蒽醌介体强化偶氮染料的脱色特性及机理研究

摘要

偶氮染料广泛应用于纺织业、造纸业和印刷业等多个领域。在生产和使用的过程中，每年约有10％的偶氮染料未经处理即排放到环境中。由于偶氮染料具有较高的致毒性、致突变性和致癌性，严重威胁着人类的健康。因此，偶氮染料废水的无害化处理迫在眉睫。目前，生物降解偶氮染料法被认为是最有效、最安全的方法。
　　本研究旨在利用蒽醌介体加速厌氧污泥对偶氮染料的脱色效率。考察了葸醌介体强化偶氮染料的脱色特性及理化因素对其影响;分析了在厌氧脱色体系中加入不同电子供体时，厌氧污泥菌群结构的变化;研究了在有蒽醌介体存在时，厌氧污泥对偶氮染料的降解机理;探究了将葸醌介体固定化后对染料废水的连续处理能力。本研究所得到的主要结果概括如下:
　　(1)本研究拟用甲基橙为待降解化合物，采用定向驯化的方法培育出可稳定降解染料且菌群结构稳定的厌氧污泥。本研究探究了在有葸醌介体存在条件下厌氧污泥对甲基橙脱色的促进作用。结果表明，葸醌介体甲萘醌、2-羟基-1，4-萘醌、葸醌-2-磺酸盐和溴氨酸均能强化甲基橙的脱色反应。经优化，本研究最终确定所用的蒽醌介体为甲萘醌，降解体系中添加浓度为0.1 mmol/L。
　　(2)本研究采用在厌氧脱色体系中加入不同电子供体的方法，探究了电子供体对甲萘醌强化甲基橙脱色速率的影响。结果表明，当甲酸钠作为电子供体时，甲萘醌对甲基橙脱色的强化效果最为显著。此外，本研究还采用PCR-DGGE技术，分析了在蒽醌介体催化作用下，不同碳源分别作为电子供体时，厌氧污泥菌群结构的变化。测序分析结果表明，厌氧污泥中脱色甲基橙的14个条带被区分为9种类群，包括氢噬胞菌属(Hydrogenophaga)，Dechloromonas，玫瑰色库克菌(Kocuria rosea)，Fusibacter，节细菌属(Arthrobacter)，类芽孢杆菌属(Paenibacillus)，梭菌属(Clostridium)，肠杆菌属(Enterobacter)和柠檬酸杆菌属(Citrobacter)。
　　(3)本研究利用厌氧污泥探究了甲萘醌强化甲基橙脱色的理化因素及脱色特性。结果表明，厌氧污泥在30℃、pH在7-9及盐浓度范围在0％-1％的条件下能够有效地使甲基橙脱色。在模拟甲基橙废水的连续脱色反应中，COD的去除率达到48.9％;连续7次投加甲基橙，脱色率仍高达95.46％。此外，在甲基橙上限浓度的探究中，厌氧污泥可以脱色4.8 mmol/L的甲基橙。本研究利用不同结构的偶氮染料研究了在厌氧脱色体系中，甲萘醌对甲基橙脱色的促进作用。结果表明，甲萘醌可以强化甲基红、立春红S、酸性媒介红B和刚果红的脱色速率，脱色率分别是对照组的1.5-21.8倍，表明甲萘醌能够非特异性地强化偶氮染料的脱色反应。
　　(4)本研究采用不同电子传递抑制剂分别作用于甲基橙脱色途径，从而探究甲萘醌催化甲基橙脱色反应的机理。研究显示，作为抑制偶氮还原酶活性作用的鱼藤酮并未对甲基橙的脱色起到抑制作用，表明甲萘醌强化厌氧污泥脱色甲基橙的过程是一种不依赖于偶氮还原酶的反应。当NaN3, CuCl2,双香豆素分别作为电子抑制剂时，抑制率分别为92.7％、96.3％和67.64％，均对甲基橙的脱色具有显著的抑制作用。这三种抑制剂均抑制呼吸链的电子传递，推测该脱色反应是依赖于细胞膜上的呼吸链电子传递的非特异性的脱色反应。此外，本研究还探究了甲基橙脱色的限速步骤，结果显示，葸醌接受电子形成氢醌是该脱色反应的限速步骤。
　　(5)本研究采用以PVA和海藻酸钠为材料包埋甲萘醌的固定化技术，将甲萘醌制成非水溶性介体，探究非水溶性醌介体对甲基橙脱色反应的影响。结果表明，海藻酸钠包埋制成的非水溶性甲萘醌较PVA包埋的非水溶性甲萘醌具有更强的机械性能，更好的稳定性。海藻酸钠制成的非水溶性甲萘醌在循环利用4次后无明显的损坏，仍具有较高的强化作用。

