【摘要】：三氯乙烯(trichloroethylene, TCE)是一種廣泛應(yīng)用的氯代有機(jī)溶劑,土壤和地下水中TCE的污染廣泛存在。本論文利用微生物法,在好氧條件下,以汽油和苯酚為生長(zhǎng)基質(zhì),對(duì)水相和土壤中的TCE進(jìn)行了共代謝降解研究。結(jié)合固定化微生物技術(shù),以生物炭這一新型環(huán)保材料為載體,發(fā)展了固定化微生物共代謝TCE在土壤修復(fù)中的應(yīng)用。通過(guò)研究得出如下結(jié)論： (1)選取真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌作為降解菌,93#汽油作為底物,共代謝降解水相中TCE取得了較好結(jié)果。通常認(rèn)為,苯酚和甲苯是共代謝去除TCE的良好生長(zhǎng)基質(zhì),本研究顯示出了汽油作為生長(zhǎng)基質(zhì)共代謝TCE的潛力。汽油最佳初始濃度為10mg/L,低于苯酚和甲苯的最佳初始濃度,說(shuō)明汽油對(duì)微生物有一定的毒性。在中性偏酸性(pH=5.0)的環(huán)境體系中,微生物對(duì)TCE的共代謝降解效果最好。額外加入NaCl會(huì)使TCE的降解率略有降低。通過(guò)預(yù)曝氧氣,使水相中初始溶解氧呈過(guò)飽和狀態(tài),大大提高了TCE的降解率和降解速率。當(dāng)環(huán)境中TCE的濃度為1mg/L時(shí),調(diào)節(jié)汽油濃度為10mg/L,降解24h,TCE的降解率可達(dá)66.8%。初步分析了反應(yīng)結(jié)束時(shí)體系中的氯代乙烯類化合物,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這些還原產(chǎn)物。TCE-Cl全部轉(zhuǎn)化為自由的氯離子,TCE的降解程度徹底。 (2)研究了熒光假單胞菌利用苯酚為主要生長(zhǎng)基質(zhì)對(duì)水相中TCE的好氧共代謝。當(dāng)體系中菌懸液初始光密度OD600為0.14、苯酚初始濃度為100mg/L、TCE初始濃度為0.1mg/L時(shí),TCE的共代謝降解率達(dá)到最大值(80.1%)。在廣泛的酸堿度(pH=5.0-9.0)和鹽度(0.045-3%)范圍內(nèi),TCE的降解率也能達(dá)到滿意的水平,這使得此方法具備在沿海地區(qū)鹽堿地應(yīng)用的能力。營(yíng)養(yǎng)肉汁培養(yǎng)基雖不能作為T(mén)CE的共代謝基質(zhì),但在苯酚作為生長(zhǎng)基質(zhì)的條件下,它可作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)TCE的共代謝降解。其根本原因在于營(yíng)養(yǎng)肉汁增殖了細(xì)菌數(shù)目,使得有更多的細(xì)胞在苯酚的刺激下產(chǎn)生活性酶。營(yíng)養(yǎng)肉汁的添加提高了微生物的轉(zhuǎn)化產(chǎn)量,卻抑制了轉(zhuǎn)化容量。鄰苯二酚1,2-雙加氧酶為T(mén)CE共代謝過(guò)程中的關(guān)鍵酶。苯酚的存在對(duì)于鄰苯二酚1,2-雙加氧酶的產(chǎn)生是一個(gè)必要條件；但在苯酚消耗殆盡后,鄰苯二酚1,2-雙加氧酶的活性仍可以保持一段時(shí)間。降解過(guò)程中,TCE的脫氯是完全的,被降解的TCE上的氯原子全部轉(zhuǎn)化為氯離子。7h內(nèi)中間產(chǎn)物分析發(fā)現(xiàn),在2h、3h有雙碳有機(jī)酸出現(xiàn),并在4h后消失,1-5h有單碳有機(jī)酸出現(xiàn),并在6h后基本消失。以汽油為生長(zhǎng)基質(zhì)共代謝TCE時(shí),其降解過(guò)程是緩慢的,苯酚的添加增強(qiáng)了汽油和TCE的共去除效果。 (3)開(kāi)展了微生物共代謝降解土壤泥漿中的TCE及汽油的研究。選取熒光假單胞菌為活性菌株,以苯酚為生長(zhǎng)基質(zhì),共代謝降解TCE取得了良好結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,土壤類型對(duì)TCE的降解率影響不大,這是由于本文選取的土壤樣品的物理化學(xué)性質(zhì)相差不大,而且采用泥漿體系增加了污染物的傳質(zhì)所導(dǎo)致的。