生物表面活性剂在多环芳烃(菲)污染土壤生物修复过程中的作用研究

摘要

多环芳烃(PAHs)是一类重要的全球性污染物，是美国环保局制定的129种优先污染物中的一类.它广泛存在于人类的生活环境如大气、水体、土壤、作物和食品中.由于其物理化学性质稳定、难降解及强的致癌性，PAHs的研究已经成为环境类问题研究的热点.强的疏水性使得其与受污染的土壤或底泥结合紧密，因此PAHs污染土壤的处理十分困难.生物修复因其经济有效而成为一种最有发展潜力的治理技术。PAHs的生物可利用性是限制其生物修复的主要因素。表面活性剂能够增大疏水性有机物在水相中的溶解度从而增加传质速率和生物可利用性，因此添加表面活性剂是提高其生物可利用性的一种有效方法。但化学合成的表面活性剂本身有毒且难于降解，易引发二次污染.生物表面活性剂具有无毒且易于降解等特性，其在PAHs污染土壤的生物治理中具有广泛的应用前景。本论文采用南京农业大学固废课题组分离、保存的菌种D3，对其在以菜油为唯一碳源培养时产生的表面活性剂为生物表面活性剂代表，以菲为PAHs的代表，通过一系列的物理化学、光谱学、生物学和毒理学等试验研究了生物表面活性剂对PAHs环境行为的影响并对有关的机理进行了探讨.主要研究结果可归纳如下：
　　 对D3菌种在以菜油为唯一碳源培养时产生的胞外细胞分泌物，采用有机溶剂沉淀法，制备其粗产物。经薄层层析纯化，红外光谱进一步分析，初步判断其是一种糖脂类生物表面活性剂(TZl).其临界胶束浓度(CMC)为：10.0 mg-L-l.CMC时水溶液的表面张力为49.2 mN.m-1.质谱测试出其平均分子量为353。采用序批试验，研究TZ1在黑土或红壤上的吸附及生物降解.结果表明，TZI能够吸附在红壤或黑土上，根据langmiur方程拟合结果，黑土对TZI的最大吸附量达58.8±0.008 ug.g-1),红壤的最大吸附量达76.9±0.007 ug.g-1.同时TZ1能够被黑土及红壤中的土著微生物降解.降解试验的1，3和7d，黑土中分别有10，20和92％的TZ1被矿化，红壤中有5，16和92％的TZI被矿化.
　　 采用序批试验研究了TZI对黑土或红壤吸持与解吸菲的影响。同时对土壤采用连续的处理方法，除去土壤中的“软碳”，探究TZ1在土壤吸持菲的过程中的影响机制.试验结果表明，菲在土壤中的吸持解吸与土壤中有机质及矿物质含量有关，其中有机质起着决定性作用.“硬碳”决定非线性吸附.生物表面活性剂对土壤吸持菲的影响与土壤有机质（量及种类）及生物表面活性剂有关.同一来源的生物表面活性剂对不同种土壤吸持菲的影响效果不同.无论是在黑土、红壤还是除去“软碳”的土壤中，TZI的加入均造成菲的吸持量的下降及其吸附等温线线性化程度增强。对于所采用的黑土，TZI能够显著增强菲从土壤中的解吸，
　　 采用生物培养和物理化学试验，研究了TZI对黑土中菲生物毒性的影响.黑麦草根菲毒害的敏感区间为0-100mg-kg-1，200mg.kg-1是土壤中菲的50％黑麦草根伸长抑制率浓度.0-26.9 mg-kg-1的TZ1显著降低了黑土中菲对黑麦草的生物毒性。26.9-132mg.kg-1的TZI对黑土中菲对黑麦草的生物毒性无显著影响(P<0.05).进一步增加土壤中TZ1浓度，显著增强了黑土中菲对黑麦草的生物毒性。
　　 从南京农业大学附近的菜园土中分离出一株能够以菲为唯一碳源的细菌GF2B，进一步生理生化指标测定及16S rRNA测序确定为鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonassp.)。采用室内序批试验，对其在无机盐培养基及黑土中菲的降解特性进行了研究。结果表明，接种lOd后培养基中Sphingomonas sp.GF2B降解菲的效率为83.6％。另外，Sphingomonas sp.GF2B能够降解黑土中的菲，在试验的7、14、21和28d中，降解效率分别为：27.5％、41.7％、66.6％和72.2％。根据液相色谱测试结果初步判断Sphingomonas sp.GF2B降解菲是通过水杨酸途径，
　　 研究了TZ1对无机盐培养基及人工污染黑土中Sphingomonas sp.GF2B降解菲的影响。结果表明，TZ1提高了培养基中Sphingomonas sp.GF2B降解菲的速度及降解效率。由于TZ1的加入，接种10d后培养基中Sphingomonas sp.GF2B降解菲的效率由83.6％提高至99.5‰在降解过程中，溶液pH出现轻微下降。此外，TZ1的加入促进了黑土中菲降解效率的提高，在试验的7、14和21d中，降解效率分别为：47.9％、59.9％和73.3％。28d时TZ1对人工污染的黑土中GF2B对菲的降解无显著影响(P<0.05）。
　　 研究了土培条件下不同处理方法对黑麦草吸收菲的影响，并对所采用的不同处理方法效果进行了比较。结果表明，无论是否加入表面活性剂，早期黑麦草对菲的传运能力较高。黑麦草可显著促进土壤中菲的降解。50d时不同处理对土壤中菲的去除率大小顺序为：植物+TZI+菌>植物+Tween+菌>植物+菌>植物+Tween>植物+TZI>植物+H20>CK.其中TZ1可促进种植黑麦草土壤中菲的降解，降解效率的提高可能是由于TZ1促进了黑麦草种植土壤中土著微生物及外源微生物对土壤中菲的降解作用.

