杂环化合物好氧生物降解性能与其.doc

可生物降解聚丁二酸丁二醇酯的制备技术 杂环化合物好氧生物降解性能与其化学结构相关性的研究3 技术简介目前使用的一次性聚合物材料如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等，在自然界中很难降解，已造成了严重的白色污染。因此，合成在自然环境中能够降解的聚合物材料，已经成为当前研究的热点之一。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的熔点为113，性能介于聚乙烯、聚丙烯之间。目前高分子量PBS的制备主要采用直接缩聚法，需要很高的真空度（0.2mmHg以下），在工业化中存在较大困难，对设备要求高。本技术建立了一种缩聚-扩链法，先以丁二酸与丁二醇进行熔融缩聚，制备特性粘度在0.5以下的PBS预聚体，再经扩链，获得特性粘度在0.71.0dL/g之间的PBS。这种方法原料配比较易控制，所需设备较为简单，不需要太高的真空度，便于工业化推广。技术指标PBS外观：无色或淡黄色固体；特性粘度：0.71.0 dL/g；熔点：112115。应用范围可用做生物降解地膜、食品包装材料，汽水、可乐、洗发水瓶，以及纸质食品包装盒的可降解涂层，可降解热溶胶等。对好氧生物降解性能的影响* 文摘采用厌氧酸化处理间歇装置和瓦勃氏微量呼吸测压仪，对萘等10种焦化废水中有机污染物进行厌氧酸化后好氧生物降解性能的研究。研究表明，受试的有机物经过厌氧酸化处理后均发生了不同程度的转化。萘、吡咯、咪唑、喹啉、吲哚生物氧化率有明显提高；联苯、三联苯、吡啶、咔唑从对好氧微生物的抑制状态转化为易于生物降解的物质；吩噻嗪抑制作用解除，但仍是难以生物降解物质。关键词焦化废水厌氧酸化生物降解性Effect on the aerobic biodegradability after anaerobic acidification of organic pollutants in coke-plant wastewater.Yao Jun(Department of Mathematics Engineering,Luoyang University, Luoyang 471000);He Miao(Department of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084).China Environmental Science.1998,18(3):276279AbstractUsing the device of anaerobic acidification and Warbury respirometer, after anaerobic acidification, the aerobic biodegradability of 10 organic pollutants such as naphthalene, etc in coke-plant wastewater were tested. The biooxyrate of naphthalene, pyrrol, imidazole, quinoline and indole have been improved obviously. The biodegradability of biphenyl , terphenyl , pyridine and carbazole becomes easier except phenothiazine.Key words: coke-plant wastewateranaerobic acidification biodegradability焦化废水中含有大量的杂环及多环芳烃类有机物，这些有机物在好氧条件下较难被微生物所降解1。据文献报道2,经过厌氧酸化预处理可以改变难降解有机物的化学结构，使其好氧生物降解性能提高，为后续的好氧生物处理创造良好的条件。以往对杂环化合物及多环芳烃生物降解性能的研究报道，大多是各研究者在不同的试验背景条件下，针对各自的研究目的而得到的，研究结果的可比性较差。本研究从焦化废水处理实际出发，在接近实际废水生物处理工艺过程的条件下，采用厌氧酸化处理间歇装置和瓦勃氏微量呼吸测压仪，对萘、吡咯、咪唑、喹啉、吲哚、联苯、三联苯、吡啶、咔唑、吩噻嗪10种有机污染物分别进行厌氧酸化后好氧生物降解性能的研究，为厌氧酸化-好氧法处理焦化废水提供理论依据。1试验装置与方法1.1试验装置图1厌氧酸化处理试验装置Fig.1Device of anaerobic acidification1.培养瓶2.水封瓶3.