本文關(guān)鍵詞：生物電化學(xué)系統(tǒng)陰極還原降解典型抗生素研究

  更多相關(guān)文章： 抗生素 電化學(xué)還原 陰極電位 生物陽(yáng)極 生物陰極 反轉(zhuǎn)

【摘要】：由于抗生素的廣泛使用,大量殘留不可避免的進(jìn)入水體和土壤環(huán)境中。在長(zhǎng)期毒性壓力下抗生素的抗性基因通過(guò)水平轉(zhuǎn)移產(chǎn)生許多抗生素抗性菌,它的頻繁出現(xiàn)可以使許多新型抗生素藥物失效,因此對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅,并且已經(jīng)引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的抗生素廢水生物或物化處理技術(shù)具有針對(duì)性不強(qiáng)、效率低或能耗高、副產(chǎn)物多等缺點(diǎn),因此建立一種新型、快速和高效的抗生素廢水預(yù)處理方法,特別是在此過(guò)程中消除抗生素抑菌活性具有重要意義。生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)陰極還原降解污染物研究目前受到廣泛關(guān)注,如硝基苯、氯代有機(jī)物、偶氮染料等都可以在陰極特別是生物陰極實(shí)現(xiàn)還原降解,而對(duì)于抗生素的陰極還原降解目前報(bào)道的較少。因此本研究以五種典型抗生素(呋喃西林、呋喃唑酮、甲硝唑、氯霉素和氟苯尼考)為研究對(duì)象,探討其在陰極電化學(xué)環(huán)境下還原的可行性和路徑以及還原降解產(chǎn)物是否可以解除抗生素抑菌活性;此外還研究了不同的外加電壓(陰極電位)對(duì)于生物陰極還原降解呋喃西林和陰極生物膜群落結(jié)構(gòu)組成的影響;最后通過(guò)電極極性反轉(zhuǎn)的方式探討了由生物陽(yáng)極反轉(zhuǎn)后的生物陰極是否具有高效的微生物催化能力,這些研究為開發(fā)抗生素廢水高效預(yù)處理技術(shù)提供重要的理論依據(jù)。首先對(duì)陰極電化學(xué)還原降解抗生素進(jìn)行可行性分析,循環(huán)伏安(CV)結(jié)果表明五種抗生素在不同的陰極電位下具有不同的還原峰,預(yù)示著可能發(fā)生不同的還原反應(yīng)。序批式實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:陰極電位不僅顯著影響抗生素的還原速率而且決定了還原產(chǎn)物形成的種類,而緩沖鹽濃度和底物濃度僅能影響抗生素的還原速率。陰極電位越低還原降解速率越快,產(chǎn)物被還原越徹底,陰極電位在-1.25 V下抗生素甚至可以發(fā)生呋喃西林和呋喃唑酮的開環(huán)或氯霉素和氟苯尼考的完全脫鹵反應(yīng)。對(duì)陰極出水進(jìn)行抗生素抑菌活性實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),不同陰極電位下的陰極出水(抗生素還原產(chǎn)物)均不同程度的對(duì)大腸桿菌(Escherichia coli DH5α)和乳酸乳球菌(Lactococcus lactis subsp.)失去抑菌活性。不同外加電壓對(duì)于生物陰極還原降解呋喃西林具有重要影響,外加電壓越高(陰極電位越低),呋喃西林還原降解的速率越快,產(chǎn)物生成和再次被降解的速率越快。0.8 V外加電壓下以葡萄糖為碳源電子供體的生物陰極還原降解的率常數(shù)k分別是非生物陰極和開路對(duì)照的1.46和2.63倍。而以碳酸氫鈉為碳源和電極為電子供體的生物陰極k值僅比葡萄糖為碳源和電子供體下低8.29%,表明陰極嗜電極微生物可以不主要依賴于外源電子供體而直接從電極得電子催化還原呋喃西林的降解�；诓煌饧与妷合玛帢O生物膜16S r RNA基因Illumina測(cè)序結(jié)果表明:0.2 V和0.5 V外加電壓條件下主要富集克雷伯氏菌屬(Klebsiella),明顯不同于腸球菌屬(Enterococcus)占優(yōu)勢(shì)的0.8 V外加電壓。