（环境工程专业论文）生物油降解菌的分离鉴定及其在土壤中降解特性的研究.pdf

生物油降解菌的分离鉴定及其在土壤中降解特性的研究 摘要 本论文在阐明了选题的背景，综述了该课题的研究情况下，叙述了有关的 生物油和微生物降解方面的基础知识。 许多研究表明微生物在油类降解中占有重要地位。在此基础上，论文进 行了两个方面的实验研究。一是以生物油降解菌的筛选研究为主线，建立高效 的筛菌模型并进行菌株降解特性的研究。二是采用单因素实验和正交实验，以 生物降解度为指标，优化生物油降解的工艺条件。 本实验从造纸厂内废水处理池中采取活性污泥筛选出一株能高效降解生 物油的菌株。对该菌株在土壤中对生物油降解能力进行了初步研究。建立了基 于c 0 ：生成量的生物降解测定方法，运用该方法对生物油生物降解性能进行了 评定。并同时进行动力学拟合。结果表明：( 1 ) 通过富集培养方法分离得到菌 株，根据形态特征以及生理化特性分析，将鉴定为杂色曲霉菌( a s p e z g i l l v e r s i c o i r ) 。( 2 ) 菌株对五种常见抗生素敏感。( 3 ) 菌株在降解生物油过程中， 生物降解反应遵从一级反应动力学反应规律。其中降解度与温度呈正比关系， 考虑到实际应用情况，选择3 0 为适宜降解温度。p h 值为中性条件下对生物油 的降解较为有利。底物浓度随浓度增加降解度有一定下降，但相同条件下加菌 后在3 0 下对土壤中生物油浓度为1 2 0 0 m g k g 生物油降解度1 0 天达到4 0 而未 加菌的生物油降解只有6 。菌株接种量越高则降解度越大，其接种量适合于 2 0 。实验中生物降解过程中加入h 。0 ：后可以大大促进生物油在土壤中的降解。 h 。o 。的加入一次量在5 0 m l ( 3 0 ) 为适合量，不会影响菌株的生长。( 4 ) 菌株还可 以苯、对氯苯酚、甲苯、二甲苯芳香类化合物作为唯一碳源生长繁殖。 。 经过正交实验，结果表明影响生物油降解重要程度高低顺序为温度斗生物 油浓度一p h 值一接种量。正交实验得到的最佳实验方案即：生物油浓度 4 0 0 m g k g 反应温度4 0 、p h 值7 、接种量为2 0 。 关键词：生物油；杂色曲霉菌；生物降解；二氧化碳生成量；降解动力学 s e p a r a t i o na n di d e n t i f i c a t i o n o fb a c t e r i a ls t r a i nf o rt h e d e g r a d a t i o no fb i o m a s s - o i li ns o i l a b s t r a c t i nt h ep r e s e n tt h e s i s ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n dw a si l l u s t r a t e d t h e n ，t h e r e l e v a n te l e m e n t a r yk n o w l e d g eo fb i o - o i la n db i o d e g r a d a t i o nw a si n t r o d u c e d b i o d e g r a d a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e g r a d a t i o nt r e a t m e n to fo i lp r o d u c t s b a s e do n u n d e r s t a n d i n g t h ee l e m e n t a r yk n o w l e d g e ，t w o t y p e se x p e r i m e n t s w a s c a r r i e do u t f i r s t l y , ah i g h l ye f f i c i e n c ym o d eu s e df o rs c r e e n i n gh i g h l ye f f e c t i v e d e g r a d a t i o ns t r a i n sf o rb i o - o i lw a sb u i l t ，a n d1 h e ni t sd e g r a d a t i o nc h a r a c t e r sw a s i n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e db yu s i n gt h e s i n g l ef a c t o ra n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d s as t r a i no fd e g r a d i n gb i o - o i la e r o b i c a l l yw a si s o l a t e df r o ms l u