恒温水浴器首先采用图1所示的厌氧酸化处理间歇试验装置，进行受试有机物的厌氧酸化处理；然后对经厌氧酸化处理后的水样，采用上海科技大学工厂生产的SKW-3型瓦勃氏微量呼吸测压仪，进行受试有机物经厌氧酸化后好氧生物降解性能的研究。1.2厌氧预处理1.2.1试验用水 采用受试有机物和葡萄糖人工配水作为试验用水。预先配制两种试剂-葡萄糖营养液和受试有机物溶液。试验 时根据不同浓度要求，用它们配制试验用水，试验 用水总COD控制在1000mg/L 。受试有机物初始浓度：喹啉为60mg/L,萘、吡咯、咪唑、吲哚、吡啶为40mg/L，联苯、三联苯、咔唑、吩噻嗪为20mg/L。葡萄糖营养液：采用葡萄糖配水，其中投加(NH4)2CO3和KH2PO4作为氮源和磷源，使CODNP=20051，COD约15g/L。受试有机物溶液：配成2g/L 浓度溶液。1.2.2接种污泥取北京市北小河污水处理厂厌氧污泥作为接种污泥，在实验室中进行培养驯化，驯化时取250mL（MLSS为20g/L ）厌氧污泥置于500mL培养瓶内，加入一定量葡萄糖营养液和受试有机物溶液，加入蒸馏水至刻度使COD控制在1000mg/L，污泥浓度约10g/L，将培养瓶置于恒温振荡水浴器中进行驯化，每天换1次水样，测COD、BOD5、pH值，直至系统运行稳定，污泥成熟，以备试验用。1.3好氧降解性能试验1.3.1试验用水采用厌氧酸化处理前后的水样作为试验用水。1.3.2接种污泥 采用实验室活性污泥法模型曝气池中污泥作为接种污泥。该污泥已采用焦化废水驯化成熟。取曝气池内混合液空曝24h后，离心、洗涤、浓缩，用pH7.0的磷酸盐缓冲液配成浓度为9g/L的污泥备用。1.4试验方法试验分为受试有机物试验组和葡萄糖对照组分别进行厌氧酸化处理和瓦呼仪生物降解性能试验。对照组目的是消除葡萄糖的影响，对照组：葡萄糖营养液+接种污泥。进行厌氧酸化处理时，对照组的葡萄糖浓度及接种污泥量与试验组完全相同。对厌氧酸化前的水样和经过12h酸化反应后水样进行瓦呼仪试验，研究厌氧酸化前后受试污染物好氧生物降解性能的变化。受试物相对累积耗氧量=（试验组相对累积耗氧量）-（对照组相对累积耗氧量）2结果与讨论表1为计算所得10种受试物厌氧处理前后生物氧化率，以生物氧化率来评价其降解性能。表1受试有机物厌氧前后好氧降解性能比较物质初始浓度(mg/L )生物氧化率(%)物质初始浓度(mg/L )生物氧化率(%)厌氧酸化前厌氧酸化后厌氧酸化前厌氧酸化后萘4031.251.2联苯20明显抑制35.4吡咯4021.228.7三联苯20明显抑制35.2咪唑4022.829.2吡啶40明显抑制36.6喹啉6018.939.3咔唑20明显抑制36.7吲哚4014.738.8吩噻嗪20明显抑制10.2当生物氧化率35%,为易降解；生物氧化率35%20%为可降解；生物氧化率20%为难降解。图26分别为萘、吲哚、喹啉、三联苯、吩噻嗪厌氧酸化前后相对累积耗氧量曲线。图中曲线1为未经厌氧酸化，曲线2为经过12h厌氧酸化图2萘厌氧酸化前后相对累积耗氧量曲线图3吲哚厌氧酸化前后相对累积耗氧量曲线图 4喹啉厌氧酸化前后相对累积耗氧量曲图5三联苯厌氧酸化前后相对累积耗氧量曲线图6吩噻嗪厌氧酸化前后相对累积耗氧量曲线 由图26及表1可见：(1)萘经厌氧酸化后,转化为易于好氧生物降解,生物氧化率由厌氧前的31.2%提高到厌氧酸化后的51.2%；(2)吡咯和咪唑在厌氧酸化前，属于可以好氧生物降解的一类物质，经12h厌氧酸化后，生物氧化率略有提高;(3)喹啉和吲哚在好氧条件下是难降解物质，经12h厌氧酸化处理后转化为易于好氧处理，生物氧化率提高到39.3%和38.8%;由图3,图4可看出，未经厌氧处理时，喹啉和吲哚在初期（约12h），对葡萄糖降解产生抑制作用，经12h厌氧酸化后，抑制作用完全解除;(4)联苯，三联苯、吡啶、咔唑、吩噻嗪在受试浓度下对好氧微生物均存在明显抑制作用，经厌氧处理后，它们对微生物的抑制作用于完全解除 ，联苯、三联苯、吡啶、咔唑生物氧化率明显提高，均大于35%，成为易于好氧降解物质。对杂环化合物及多环芳烃生物降解机理的研究表明，环的开环裂解是它们在生物降解过程中的限速步骤。在好氧条件下，由于好氧微生物开环酶体系的脆弱及不发达，阻止了杂环化合物及多环芳烃的降解。而厌氧微生物学对于环的裂解具有不同于好氧菌的代谢过程35，一是还原性代谢途径，通过苯环加氢还原使之裂解，另一种途径是非还原性代谢途径，通过苯环加水而羟基化，而且所涉及的开环酶体系也完全不同于好氧微生物。Kluge等人6报道还原性芳香环裂解需脱羧酶，还原酶及裂解酶参与。