p h a db e e n c u l t i v a t e da n dd o m e s t i c a t e d ；t h e ya r ek l e b s i e l l at e r r i g e n a 、u n c u l t u r e db a c t e r i u m 、 b a c t e r i u ms v 2 6 、p s e u d o m o n a sm i g u l a e t h ef i t t e s tv e g e t a lc o n d i t i o n so ft h ef o u r p r e d o m i n a n tb a c t e r i ah a db e e nl i s t e db ys t u d y i n gt h e s eg r o w t hl i n e s u n d e rt h ef i t t e s t c o n d i t i o n ，i n t e r m i t se x p e r i m e n t so fd e g r a d a t i o nh a db e e nr e s e a r c h e d ，a n dt h ec a lv e s o fd e g r a d a t i o nh a db e e ni n v e s t i g a t e d t h i r d l y , t h ep r o c e s s e so fp r o d u c i n gc h l o r i n ea n d o t h e rp r o d u c t i o nd u r i n gm e t a b o l i z i n gh a db e e nd e t e c t e d t h ea d s o r p t i o no fp c pb yi m m o b i l i z e dg r a n u l e sh a db e e ns t u d i e dc a r e f u l l y t h e a d s o r b e db a l a n c et i m ei s2 4h o u r sa n dt h ea d s o r b e de q u a t i o n sh a db e e nc a l c u l a t e d w h e nt h ei m m o b i l i z e dg r a n u l e sw e r ep v aa n dd i a t o m i t e ，t h ea d s o r b e de q u a t i o n s w e r ea ss a m ea sf r e u n d l i c ha d s o r b e de q u a t i o n t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t sw e r e d e s i g n e d ，i no r d e rt ok n o wt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n s u n d e rt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n ， c u r v e so fi n t e r m i td e g r a d a t i o no fp c p b yi m m o b i l i z e db a c t e r i ah a db e e nd e s c r i b e d c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so fd e g r a d a t i o nb yb a c t e r i a i ns o l u t i o n , t h em e t h o do f i m m o b i l i z e db a c t e r i ai sb e t t e r t h er e s u l t so fd e g r a d a t i o nb yi m m o b i l em i x e db a c t e r i a w e r ea l s ok n o w n t h er e s u l t sp r o v e dt h a tt h ev e l o c i t yo fd e g r a d a t i o