d g ec o l l e c t e d f r o map a p e rm i l l t h eb i o o i ld e g r a d a t i o na b i l i t yw i t ht h i sb a c t e r i u mw a ss t u d i e d i ns o i l am e t h o df o rt h ee v a l u a t i o no fb i o d e g r a d a b i l i t yo fb i o o i lw a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h em e a s u r e m e n to fc a r b o nd i o x i d ec r e a t e db yt h et e s t e db i o - o i l ，a n dt h e k i n e t i c so fb i o d e g r a d a t i o nw a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e d ：( 1 ) t h es t r a i n i s o l a t e db ye n r i c h m e n tc u l t u r ew e r ei d e n t i f i e da sa s p e r g i l lv e r s i c o i ca c c o r d i n gt o t h e i rm o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e ra n dp h y s i o l o g i c a l - b i o c h e m i c a lc h a r a c t e r ( 2 ) t h e s t r a i nw a ss e n s i t i v et of i v ek i n d so fa n t i b i o t i c s ( 3 ) b i o d e g r a d a t i o nr e a c t i o no f b i o - o i lf o l l o w e dt h ef i r s to r d e rk i n e t i c se q u a t i o n t h ed e g r a d a t i o ns p e e dw a s r e l a t e dp o s i t i v e l yt ot h et e m p e r a t u r e r e g a r d i n gt h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h e s u i t a b l et e m p e r a t u r ef o rt h eb i o d e g r a d a t i o no fb i o o i li ns o i lw a ss e l e c t e dt ob e 3 0 c t h ed e g r a d a t i o no ft h eb i o - o i lc o u l db ee n h a n c e da tn e u t r a lp hv a l u e t h e d e g r a d a t i o nr a t eo fb i o - o i ld e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n t h ep r e s e n ts t r a i no fb a c t e r ac o u l dd e g r a d e4 0 o fb i o - o i lw i t hac o n c e n t r a t i o no f 12 0 0 m g k gi ns o i lw i t h i n10d a y s w i t h o u tt h es t r a i n ，t h eb i o d e g r a d a t i o nr a t ew a s o n l ya b o u t6 u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s w h e nt h ei n o c u l a t i o na m o u n to ft h e s t r a i nw a si n c r e a s e d ，t h eb i o d e g r a d a t i o nr a t ew a sa l s oi n c r e a s e da sw e l l t h e b i o d e g r a d a t i o nr a t eo fb i o o i li n c r e a s e do b v i o u s l yw h e nh 2 0 2w a si n t r o d