Voger4等人研究报道了多种参与厌氧芳烃裂解的酶体系，表明厌氧微生物体内具有易于诱导较为多样化的开环酶体系，这就为芳香烃及杂环化合物的厌氧酸化转化提供了客观保证，使它们易于开环裂解，进行有效的生物降解；(5)吩噻嗪厌氧酸化后，抑制作用解除，但仍属于难降解物质，吩噻嗪分子双侧苯环上的电子云密度高于中间杂环，杂环上的氮原子和硫原子的孤对电子没有参与环上的共轭大键形成，氮原子和硫原子电负性大，致使环上电子云密度下降，故难以供出电子被氧化，所以吩噻嗪难以生物降解。 3结论3.1焦化废水中多环芳烃及杂环类有机物经厌氧酸化处理后均发生了不同程度的转化。3.2萘经厌氧酸化处理后，其好氧生物降解性能大大提高；吡咯和咪唑厌氧酸化后，好氧生物降解性能提高不大，可认为单环杂环化合物对厌氧酸化有抗性。喹啉、吲哚经厌氧酸化后，对好氧微生物的初期抑制作用消失，而且好氧降解性能显著提高。3.3吩噻嗪经厌氧酸化后，对好氧微生物的抑制作用解除；联苯、三联苯、吡啶、咔唑经厌氧酸化后好氧生物降解性能显著提高。3.4厌氧酸化-好氧生物处理工艺是去除焦化废水中难降解有机污染物的有效途径。杂环化合物是指具有环状结构，并且除碳氢原子外，至少还含有一个杂原子的化合物。本文研究的对象主要是含有硫、氮、氧三类杂原子的孤对电子杂环化合物。这些杂环化合物是严重的污染源，化石燃料中的含硫、含氮化合物是在燃烧过程释放出大量的硫氧化物和氮氧化物，是酸雨的成因之一，对环境造成了严重的污染。随着人类社会的发展，能源的消耗与日俱增，这些化合物造成的污染也越来越严重。生物处理方法由于具有操作条件温和、费用低、对环境造成的二次污染少而受到越来越多的重视。二苯并噻吩(Dibenzothiophene，DBT)是化石燃料中含有的一种典型的有机硫化合物，使用传统的加氢脱硫(Hydrodesulfurization，HDS)难以去除，因此选择DBT作为微生物脱有机硫反应的模式化合物。石油中的含氮化合物主要是咔唑(Carbaz01e，CA)的各种烷基衍生物，所以生物脱氮的研究是以CA为模式化合物。二苯并呋喃(Dibenzofuran，DBF)是研究二恶英类(dioxin-1ike)氧杂环环境污染物生物降解的模式化合物。 本工作使用实验室前期分离出来的一株降解DBT的菌株XP为研究对象。菌株XP为常温菌株，可以在30左右降解含硫化合物。对XP菌株进行了菌种鉴定，XP菌落生长初期形成短的分枝菌丝体，然后分化成球菌及棒杆菌的形态；菌落有光泽，从奶白色逐渐变为粉红色；XP菌株的分枝菌酸属于红球菌分枝菌酸；脂肪酸类型为无分支，含有饱和及不饱和脂肪酸，同时还含有结核菌脂酸，与数据库中的红平红球菌脂肪酸类型有86.5的同源性；XP菌株的riboprint模式与模式菌株Rhodococcus erythropolis DSM 43066相似：XP菌株的16S rDNA序列在诊断区(1-500个碱基)与模式菌株Rhodococcus erythroliS DSM 43066的16S rDNA序列100的同源。通过上述常规的形态学、化学分析法(包括脂肪酸、分枝菌酸分析)和分子生物学结果(Riboprint pattern和16S rDNA序列的比对)，最终确定XP菌株属于红平红球菌，命名为RhDdococcus erythroplis XP。 红平红球菌(Rhodococcus erythropolis)XP可以利用各种硫源，包括部分甲基噻吩、甲基苯并噻吩及全部测试的二苯并噻吩类化合物为唯一硫源生长。通过 GC-MS分析，检测了菌株XP代谢DBT的中间物及终产物。结果表明，菌株代谢DBT的终产物为2-羟基联苯(2-Hydroxybiphenyl，2-HBP)，同时检测到了中间产物DBT砜(DBT sulfone，简称DBTO)。说明XP代谢DBT走经典的硫专一性代谢途径，也称为“4S”途径。详细考查了XP菌株对DBT在生长状态下的降解情况和2-HBP的生成情况。发现XP可以在生长体系下，48h内降解0.45mM的DBT同时生成0.42 mM的2-HBP，说明红平红球菌(Rhodococcus erythropolis)XP降解DBT与2-HBP的生成是对应的。同时分析了菌株XP对3-甲基苯并噻吩(3-Methylbenzothiophene，3-MBT)和DBT烷基取代物，如4-甲基DBT(4-Methyl-DBT，4-MDBT)、4,6-二甲基DBT(4，6-DimethylDBT，4,6-DMDBT)和萘并苯噻吩(Benzonaphthothiophene，BNT)的代谢途径。菌株XP代谢4-MDBT，生成了2-羟基-3-甲基联苯(2-hydroxy-3-methylbiphenyl)和2-羟基-3-甲基联苯(2-hydroxy-3-methylbiphenyl) 代谢4,6-DMDBT生成了2-羟基-3，3-二甲基联苯(2-hydroxy-3，3-dimethyl-biphenyl)；代谢BNT生成了-羟基-苯基-萘(-hydroxy-phenyl-naphthalene)。