饮用水处理中亚硝胺类物质的生物降解研究

摘要

亚硝胺(Nitrosamines)是一类致癌、致畸、致突变的“三致”物质，普遍存在于水体、工业制品、污染大气甚至食品之中，近年来作为饮用水消毒副产物而被广泛关注。目前，国内外研究报道了9种亚硝胺类物质，并对其浓度水平、形成机制和控制技术进行了广泛研究，然而实际水处理对消毒单元产生的亚硝胺类消毒副产物难以控制，目前普遍采用的预氧化技术能使亚硝胺提前生成，但后续处理单元对其消减控制技术并不成熟。本研究从生物处理角度，选取9种亚硝胺类物质为研究对象，以两种生物活性炭(biologicalactivatedcarbon，BAC)为载体，通过亚硝胺溶液驯化培养，对生物活性炭上微生物群落结构进行解析，分离纯化优势降解菌，并进行降解效果评价。主要内容如下:
　　1.生物活性炭中的微生物群落结构解析:利用高通量测序技术，对经亚硝胺溶液驯化前后的微生物群落结构进行分析。结果显示亚硝胺一定程度上影响了微生物群落组成的多样性。从微生物门(phylum)的水平来看，经亚硝胺驯化前后，两种不同生物活性炭中微生物的组成具有高度的相似性，主要为Proteobacteria，Acidobacteria，Bacteroidetes，NoRank和Planctomycetes，约占所有样品中检测到微生物总量的85％。将两种不同的生物活性炭进行比较可以发现，Proteobacteria和Planctomycetes微生物的相对丰度明显增加，而Acidobacteria和NoRank相对减少。其中，Proteobacteria经亚硝胺驯化后，在两种生物活性炭中所占的比例分别由44.8％和55％增加到49.2％和63.4％，Planctomycetes分别增加49.4％和4.5％，而Choroflexi仅在样品C和D中增加15.7％，这些增加的微生物可能将亚硝胺作为生存的氮源或者碳源;Acidobacteria分别减少58.7％和60.6％，NoRank分别减少6.2％和40.6％，而Bacteroidetes仅在样品A和B中减少45.4％。两种生物活性炭中的微生物群落结构表明，暴露于亚硝胺环境的微生物群落是相对稳定的，但所占比例明显变化。经亚硝胺驯化前后，微生物群落结构在纲(class)水平上也未发生显著变化，主要包括a-proteobacteria，β-proteobacteria，NoRank和Planctomycetacia。其中β-proteobacteria和Planctomycetacia分别由5.0％和16.2％增加到28.7％和18.3％;a-proteobacteria在样品A和B中的相对丰度从24.1％下降到13.2％，却在样品C和D中由34.8％增加到42％;在样品A和B中，Acidobacteria，NoRank，d-proteobacteria和y-proteobacteria相对丰度减少，但在样品C和D中，只有NoRank显著减少，其相对丰度由15.6％（样品C）减少到10.3％（样品D）。
　　2.菌株的筛选及生物降解效果评价:
　　(1)菌株的筛选:提取生物膜浓缩液，接种于事先灭菌的矿物盐培养基并加入亚硝胺培养，测定亚硝胺剩余浓度。将有降解效果的微生物混合液接种于TSB(TryptonyeSoyaBroth)固体培养基，挑取形态不一的单菌落试管斜面保存，并分别接种于富含亚硝胺的无机矿物盐培养基培养，测定亚硝胺剩余浓度。对优势降解菌进行扫描电镜形态观测，同时进行基因测序和比对，鉴定菌株得到连香树红球菌A41AS-1(RhodococcuscercidiphylliA41AS-1)。
　　(2)生物降解效果评价:对所得连香树红球菌A41AS-1进行降解效果评价，连香树红球菌A41AS-1对亚硝胺类物质降解周期分别为1天、3天、5天、7天、10天。结果显示，连香树红球菌A41AS-1对5种亚硝胺有显著降解效果，其中，亚硝基二甲胺(N-nitrosodimethylamine，NDMA)、亚硝基吡咯烷(N-nitrosopyrrolidine，Npyr)和亚硝基二乙胺(N-nitrosodiethylamine，NDEA)浓度从第1天开始下降，亚硝基二丙胺(N-nitrosodi-n-propylamine，NDPA)和亚硝基二丁胺(N-nitrosodi-n-butylamine，NDBA)浓度从第3天开始下降。经10天降解后，NDMA、Npyr、NDEA、NDPA和NDBA浓度分别降至51.3ng/L、129ng/L、130.8ng/L、65.8ng/L和138.6ng/L(亚硝胺初始目标浓度200ng/L)。5种亚硝胺去除率大小依次是:NDMA(74.4％)＞NDPA(67.1％)＞Npyr(35.5％)＞NDEA(34.6％)＞NDBA(30.7％)。相关性分析显示，除NDPA外，其余4种亚硝胺的降解效果与物质的分子量和结构存在显著相关性。随着分子量的增加，去除效果不断降低;短链结构物质的降解效果明显高于长链和环状结构。但亚硝胺的辛醇-水分配系数和亨利常数与其降解效果相关性并不显著。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 亚硝胺类物质

1．3 亚硝胺类物质的危害

1．4 亚硝胺类物质的环境来源

1．4．1 工业生产过程中的亚硝胺类物质

1．4．2 食品中的亚硝胺类物质

1．4．3 水环境中的亚硝胺类物质

1．5 亚硝胺的主要消减技术

1．5．1 紫外光降解法

1．5．2 光催化氧化法

1．5．3 化学氧化法

1．5．4 电化学氧化法

1．5．5 金属催化法

1．5．6 生物处理法

1．5．7 其他处理方法

1．6 小结

1．7 课题研究的目的、意义和内容

1．7．1 课题研究的目的及意义

1．7．2 研究内容

第二章 试验材料与方法

2．1 主要试剂和仪器

2．1．1 主要试剂

2．1．2 主要仪器

2．2 技术路线

2．3 生物活性炭驯化方法

2．4 亚硝胺优势降解菌的筛选方法

2．5 亚硝胺生物降解的实验方法

2．6 亚硝胺类物质的分析方法

2．6．1 样品前处理方法

2．6．2 仪器分析方法

第三章 生物活性炭中的微生物群落结构解析

3．1 实验条件

3．2 实验部分

3．2．1 微生物DNA提取

3．2．2 高通量测序

3．3 结果与讨论

3．3．1 生物活性炭驯化装置对亚硝胺类物质的降解效果

3．3．2 微生物群落多样性分析

3．3．3 微生物群落结构演替分析

3．4 本章小结

第四章 亚硝胺优势降解菌的筛选及生物降解效果评价

4．1 实验条件

4．2 实验部分

4．2．1 培养基的配制

4．2．2 亚硝胺优势降解菌的筛选分离

4．2．3 亚硝胺生物降解效果评价

4．3 本章小结

第五章 结论

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表及拟发表的论文

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