u c e di n t o t h eb i o r e a c t o r t h ea d d i t i o na m o u n to fh 2 0 2s h o u l db er e m a i n e da t3 0 o n et i m e ， w h i c hw o u l dn o ti n f l u e n c et h eg r o w t ho fs t r a i n ( 4 ) t h ep r e s e n ts t r a i nc o u l da l s ob e u t i l i z e da sc a r b o na n de n e r g ys o u r c e sf o rt h ea r o m a t i cc o m p o u n d s ，s u c ha sb e n z e n e ， p c h l o r p h e n o l ，t o l u e n ea n dx y l e n e w i t ha no r t h o g o n a ld e s i g no f4f a c t o r sa n d3i e v e l s ，i tw a sf o u n dt h ef a c t o r s e f f e c t e dt h eb i o d e g r a d a t i o nw a sa sf o l l o w s ：t e m p e r a t u r e ，b i o o i lc o n c e n t r a t i o n ，p h v a l u e ，i n o c u l a t i o na m o u n to ft h es t r a i n t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r er e g a r d e da s ： t e m p e r a t u r e ，4 0 c ，b i o - o i lc o n c e n t r a t i o n4 0 0 m g k g ，p hv a l u e7 ，i n o c u l a t i o na m o u n t o ft h es t r a i n2 0 k e yw o r d s ：b i o o i l ；a s p e r g i l lv e r s i c o i r ；b i o d e g r a d a t i o n ；p r o d u c t i o no fc a r b o n d i o x i d e ；b i o d e g r a d a t i o nr e a c t i o nk i n e t i c s 插图清单 图1 1 生物油某些组分的化学结构式8 图2 1 芳香族化合物的微生物降解j 1 5 图2 2 细菌和真菌降解多环芳烃的初始步骤。1 6 图3 1 生物降解测试流程2 0 图3 2 直接涂布法筛选流程2 2 图3 3 富集培养法筛选流程2 2 图3 - 4 驯化各阶段降解所产生c 0 2 量：2 5 图3 5 菌株的菌落培养特征2 6 图3 6 不同培养基对生物油降解真菌生长影响2 8 图4 1 温度对菌株降解生物油的影响：3 4 图4 2 各温度下动力学拟合图：3 4 图4 3 初始浓度对菌株降解生物油的影响3 6 图4 6 各p h 值下动力学拟合图3 9 图4 7 不同接种量时生物油的降解4 l 图4 8 各不同接种量下动力学拟合图：4 2 图4 - 9h 2 0 2 加入量对生物油降解的影响4 3 图4 1 0 加入h 2 0 2 下动力学拟合图4 4 图4 1 1 菌株降解底物的多样性4 5 图5 1生物油浓度与降解度关系图4 8 图5 2接种量与降解度关系图4 8 图5 3温度与降解度关系图4 9 图5 - 4 p h 值与降解度关系图。_ 4 9 表格清单 表卜1 化石燃料与生物质能排放量的对比4 表卜2 热解液化参数与结果8 表卜3 生物油的元素组成和理化特性8 表3 - 1 土壤的理化性质1 7 表3 2 实验所需的各种仪器1 7 表3 4 实验所需各种培养基1 9 表3 5 各生理化性质变化表一2 3 表3 6 菌株的生理生化特性2 7 表3 7 菌株的抗药性试验结果2 8 表4 1 不同温度下生物降解的动力学方程j 3 5 表4 2 不同初始浓度下生物降解的动力学方程3 7 表4 3 不同p h 值下生物降解的动力学方程4 0 表4 4 不同接种量下生物降解的动力学方程4 2 表4 5 加入量对微生物生长量影响，4 2 表4 6 加入h 。0 。后生物降解的动力学方程? 4 4 表5 1 正交实验水平因素表一“4 7 表5 2 正交实验表4 7 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及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金胆王些太堂 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 并表示谢意。 