菌株XP对甲基苯并噻吩也有降解能力，代谢3-MBT生成2-异丙基苯酚(2-isopropenylphenol)。通过代谢途径的分析发现，红平红球菌(Rhodococcus erythropolis)XP降解噻吩类化合物走经典的硫专一性途径，生成相应的羟基苯/联苯类化合物为终产物。 采用红平红球菌XP对柴油，原油和汽油进行了脱硫实验。结果显示XP菌株对初始硫含量为259 ppm的柴油可以达到94.5的脱硫率，高于已摒道的生物脱硫率，达到了深度脱硫的目标。Rhodococcus erythropolis XP可以深度脱硫关键在于XP菌株可以更好的降解燃油中甲基化程度更高的含硫化合物。经生物脱硫催化剂作用后，柴油的烷烃没有显著的变化，说明该生物处理过程不损失燃烧值。同时首次报道XP菌株对原油有良好的处理效果，对初始硫含量为3,210 ppm的抚顺原油有62.3的脱硫率，对初始硫含量为1,237 ppm的苏丹原油有47.2的脱硫率，说明XP具有很大的应用潜力。依据当前中国原油开采的实际情况，提出了采用生物法处理原油要比处理柴油更有实际应用价值。本文还尝试了使用XP休止细胞处理汽油，XP休止细胞可以脱除催化裂化汽油中30的硫；对直馏汽油处理效果明显，可以达到85的脱硫率。XP菌株对含硫量较高的催化裂化汽油处理效果不理想，XP更适用于以二苯并噻吩为主要含硫化合物的原油和柴油的生物脱硫。 根据已发表的脱硫基因序列的保守性，设计了引物，使用聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)扩增了红平红球菌XP的脱硫基因dszABC。得到的转化子可以在24 h内将0.5 mM的 DBT完全降解掉。同时转化子对各种有机硫源都有较高程度的降解。同样使用PCR扩增的手段，得到Rhodococcuserythropolis XP 的黄素还原酶DszD的基因序列，通过活力测定确认获得的基因为dszD。通过上面成功的克隆了有活力的dszABCD四个基因，进而测序，结果与模式菌株IGTS8的相关基因比对，dszABC的基因序列与脱硫模式菌株IGTS8的脱硫基因同源性超过99；dszD基因与：IGTS8的同源性为98.5。使用重组PCR的手段，获得了dszAC基因簇，将其导入表达载体pKK223-3中，获得的转化子PKKAC可以有效地降解DBT，生成脱硫途径中的倒数第二个产物HPBS。同时转化子对其他各种甲基DBT也有同样的攻击能力，降解各种DBT类物质生成相应的Cx-HPBS，也直接证明了Rhodococcus erythropolis XP降解DBT完全遵循报道的“4S”途径。 首次报道了将CA 降解基因导入DBT降解菌株并获得成功。将咔唑1，9a双加氧酶导入Rhodococcus erythropolis XP构建了重组菌株Rhodococcuserythropolis SN8。咔唑1，9a双加氧酶可以选择性的降解CA生成2-氨基联苯-2,3-二醇，从而可以减少对加氢处理的抑制。构建的重组菌SN8可以选择性的降解DBT和CA，不损失燃烧值。通过实验发现SN8可以同时降解水体系和正十四烷中的CA和DBT。SN8可以在6 h内将体系内的DBT和CA全部降解掉，并且实验证实导入的carA基因对DBT的降解基本无影响。进一步实验了SN8对原油中含硫含氮化合物的降解能力，SN8休止细胞可以有效地降解FS4800原油中绝大部分的可检测含硫化合物，同时对原油中的咔唑，一甲基至三甲基取代的咔唑类化合物都有不同程度的降解能力。此外，将负责编码降解CA生成邻氨基苯甲酸酶系的基因carABC导入Rhodococcus erythropolis XP构建了重组菌株Rhodococcus erythropolis xPDN。通过GC-MS分析证实XPDN可以降解DBT生成DBTO到2-HBP，同时降解CA生成邻氨基苯甲酸。Rhodococcus erythropolisXPDN可以同时降解DBT、CA和二苯并呋喃(Dibenzofuran，DBF)这三类杂环类化合物，并且可以继续降解2-HBP生成苯甲酸。构建的重组菌株XPDN可以降解这三类化合物生成无毒的产物，在环境修复上具有一定的价值。XPDN休止细胞还能够攻击二恶英前体物质dibenzo-p-dioxin(DD)，在7d之内可以完全降解掉0.1 mM的DD。 在微生物降解疏水化合物时，双液相系统有助于克服污染物的生物可利用性障碍，提高污染物的生物降解速率，因而在生物催化上大量使用。