而三種外加電壓條件下的陰極生物膜又明顯不同于主要富集假單胞菌屬(Pseudomonas)的開路對(duì)照實(shí)驗(yàn),因此陰極電位環(huán)境能夠選擇性的富集嗜電極微生物。傳統(tǒng)的生物陰極是針對(duì)目標(biāo)污染物預(yù)先富集好具有特定降解能力的微生物,再經(jīng)過(guò)電場(chǎng)環(huán)境下的多次陰極掛膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。而具有產(chǎn)電能力的生物陽(yáng)極能否反轉(zhuǎn)陰極進(jìn)行生物陰極催化還原降解污染物的研究未見(jiàn)報(bào)道。因此本研究在生物陽(yáng)極啟動(dòng)成功后對(duì)其進(jìn)行降解氯霉素(5~80 mg/L梯度增加濃度)馴化實(shí)驗(yàn),經(jīng)馴化后該生物陽(yáng)極能夠耦合非生物陰極實(shí)現(xiàn)陰陽(yáng)極同步還原降解氯霉素。將具有產(chǎn)電能力及氯霉素降解能力的生物陽(yáng)極反轉(zhuǎn)陰極后,其還原降解速率比非生物陰極對(duì)照快1.63倍,表明反轉(zhuǎn)后的生物陰極仍具有高效的催化還原能力,特別是共基質(zhì)用碳酸氫鈉替代乙酸鈉時(shí),其還原降解速率反而提高30.9%,表明反轉(zhuǎn)后陰極生物膜可以更高效的以電極作為電子供體催化還原氯霉素的降解。16S r RNA基因Illumina測(cè)序結(jié)果表明:典型的電化學(xué)活性微生物Geobacter菌屬在生物陽(yáng)極反轉(zhuǎn)為生物陰極后增加了28.34%,豐度達(dá)到67.5%,可能對(duì)陰極催化污染物的還原降解起關(guān)鍵作用。
【關(guān)鍵詞】：抗生素 電化學(xué)還原 陰極電位 生物陽(yáng)極 生物陰極 反轉(zhuǎn)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X703.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 第1章 緒論17-39
• 1.1 課題來(lái)源17
• 1.2 抗生素的危害及在環(huán)境中的分布17-22
• 1.2.1 抗生素的種類17-18
• 1.2.2 抗生素及其抗性基因的危害18
• 1.2.3 抗生素在環(huán)境中的分布18-19
• 1.2.4 幾種典型抗生素的危害及其水中殘留19-22
• 1.3 抗生素降解研究進(jìn)展22-28
• 1.3.1 生物處理法22-25
• 1.3.2 高級(jí)氧化法25-26
• 1.3.3 含硝基或鹵代類抗生素降解研究進(jìn)展26-28
• 1.4 生物電化學(xué)系統(tǒng)陰極降解污染物研究進(jìn)展28-35
• 1.4.1 生物電化學(xué)系統(tǒng)原理28-30
• 1.4.2 陰極還原降解污染物研究進(jìn)展30-32
• 1.4.3 生物陰極降解污染物研究進(jìn)展32-34
• 1.4.4 生物陽(yáng)極反轉(zhuǎn)為生物陰極研究進(jìn)展34-35
• 1.5 本論文研究背景、目的和意義35-37
• 1.6 本論文研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線37-39
• 1.6.1 主要研究?jī)?nèi)容37
• 1.6.2 研究技術(shù)路線37-39
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法39-51
• 2.1 生物電化學(xué)反應(yīng)器構(gòu)型及實(shí)驗(yàn)裝置39-41