nc o u l db e e n h a n c e d e s p e c i a l l y , t h ei m m o b i l eb a c t e r i am i x e dw i t hb ，ca n dd i st h eb e s t c o m p o u n d i n g ，c o m e t a b o l i cd e g r a d a t i o n o fp e n t a c h l o r o p h e n o l ( p c p ) w a sa l s o r e s e a r c h e d t h ee f f e c to fp c pd e g r a d a t i o nw i t hg l u c o s e ，g l y c e r o l ，p h e n o lo r b u t a n e d i o i ca c i da sg r o w t hs u b s t r a t ew a sc o m p a r e d k e yw o r d s ：p e n t a c h l o r o p h e n o l ( p c p ) ，p r o t o z o a nc o m m u n i t y , i m m o b i l em i x e d b a c t e r i a ，c o m e t a b o l i cd e g r a d a t i o n ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t 前言 - 一 刖舌 五氯苯酚( p e n t a c h l o r o p h e n o l ，简称p c p ) 是一种白色、结晶状的酚类化合 物，它是一种持久性有机污染物，对人类和环境具有很大的危害。p c p 最早是 作为木材防腐剂使用，随后用途逐渐扩展，与其它氯代酚一起广泛用作杀菌剂、 除草剂、除海藻剂以及杀虫剂等。另外，一些天然或合成化合物能够发生氯代反 应从而间接合成p c p ，进而直接通过工业排放进入到水环境中，造成水体污染。 p c p 的广泛使用已经造成世界范围内的土壤和地下水污染，中国环境检测总站 和美国e p a 均将其列为优先控制污染物，研究废水中p c p 的去除具有较高的实 用价值和社会效益。 p c p 的处理技术研究已经成为当今环境科学工作者关注的焦点问题，并取得 了广泛的成果。根据不同的机理，形成了许多技术路线，包括基于强氧化过程的 非生物处理技术，如分顿试剂( f e n t o n r e a g e n t ) 高级氧化技术( 电一分顿试剂氧 化、光一分顿试剂氧化) 、超声波诱导和t i 0 2 光催化降解等，也包括基于生物处 理技术的生物共代谢技术、高效菌种技术、细胞固定化技术等处理方法。 非生物技术中，f e n t o n 试剂高级氧化技术、超声波诱导技术和光催化技术都 是利用羟基自由基( o h ) 极强的氧化性或是通过自由基反应以提高难降解有机 物的生化处理性能，或者是直接将有机物矿化，只是产生羟基自由基( o h ) 的 机理稍有不同，这类技术是近年来在有机废水处理中发展最快的处理技术之一。 生物降解技术是一种高效、清洁的技术，其中生物共代谢降解五氯苯酚是对传统 污水处理工艺的改进和创新，从而实现了对难降解有机物的有效降解，但是五氯 苯酚的降解过程是渐次脱氯的矿化过程，共代谢降解法存在降解不彻底的不足： 高效菌种和细胞固定化是利用新兴的生物技术手段，通过培养优势菌群、改良菌 种周围的微环境实现对难降解有机物的有效降解。高效菌种对五氯苯酚的降解具 有专一性，但是实际废水处理过程中，很难确定污水中其他污染物对优势菌种的 影响程度，另外对细菌的培养和降解过程条件控制严格，就目前实际情况很难得 到工业化应用；对细菌固定化后优势菌种的微环境发生变化，使得优势菌对污水 的耐冲击性大大增强，同时固定化技术易于掌握和推广，是一种适合向工业化推 广的高效地处理持久性有机污染物五氯苯酚的方法。 本文在文献和前人研究基础上，对p c p 的生态毒性进行了评价，并在实验 室内培养和筛选出了几株对p c p 具有较强耐受能力菌株，分别采用游离菌株降 解废水中的p c p 、固定化单一菌株间歇降解p c p 和混合固定化耐受菌株颗粒间 歇降解废水中的p c p 。通过比较各种方法的降解效果，分析反应的中间产物，讨 刖舌 论了菌株在不同环境下降解能力改变的原因。最后，在降解效果最好的试验组中 添加不同浓度的葡萄糖、丙三醇、丁二酸和苯酚作为共代谢基质，进一步考察了 共基质对p c p 降解效果的影响。