学位论文作者签名：j - f 殳签字日期：三p d 彦年钿6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金艘王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权金 世王些太堂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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：了、臣 签字日期：z 脾6 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 油类物质是重要的工业原料、同时又是燃料与能源。随着工业的发展，石 油需求量大幅度增加。特别是随着我国国民经济持续快速发展，石油需求快速 增长。目前我国面临三大难题：一是石油供求矛盾比较突出。我国人均占有的 探明可采储量大大低于世界平均水平。但到1 9 9 3 年，我国已经由石油净出口国 转为石油净进口国。二是国际市场石油价格大幅度上涨。我国石油安全形势十 分严峻。三是我国环境污染日益严重，环境保护面临巨大压力。而石油产品需 求日益增加，其使用后产生的大气、水、土壤相关的污染也相应加重。在我国 石油需求日益增加但是又面临众多不利和不确定因素下，发展生物质油具有特 别重要的战略意义。 。生物质油是将树木、农作物废弃物、草类及城市生物质废弃物等低品位的 生物质能通过热裂解制成的一种高品位的液体燃料和高附加值产品。考虑到我 国目前能源国情和面临的种种问题，可以预见发展立足于本国原料，大规模生 产替代液体燃料一生物燃油是目前发展的趋势。 随着生物质油的生产将不断扩大，在生产、运输、贮存、加工过程中，由 于意外事故或管理不当，排放到水体、土壤中，使环境遭受生物油污染，危害 人类生产与生活。在土壤中，最重要的环境无害化作用就是生物降解。勿庸置 疑，生物降解是产品生态环境化的有效途径。因此，研究生物质油中的生物降 解性能具有重要的理论探索和现实知道意义。 基于上述分析，本文的研究目的如下； ( 1 ) 从接种活性污泥中驯化培养出特定微生物强化生物降解的角度考虑： 生物质油中含有有机烃类难以生物降解的化学物质，能否培养驯化出较好的降 解优势菌株并对所得的降解优势菌株进行纯化分离并根据形态生理性质对菌株 作出鉴定。 ( 2 ) 生物质油是一种多种有机物组成的混合物，它的强化生物降解是否遵 守一定的规律，样品油强化生物降解反应受到哪些因素的影响，初步探索其强 化生物降解过程中有什么变化和规律，并尝试在特定条件下拟合其强化生物降 解模型，从理论上探讨生物降解反应的规律。 ( 3 ) 从生物降解反应动力学方程的构建上考虑：生物降解反应动力学是研 究降解反应速率和规律的科学。降解动力学的研究是从理论上分析和探讨生物 降解规律的有效方法。动力学方程的构建受到多种因素的影响，不同的反应条 件和影响因素都会导致不同降解反应速率方程。在一定条件下建立油污土壤的 生物降解反应速率方程并对方程进行必要的讨论。 1 2 生物质能的现状和发展及其环境影响 1 2 1 生物质能简述 生物质能源的蕴藏量极其丰富，是可再生能源的主要组成部分，也是最有 产业化和规模化前景的可再生能源，在各国的能源结构中占有重要地位。科学 家和各国政府对生物质能源给予了极大关注，采取各种举措促进生物质能源 新技术的开发研究u ，。 生物质是指任何可再生的或可循环的有机物质，包括所有的动物、植物和微 生物，以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物质【2 1 。生物质能是指直接或间 接通过植物的光合作用，将太阳能以化学能的形式贮存在生物质体内的一种能 量形式，能够作为能源而被利用的生物质能则统称为生物质能【3 】。生物质能是以 生物质为载体的。广义上，生物质能是太阳能的一种形式，它可转化为常规的固 态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源”j 生物质遍布世界各地，蕴藏量极大，地球上仅植物每年的生产量就相当于目 前人类消耗化石能源的2 0 倍，或相当于世界现有人口食物能量的1 6 0 倍n j 。虽 然不同国家单位面积生物质的产量差异很大，但每个国家都有某种形式的生物 质能，生物质能是热能的来源，千百年来为人类提供了基本燃料。 、 根据以下生物质能的来源不同，将适合于能源利用的生物质分为四大类。 一、森林能源 森林能源是森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，主要是薪材，也包 括森林工业的一些残留物等。森林能源在我国农村能源中占有重要地位，1 9 8 0 年前后全国农村消费森林能源约1 亿吨标煤，占农村能源总消费量的3 0 以上， 而在丘陵、山区、林区，农村生活用能的5 0 以上靠森林能源。 