然而，现在许多有机溶剂都是生物体毒素，甚至有些溶剂在极低的浓度(0.1v/v)存在时也能杀死细胞。同样燃油也同有机溶剂一样存在相同的生物毒性。因此本工作也开展了将脱硫基因dszABCD导入一株最高可以耐受50二甲苯的恶臭假单胞菌，构建了能够同时脱硫和耐受有机溶剂的工程菌株。构建的工程菌株Pseudomonasputida A4可以在10对二甲苯存在下，以DBT为唯一硫源生长；其休止细胞可以在10甲苯存在下，6h内降解掉86的初始浓度为0.5 mM的DBT。进一步的实验证实Pseudomonas putida A4在各种极性的有机溶剂存在下对DBf都有降解作用。焦化废水中几种含氮杂环化合物缺氧降解机理摘要:对焦化废水中几种主要的含氮杂环有机物(吡啶、吲哚、喹啉、异喹啉、2-甲基喹啉)在缺氧条件下的降解试验研究结果表明,几种受试物质在缺氧条件下均可降解,其中吡啶的降解速度远大于其余四种物质。有机物定量结构-生物降解性关系(QSBR)研究表明缺氧条件下上述物质的反硝化速率常数与分子连接性指数Xv之间有较好的相关性。关键词:含氮杂环有机物;缺氧;有机物定量结构-生物降解性关系;分子连接性指数Xv焦化废水中含有大量有毒难降解的有机物,如酚类、杂环芳烃、多环芳烃等13。目前,在焦化废水的生物处理中,缺氧是必不可少的一个环节4,5。在缺氧条件下,反硝化菌可以利用有机碳源作为反硝化过程的电子供体,而以硝酸氮(NO-32N)或亚硝酸氮(NO-22N)作为电子受体进行厌氧呼吸,因此,反硝化过程可同时达到去碳和脱氮的目的。本文选取焦化废水中几种典型的含氮杂环有机物:吡啶、吲哚、喹啉、异喹啉、2-甲基喹啉,对其进行缺氧条件下的间歇试验,并对缺氧条件下的反硝化反应进行了有机物定量结构-生物降解性关系(QSBR)研究和机理探讨。1材料与方法配制一定质量浓度的含氮杂环化合物水溶液,在配制水溶液时加入NaNO3,其质量浓度是根据作者用厌氧酸化-缺氧-好氧(A12A22O)生化系统处理上海焦化厂废水时缺氧段进水中m(COD)与硝态氮m(NO-x2N)的比例(约为31)来配制的4。由于用于试验的五种杂环化合物每100mgL-1所相当的(COD)几乎都为300mgL-1左右,因此在配制溶液时,都以杂环化合物质量浓度比NO-3-N质量浓度为11的标准来进行。试验用污泥取自A12A22O连续流生化系统的缺氧段。污泥经自来水清洗、离心去除上清液后,重新置于营养储备液中,混匀作为备用。该备用液的挥发性悬浮污泥(MLVSS)的质量浓度为20gL-1。在500ml锥形瓶中,加入上述备用污泥150ml,含氮杂环化合物的配水溶液350ml,锥形瓶中混合液的MLVSS质量浓度控制在6gL-1左右。将锥形瓶加塞置于恒温振荡器内,温度控制在2530。测定方法采用气相色谱法,五种含氮杂环化合物的初始质量浓度均为80mgL-1。2结果与讨论 2.1含氮杂环有机物的降解情况在缺氧状态下五种含氮杂环化合物的降解情况如图1所-示。从图1中可以看到,在缺氧状态下,除了吡啶外,其余四种受试含氮杂环化合物在反应2h时都有一个质量浓度迅速降低的过程,这可认为是一个大量吸附过程。随后,是一个缓慢降解或驯化过程。在反应到某一时间时,质量浓度又开始迅速降低,直至不能检出,这可认为微生物已适应该物质,从而对该物质开始大量降解。吡啶在反应开始时没有质量浓度迅速降低的现象,而是在12h前缓慢降解,12h后迅速降解。这说明在缺氧状态下,微生物对吡啶这种物质适应很快,在较短时间内即可有效地将吡啶完全降解。2.2缺氧试验中硝态氮的变化图2和图3分别为上述五种含氮杂环化合物为有机碳源时,相应硝酸氮的去除和亚硝酸氮的转化情况。对比图1和图2,可以看出,在有机物未得到完全降解时,NO-3-N的去除与时间基本上呈线性关系,在有机物消耗殆尽后,NO-3-N的质量浓度基本上不再变化。从图1和图3中可以看出,在有机物未得到完全降解时,NO-2-N的质量浓度是随着时间的增加逐渐增大的,但在机物质量浓度不再能够检出时,NO-2-N的质量浓度开始下降,当反应到足够长时间时,NO-2-N可得到很好的去除,这可能是反硝化菌利用附着在污泥上的少量碳源对少量的NO-2-N进行反硝化的结果(如吡啶为基质的情况)。在整个反应时间内,NO-2-N的质量浓度不大于4mgL-1,说明受试的五种含氮杂环化合物基本不会造成亚硝酸盐氮的积累,NO-3-N可以得到较完全的转化。将图2中NO-3-N线性去除的部分进行回归,所得方程列于表1。从表1中可以看出,所得各方程的相关性很好,这说明在以杂环化合物为基质时,(NO-3-N)的降解呈零级反应。这与WenK。shieh等6的研究结果是一致的。