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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了谢意。 学位论文作者签名：_ c 栅蔼 签字日期： 卿年，月。，日 学位论文作者签名：鸟柙韵 签字日期： 撕7 年，月t ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 飘f 柏 新虢专幼寻 签字日期：k 力年， 月，日签字日期：却年， 月，日 第一章文献综述 1 1p c p 简介 1 1 1p c p 的理化常数 第一章文献综述弟一早义陬碌怂 五氯苯酚( p e n t a c h l o r o p h e n o l ，简称p c p ) ，化学式为c 6 c 1 5 0 h ，是一种白色、 结晶状的酚类化合物，气味与苯相似，当受热时有辛辣味，沸点为3 0 9 - 31 0 c ， 比重为1 9 7 8 ，蒸汽压为0 0 0 0 1 l m m h g ( 2 5 c ) ，蒸汽密度为9 2 ( 空气= l ，2 0 ) ， 水中溶解度为1 4m g l ( 2 0 c ) ，是一类有毒有害的难降解有机物，动物半数致死量 为1 4 6m g k g ( 大鼠、吞食) ，人体疑似致癌，动物确定致癌【1 1 。 1 1 2p c p 的来源 p c p 最早是作为木材防腐剂使用，随后用途逐渐扩展，与其它氯代酚一起广 泛用作杀菌剂、除草剂、除海藻剂以及杀虫剂等。作为一种重要的防腐剂，常被 用于羊毛储存、棉纱浆料、裘皮制作、皮革防腐等；作为有效的杀菌剂，被长期 应用于造纸业，用来杀除纸黄斑菌；作为杀虫剂，上世纪在全世界范围被广泛应 用一j 。例如：上世纪8 0 年代，我国的湖北、湖南、四川等十多个省市长期流行 日本血吸虫病，有关部门用五氯酚钠( n a p c p ) 来消灭血吸虫中间的宿主钉螺，并 且取得了明显效果。后来，在血吸虫病流行的区域：n a p c p 灭虫的方法被广泛使用。 但在9 0 年代后，使用过n a p c p 的地区，陆续出现了塘鱼死亡、人畜中毒等现象， 从该地区生产的肉、蛋、奶、蔬菜、水果中均检测出n a p c p 的残留【4 】。 p c p 除了作为木材防腐剂、杀虫剂【5 】等进入到环境中外，还直接通过工业排 放进入到水环境中，例如：漂白纸浆的废水在工业排放过程中，一些天然或合成 化合物能够发生氯代反应从而间接合成p c p ，造成水体污染。p c p 的广泛使用已 经造成世界范围内的土壤和地下水污染，中国环境检测总站和美国e p a 均将其列 为优先控制污染物。 1 1 3p c p 对人畜的毒性机理【6 ，7 】 p c p 的危险标记为1 5 ，具有强大的解偶联作用( 人和动物机体正常代谢时， 第一章文献综述 物质氧化和磷酸化同时进行保持能量平衡，称为偶联) ，能引起氧化磷酸化过 程失调，影响机体的能量代谢和三磷酸循环，造成一系列毒性反应。 图1 1 所示的就是物质进行氧化和磷酸化的过程，物质氧化所释放出的能量 使二磷酸腺苷( a d p ) 磷酸化形成三磷酸腺甘( a t p ) 。a t p 储存能量后又释放自由 能供给机体生理生化过程需要转化为a d p ，a d p 刺激物质氧化产生能量，被磷酸 化为a t p 。氧化磷酸化过程总偶联进行，保持机体能量平衡。 a d p + h 3 p 0 4 = = 兰a t p 磷酸化 上 1 l 偶 i 联 j 自由能 ( 供生理、生化过程需要，保持能量平衡) 图1 1 氧化和磷酸化过程 f i g 1 1t h ep r o c e s so fo x i d a t i o na n dp h o s p h o r i ca c i d p c p 在人畜体内对磷酸化有强烈的抑制作用，使a d p 不能磷酸化形成a t p 。 由于a d p 浓度增加，导致呼吸链氧化作用增强，而氧化产生的大量能量又不能通 过磷酸化作用进行贮存，只能以热的形式散发，于是引起人畜大汗淋漓、血管扩 张、呼吸加快、脸红发热等急性中毒症状。严重时能引起淤血、出血、心脏衰竭 而死亡。 1 1 4p c p 对人类和环境的影响 p c p 属于中等毒性物质，比较稳定，在动植物体内的富集率高，所以对人体 和生物能产生潜在的致突变效应。吸入或经皮肤吸收可引起头痛、疲倦、眼睛和 粘膜的刺激症状，严重者体温高达4 0 度以上，大汗淋漓、呼吸增快、口渴、心跳 加速、烦躁不安、肌肉强直性痉挛、血压下降、昏迷、直到致死【8 1 。 