動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn),TCE在前8h內(nèi)降解速率快,隨后進(jìn)入緩慢降解階段。TCE降解率隨著體系含菌量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),當(dāng)泥漿體系初始含菌量為0.008mg/g時(shí),TCE的降解效果最為滿意。苯酚的加入促進(jìn)了TCE的降解,當(dāng)加入苯酚濃度在0-100mg/L范圍內(nèi),TCE降解率隨苯酚濃度升高而升高；但當(dāng)苯酚濃度大于500mg/L時(shí),TCE的降解率急劇降低。TCE降解率隨其初始濃度的升高而降低,當(dāng)TCE初始濃度為0.1mg/L時(shí),TCE降解率可達(dá)100%。實(shí)驗(yàn)土壤選用濱海綠化土,有機(jī)質(zhì)含量較高,土壤顆粒具有較強(qiáng)的酸堿緩沖能力,即便加入pH為1.0-12.0的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基,土壤泥漿體系最終pH仍可維持在5.3-7.0之間,使得TCE的降解率達(dá)到滿意效果。TCE降解率隨鹽度的升高而升高,當(dāng)體系初始鹽度為2.5%時(shí),TCE降解率可達(dá)到88.3%。當(dāng)水土比為2-20時(shí),可以得到滿意的降解率；水土比小于1時(shí),體系中的土壤和水已經(jīng)不能呈現(xiàn)均一態(tài)的泥漿狀,污染物的傳質(zhì)受阻,TCE的降解率明顯下降。在TCE、苯酚、汽油三元體系研究中,當(dāng)TCE與不同濃度汽油同時(shí)存在時(shí),苯酚的加入均大大促進(jìn)了TCE的降解。營(yíng)養(yǎng)肉汁培養(yǎng)基的加入對(duì)TCE降解無(wú)明顯影響。苯酚的加入同樣大大促進(jìn)了汽油的降解率。這說(shuō)明在苯酚的刺激下,熒光假單胞菌對(duì)汽油中的某些組分也進(jìn)行了共代謝降解。同時(shí)加入苯酚與營(yíng)養(yǎng)肉汁培養(yǎng)基或只加入營(yíng)養(yǎng)肉汁培養(yǎng)基也對(duì)汽油的降解起到了明顯的促進(jìn)作用。 (4)選取熒光假單胞菌作為降解菌株,生物炭作為載體對(duì)細(xì)菌進(jìn)行固定化,以苯酚為共代謝底物,考察了泥漿中TCE的去除情況。實(shí)驗(yàn)對(duì)5種固定化載體材料進(jìn)行了比較,其中以生物炭作為固定化微生物載體時(shí),TCE的整體去除率最高。相比于游離體系,固定化體系中的TCE生物降解性能有所降低,但生物炭對(duì)TCE具有吸附作用,導(dǎo)致固定化體系中TCE的整體去除率高于游離體系。細(xì)菌與生物炭吸附時(shí)間越短,初始去除率越低,最終去除率越高,固定化體系對(duì)TCE的持續(xù)去除能力越強(qiáng)；相反,細(xì)菌與生物炭吸附時(shí)間越長(zhǎng),初始去除率越高,最終去除率越低,固定化體系對(duì)TCE的去除平衡時(shí)間越短、去除平臺(tái)期越長(zhǎng)、持續(xù)去除能力較差。pH為7.0-10.0的環(huán)境條件對(duì)TCE去除效果基本未產(chǎn)生影響,去除率在47.5%-54.7%之間；pH為11.0-13.0的環(huán)境條件抑制了TCE的整體去除。這一方面是由于過(guò)高的堿性不利于熒光假單胞菌的生長(zhǎng),另一方面,隨著pH值的升高,生物炭和微生物的表面負(fù)電荷增加,靜電力表現(xiàn)為排斥作用,不利于吸附。隨著TCE濃度的增大,其降解率逐漸降低,這主要是TCE的毒性引起的。然而與游離體系相比,固定化體系中微生物對(duì)于高濃度TCE的耐受性更強(qiáng),固定化菌的降解率波動(dòng)比較平穩(wěn)。固定化微生物受環(huán)境因子的變化影響小,適應(yīng)能力強(qiáng),這是固定化微生物技術(shù)用于土壤修復(fù)的一大優(yōu)勢(shì)。隨著體系鹽度的升高,TCE的降解率變化不大,當(dāng)鹽度為3%時(shí),降解率略有增加。高鹽度并沒(méi)有促進(jìn)TCE的降解,這是因?yàn)樯锾烤哂休^高的CEC值,并且其表面具有較強(qiáng)的極性,這就使得體系中的鹽離子會(huì)以靜電引力或化學(xué)鍵的方式結(jié)合到生物炭的表面或其內(nèi)部空腔中,而這種結(jié)合方式往往比物理吸附的作用力更強(qiáng)。