2.3含氮杂环化合物在缺氧生物降解状态下的QSBR研究在QSBR的几种研究方法中,分子连接性指数可以把分子中原子数目的加和性和构成性(原子在分子中的排列)的结构信息译制出来。分子连接性指数是一种拓扑学参数,是经计算而得的非经验值,不是实验值,因而比较客观、简便。分子连接性指数尤其可以较好地反映杂环化合物的特点,因此选择它来建立QSBR。表2为受试的几种含氮杂环化合物的分子连接性指数Xv(参照文献7中的方法进行计算,并与有关资料8进行核对)。将表1的反硝化速率常数K与其对应基质的Xv进行回归,回归方程见式(1),其相关系数R2=0。980,可见方程(1)可以较好地反映含氮杂环化合物的结构与以其为碳源时的反硝化速率的关系。K=-0.2922Xv+1.2552 (1)由式(1)可以看出,含氮杂环化合物的分子连接性指数Xv越小,K值越大,即以该种含氮杂环化合物为碳源时的反硝化速率越大,在本试验的五种含氮杂环化合物中,吡啶的Xv较其它四种化合物小得多,因而以它为碳源的反硝化速率比以其它四种化合物为碳源时的反硝化速率大得多。根据上面的分析,可以得出以含氮杂环化合物为碳源时,NO-3-N的质量浓度与反应时间的关系为 =-Kt+0 (2) 式中:0为NO-3-N的起始质量浓度,mgL-1;为NO-3-N在时间为t时的质量浓度,mgL-1;K为反硝化速率常数,mgL-1h-1,且可以用式(1)求得。根据式(1)和式(2)可以求得以含氮杂环化合物为碳源时,在一定的起始质量浓度下,达到一定的反硝化率所需的时间。由于杂原子的分子连接性指数和分子体积及电子性质有关9,所以可以认为以含氮杂环化合物作碳源时,其反硝化速率与基质碳源分子的大小和电子性质有关。由于QSBR只局限于结构相似的物质,所以式(1)和式(2)适用于结构类似的含氮杂环化合物在缺氧条件下作为碳源时的反硝化速率的求定。2。4含氮杂环化合物在缺氧状态下生物降解的机理探讨废水的生物处理实质是在高效催化剂生物酶的催化下,发生氧化降解反应的。在对含芳环化合物的降解中,氧由于具有很强的电负性,它直接向芳环上电子云密度最大的某一碳原子进攻,当发生有效碰撞以后,可以引起芳环破裂,因此生物氧化的主导方式以亲电反应为主10,所以如果芳环上电子云密度升高则有利于它的降解。在缺氧状态下,反硝化菌将利用有机物作为电子供体,硝态氮中的氧作为电子受体来进行代谢活动。因此缺氧状态下有机物的降解既不同于好氧状态,也不同于完全厌氧状态。根据前面的QSBR,含氮杂环化合物作碳源时,其反硝化速率与基质碳源分子的大小和电子性质有关。而量子生物学的研究也认为,物质的三维空间结构、电荷特性和疏水特性是生物氧化难易的控制因素从理论上分析,在受试的五种物质中,吡啶是唯一的单环物质,较易接近酶的活性中心,因此吸附到污泥上后,生物体对它的降解速度也就较快。其它四种受试物质均为含氮杂环物质与苯环的稠和体,苯环的增加使分子的空间体积增大,分子难于接近酶的活性中心,因此它们的反应速度远小于吡啶。但同样为与苯环稠和的氮杂环化合物,吲哚的降解速度又比喹啉大。图4是根据分子轨道法计算的吲哚、喹啉和异喹啉的电荷分布图11,从图4中可以看出,吲哚环上的电荷密度明显高于喹啉环,因此吲哚更易发生亲电反应。虽然异喹啉与喹啉是同分异构体,但从图4中可以看出,异喹啉分子中环上的电荷密度低于喹啉环上的电荷密度,喹啉环上接受亲电进攻的反应点比异喹啉多,因此,喹啉比异喹啉更容易受到氧化酶的亲电子攻击而被降解。对于2-甲基喹啉来说,由于甲基的增加,使环上电子云密度进一步降低,并且增加了其空间位阻效应,因此2-甲基喹啉的生物降解性比喹啉低。从疏水特性方面来看,上面几种物质的疏水性随着分子量的增加而增加,而且异喹啉的溶解度也小于喹啉,疏水性的增加不利于物质接近亲水性的酶分子表面,因此,上面五种杂环化合物的降解速度随分子量的增加而减弱,异喹啉的降解速度小于喹啉。3结论(1)吡啶、吲哚、喹啉、异喹啉、2-甲基喹啉在缺氧状态下可以降解,其中吡啶的缺氧生物降解速率远大于其余四种物质。(2)以上述五种杂环有机物作为单一基质时,反硝化速率与进水硝态氮的质量浓度无关,反硝化反应为零级反应。(3)反硝化速率常数与分子连接性指数Xv之间具有较好的相关性。以含氮杂环化合物为碳源时,NO-3-N的质量浓度与时间有关,可用式(1)求得,其中K=-0。2922Xv+1。2552。(4)含氮杂环化合物在缺氧条件下的生物降解速率与物质分子的空间结构、电荷特性和疏水特性有关。分子空间位阻效应的增大、环上电荷密度的降低及疏水性的增加都不利于有机物的缺氧降解。参考文献:4李咏梅,顾国维,赵建夫。厌氧酸化-缺氧-好氧生物膜法处理焦化废水的研究J。上海环境科学,2000,19(增刊):63-66。