二、农作物秸秆 农作物秸秆是农业生产的副产品，也是我国农村的传统燃料。秸秆资源与农 业主要是种植业生产关系十分密切。根据1 9 9 5 年的统计数据计算，我国农作物 秸秆年产出量为6 0 4 亿吨，其中造肥还田及其收集损失约占1 5 ，剩余5 1 3 4 亿吨。可获得的农作物秸秆5 1 3 4 亿吨除了作为饲料、工业原料之外，其余大 部分还可作为农户炊事、取暖燃料，目前全国农村作为能源的秸秆消费量约 2 8 6 2 亿吨，但大多处于低效利用方式即直接在柴灶上燃烧，其转换效率仅为 1 0 一2 0 左右。随着农村经济的发展，农民收入的增加，地区差异正在逐步 扩大，农村生活用能中商品能源的比例正以较快的速度增加。 三、禽畜粪便 禽畜粪便也是j 种重要的生物质能源。除在牧区有少量的直接燃烧外，禽畜 粪便主要是作为沼气的发酵原料。目前我国禽畜粪便资源总量约8 5 亿吨，折 合7 8 4 0 多万吨标煤，其中牛粪5 7 8 亿吨，4 8 9 0 万吨标煤，猪粪2 5 9 亿吨，2 2 3 0 万吨标煤，鸡粪0 1 4 亿吨，7 1 7 万吨标煤。 2 在粪便资源中，大中型养殖场的粪便是更便于集中开发、规模化利用的。我 国目前大中型牛、猪、鸡场约6 0 0 0 多家，每天排出粪尿及冲洗污水8 0 多万吨， 全国每年粪便污水资源量1 6 亿吨，折合1 1 5 7 5 万吨标煤。 四、生活垃圾 城镇生活垃圾主要是由居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑垃圾等 废弃物所构成的混合物，成分比较复杂，其构成主要受居民生活水平、能源结 构、城市建设、绿化面积以及季节变化的影响。中国大城市的垃圾构成已呈现 向现代化城市过渡的趋势，有以下特点：一是垃圾中有机物含量接近1 3 甚至 更高；二是食品类废弃物是有机物的主要组成部分；三是易降解有机物含量高。 目前中国城镇垃圾热值在4 18 兆焦千克( 1 0 0 0 千卡千克) 左右。 1 2 2 生物质能国内外发展及对环境的友好性 生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统中占 有重要的地位 6 】。生物质能的开发利用既有助于满足我们对能源的需求，同时 也改善我们的环境。据统计，全世界每年生物质的产量约为3 0 0 亿吨，能提供 的能源总量达到了3 1 0 1 2 j ，生物质能源消耗量为1 3 亿吨，相当于中东地区的 石油产量【_ 7 1 。欧盟在1 9 9 3 年生物质能的开发利用就已经占整个可再生能源构成 的5 9 8 ，生物质动力工业在美国是仅次于水电的第二大可再生能源工业，美国 国家科学院在1 9 8 5 - - 2 0 1 0 年的能源转变报告中明确指出，到2 0 1 0 年，大 规模生物质转化所获得的能量是1 9 8 5 年能源总需求量的2 0 倍。可见，生物质 能的转化利用在整个新能源和可再生能源中具有相当重要的地位。特别是对于 中国这样一个农业大国，有着丰富的生物质资源，据专家估计，理论年产量为 5 0 亿吨左右，每年至少有7 亿吨的农作物废弃物，约合3 5 亿吨标准煤博j ，利 用现代科技将这些生物质能转化为高品位能源i 能够在很大程度上解决能源紧 张问题，弥补常规能源缺口，保证国民经济快速发展。 生物质作为一种与环境友好的可再生资源，一方面，由于生物质能硫、氮的 含量较低，灰分份额也很小，所以燃烧后产生的s 0 2 ，n o x 和灰尘要比化石燃料 小得多，是可再生能源中理想的清洁燃料之一【9 】。同时，大气中的c 0 2 和地面 上的水经光合作用产生用来形成生物质的碳水化合物，将生物质燃烧后又产生 c 0 2 和水，这是个循环过程，在利用过程中没有增加大气中的c 0 2 含量，实现 在c 0 2 的零排放，缓解了“温室效应”【l0 1 。故以生物质能源替代化石燃料，不 仅能够减少化石燃料的供应量，而且减少了c 0 2 ，s 0 2 ，n o x 等污染物排放，改 善了环境质量，化石燃料与生物质能排放量的对比见表1 1 。例如，每l 万吨 秸秆替代煤炭，将减少c 0 2 排放1 4 万吨，s 0 2 排放4 0 吨，烟尘排放1 0 0 吨【4 j 。 3 表1 1 化石燃料与生物质能排放量的对比 4 】 另一方面随着农村经济的发展和农民收入的增加，农村生活用能中商品能 源的比例正以较快的速度增加。在较为接近商品能源产区的农村地区或富裕的 农村地区，商品能源( 煤、液化气、电) 已经成为主要炊事和生活用能，以传统 方式燃烧的秸秆首先成为被替代的对象，致使被弃田间地头的秸秆量逐年增加， 许多地区废弃秸秆量已占总秸秆量的6 0 以上。农村大量焚烧秸秆的现象已经 延续多年，屡禁不止，造成了严重的大气污染。特别是这种污染在收获季节集 中排放，使得短时间内大气质量严重恶化，已经多次发生航空机场关闭和高速 公路追尾撞车的事故，成为各级政府关切的一个严重的社会问题。随着今后我 国农村现代化水平的提高，这种浪费和污染的情况将会越来越严重。