在一定范圍內(nèi),隨著體系中投菌量的增大,TCE降解率有所提高,當(dāng)OD6000.3后,隨著投菌量的增加,TCE降解率不再變化。與游離體系相比,固定化體系可以負(fù)載更多的微生物,并且不會(huì)由于體系中菌密度的增大而導(dǎo)致TCE降解率的降低,這是固定化微生物技術(shù)的另一大優(yōu)勢(shì)。 本論文系統(tǒng)地研究了微生物法共代謝降解土壤和水中的TCE和汽油,取得了滿意的結(jié)果。研究結(jié)果闡釋了TCE共代謝的機(jī)理,取得了滿意的降解率,以生物炭為載體材料,發(fā)展了微生物固定化技術(shù),為土壤和地下水中TCE復(fù)合污染的修復(fù)提供了理論依據(jù)和技術(shù)方法。
【學(xué)位授予單位】：南開(kāi)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：X172
【圖文】：

presence of 10 mg/L gasoline.由圖2.1可見(jiàn)，4株細(xì)菌對(duì)TCE的降解率在同一水平，R. eutropha作為降解菌株時(shí)，TCE的去除效率稍高，所以選擇兄作為本章研究的實(shí)驗(yàn)菌株。2.3.2生長(zhǎng)基質(zhì)及其濃度對(duì)TCE共代謝降解的影響以兄ewrropAa為活性菌，體系菌密度ODeo?為0.25，分別選取不同濃度（10、50、100、500和1000 mg/L)的苯、甲苯、苯酹、93#汽油作為T(mén)CE生長(zhǎng)基質(zhì)，考察不同生長(zhǎng)基質(zhì)及其濃度對(duì)TCE共代謝降解的影響。40

degradation efficiency.由圖2.2可見(jiàn)，當(dāng)生長(zhǎng)基質(zhì)為汽油時(shí)，TCE的降解效果明顯優(yōu)于生長(zhǎng)基質(zhì)為苯、甲苯、苯酹時(shí)的情況。通常認(rèn)為，苯酷和甲苯是共代謝去除TCE的良好底物[163]，本研究顯示出了汽油作為底物的潛力。時(shí)至目前，還沒(méi)有可以利用TCE作為唯一碳源與能源的好氧微生物被發(fā)現(xiàn)，但一些在生長(zhǎng)基質(zhì)誘導(dǎo)下可以產(chǎn)生非特異性加氧酶的好氧微生物卻展現(xiàn)出了共代謝降解TCE的能力ti64，I65]。在非特異性加氧酶的催化作用下，非生長(zhǎng)基質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化會(huì)與生長(zhǎng)基質(zhì)的代謝同時(shí)發(fā)生

Figure 2.4 Influence of mineral salts on TCE co-metabolism degradation efficiency.如圖2.4可見(jiàn)，七種無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基對(duì)TCE共代謝降解率的影響無(wú)顯著性差異，在41.7-48.6%之間。這是因?yàn)椋跏技尤氲? mL菌懸液中含有營(yíng)養(yǎng)肉汁培養(yǎng)基，其中含有豐富的無(wú)機(jī)鹽組分使得體系最終無(wú)機(jī)鹽組成趨于一致，掩蓋了不同無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比例對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)證明，營(yíng)養(yǎng)肉汁培養(yǎng)基豐富了真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌生長(zhǎng)代謝所需營(yíng)養(yǎng)（包括碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽等)，適量的加入（10%，V/V)有利于菌體生長(zhǎng)繁殖和TCE的降解。在操作上也更簡(jiǎn)便易行

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本文編號(hào)：2792144