5ZhangM,TayJH,QianY,etal。CokeplantwastewatertreatmentbyfixedbiofilmsystemforCODandHN32NremovalJ。WatRes,1998,32:519-527。6ShiehWK,RichardDJ。Anoxic/OxicactivatedsludgetreatmentkineticsofcyanidesandphenolsJ。JofEnvironEng,1988,114:639-654。7戴树桂,黄国兰,孙红文,等。QSAR计算中的分子连接性指数法J。环境化学,1994,13(3):242-245。8王连生。环境健康化学M。北京:科学出版社,1994。9王连生。环境化学进展M。北京:化学工业出版社,1995。10王连生。有机物污染化学:上册M。北京:科学出版社,1990。11赵雁来,何森泉,徐长德。杂环化学导论M。北京:高等教育出版社,1992。文摘应用有机物结构2活性定量关系方法(Q SAR) 对杂环化合物的好氧生物降解性能与其化学结构间的关系进行定性、定量分析。阐明了单环杂环化合物以及与苯环稠合形成的双环及三环杂环化合物生物降解性能的规律性, 研究了影响其降解性能的主要因素。以分子连接性指数IX V 及前线最高占据轨道能EHOMO 为自变量参数, 建立了杂环化合物的生物降解速率常数与IX V 及EHOMO 间的定量关系。关键词杂环化合物, 生物降解性能, 化学结构。有机物生物降解性能与物质本身结构特性间的相关性, 已经成为当前环境科学研究领域的共识, 有机物结构2活性定量关系(Q SAR ,Q uan2t itat ive St ructu re2A ct ivity Relat ion sh ip s) 是目前国际上非常活跃的研究领域(1)。杂环化合物是一类污染面广、毒性较大的较难降解有机物, 广泛存在于许多工业废水中(如焦化、石油化工、农药、染料等) , 常常致常规的生物处理系统处理效果不够理想。本文将针对杂环化合物进行生物降解性能与其化学结构相关性的研究, 这将有助于深入认识有机物生物降解的规律, 从而进一步揭示有机物的生物降解机理, 为该类难降解有机物的有效控制奠定一定的理论基础。1杂环化合物好氧生物降解性能的规律性及其与化学结构的定性关系111单环杂环化合物选取5 种单环杂环化合物, 列出它们的生物降解速率常数以及共振能, 如表1 所示。生物降解速率常数是作者(2) 在进行杂环化合物生物降解性能研究时所得到的。表1 中属五元杂环的4 种物质的好氧生物降解性能接近, 均属可生物降解物质, 生物降解速率常数由大到小的顺序为咪唑(1912) 呋喃(18.5) 吡咯(16.2) 噻吩(14.6)。上述4 种物质在化学结构上的共同点是: 五元杂环化合物中杂原子上的未共用电子对参与环上共轭体系的形成, 起到推电子作用, 超过了因杂原子强电负性的吸电子作用, 致使环上电子云密度加大, 此类物质为“超P电子物质”。这种“超P电子结构”有利于氧从分子中获得电子。因此, 它们呈现较好的生物降解性能。如以共振能表示其稳定性大小, 发现上述物质具有同共振能顺序相同的生物降解性能顺序。从表1 中可见, 六元杂环吡啶的好氧生物降解速率常数大大低于五元杂环的4 种物质, 属于难以生物降解的物质。吡啶的生物降解性能与其化学结构特点是密切相关的。在吡啶分子中, 杂原子上的未共用电子对未参与环上P电子共轭体系的形成。相反, 因杂氮原子很强的电负性, 还吸引环上电子,致使环上电子云密度急剧下降, 属于“缺P电子结构”的物质, 妨碍了氧从分子中获得电子, 使其生物降解性能大大降低。综合以上分析, 对于单环杂环化合物来说,影响其生物降解性能的主要因素是共轭分子环上的电荷特性, 具有“超P电子结构”的物质表现较好的好氧生物降解性能, 而具有“缺P电子结构”的物质则难以生物降解。1.2与苯环稠合的双环及三环杂环化合物 选取8 种双环及三环杂环化合物进行生物降解性能与其化学结构间的定性分析, 表2 列出它们的生物降解速率常数及结构类似物。从表2 可见:(1) 属于单环五元杂环的“超P电子”物质分别与一个或两个苯环稠合形成吲哚、咔唑、苯并呋喃、苯并咪唑、苯并噻吩后, 生物降解速率常数大大降低, 由原来的可生物降解物质变成了难以生物降解物质。上述物质生物降解性能的转化与它们化学结构的变化是密切相关的。量子生物学的研究认为(3) , 物质的三维空间结构、电荷特性, 以及疏水特性是生物氧化反应难易的控制因素。上述与苯环稠合后的杂环化合物, 首先, 增大了分子的空间体积, 使物质难于接近酶的活性中心, 从而增加了生物降解反应的空间位阻效应; 其次, 与苯环稠合后的物质, 其电荷密度低于原母体化合物, 这样就使生物氧化反应氧化酶的亲电子攻击受阻; 最后, 稠合后的物质疏水性增加, 使物质难于接近新水性的酶分子表面。