急性毒性的半数致死浓度( l d 5 0 ) 为：大鼠经h l d 5 0 ，5 0 m g k g ；大鼠经皮 l d s 0 ，1 0 5 m g k g ；大鼠经口( 1 橄榄油液) l d 5 0 ，7 8 m g k g ；兔经口( 5 橄榄油液) l d 5 0 ，7 0 m g k g ；人经口最低致死剂量为2 9 m g k g 。 通常条件下p c p 不被氧化，也难于水解，但容易光解。在土壤悬浮溶液中， 五氯酚在4 7 天内1 0 0 地发生了环的分裂，放出二氧化碳。p c p 容易蓄积，它在 生物中富集浓度远远超过它在水中的浓度。在高有机质含量的酸性土壤或沉积物 上具有很高的吸附性。p c p 可以迁移和转化，它能通过生物富集而进入食物链， 第一章文献综述 能强烈地吸附在土壤中，同时被植物吸收。 1 2p c p 处理技术研究进展 1 2 1f e n t o n 试剂氧化法【垂1 1 】 f e n t o n 试剂氧化法是近年来广泛采用的高级氧化技术，它的机理是f e 2 + 和 h 2 0 2 的链反应催化生成氧化性很强的活性羟基o h 自由基： f e 2 + + h 2 0 2 - - , f e 3 + + o h + o h f e 3 + + h 2 0 2 叶f e 2 + + h 0 2 + i - i + f e 2 + + o h - f e 3 + + o h 。 f e 3 + + h 0 2 _ f e 2 + + 0 2 + h + 另外活性羟基o h 自由基具有很高的电负性和亲电性，具有很强的加成反应 能力，因而f e n t o n 试剂可以氧化水中大多数的有机物，尤其适合对五氯苯酚这样 的典型难降解有机物进行氧化降解。 f e n t o n 试剂氧化法的优点是氧化速率高，反应速度快，但是由于h 2 0 2 存在于 大量的f e 2 + 中，它的利用率不高，同时反应可能产生的中间产物f e ( o h ) 摧l 碍 了羟基自由基的形成，因而单纯的应用f e n t o n 试剂处理废水，成本太高而效果也 并不理想。应运而生的是电f e n t o n 试剂氧化法和光f e n t o n 试剂氧化法。电f e n t o n 法是利用电解产生h 2 0 2 或f e 2 + 或者同时产生这两种物质，使之构成f e n t o n 试剂对 有机物进行氧化分解处理的方法。光f e n t o n 试剂法是在f e n t o n 法反应的基础上发 展的一种新型氧化技术，其基本原理类似于f e n t o n 反应，即在处理有机污染物的 过程中起主要作用的仍然是o h 自由基。但不同的是反应体系在可见光或紫外光 下f e ”与水中的o h 一复合离子可以直接产生o h 自由基并产生f e 2 + ，f e 2 + 可与 h 2 0 2 进一步反应生成- o h 自由基，从而降低f e 2 + 的用量，保持h 2 0 2 具有较高的 利用率，提高了处理效率并加速水中有机污染物的降解速度。 1 2 2 超声波诱导 超声对有毒有机污染物的降解，是一种清洁、高效、无二次污染的新型处理 方法。超声降解有机物的原理是利用超声空化，空化是自由基特别是羟基自由基 产生的根源，羟基自由基是一种可以氧化p c p 的强烈而非特殊氧化物。声空化是 第一章文献综述 液体中的一种极其复杂的物理化学现象，液体中的微小的泡核在超声波作用下被 激化，主要表现为泡核的振荡、生长、收缩最终高速崩溃，崩溃会产生短促的极 大的高温、高压、高强电场。进入空化泡中的水蒸汽在高温和高压下发生分裂， 产生羟基自由基( h o - ) ，o ，h o o 等强氧化性物质。同时，空化泡崩溃产生的冲 击波和射流，使它们逃逸到气液界面和整个溶液中并与有机污染物发生氧化反 应。沈壮志等1 1 2 j 用五氯苯酚模拟废水在低频和高频以及高低频相向组合上做了 深入的研究，得到了高频超声波较低频超声波更容易发生空化，得到更多的羟基 自由基，因而高频超声波降解效率优于低频。他们还进一步发现，如果将低频和 高频超声波相向组合后形成的复频超声波降解效果更佳。p e t t i e r 等【1 3 】以两个理由 解释了这一现象：一是在双频超声作用下各自产生空化过程，当各自空化泡内爆 时，会产生许多新的空化核，这些空化核不仅维持了该频率的自身再空化，同时 也会为另一频率的空化提供了更多的空化核。二是空泡的自然共振频率与超声波 频率相等时才产生空化，双频辐射不仅各自产生倍频、分频成分，而且还会由于 组合而产生“和频波”和“差频波”成分。