所以利用 高效的生物质转化技术，将废弃的生物质资源转化为高品位的能源，不仅可以 提高农业产出，增加农民收入，又可减少污染，促进生态的良性循环【1 1 | 。 生物质能作为一种清洁的可再生能源具有广阔的应用前景，因此世界各国 在生物质能利用方面作了大量的研究工作并制定了相应的开发计划：如欧洲制 定计划要求到2 0 2 0 年生物质代替2 0 的化石燃料；日本的阳光计划、美国的能 源农场和巴西的酒精能源计划等 1 2 】。目前，高品位的生物质能源消耗占美国总 能源消耗的4 和美国可再生能源消耗的4 5 ，1 9 7 9 年，美国就开始采用生物质 燃料直接燃烧发电，生物质能发电的总装机容量己超过1 0 0 0 0 兆瓦，单机容量 达1 0 2 5 兆瓦。1 9 9 5 年，美国h a w a i i 大学和v e r m o n t 大学在国家能源部资助下； 开始了循环流化床技术的生物质综合气化装置一燃气轮机发电系统成套设备的 研制，以实现生物质的高效、洁净利用。1 9 9 7 年，h a w a i i 大学建立了生物质处 理量为1 0 w d 的工业化加压气化系统。v e r m o n t 大学建立了气化工业装置，生 产能力为达2 0 0 t d ，发电能力为5 0 兆瓦。美国纽约的斯塔藤垃圾处理站投资 2 0 0 0 万美元，采用湿法处理垃圾，回收沼气，日产沼气2 0 万立方米，用于发 电，同时生产肥料，其效益可观，预计1 0 年内可以收回全部投资，生物质乙醇 燃料一直是美国生物质利用的主要目标，采用纤维素材料废弃物的酒精生产技 术，已经建立了1 兆瓦的稻壳发电示范工程，年产酒精2 5 0 0 吨。近年来美国能 4 源部还支持了一项利用木材、玉米秸杆等纤维废弃物生产乙醇的产业化攻关项 目。 在欧洲，丹麦、荷兰、英国、意大利、瑞士等许多国家在生物质的转化技 术研究上也取得了很大的进展：其中瑞典生物质的利用占全国总能耗的1 6 1 ， 达到5 5 亿k w h ，瑞典另一个利用生物质能的方式是将生物质送入循环流化床 气化炉，产生的燃气通过嫌气轮机发电，采用联合循环，这样的系统热效率较 高另一项正在实行的生物质热电联产计划不仅使生物质能转化为高品位电能； 而且同时能够满足供热的需求。英国政府对生物质能的开发利用给予了高度的 重视，并计划到2 0 1 0 年，英国的再生能源发电将占总发电量的1 0 ，并于2 0 0 2 年投资2 9 0 万英镑开发生物质能技术，将重点用于开发适合生物质能发电的嫩 气轮机技术和高效气化技术，并改进设计工艺和环境评估等。奥地利成功推行 了建立燃烧木质能源的区域供电计划，目前已有容量为1 0 0 0 - 2 0 0 0 k w 的9 0 多 个区域供热站，年供热1 0 x1 0 9 m j 热量 1 2 。3 生物质油的泄露对土壤的影响 我国是一个人1 2 1 大国，又是一个经济迅速发展的国家，2 1 世纪面临着经济 增长和环境保护的双重压力。所以不论从能源的角度，还是从环境保护的角度 来看，生物质能源的转化和生产都具有非常重大的意义。可以预见在不久的将 来，生物质油将会得到大规模生产消费。生物质油毕竟为混合复杂有机化合物， 其在开发、储存、运输、加工、应用过程中的泄露和排放将对环境也会造成大 量污染。 生物质油在进入土壤后，其物理分散作用影响它对被污染环境的冲击，也 影响它从被污染环境中的排出。沿土壤表面横向散开会增大污染面积，但同时 有助于低分子量烃类的蒸发清除。由重力和毛细管力引起的垂直渗透作用，会 妨碍蒸发，减少生物降解的可利用氧分，而且可能引起地下水的污染。其一部 分的有机物质在环境中会发生非生物化学氧化或光化学氧化反应。土壤中的微 生物同时对生物油进行生物降解，最终产生c 0 2 和h 2 0 和微生物的生物量。 由于生物质油的特殊的物理化学性质，在它进入土壤后难以去除且残留时 间长，使土壤中的碳源大量增加，直接导致土壤中g i n 比失调以及酸碱度的变 化，破坏了土壤结构，给受污染土壤带来一系列的危害，对污染地区的生态、 作物以及人类健康造成负面影响。具体体现在以下四个方面： 1 生物油为黑色粘稠状物质，粘着力强因此在土壤中容易与土粒粘连，影响 土壤的通透性，降低土壤质量。 2 生物油进入土壤后附着在植物的根表面j 形成粘膜，阻碍根系的呼吸与吸 收，引起根系腐烂，影响作物的根系生长。 3 生物油中复杂有机成分随着地面降水渗透到地下水，污染浅层地下水环 境，影响饮用水的质量。 4 生物油中的多环芳烃具有有致癌、致突变、致畸变等作用，它们能通过食 物链在动植物体内逐级富集，影响粮食的品质，并通过食物链，危及人类健康。 由此可见生物油在泄露后，同样会对环境造成污染和破坏，危害人体健康和 生存环境。因此，对生物油污染治理对人类生存和社会可持续发展同样具有重 要的意义。 1 3 土壤中油类污染治理的研究现状 目前油类污染治理最具全面和代表性的是石油污染的治理，其大致可以分 为物理方法、化学方法和生物方法三大类。早期的污染治理以物理和化学方法 为主。 1 汽提法土壤蒸汽分离或提取是指将挥发性或半挥发性石油烃类污染物 从土壤的渗流带中除去。汽提技术对环境的影响较小，且费用比其它技术的费 用低n 引。