【摘要】： 多環(huán)芳烴(polycycli aromatic hydrocarbon,PAHs)是環(huán)境中普遍存在的一類具有“三致”作用的污染物,主要來(lái)源于石化產(chǎn)品的不完全燃燒和利用。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,多環(huán)芳烴對(duì)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。目前各國(guó)科學(xué)工作者普遍認(rèn)為,微生物降解法是去除環(huán)境中多環(huán)芳烴的最有效途徑。 實(shí)驗(yàn)室在前期工作中,以長(zhǎng)期被焦化廢水污染的污泥為優(yōu)良菌源、利用平板劃線分離法篩選出一批可有效降解葸、菲、芘的多環(huán)芳烴優(yōu)勢(shì)降解菌。本論文以實(shí)驗(yàn)室保存的兩株多環(huán)芳烴優(yōu)勢(shì)降解菌——黃桿菌CN4和芽胞桿菌CN2為研究對(duì)象,研究了兩株菌的生物降解特性、生物降解動(dòng)力學(xué)特征、生物降解過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物、微生物的產(chǎn)酶特征、酶促降解特性及酶促降解動(dòng)力學(xué)特征;對(duì)兩株菌降解PAHs的生物降解和酶促降解影響因素進(jìn)行了分析比較；討論了菌體降解動(dòng)力學(xué)和酶促降解動(dòng)力學(xué)的區(qū)別與聯(lián)系。研究結(jié)果對(duì)深入理解多環(huán)芳烴的生物降解機(jī)理及加速環(huán)境中多環(huán)芳烴的去除提供了一定的理論基礎(chǔ)。 論文采用培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng)法獲取兩株菌的菌懸液,利用紫外光度法研究了影響多環(huán)芳烴在水相中生物降解的環(huán)境因素、不同碳源培養(yǎng)條件下收集的菌體對(duì)多環(huán)芳烴的降解影響及微生物降解動(dòng)力學(xué)特征。研究結(jié)果表明,在MSM培養(yǎng)基中單獨(dú)以葡萄糖作為碳源,以及以葡萄糖和芘作為共同碳源進(jìn)行CN4菌、CN2菌培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)共同碳源培養(yǎng)條件下得到的菌體對(duì)多環(huán)芳烴的降解效果更好。以葸的降解為例,利用共同碳源培養(yǎng)基培養(yǎng)48h后的CN4菌對(duì)多環(huán)芳烴進(jìn)行降解,反應(yīng)120h后,葸的去除率為57.4%,是相同條件下以葡萄糖為單一碳源時(shí)降解效果的1.5倍；利用共同碳源培養(yǎng)96h的CN2菌進(jìn)行降解反應(yīng)72h后,蒽的去除率達(dá)到70%,是以葡萄糖為單一碳源時(shí)降解效率的1.8倍。 CN4菌降解多環(huán)芳烴的最適pH為5,在pH=5時(shí),CN4對(duì)葸、菲、芘的去除率分別為27.6%、33.5%、26.4%;CN2菌降解多環(huán)芳烴的最適pH為6,在pH=6時(shí),CN2對(duì)葸、菲、芘的去除率分別為33.5%、46.5%、36.5%;pH為5-7時(shí),兩株茵對(duì)多環(huán)芳烴的降解效果較好：在堿性條件下兩株菌對(duì)多環(huán)芳烴的降解受到抑制；在菌量為1.0×107CFUs·mL-1、當(dāng)體系中葸、菲、芘濃度超過(guò)200mg/L時(shí),降解反應(yīng)受到抑制；在相同菌量及最佳pH條件下,CN2菌對(duì)同種PAH的降解效果優(yōu)于CN4菌。 分別利用吹掃捕集進(jìn)樣-GC/MS法、液液萃取-GC/MS法及紅外光譜法分析了CN4菌、CN2降解菲的中間產(chǎn)物。并根據(jù)中間產(chǎn)物對(duì)多環(huán)芳烴的降解途徑進(jìn)行了推測(cè)。結(jié)果表明,黃桿菌CN4菌降解菲時(shí),產(chǎn)生香豆素、鄰苯二甲酸甲酯、苯乙烯酸、羥基萘酸、原兒茶酸、二氫醇菲、菲二醇等中間代謝物質(zhì),芽孢桿菌CN2降解菲的中性部分中,主要檢測(cè)到的中間產(chǎn)物包括鄰苯二甲酸甲酯和菲醌類物質(zhì)。