这些频率成分都有可能使空化泡共振频率 与它们的频率相等而产生空化，从而导致羟基自由基的浓度大幅度提高。最近也 有人提出将f e n t o n 试剂氧化法和复频超声诱导法相结合降解五氯苯酚能得到更 为满意的降解效果。 1 2 3 光催化氧化法f 1 4 ，1 5 】 光催化氧化法是一种高效、节能、广谱、安全的方法，它几乎可与任何有机 污染物反应，并将其彻底氧化成无污染的二氧化碳、水或者矿物盐，所以用光催 化的方法降解p o p s 能表现出更好的特性，同时它对保护环境、维持生态平衡、 实现可持续发展有着重要意义。 光催化氧化技术就是利用光照某些具有能带结构的半导体光催化剂( 如： t i 0 2 、z n o 、c d s 、w 0 3 等) 诱发对用其他方法极难降解的有机物起作用的强氧 化自由基o h ，因而在废水处理过程中有实现或潜在的应用价值。光催化降解有 机物的机理可以用电子一空穴理论来解释。具有能带结构的半导体粒子一般由一 个充满电子的低能价带( v b ) 和一个空的高能导带( c b ) ，价带和导带之间由 禁带区分。当用能量等于或高于禁带宽度的光照射半导体时，价带上的电子被激 发跃迁到导带，在价带上产生光生空穴，并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。 光生空穴具有极强的得电子能力，可以争夺到粒子表面有机物的电子，使原本不 吸收光的物质被活化氧化，具有很强的氧化能力，因此可以将其表面吸附的h 2 0 和o h 氧化成羟基自由基o h 。而羟基自由基可以无选择地氧化有机物，尤其是 难降解的有机物。 第一章文献综述 但也有文献报道【1 6 1 光催化技术中光生电子和空穴复合率高、反应效率低、 光催化剂容易凝聚等缺点，因此也有人提出把光催化与其他有机物降解方法结合 起来，比如声光催化、光电催化、生物光催化等技术。值得肯定的是，光催化 氧化与其他降解技术的连用将会极大地促进光催化氧化技术在降解难降解有机 物方面的应用。 1 2 4 生物共代谢法 共代谢是微生物为了适应复杂的生存环境而长期进化形成的一种特性。在共 代谢过程中，微生物利用一种基质的同时还能够分解另外一种基质。微生物利用 一种易于摄取的基质作为碳和能量的来源，称为第一基质，同时共代谢基质或者 称为第二基质被微生物分解。第二基质的共代谢产物通常不能直接作为营养被转 化为细胞质。第二基质的共代谢是需能反应，能量来自第一营养基质的产能代谢 【l7 1 。共代谢存在于各种各样的微生物中，包括好氧微生物、厌氧微生物和自养 微生物。第一基质包括多种多样的化合物，例如简单的脂肪烃类、芳香烃类、多 糖、蛋白质以及无机物，第二基质一般为预备降解的有机物。在微生物共代谢反 应中产生的既能代谢转化生长基质又能代谢转化目标污染物的非专一性的酶是 微生物共代谢反应发生的关键，这种非专一性的酶被称为关键酶。共代谢的作用 机理实际上是非专一性关键酶的产生和作用的机理。有研究认为，由于生长底物 和非生长底物常常由共同的非专一性酶所催化，因此底物之间时常发生竞争性抑 制现象，降低了共代谢转化效掣1 8 】。但也有报道表明，非生长底物也可以诱导 产生共代谢降解酶，而生长底物仅提供细胞生长以及再生所必需的共基质，如还 原性辅酶i ( n a d h ) 或原性辅酶i i 洲a d p h ) 【i9 1 。如果生长底物和非生长底物是被不 同的酶所催化降解，那么污染物共代谢降解过程中出现的竞争性抑制现象就可能 被解决。因此，优选一种合适的生长底物作为微生物共代谢降解p c p 的碳源和能 源，对提高共代谢降解效率有着重要的意义。刘和、沈超峰【2 0 】研究比较了多食 鞘氨醇杆菌( s p h i n g o b a e t e r i u mm u l t i v o m m ) 分别以苯酚和葡萄糖为生长底物时对 p c p 的共代谢降解，结果表明，苯酚对细菌的生长有一定的抑制作用；葡萄糖支 持细菌共代谢降解p c p ，葡萄糖和非生长底物p c p 之间不存在底物竞争抑制现象， p c p 的降解酶是由p c p 自身所诱导的。李萍、刘俊新【2 l 】也以苯酚、葡萄糖作为 五氯酚( p c p ) 的共代谢基质，考察了其在加速活性污泥驯化进程方面的作用，结 果表明：葡萄糖可以增强活性污泥中微生物对p c p 的适应能力，能加快驯化进程 并提高对p c p 的降解速率；苯酚的毒性可与p c p 的毒性相互叠加，从而延滞了活 性污泥的驯化进程。