【摘要】：多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一類分布廣泛的難降解有機污染物,其具有急慢性毒性作用,甚至具有致畸、致癌、致突變的能力,因此,其對環(huán)境的污染和危害已經(jīng)成為一個備受關(guān)注的問題。微生物降解PAHs是一種經(jīng)濟、高效的PAHs污染治理方式。微生物所產(chǎn)生的酶在降解PAHs的過程中起關(guān)鍵作用。而污染環(huán)境中常與PAHs共存的重金屬能通過影響微生物的生長及產(chǎn)酶或酶促降解過程對PAHs的生物降解造成影響。在實際應(yīng)用中,由于游離態(tài)的微生物容易在與本土微生物進行惡性競爭中失去降解優(yōu)勢,同時也由于難以適應(yīng)現(xiàn)實惡劣的自然環(huán)境而降低對PAHs的處理效率。而利用固定化技術(shù)將微生物進行包埋固定后,微生物將會固定在聚合體形成的基質(zhì)內(nèi)部,這樣的聚合微環(huán)境能提高微生物密度,使得微生物抵御環(huán)境影響的能力增強,同時還可以將微生物重復(fù)再利用,以此提高對PAHs的降解能力。現(xiàn)在已有越來越多的研究關(guān)注到固定化微生物降解PAHs的應(yīng)用,但有關(guān)于固定化微生物處理PAHs的機理研究還尚不明晰,特別是在重金屬與PAHs共存的情況下。在微生物處理PAHs與重金屬復(fù)合污染時,由于PAHs和重金屬都會對微生物帶來生理生化方面的影響,給微生物帶來氧化損傷或使得微生物具有抗性。因此研究微生物在固定化前后對PAHs和重金屬的生理響應(yīng)和解毒機制,能為提高微生物的處理效率及固定化技術(shù)在微生物處理PAHs和重金屬復(fù)合污染研究中起到重要作用。同時,將微生物與生物炭聯(lián)用,發(fā)揮二者的協(xié)同作用,對于經(jīng)濟高效地將微生物應(yīng)用于土壤環(huán)境的修復(fù)具有重要意義。因此,本研究以高效降解菌Bacillus sp.P1為實驗對象,探究了重金屬脅迫下游離態(tài)Bacillus sp.P1降解菲的過程及酶學(xué)反應(yīng)變化,然后通過固定化技術(shù)將Bacillus sp.P1進行處理,比較了固定態(tài)及游離態(tài)菌株在重金屬脅迫下處理PAHs的差異,通過分析Bacillus sp.P1的生理響應(yīng)及解毒機制,闡明了固定化作用對重金屬脅迫下菌株處理PAHs的影響機理。最后將生物炭與Bacillus sp.P1通過固定化技術(shù)聯(lián)用,用于菲和鎘污染土壤的處理,研究結(jié)果將為微生物在PAHs和重金屬復(fù)合污染修復(fù)中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。本研究的具體工作及成果主要可歸納為以下四個方面:第一部分探究了Pb(II)和Cd(II)脅迫下游離態(tài)Bacillus sp.P1降解菲的過程及酶學(xué)反應(yīng)變化,分析了Pb(II)和Cd(II)對Bacillus sp.P1降解菲的降解途徑及降解能力的影響,同時通過SDS-PAGE分析法探究了重金屬脅迫下Bacillus sp.P1降解菲時所產(chǎn)胞外、胞內(nèi)分泌物中蛋白的組成、濃度的變化,通過測定其中的關(guān)鍵開環(huán)酶鄰苯二酚2,3-雙加氧酶酶活的變化,研究了重金屬對Bacillus sp.P1分泌物酶活性的影響。在比較胞外、胞內(nèi)酶酶促降解效率時考究了其最優(yōu)降解的pH及溫度。整體上而言,重金屬離子Pb(II)和Cd(II)均抑制了Bacillus sp.P1對菲的降解,且Cd(II)的抑制作用大于Pb(II)。Pb(II)和Cd(II)不改變Bacillus sp.P1降解菲的鄰苯二甲酸途徑,僅影響各組分的濃度。