因此,由于上述三方面因素的综合作用, 使与苯环稠合后的杂环化合物好氧生物降解性能下降。(2) 杂环化合物与其结构类似物具有相近的生物降解速率常数, 它们的生物降解性能类似。咔唑分子及吩噻溱分子具有与联苯类似的生物降解性能, 它们的生物降解速率常数接近,即咔唑: 4. 610- 3L(gh) ; 吩噻嗪: 510- 3L(gh) ; 联苯: 1. 910- 3L(gh)。咔唑分子旁侧两个苯环将中间的吡咯环保护起来, 使原来的吡咯环上的原子几乎完全被淹没了, 成了2 个苯环部分, 这样使得咔唑具有同联苯类似的结构特点。同样, 吩噻嗪分子的结构特点与咔唑类似, 也是旁侧两个苯环淹没了噻嗪环上的原子, 使得吩噻嗪具有联苯近似的结构。因此, 作为联苯的结构类似物, 咔唑及吩噻嗪在生物降解反应中表现出了与联苯相近的生物降解性能。苯并喹啉与蒽具有非常接近的生物降解性能, 其生物降解速率常数分别为: 苯并喹啉, 9. 210- 3L(gh) ; 蒽, 9. 510- 3L(gh)。这两种物质化学结构类似, 苯并喹淋又称102氮杂蒽。苯并喹啉的共振能也和蒽相差无几, 分别为:蒽, 105kcalm o l; 苯并喹啉, 107kcalm o l。这两个化合物都是平面结构, 它们的吸收光谱几乎相同。因此, 作为蒽的结构类似物, 在生物降解反应中, 苯并喹啉表现了与蒽相近的生物降解性能。喹啉分子具有与萘分子相似的分子结构, 但是, 由于喹啉在杂环上有一个电负性能很强的氮原子, 所以又表现出与吡啶类似的分子结构。因此, 喹啉在结构上是吡啶与苯的稠合体, 其反应特征上兼有吡啶与萘的某些特征。表2 中所示的生物降解速率常数也证明了这一点。2杂环化合物好氧生物降解性能与化学结构间的定量关系通过上述对杂环化合物降解机理的分析可知, 影响有机物生物降解性能最重要因素是物质的电荷特性及空间结构, 即: K = F (E P S P )式中: K 为生物降解速率常数; E P 为电性参数;S P 为结构参数。2. 1自变量参数的选定影响参数(自变量参数) 的合理选择对于定量关系的建立具有很重要的意义。本研究从物质本身的结构特点、参数与性能的相关性等方面进行了多参数的试算、比较, 最终选定以下两参数分别作为结构参数及电性参数。选定分子连接性指数IXV 为结构参数。分子连接性指数是依据拓扑理论, 对分子空间结构进行定量描述的(4)。本研究各物质的IXV 值见表3。选定前线最高占据轨道能EH OMO 作为电性参数。表3 所列为经优化后的受试物质的前线最高占据轨道能。2. 2杂环化合物好氧生物降解性能与化学结构定量关系的建立表3汇总了各物质的分子的连接性指数IX V、前线最高占据轨道能EH OMO 以及它们的生物降解速率常数。对表3 中数据进行多元线性回归:(1) 分子连接性指数IX V 及前线最高占据轨道能EH OMO 与K 之间的偏相关系数分别为r1=0. 973, r2= 0. 903, 说明这两者是影响生物降解性能的重要因素, 并且与生物降解速率常数K显著相关, 可进一步进行多元线性回归。(2) 多元线性回归方程为:K = - 2. 4717 IX V + 4. 9485EH OMO + 57. 938 (2)多元相关分析的相关系数r= 0. 986, 说明式(2)可较好地反映IX V、EH OM O、K 三者之间的相关关系。式(3) 对式(2) 进行F 检验, 结果列于表4。由F 分布表查得F 0. 01 (2, 9) = 8. 02, 显然, F计算值远大于F 0. 01 (2, 9) 的8. 02, 说明回归方程式(2) 在0. 01 水平上显著, 即为高度显著。从以上分析可知, 式(2) 表述的有机物的生物降解速率常数与有机物分子连接性指数IX V及前线最高占据轨道能EH OM O 间的定量关系与测试结果符合的很好, 同时也说明IX V、EH OMO 是对生物降解速率常数K 贡献显著的自变量。物质的电性结构及空间结构是影响其生物降解性能的主要因素。由于EH OMO 计算所采用的前线分子轨道理论是建立在线性自由能相关的理论基础上的, 因此要求化合物具有类似的结构特征。所以回归方程式(2) 适用于与本研究结构类似的杂环化合物。3结论3. 1具有“超P电子结构”的单环杂环化合物吡咯、咪唑、呋喃、噻吩表现出较好的生物降解性能, 其由大到小的顺序是咪唑 呋喃 吡咯 噻吩; 具有“缺P电子结构”的单环杂环化合吡啶难以生物降解。3. 2对于与苯环稠合形成的双环或三环杂环化合物, 其生物降解性能较原物