徐向阳、屠明【2 2 】用厌氧反应器的颗粒污泥降解有机废水中 的五氯酚( p c p ) 发现：外加碳源特别是丁酸、葡萄糖对p c p 厌氧降解有明显强化 第一章文献综述 作用。 这种生物共代谢的方法已经在工业上有所应用，一些工业含p c p 废水由于缺 乏易降解的诱导基质，有机物的生物降解难以进行，通过用补充碳源的方式促进 共代谢的发生，提高p c p 的降解性。例如：p u l l a l ( 1 【a 等吲利用共代谢原理，在厌 氧反应器中添加初级基质来处理含氯酚的废水。 1 2 5 高效菌种法 菌种是难降解有机物生物处理技术的关键性问题，菌种的优劣直接影响着有 机物的降解效果，目前主要采用的菌种有混合菌、优势菌、经过驯化的活性污泥 等。传统的活性污泥法和生物膜法处理五氯苯酚( p c p ) 大多是利用自然的或是 经过一定驯化的微生物菌落，然而这些常规微生物已不能满足当今工业废水中难 降解有机污染物的需求。比较有效的方法是投加经过筛选的具有特殊分解能力的 菌种，称这些筛选出来的菌为高效菌。对于某一种或几种难降解有机物，当针对 它们筛选出的高效菌浓度达到一定值时，难降解有机物便不难降解了。得到高效 菌种主要方法有两种，其一是筛选分离出能对难降解污染物进行降解转化的高效 降解微生物；其二是利用诱变、原生质融合、基因工程等高科技手段创造高效菌。 刘文科等【2 4 】对4 种菌根真菌美味牛肝菌( b o l e t u se d u l i s ) 、褐环乳牛肝菌( s u i l l u s l u t e u s ) 、丝膜菌( c o r t i n a r r u sr u s s u s ) 和厚环粘盖乳牛肝菌( s u i l l u s g r e v i l l e i ) 对五氯酚 耐受性及其生理基础进行研究，经过酶测试，得出菌根真菌对五氯苯酚的耐受性 与其产酶特性和“酸化效应”有关。目前，降解除草剂、杀虫剂等持久性有机污染 物的基因工程菌已经开始被人们研究和开发利用【2 5 1 。 1 2 6 细胞固定化法 细胞固定化技术是通过物理、化学手段使游离细菌固定在载体上，它是生物工程 领域中的一项新兴技术。固定化载体对细胞起一种保护作用，固定化载体对有机 污染物的扩散会产生阻碍作用，使得细胞表面的实际污染物浓度降低，毒性减小， 同时对氧的扩散也存在一定的扩散阻力，使得在固定化颗粒内部形成好氧区和缺 氧区。细胞经固定化后，在载体与细胞之间建主了某种物理或化学联系，增加了 细胞膜的稳定性。固定化细胞所处的微环境与游离细胞不同，这种微环境的变化 可能会引起细胞的形态结构、生理特性及代谢活性的改变。近年，国内外一些学 者在对固定化技术的研究中表明，与传统的悬浮生物处理法相比，固定化技术具 有如下优点：微生物浓度大大提高，处理时间缩短，设备体积减少；固液分 离简便迅速；不能形成絮体的微生物也可加以利用；能够有效利用一些特种 第一章文献综述 微生物；受毒物侵害少。可见固定化技术是一种耐冲击性强、处理效率高、 对有毒物质承受能力和降解能力较强的一种新兴技术。然而，一些难降解的有机 物的降解是单株微生物所不能完成或者只能微弱进行的，因此必须借助于两种或 两种以上的微生物在同一环境中的相互作用来实现。这样混合菌中的一些菌种能 提供重要的降解酶，而其它菌种能提供表面活性剂或生长因子，使它们的生理特 性可以相互补充。在活性污泥中，多种微生物存在复杂的相互作用，通过利用微 生物个体间存在的协同作用，使它们相互依存形成一个有机整体，以有效地提高 其降解能力，这就是一种方兴未艾的混合菌种共固定化技术。m o r s e n 等【2 6 】研究 了将p s e u d o m o n a sp u t i d a 和c r y p t o c o c c u se l i n o v i i 混合菌固定在活性炭上来降解苯 酚。实验表明固定化混合菌能够降解苯酚浓度达到1 7 9 l ，远快于单一菌种对 酚的降解，主要依赖于两种菌的协同生物代谢作用。陈元彩等【27 】也研究了混合 固定化厌氧颗粒污泥和高效好氧菌液后对五氯苯酚( p c p ) 的降解效果。结果表 明，完全厌氧过程尽管能有效降解低初始浓度p c p ，但在高初始浓度下由于厌氧 微生物本身缺乏吸收、同化其代谢产物单氯酚( m c p ) 和二氯酚( d c p ) 的能力，而 导致了有毒代谢产物的积累，阻碍了其完全降解；在共固定化后有限供氧条件下， 通过厌氧颗粒中的厌氧菌群与好氧或兼性菌的协同作用，借助于好氧或兼性菌消 除五氯苯酚厌氧过程中产生的抑制性的低氯酚等中间产物，从而使其较完全降 解。 