石油烃类污染土壤的汽提修复技术可以同其它土壤修复技术联合使 用，如生物降解法、土壤洗涤法和地下水抽提法n 劓 2 原位无害化技术n 副原位无害化技术是通过将受污染的土壤、填埋的垃 圾或污泥在原位高温( 1 6 0 0 - - 2 0 0 0 ) 熔化使物质无害化的过程。该技术具有如 下功能n 钔：同时处理有机物、重金属和放射性废弃物：减小污染物的毒性， 降低污染物的迁移性，减少污染物的体积：处理后的最终产物毒性相对较小： 适用于水体、固体碎片及各种类型的土壤。但是处理后产物的持久性更强， 存在的时间将更长n 们，且实施费用较高。 3 热解吸热解吸是通过高温( 通常低于4 0 ) 使烃类污染物从土壤中挥发 出来的过程，该过程是在避免氧气存在的情况下用低于焚烧的温度来实现的。 同焚烧相比，该方法具有产生气体少的优点，从而减少了废气处理系统的规模， 因此公众更愿意接收热解吸处理过程。研究表明热解吸所需的最低温度为3 0 ， 最低处理时间为3 0 m i n ，在这种状态下多环芳烃和挥发成分的去除率可以达到9 或更多，在处理的实施过程中其成本费用多花费在对空气污染的控制上例 4 固化作用稳定化方法稳定化方法是通过将污染物的溶解性、移动性或 毒性转化到最小以减小污染物危害，在稳定化过程中污染物的物理性质可能没 有发生变化。而固化技术则指通过粘合或覆盖技术将污染物重新组织成一种高 度完整的结构体，以防止污染物的转移和扩散。固化隐定化作用适于治理同时 被石油烃类和重金属污染的土壤n 剀。 5 土壤洗涤法土壤洗涤法主要是利用化学药品( 表面活性剂) ，以水为介质 来完成对石油烃类污染物的收集。在采用土壤原位表面活性剂淋洗技术时首先 要考虑的一个因素就是必须完成对淋洗后的表面活性剂溶液的回收h 引，以及回 收井中回收液的流失与向四周迁移防治。 6 6 沥青混合法沥青混合法就是把被石油污染的土壤加入到沥青中，通过热 裂解和挥发的办法达到治理的目的。在处理过程中，控制温度在5 0 - 一8 0 。c 保持 5 r a i n ，从而使部分重油裂解和挥发。此法亦要求气体排放满足环保要求。 7 热处理法热处理法属于污染土壤的异位处理技术，将被污染的土壤挖 掘出来，转移至锻烧炉中加热( 要求炉温控制在低于沙土的熔化温度) 。这种处 理方法不仅需要对排出的气体进行处理而且需要处理锻烧后的土和灰，该方法 虽然能破坏掉大部分的污染物，但是实施的费用确相当昂贵。 治理石油烃类污染物的物理化学方法虽然具有收效快、容易控制管理和易 于实施的优点，但是也存在着很多不可避免的缺点，如能源耗费多、对原有生 态破坏性强、成本高、存在二次污染等。因此，随着环境保护意识的不断增强 和环保措施的进一步完善，物化法处理石油烃类污染物的方法逐渐被新兴的治 理方法取代的趋势。在众多新兴的治理方法中生物方法受到了很大的重视，并 在对石油烃类污染物的现场修复实例中所占比重越来越大。 1 。4 生物修复油污染土壤 生物修复是新近发展起来的一项净化环境的低投资、高效益、便于应用、 发展潜力较大的新型技术。然而目前对生物修复的概念尚无完全统一的认识， 中科院生态环境研究中心的王庆仁博士是这样定义的：利用特定生物( 植物、微 生物或原生动物) 的吸收、转化来清除环境污染物，实现环境净化、生态效应恢 复的生物措旅。对无机( 重金属) 污染物的生物修复可以通过植物修复途径来完 成，而对有机污染物的生物修复主要靠微生物的降解、吸收、转化等途径心叫。 与物理化学修复技术相比，生物修复技术具有许多优点n 钔：费用低。生 物修复技术是所有处理技术中最便宜的，其费用约为焚烧处理费用的1 3 至1 4 ： 环境影响小。生物修复只是一个自然过程的强化，最终产物是二氧化碳、水 和脂肪酸，不会形成二次污染：应用范围广，其它技术难以实施的场所，可以 采用生物修复技术，如生物修复技术可同时处理受污染的地下水，有独到的优 势。 1 5 本实验所用生物油的来源 本实验采用的生物油来自于中国科学技术大学生物质洁净能源实验室。采 用的是其自主研制开发的自热式生物质热解液化小试装置 2 1 1 。该装置采用热解 副产物( 炭粉和可燃气) 燃烧产生的高温惰性烟气( n 2 + c 0 2 ) 用作热源和流化气体， 从而实现了自热式热解液化。其小时可液化处理2 0k g 生物质，分别采用木屑、 稻壳、玉米秆和棉花秆进行了热解液化试验，其结果如表1 2 。 7 表1 2 热解液化参数与结果2 2 1 4 】 1 6 生物油性质及组成 1 6 1 生物油的元素组成与理化特性 生物油中含有1 5 - - - 2 5 的水，由物料携带和反应生成物料不同，含水量不同 其化学元素组成是c 、h 、o 。由于大量有机酸的存在，生物油的p h 值呈酸性， 流动性较好，密度接近于1g m l 生物油为黑色粘稠状物质，其结果见表1 3 心。 表1 3生物油的元素组成和理化特性 2 1 1 3 】 分析样品元素组成w t 水分灰分密度热值粘度p h 1 6 2 生物油的化合物组成 生物油为一种复杂的有机成分混合物，科学技术大学洁净能源实验室通过色 质联用技术对生物油进行了初步的定量分析。