• 2.1.1 生物電化學(xué)反應(yīng)器構(gòu)型39-40
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置40-41
• 2.2 反應(yīng)器的啟動(dòng)與運(yùn)行41-45
• 2.2.1 陰極電化學(xué)還原含硝基或鹵代類抗生素41-42
• 2.2.2 生物陰極還原降解呋喃西林42-43
• 2.2.3 生物陽(yáng)極反轉(zhuǎn)生物陰極還原降解氯霉素43-45
• 2.3 實(shí)驗(yàn)試劑及培養(yǎng)液配方45-46
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)試劑45
• 2.3.2 培養(yǎng)液配方45-46
• 2.4 電化學(xué)分析方法46
• 2.4.1 循環(huán)伏安分析46
• 2.4.2 交流阻抗分析46
• 2.5 化學(xué)分析方法46-47
• 2.5.1 抗生素還原及產(chǎn)物定量分析46
• 2.5.2 抗生素還原產(chǎn)物定性分析46-47
• 2.5.3 定量分析鹵離子回收率47
• 2.6 抗生素及其還原產(chǎn)物抑菌活性分析47
• 2.7 生物膜掃描電鏡分析47-48
• 2.8 微生物群落結(jié)構(gòu)解析48-49
• 2.8.1 生物膜樣品的總DNA提取48-49
• 2.8.2 Illumina Mi Seq測(cè)序數(shù)據(jù)分析49
• 2.9 計(jì)算方法及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析49-51
• 2.9.1 陰極電流和抗生素還原降解速率49-50
• 2.9.2 微生物多樣性指數(shù)分析50
• 2.9.3 Student t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析50-51
• 第3章 陰極電化學(xué)還原降解典型抗生素51-77
• 3.1 引言51
• 3.2 五種典型抗生素紫外吸收和循環(huán)伏安特征51-53
• 3.2.1 紫外吸收特征51-52
• 3.2.2 循環(huán)伏安特征52-53
• 3.3 抗生素還原降解效能的關(guān)鍵影響因素53-59
• 3.3.1 不同陰極電位對(duì)于抗生素還原效能的影響53-56
• 3.3.2 緩沖鹽濃度和種類對(duì)于抗生素還原效能的影響56-58
• 3.3.3 抗生素濃度對(duì)其還原效能的影響58-59
• 3.4 抗生素還原產(chǎn)物的分析鑒定59-65
• 3.4.1 呋喃西林的還原產(chǎn)物60-61
• 3.4.2 呋喃唑酮的還原產(chǎn)物61-62
• 3.4.3 甲硝唑的還原產(chǎn)物62-63
• 3.4.4 氯霉素的還原產(chǎn)物63-64
• 3.4.5 氟苯尼考的還原產(chǎn)物64-65
• 3.5 不同陰極電位下抗生素還原產(chǎn)物形成規(guī)律65-71
• 3.5.1 呋喃西林和呋喃唑酮還原產(chǎn)物形成規(guī)律66-67
• 3.5.2 甲硝唑還原產(chǎn)物形成規(guī)律67-68
• 3.5.3 氯霉素和氟苯尼考還原產(chǎn)物形成規(guī)律68-71
• 3.6 抗生素還原降解路徑分析71-74
• 3.6.1 呋喃西林和甲硝唑的還原路徑71-72
• 3.6.2 呋喃唑酮的還原路徑72
• 3.6.3 氯霉素和氟苯尼考的還原路徑72-74
• 3.7 抗生素還原產(chǎn)物的抑菌活性分析74-76
• 3.7.1 呋喃西林和呋喃唑酮還原產(chǎn)物的抑菌活性分析74-75
• 3.7.2 甲硝唑和氟苯尼考還原產(chǎn)物抑菌活性分析75-76
• 3.8 本章小結(jié)76-77
• 第4章 生物陰極還原降解呋喃西林77-98