目录

文摘

英文文摘

第一章 多环芳烃污染及其生物表面活性剂增强修复研究进展（文献综述）

1 PAHs及其环境污染

1.1 PAHs的来源及污染现状

1.2 PAHs在土壤中的吸附-解吸及其研究进展

1.3 PAHs污染土壤的修复

2 生物表面活性剂特征及其在强化PAHs土壤修复中的作用

2.1 表面活性剂的起源、特点及分类

2.2 表面活性剂在PAils污染土壤修复中的作用效果

3 本课题的研究内容和目的

参考文献

第二章 生物表面活性剂的制备及其特征

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.2 研究方法

2 结果与讨论

2.1 TZ1的CMC,HLB、蛋白质含量和产量

2.3 TZ1在土壤上的吸附等温线

2.4 TZ1的生物可降解性

2.5 TZ1对菲降解菌的毒性

3 小结

参考文献

第三章 生物表面活性剂对土壤吸附解吸菲的影响及其机制研究

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.2 实验方法

1.3 统计分析

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂对菲的增溶

2.2 表面活性剂对菲的Kow的影响

2.3 表面活性剂对土壤吸持菲的影响

2.4 表面活性剂对土壤解吸菲的影响

3 小结

参考文献

第四章 生物表面活性剂对黑土中菲对黑麦草的生物毒性影响

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.2 试验方法

2 结果与讨论

2.1 菲对黑麦草种子发芽与根伸长抑制效应

2.2 生物表面活性剂(TZl)和Tween-80存在下菲的生物毒性

3 小结

参考文献

第五章 菲降解菌的分离鉴定及降解特性研究

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 试验方法

2 结果与讨论

2.1 菲降解菌筛选

2.2 菌株GF2B培养条件

2.3 菌株GF2B对菲的降解效能

3 小结

参考文献

第六章 生物表面活性剂对GF2B菌降解菲的影响

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 试验方法

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂在无机盐培养基条件下对菌株GF2B降解菲的影响

2.2 表面活性剂对人工污染黑土中Sphingomonas sp.GF2B降解菲的影响

3 小结

参考文献

第七章 土培条件下表面活性剂对黑麦草吸收菲的影响

1 材料与方法

1.1 材料

1.2 试验方法

2 结果与讨论

2.1 土壤pH值的变化趋势

2.2 黑麦草株高及生物量的变化

2.3 土壤和植株体内菲含量的变化

2.4 各种处理方法的比较

3 小结

参考文献

全文结论

论文的创新点

致谢

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