1 3 微生物在环境中的作用 1 3 1 微生物处理有机污染物的一般原理【2 8 】 微生物对有机污染物的处理主要是以污水中含有的污染物为营养源，利用微 生物的代谢作用使有机污染物降解成c 0 2 、水或转化为无害的无机物质。微生物 对环境污染物形态和毒性的影响主要有三方面：降解作用、共代谢作用、去毒作 用。降解作用是指有机物被微生物作为能源而发生的降解反应，如马拉硫磷在微 生物作用下，其分子中的酰胺和酯链易水解；氟乐灵等农药在微生物作用下能发 生脱烷基反应。共代谢作用是指不利用基质作为能源和元素的有机物转化作用， 也就是微生物不从其代谢中受益，即不能从基质的氧化代谢中获取足够能量，又 不能从基质分子所含的c 、n 、s 或p 中获得营养进行生物合成。去毒作用使有机 污染物的分子结构发生改变，从而降低或去除其对敏感物种的有害性。例如有机 磷农药马拉硫磷在羧酸酶作用下，水解成一酸或二酸；有毒杀草剂醚草通在微生 物的作用下脱氨形成对植物无毒害的产物。 第一章文献综述 1 3 2 微生物在环境污染治理中的应用 微生物种类繁多，分布极其广泛，而与治理环境污染物有关的微生物主要是 细菌、真菌、藻类、原生动物等。 细菌 细菌有吸附重金属离子的作用，不同的细菌对不同金属有特殊的亲缘性，细 菌及放线菌对某些碱土金属、过渡及过渡后金属有较高的分离能力，表1 1 列出 了一些细菌及放线菌对某些金属离子的吸附作用2 9 。3 3 1 。 表1 1 细菌对金属离子的吸附作用 t a b l e1 - 1t h ea b s o r p t i o no f m e t a li o n sb yb a c t e r i a 细菌种类重金属离子种类 刘月英等【3 4 j 发现地衣芽孢杆菌( b a c i l l u sl i c h e n i f o r m i s ) 对p d 2 + 有较强的吸附能 力，在适宜条件下吸附量最大可为2 2 4 8 m g k g 。赵晓红等【3 5 】用脱硫肠杆菌( s r v ) 去除电镀废水中的c u 2 + 离子，在铜浓度为2 4 6 8 m g l 的溶液( p h 4 0 ) 中去除率达 9 9 1 2 。假单孢菌( p s e u d o m o n a ss p ) e p s - - 5 0 8 j 丕能吸附放射性元素u 。 细菌不但可以吸附重金属，更是降解有机污染物的主力军。很多种细菌都可 以对有机污染物进行降解，包括真细菌、蓝细菌和古菌，即使是进行光合作用的 颤蓝菌( c i l l a t o r i a ) 也有一定降解有机物的能力【3 6 1 。邻单孢菌( p l e s i o m o a s ) d l l 一1 对甲基对硫磷高毒有机磷杀虫剂具有高效降解作用；假单孢菌( p s e u d o m o n a s ) 、 不动细菌和产碱杆菌( b a c i l l u sa l c a l i g e n e s ) 对有机酚、氰都有降解作用，其中假单 孢菌降解酚能力最强，当酚浓度为2 7 3 m g l 时分解率为9 5 ，不动细菌分解氰能 力最强，当氰浓度为1 0 6 m g l 时分解率达7 2 2 。利用芽孢杆菌属( b a c i l l u s ) 、 黄杆菌属、黄单孢菌( x a n t h o m o n a s ) 、假单孢菌( p s e u d o m o n a s ) 等组成高效原油降 解菌降解油田采出水，发现在最佳高效菌运行几天后适应处理油田采出水的环境 后，且细菌生长状态逐渐达到稳定值时，此时原油去除率达8 0 以上，且稳定在 8 6 左右。 真菌 真菌类微生物由于菌丝体粗大，吸附后易于分离，吸附量大等特点，对它们 吸附金属的研究比较深入，许多霉菌对重金属离子有很强的吸附能力，它们可以 第一章文献综述 吸附c u 、p b 、z n 等，甚至可以吸附放射性元素u 、t h 、r a ，表1 2 列出了部分 真菌对金属离子的吸附作用【3 7 - - 4 0 。 表1 2 真菌对金属离子的吸附作用 t a b l e1 - 2t h ea b s o r p t i o no f m e t a li o n sb yf u n g i 细菌种类 重金属离子种类 根霉( r h i z o p u so b l i g a t o r s ) 曲霉( a s p e r g i l l u m s ) 产黄青霉( 尸研i c i l l i u mc h r y s o g e n u m ) 啤酒酵母( s a c c h u r o m y c e sc e r e v i s i u e ) i v i i l 2 + p b 2 + t h 2 + u 0 2 + c u 2 + c r 0 4 2 一 c d 2 + p b 2 + c r 3 + z n 2 + t h 2 + u 0 2 + r a 2 + p b 2 + c 0 4 2 a 矿p b 2 + n i 2 + c d 2 + c u p 目前在处理染料废水和难降解有机污染物领域，真菌都是研究的热点。