• 4.1 引言77-78
• 4.2 反應(yīng)器的啟動(dòng)78-81
• 4.2.1 降解呋喃西林富集液的馴化78-79
• 4.2.2 生物陽(yáng)極的啟動(dòng)79-80
• 4.2.3 生物陰極的啟動(dòng)80-81
• 4.3 葡萄糖為碳源和電子供體下生物陰極還原降解呋喃西林81-84
• 4.3.1 不同外加電壓下陰極電位和電流的變化81-82
• 4.3.2 不同外加電壓對(duì)呋喃西林還原降解效能的影響82-83
• 4.3.3 不同外加電壓對(duì)呋喃西林還原降解產(chǎn)物生成的影響83-84
• 4.4 碳酸氫鈉為外加碳源下生物陰極還原降解呋喃西林84-88
• 4.4.1 不同外加電壓下陰極電位和電流的變化84-85
• 4.4.2 不同外加電壓對(duì)呋喃西林還原降解效能的影響85-86
• 4.4.3 不同外加電壓對(duì)呋喃西林降解產(chǎn)物的影響86-88
• 4.5 有機(jī)和無(wú)機(jī)碳源對(duì)生物陰極還原降解呋喃西林的影響88-90
• 4.5.1 陰極電位和電流88-89
• 4.5.2 還原降解速率89
• 4.5.3 還原降解產(chǎn)物的生成89-90
• 4.6 不同外加電壓影響生物陰極催化效能的電化學(xué)特征90-92
• 4.6.1 循環(huán)伏安特征90-91
• 4.6.2 交流阻抗特征91-92
• 4.7 不同外加電壓下陰極生物膜群落結(jié)構(gòu)分析92-97
• 4.7.1 陰極生物膜的電鏡觀察92-93
• 4.7.2 陰極生物膜群落多樣性分析93-95
• 4.7.3 微生物群落結(jié)構(gòu)分析95-97
• 4.8 本章小結(jié)97-98
• 第5章 生物陽(yáng)極反轉(zhuǎn)生物陰極還原降解氯霉素98-119
• 5.1 引言98
• 5.2 生物陽(yáng)極的啟動(dòng)98-99
• 5.3 生物陽(yáng)極微生物耐氯霉素的馴化99-102
• 5.3.1 生物陽(yáng)極微生物耐低濃度氯霉素的馴化99-100
• 5.3.2 生物陽(yáng)極微生物耐高濃度氯霉素的馴化100-102
• 5.4 陰陽(yáng)極同步降解氯霉素102-105
• 5.4.1 陰陽(yáng)極同步降解氯霉素電位和電流變化102
• 5.4.2 陰陽(yáng)極同步降解氯霉素降解速率及產(chǎn)物形成規(guī)律102-104
• 5.4.3 生物陽(yáng)極與非生物陰極降解氯霉素的比較104-105
• 5.5 生物陽(yáng)極反轉(zhuǎn)生物陰極降解氯霉素105-111
• 5.5.1 生物陽(yáng)極反轉(zhuǎn)生物陰極后電流的變化105-106
• 5.5.2 生物陽(yáng)極反轉(zhuǎn)生物陰極后氯霉素的降解106-108
• 5.5.3 生物陰極催化還原降解CAP及產(chǎn)物形成解析108-111
• 5.6 電極反轉(zhuǎn)前后生物膜的電化學(xué)特征111-113
• 5.6.1 反轉(zhuǎn)前后循環(huán)伏安分析111-112
• 5.6.2 反轉(zhuǎn)前后交流阻抗分析112-113
• 5.7 電極反轉(zhuǎn)前后微生物群落結(jié)構(gòu)解析113-117
• 5.7.1 微生物多樣性指數(shù)分析113-114
• 5.7.2 微生物群落結(jié)構(gòu)分析114-117
• 5.8 小結(jié)117-119
• 結(jié)論119-122
• 參考文獻(xiàn)122-140
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果140-142
• 致謝142-143
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷143

，

本文編號(hào)：1044796