重金屬影響B(tài)acillus sp.P1降解菲過程中酶學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)在,隨Pb(II)濃度增大,胞外和胞內(nèi)分泌物中的總蛋白含量及33-45 kD分子量蛋白含量均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。而隨Cd(II)濃度增大,胞外、胞內(nèi)分泌物中蛋白總濃度及含鄰苯二酚2,3-雙加氧酶的33-45 kD蛋白的濃度依次減小。Pb(II)對Bacillus sp.P1胞外及胞內(nèi)粗酶液中鄰苯二酚2,3-雙加氧酶酶活的影響存在低濃度促進、高濃度抑制的作用。而Cd(II)對Bacillus sp.P1胞外及胞內(nèi)粗酶液中鄰苯二酚2,3-雙加氧酶的酶活呈現(xiàn)抑制作用。在較佳pH和溫度下,低濃度Pb(II)對菲的酶促降解有促進作用,而高濃度Pb(II)則會抑制菲的酶促降解。而Cd(II)的出現(xiàn)抑制了菲的酶促降解,且Cd(II)濃度越大,抑制作用越為顯著(P0.05)。第二部分利用固定化技術(shù)對Bacillus sp.P1進行處理,探究了聚乙烯醇(PVA)和海藻酸鈉(SA)固定Bacillus sp.P1的最優(yōu)實驗條件,檢驗了固定化凝膠菌球的可重復(fù)利用性,比較了滅活固定化菌和游離態(tài)菌對鎘脅迫下對PAHs(菲和芘)吸附的影響差異、動力學(xué)方程、菌體表面性質(zhì)差異,同時關(guān)注了固定化作用對pH、溫度、不同重金屬及PAHs降解中間產(chǎn)物菲醌等影響因素的屏蔽作用。研究結(jié)果表明,固定菌球的PVA、SA和生物接種量的最優(yōu)水平分別為12%、0.3%和10 mL。固定后,由于菌體表面的孔狀結(jié)構(gòu)更多,這些孔狀可以顯著增大污染物的吸附位點,提高生物可利用性,因此對菲和芘的去除效率相較于固定前的去除效率更高更快。固定態(tài)滅活Bacillus sp.P1及游離態(tài)滅活Bacillus sp.P1對菲和芘的吸附過程符合準二級動力學(xué)方程,且菲的符合度高于芘吸附的符合程度。分析動力學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn),固定后,菲的吸附速率有所下降,但吸附量增大,而芘的吸附速率和吸附量均有所增大。但芘的吸附量及吸附速率較菲的吸附而言,變化更小。固定化Bacillus sp.P1菌球可以多次回收并用于菲的降解,重復(fù)利用性較高。固定后,Bacillus sp.P1耐環(huán)境沖擊性增強,對pH、溫度的適應(yīng)性更廣,對重金屬及PAHs降解中間產(chǎn)物等毒害物質(zhì)的屏蔽能力增大。固定化載體保護了菌體,增強了對菲的降解能力。第三部分從Bacillus sp.P1菌體細胞的角度出發(fā),探究了Cd(II)脅迫下Bacillus sp.P1降解菲時的生理響應(yīng)及解毒機制,比較了固定化前后菌體生物量、總蛋白、解毒指標SOD、CAT及GSH的變化,分析了重金屬富集量與解毒指標之間的相關(guān)性以及胞外分泌物與重金屬濃度的變化關(guān)系,進一步闡明了Cd(II)脅迫下固定化作用對Bacillus sp.P1在降解菲時存在差異性的原因。研究結(jié)果表明,PAHs和重金屬給Bacilllus sp.P1帶來氧化損傷后,菌體會產(chǎn)生一系列的生理響應(yīng)及解毒機制抵抗氧化損傷,當損傷不能緩解時,細胞會受到傷害,甚至出現(xiàn)菌體滅亡的情況。實驗發(fā)現(xiàn),固定后,Bacilllus sp.P1生物量較固定前更大,解毒指標SOD、CAT及GSH都較固定前有較大變化。這三者都會隨菌體內(nèi)重金屬的富集量變化而變化,其中SOD活力對Cd(II)脅迫的敏感度最高。