白腐 真菌可降解约4 0 种的氯苯类化合物；白腐真菌降解p c p 的报道也很多，对p c p 的 降解率均可达至1 j 7 8 - - - - 9 0 1 4 卜4 5 】：白腐真菌甚至可降解毒性为一般化合物2 0 , - - 3 0 倍的硝基苯类化合物。其他真菌如毛霉( m u c o r a l e s ) n - i - 降解油脂废水，根霉菌 ( r h i z o p u so b l i g a t o r s ) 能降解油类污染物，青霉菌( p e n i c i l l i u m ) 可降解偶氮和葸，酵母 菌( s a c ch a r o m y c e s ) 可降解石油烃，霉菌可降解石油烃、莠去津等，鲁氏酵母菌 ( s a c c h a r o m y c e s r o u x i i ) w y 3 可降解甲胺磷。 原生动物和衍生动物 原生动物属真核原生生物界，是单细胞的微型动物，由原生质和一个或多 个细胞核组成。原生动物和多细胞动物相同，具有新陈代谢、运动、繁殖、对外 界刺激的感应性和对环境的适应性等生理功能。原生动物个体很小，长度一般在 1 0 0 3 0 0 微米之间。它们都具有细胞膜。多数种属的细胞膜结实而富有弹性，从 而使原生动物本体保持一定的体形。1 9 8 1 年国际原生动物学会公布了原生动物分 类系统，其中在水处理中常见的有三类：肉足类，其细胞质可伸缩变动而形成 伪足，作为运动和摄食的胞器，运动速度达3 9 m s ，典型的肉足类为变形虫属、 简便虫属、表壳虫属和鳞壳虫属等；鞭毛类，具有一根或一根以上的鞭毛，鞭 毛长度与其体长大致相等或更长些，是运动器官。鞭毛虫又可分为植物性鞭毛虫 和动物性鞭毛虫，常见的植物性鞭毛虫有滴虫属、屋滴虫属和眼虫属等，常见的 动物性鞭毛虫有波豆虫属、尾波虫属等，鞭毛虫的运行速度达1 5 - - - 3 0 0 9 m s ： 纤毛类，原生动物周身表面或部分表面具有纤毛，作为行动或摄食的工具，分为 游泳型和固着型两种，游泳犁包括漫游虫属、草履虫属、肾形虫属、斜管虫属等， 固着型常见的有钟虫属、累枝虫属、盖虫属、聚缩虫属、盾纤虫属和壳吸管虫属 等，纤毛类运动速度较快，可达2 0 0 1 0 0 0 9 m s 。 原生动物的营养方式分为以下几类：动物性营养，以吞食细菌、真菌、藻 第一章文献综述 类或有机颗粒为生，绝大多数原生动物为动物性营养，有些具有胞口、胞咽等摄 食器；植物性营养，在有阳光的条件下，一些含色素的原生动物可利用二氧化 碳和水进行光合作用合成碳水化台物，如植物性鞭毛虫，但种类和数量都很少； 腐生性营养，以死的机体或无生命的可溶性有机物质为生；寄生性营养，以 其它生物的机体( 即寄主) 作为生存的场所，并获得营养和能量。 在废水生物处理系统中将污染物质降解的主要是细菌。原生动物与细菌的关 系主要为：掠食关系，原生动物在食物链中处于捕食细菌的作用。一方面，原 生动物通过对细菌的捕食，能促进细菌的生长，使细菌的生长能维持在对数生长 期，防止种群的衰老，提高细菌的活力，而且原生动物活动产生溶解性有机物质 ( d o m ) 可被细菌再利用，促进了细菌的生长；另一方面，原生动物中存在的某些 类型( 如纤毛类) 具有吞食游离细菌的巨大能力，而游离的细菌个体小、密度小， 较难沉淀，易被出水带出而影响水质。有人证明奇观独缩虫在自然水体中l h 能吃 3 万个细菌。c u r d s 等【4 6 】人在曝气池中接种纤毛类原生动物，出水大为改善。絮 凝作用，细菌生长到一定程度后就凝集成絮状物。这种絮状物为原生动物提供了 着生的环境，反过来絮状物上的原生动物能加速絮凝过程。c u r d s 删证明纤毛虫 能分泌两种物质，一种称为p 物质，是一种多糖类碳水化合物；另一种是属于单 糖结构的葡萄糖及阿拉伯糖，表面电荷为负的悬浮颗粒会吸收这种p 物质，通过 悬浮颗粒表面电荷的改变，就使悬浮颗粒集结起来。形成絮状物。另外，纤毛虫 还能分泌一种粘液，能把絮状物再联结起来。原生动物分泌的粘液对悬浮颗粒和 细菌均有吸附能力。这就促进了菌胶团的形成和处理能力的提高。 原生动物和衍生动物在环