其中将t i c 图中按峰面积归一化 法计算出其中3 2 个相对含量较高的成分在生物油中的相对含量。根据分析结 果：玉米秆物料制取的生物油中含乙酸2 7 3 2 、酯类6 7 2 、单环芳烃衍生物 3 3 5 2 、多环芳烃衍生物1 - 3 2 n 利。其中部分化学成分分子式见下图引。 图1 1 生物油某些组分的化学结构式 ( ) 人 ( ) h 乙酸 a e e r i ea c i d ( ) 人( 厂 乙酸甲酯2 一呋喃甲醛 f u r a n - 2 - c a r b a l d e h y d e 8 ( ) h 邻甲苯酚 o c r e s o l h ( )h ( ) ( ) h h ( ) 人( ) ( 邻二苯酚间甲苯酚4 一羟基- 2 - 甲氧基苯甲醛乙酸( 2 一甲氧基) 苯酯 t 1 ，2 - b e n z e n e d i o l m - c f c s o 0 2 ，5 一二甲氧基苯甲醛 2 ，5 一d i m e t h o x y b e n 之a l d e h y d e 1 7 本文所做的工作 1 7 1 实验工作 生物油的生物降解性能受到很多因素的影响，包括自身的化学组成和外界 的环境因素。大量研究表明，在泄漏油类污染净化的综合因素中，微生物降解起 着重要作用。 本文课题的研究内容包括：。 1 从造纸厂的活性污泥中对生物油降解茵进行驯化、分离、筛选： 2 对降解菌进行纯化，获得高效稳定的生物油降解菌。通过对该菌株的形态、 生理生化特性进行分析，鉴定该菌株： 3 通过测定生物降解生成c 0 2 法实验考察单因素对生物油降解的影响，同时 对该菌株降解生物油的过程进行动力学分析，得出该菌株降解生物油的最佳接 种量、最佳初始p h 值、最佳温度条件、生物油浓度对降解率影响、h 2 0 2 对生 物油降解影响及该菌降解底物的多样性。 4 综合考虑各个因素对生物油降解的影响，进行正交实验以探寻各个因素对 生物油降解的规律。 1 7 2 本文结构 论文写作主要包括以下几个部分：第一，前言和绪论部分。叙述选题的背 景、意义和目的。第二，相关基本知识部分。这一部分叙述了生物降解及其实 验相关的知识。第三，对生物油优势降解菌的分离、筛选及鉴定。第四，在各 个不同单因素下，优势降解菌对土壤中生物油的降解。第五，在不同因素水平 组合下，优势降解菌对土壤中生物油降解的正交实验。第六，研究结论。 9 第二章微生物对油类有机污染物的降解及其研究方法 2 1 微生物降解的基本概念 有机物在环境中的自然降解，微生物起到关键作用。微生物呈多样性，又 具有较大的比表面积，繁殖非常迅速，对环境条件适应性很强。因此，了解生 物油的微生物降解转化，有助于深入认识其在环境中分布和转化规律，为环境 保护提供理论依据；并可以有的放矢的采取相应的控制和治理措施，开发无污 染工艺和产品，具有很重要的实际应用价值。 自然界存在的有机物几乎都能被微生物所分解【2 3 1 。微生物分解有机物能力 较强。微生物的代谢类型极其多样，有些微生物可以代谢几十种 有机物，甚至更多。它能够利用其中任何一种有机物作为唯一的碳源或能源进 行代谢，也可以同时利用多种物质进行代谢。微生物有很强的变异性，从而使 得它具有降解人工合成的大分子的能力。如杀菌剂、表面活性剂、洗涤剂、各 种工业添加剂等等。微生物一开始接触这些物质，难以降解也不足为怪，但是 由于微生物有极其多样的代谢类型和强的变异性，使得它在适应一段时间以后 就可以降解这些有机物。研究者可以利用这样一种原理定向驯化，选育出高效 的降解微生物降解目标有机物，从而达到降解除去目的。降解酶的高效和专一 性使得有机物降解转化非常的温和和快速。另外，微生物体内还存在另一种调 控系统一一质粒。质粒是菌体内一种环状的d n a 分子，是染色体以外的遗传物质。 它参与了很多有毒化合物的降解，对许多复杂的化合物的降解有促进作用。 随着化学工业的发展和化学品的广泛使用，大量的人工合成有机化合物通 过各种途径进入环境。这些化合物中有一部分是能够被水或土壤中的微生物很 快地进行生物降解的，其中有些微生物可以代谢几十种有机物，它能够利用其 中任何一中有机物作为唯一的碳源或能源进行代谢，也可以同时利用多种物质 进行代谢。然而也有很多化合物，由于其化学结构和特性与天然有机物不同， 目前还没有发现能够有效分解这类化合物的微生物体系。然而微生物有很强的 变异性，从而使得它具有降解人工合成的大分子的能力。微生物在接触这些物 质后，在适应一段时间以后就可以降解这些有机物。因此使这类化合物在环境 中表现出生物难降解的特性，由此导致这类化合物在环境中长期滞留。因其中 有些化合物毒性很大，甚至可能是“三致”化合物，故将对环境和人类健康造 成威胁。围绕着这一环境问题进行的各种研究工作中，难降解化合物的降解研 究始终是很重要的一个方面。这一研究的目的在于：1 ) 评价各类化合物的可降解 性，预测化合物在环境中的滞留，为某些化合物的生产和使用以及向环境中排 放的立法提供依据，例如美国环境科学界对美国环保局规定的1 1 4 种优先污染 物的可