目录

摘要

1 绪论

1．1 偶氮染料的简介及其危害

1．2 偶氮染料的处理方法

1．2．1 理化法

1．2．2 生物法

1．3 细菌对偶氮染料的降解

1．3．1 好氧条件下细菌对偶氮染料的降解

1．3．2 厌氧条件下细菌对偶氮染料的脱色

1．4 细菌降解偶氮染料的影响因素

1．5 混合菌群对偶氮染料降解的影响

1．6 蒽醌类介体对偶氮染料降解的作用

1．6．1 蒽醌类介体对偶氮染料降解的加速作用

1．6．2 蒽醌类介体的氧化还原电势对偶氮染料脱色的影响

1．6．3 电子供体对偶氮染料降解的影响

1．7 非水溶性还原介体的固定化技术

1．8 微生物群落结构多样性的分析

1．8．1 克隆文库分析

1．8．2 变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)

1．8．3 高通量测序技术

1．9 本研究目的与意义

1．10 本研究的主要内容

2 厌氧污泥的驯化及蒽醌强化偶氮染料脱色的特性分析

2．1 实验材料

2．1．1 材料

2．1．2 生化试剂

2．1．3 培养基

2．1．4 试剂配制

2．1．5 仪器设备

2．2 实验步骤

2．2．1 厌氧污泥的定向驯化

2．2．2 甲基橙脱色率的测定

2．2．3 蒽醌强化偶氮染料脱色的特性分析

2．2．4 电子供体对蒽醌介体催化甲基橙脱色的影响

2．2．5 PCR-DGGE对活性污泥生物多样性的分析

2．3 结果与分析

2．3．1 蒽醌类介体的确定

2．3．2 蒽醌化合物浓度的确定

2．3．3 动力学的测定

2．3．4 碳源对蒽醌催化强化甲基橙脱色的影响

2．3．5 厌氧污泥总基因组DNA的提取结果

2．3．6 16S rDNA的PCR扩增结果

2．3．7 DGGE结果分析

2．4 讨论

2．5 本章小结

3 蒽醌介体强化厌氧污泥对偶氮染料脱色的影响因素及机理探究

3．1 实验材料

3．1．1 材料

3．1．2 生化试剂

3．1．3 降解培养基

3．1．4 试剂配制

3．1．5 仪器设备

3．2 实验步骤

3．2．1 温度影响

3．2．2 盐度影响

3．2．3 pH值影响

3．2．4 连续投加甲基橙对醌介体介导的甲基橙脱色的影响

3．2．5 甲基橙上限浓度的探究

3．2．6 醌介体介导的多种偶氮染料的脱色

3．2．7 甲萘醌强化厌氧污泥对模拟甲基橙废水脱色反应中的COD的变化

3．2．8 电子传递抑制剂对甲萘醌介体加速甲基橙脱色的影响

3．2．9 甲萘醌介导的甲基橙脱色反应的限速步骤的探究

3．3 结果与分析

3．3．1 温度对甲萘醌强化脱色甲基橙的影响

3．3．2 盐浓度对蒽醌强化甲基橙脱色的影响

3．3．3 pH对蒽醌强化甲基橙脱色的影响

3．3．4 连续投加甲基橙对醌介体介导的甲基橙脱色的影响

3．3．5 介体介导的厌氧污泥脱色甲基橙的浓度的探究

3．3．6 醌介体介导的多种偶氮染料的脱色

3．3．7 甲萘醌强化厌氧污泥对模拟甲基橙废水脱色反应的COD的变化

3．3．8 电子传递抑制剂对甲萘醌介体加速甲基橙脱色的影响

3．3．9 醌介体催化甲基橙脱色的限速反应

3．4 讨论

3．5 本章小结

4 固定化包埋技术的应用研究

4．1 实验材料

4．1．1 材料

4．1．2 生化试剂

4．1．3 降解培养基

4．1．4 试剂配制

4．1．5 仪器设备

4．2 实验步骤

4．2．1 游离醌介体及固定化醌介体对甲基橙脱色的影响

4．2．2 海藻酸钠固定化颗粒对甲基橙的连续脱色

4．3 结果与分析

4．3．1 游离醌介体及固定化醌介体对甲基橙的脱色影响

4．3．2 海藻酸钠固定化颗粒对甲基橙连续脱色

4．4 讨论

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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