固定化載體對Bacilllus sp.P1的外排解毒機制有一定的促進作用。固定化載體將胞外多糖等物質(zhì)固定在細胞周圍,以吸附Cd(II),從而減小Cd(II)的污染,因此,隨著隨時間推移,固定態(tài)Bacilllus sp.P1較游離態(tài)Bacilllus sp.P1細胞的胞外總糖含量更高,而反應(yīng)體系中Cd(II)濃度也更小。糖類物質(zhì)有利于絡(luò)合環(huán)境中的重金屬,而蛋白類物質(zhì)(如酶)對于分解環(huán)境中的有機污染物會起到積極作用,因此固定后胞外蛋白含量濃度較游離態(tài)的蛋白濃度更大。第四部分將Bacillus sp.P1與生物炭聯(lián)用,并利用固定化技術(shù)將Bacillus sp.P1固定在生物炭上,使二者發(fā)揮協(xié)同作用,共同處理菲-鎘污染土壤,通過探討Cd(II)對生物炭修復(fù)土壤吸附菲的影響、動力學(xué)方程以及pH對Cd(II)脅迫下生物炭修復(fù)土壤吸附菲的影響,了解了生物炭單獨作用對菲-鎘污染土壤處理的效果,同時比較了Bacillus sp.P1及生物炭單獨作用及利用固定化技術(shù)將二者聯(lián)合作用時對土壤中菲和鎘的去除效果,總結(jié)了微生物與生物炭交互作用的機理。實驗結(jié)果表明,生物炭修復(fù)土壤對菲的吸附效率隨時間延長而增加,約在4 h內(nèi)達到吸附最大值,隨后開始解吸過程,在24 h達到吸附平衡。菲和Cd(II)的吸附存在競爭作用。生物炭修復(fù)土壤對菲的吸附過程符合準二級動力學(xué)方程。Cd(II)脅迫下,生物炭修復(fù)的土壤對菲的的吸附速率有所降低。pH對Cd(II)脅迫下生物炭修復(fù)土壤吸附菲的影響較大,堿性條件利于菲的吸附,中性環(huán)境下菲的吸附率最低。Cd(II)的添加使得酸性條件下菲的吸附量減小,而弱堿性環(huán)境中,菲的吸附量增大。游離態(tài)Bacillus sp.P1單獨添加進土壤處理菲-鎘污染時,其對菲的降解效果并不理想,對重金屬的處理能力較弱。利用生物炭固定Bacillus sp.P1會使得生物炭與Bacillus sp.P1產(chǎn)生協(xié)同作用,有利于菲的污染修復(fù),但生物炭與Bacillus sp.P1的聯(lián)用對于土壤中Cd(II)的總量降低及可利用態(tài)Cd(II)的減小上略遜色于生物炭單獨作用。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X592
【圖文】：

圖 1.1 苯并[α]芘的生成[13]Fig. 1.1 Synthesis of BapPAHs 分布廣泛，存在于大氣、水體、土壤等自然環(huán)境中，與人類生活息息相關(guān)。大氣中的 PAHs 除以氣態(tài)形式存在外，大部分以固態(tài)形式吸附在顆粒物表

圖 1.2 PAHs 的 K 區(qū)、L 區(qū)、灣區(qū)結(jié)構(gòu)示意ure schematic of K region, L region and bay re化酶 1A1（CYP1A1）是 PAHs 在機體酶（CYP450s）中最重要的 I 相酶之一活化性能加強，誘發(fā)機體病變[22]。谷胱謝過程中的重要 II 相代謝酶，其主要結(jié)合形成無毒物質(zhì)。研究表明，CYP暴露及早產(chǎn)兒分析關(guān)系十分密切[23]。P結(jié)合，形成 DNA 加合物，是 DNA 分最小因子。例如，苯并(a)芘在被細胞芘（BPDE）后，其與 DNA 作用形成傷不能及時修復(fù)，在復(fù)制過程中造成基生[24]�？卮x酶的表達。當芳香烴受體與 PA

【參考文獻】

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本文編號：2729766