根據(jù)降解時(shí)有菲二醇或菲醌產(chǎn)生可推測(cè)兩種菌在降解菲時(shí),都是首先通過(guò)雙加氧酶的作用在芳環(huán)上加氧,然后發(fā)生環(huán)裂解反應(yīng)生成有機(jī)羧酸類物質(zhì),最終生成C02和水；黃桿菌CN4代謝菲時(shí),通過(guò)雙加氧酶的作用產(chǎn)生菲二醇類物質(zhì),最終發(fā)生環(huán)裂解反應(yīng)生成原兒茶酸進(jìn)行進(jìn)一步的代謝；而芽孢桿菌CN2代謝菲時(shí),通過(guò)雙加氧酶的作用產(chǎn)生菲醌,然后形成鄰苯二甲酸甲酯物質(zhì)進(jìn)行代謝。中間產(chǎn)物的不同說(shuō)明兩株菌中存在著不同的酶系。 對(duì)兩株菌所產(chǎn)活性酶進(jìn)行了定位,確定了兩株菌所產(chǎn)活性酶為胞內(nèi)酶。并確定了用超聲波破碎法獲得胞內(nèi)酶的工藝。超聲波破碎法提取酶的條件為：破碎功率為260W,最大不超過(guò)280W。破碎總時(shí)間為15min,工作／間隙時(shí)間為30s/30s。 利用紫外光度法研究了水相中多環(huán)芳烴酶促降解的動(dòng)力學(xué)特性。研究結(jié)果表明,兩株菌所產(chǎn)酶降解PAH的最佳pH條件為弱酸性至中性(5.0-7.0),最適溫度為32℃,在30℃-35℃之間胞內(nèi)酶保持較高的降解活性,反應(yīng)溫度超過(guò)50℃時(shí),蛋白酶迅速失活。在最適pH和溫度條件下,同種酶對(duì)不同濃度的相同底物酶促反應(yīng)的表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)基本相同。CN2酶促降解體系中,蒽、菲、芘的平均表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為0.933,0.995,0.93；CN4酶促降解體系中,葸、菲、芘的平均表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為0.93,0.76,0.958。一定條件下,CN4胞內(nèi)酶對(duì)葸的降解速率大于對(duì)菲的降解速率,對(duì)芘的降解速率最小；CN2胞內(nèi)酶對(duì)蒽和菲的降解速率基本相等,對(duì)芘的降解速率最小。 研究了金屬離子對(duì)多環(huán)芳烴生物降解和酶促降解的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Mn2+離子的投加能夠提高兩株菌對(duì)蒽、菲、芘的去除率。Ca2+的加入對(duì)兩株菌所產(chǎn)酶降解蒽、菲、芘均可起到促進(jìn)作用。在外加Ca2+的濃度為0.5 mmol/L時(shí),CN4所產(chǎn)胞內(nèi)酶對(duì)葸、菲、芘的去除率分別為不加金屬離子時(shí)的1.3倍、1.9倍、1.8倍；CN2所產(chǎn)胞內(nèi)酶對(duì)蒽、菲、芘的去除率分別為不加金屬離子時(shí)的1.4倍、1.6倍、1.4倍。激活作用的機(jī)理主要是由于金屬離子在底物與酶之間起到了某種搭橋作用,它先與酶結(jié)合,再與底物結(jié)合,形成酶-金屬-底物的復(fù)合物,從而對(duì)酶促降解起到激活作用。
【圖文】：

圖4.5CNZ降解菲中間產(chǎn)物的酸性部分紅外譜圖.5中三條曲線從上到下分別為CNZ降解菲48h、120h、24h所得的譜圖，從圖中可以看出，在降解不同時(shí)段所得酸性部分的紅外譜明酸性部分的主要官能團(tuán)基本一致。對(duì)酸性部分的紅外譜圖進(jìn)行解:(l)vOH在2500一3200em一，范圍內(nèi)有一個(gè)寬而散的峰，由Z7cm一1、2955cm一‘三個(gè)小峰并列而成，可作為判斷有cooH存在的1734cm一，，處，是圖中最強(qiáng)的峰，是締合的梭基的吸收峰，因此有)在145于1625cm一，的吸收為苯環(huán)的骨架振動(dòng)吸收(3)3443cm為經(jīng)基的伸縮振動(dòng);OH的變形振動(dòng)在1457cm一1處C一O的伸縮，處。因此有輕基存在。:通過(guò)對(duì)酸性部分的紅外譜圖進(jìn)行解析，可推斷在酸性部分有輕存在。80
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：X50;X172

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本文編號(hào)：2641801