表面活性剂-菌群强化泥浆反应器修复菲污染土壤机理研究

摘要

多环芳烃（Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是一类在环境中广泛存在的持久性有机污染物，因其具有致癌性、致畸性及遗传毒性而被人们广泛关注。由于多环芳烃具有高疏水性及高脂溶性，使得其易于在土壤中及沉积物中累积，并通过食物链富集到生物中，严重威胁人类健康及生态环境。微生物降解由于具有环境友好、成本低等优点而成为去除环境中PAHs的主要途径。生物泥浆修复技术作为一种新兴的污染土壤治理技术，可以通过调控微生物降解的各环境因子显著提高PAHs的降解效率。但目前对生物泥浆系统中的作用机理还研究较少。本论文从环境中筛选PAHs的高效降解菌群，将其应用到生物泥浆反应器修复中，研究污染物、表面活性剂及菌群在泥浆反应器中的分配情况以及微生物群落变化情况，探讨表面活性剂存在下生物强化泥浆反应器的作用机理。 本试验以城市污水处理厂好氧污泥为原始菌源，菲为唯一碳源和能源，经过驯化富集，筛选得到高效降解菲的菌群MZJ-21。通过高通量测序，发现该菌群菌群菌群由驯化前24个门减少为有17个门，驯化后菌群MZJ-21主要由Proteobacteria（变形杆菌门，84.63%），Bacteroidetes（拟杆菌门，10.98%）、Chloroflexi（绿弯菌门，1.97%）、Acidobacteria（酸杆菌门，1.29%）组成。物种多样性明显减少，具有降解功能的菌群占比明显增多。 将菌群应用于菲污染土壤的修复研究中，确定菌群MZJ-21在泥浆系统中降解菲的最适条件为：温度30℃、pH6，曝气量在1L/min，搅拌速度120rpm和水土比2∶1。在该条件下添加100mg/L的Tween80发现在24h时菲的降解率为100%。对比污染土壤处理前后的群落多样性发现，处理后群落多样性有所减少，具有降解功能的菌群比例有所增多。通过电镜扫描和CFU试验，发现在水土比2:1的泥浆系统中，菌群MZJ-21和土著菌大量分布于土壤表面，表面活性剂可促进土壤对菌群的吸附。同时EPS的产生对生物泥浆系统中的多环芳烃的降解时的吸附中也起到了一定作用。 试验进一步研究了在50ml离心管中，菲在固液相中的吸附和解析。将菲浓度为100mg/L的老化自然土加入菌群或无机盐培养基中，检测菲和表面活性剂在泥浆中的分配比例发现，只有当Tween80浓度达到较大浓度（2000mg/L）时，才发现有菲从固相解析到液相。在解析试验中菲和Tween80在固液相的分配主要受水土比的影响，水土比越小（2∶1），菲解析到在水相中的比例越小；当水土比较大时（10∶1和20∶1），菲和Tween80在固液相的解析主要受生物吸附作用的影响，菌群的添加减少了菲在水相中的解析。为了证实这一结果，进一步研究了土壤对菲和Tween80的吸附效应。将未污染土加入到100mg/L菲污染液相中，发现菲和Tween80在水相和土相中的分配比例主要受水土比的影响，当水土比较小时，土相的吸附容量大，可将大部分的菲和Tween80吸附在土相中；当水土比较大时，菌群的添加增强了生物吸附作用。通过以上试验证明在常用的水土比为2∶1的泥浆系统中，当表面活性剂Tween80浓度为100mg/L时，菲、Tween80和菌群大部分是分布在土壤颗粒表面的，生物吸附和降解反应也是发生在土壤颗粒表面。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1.1多环芳烃的性质

1.1.2多环芳烃的来源

1.1.3多环芳烃的分布

1.2 多环芳烃的修复方法

1.2.1生物降解

1.2.2光解降解

1.2.3化学降解

1.3生物泥浆反应器修复研究现状

1.4多环芳烃和表面活性剂在土壤中的吸附解析

1.5 本文研究目的、内容和技术路线

1.5.1研究目的

1.5.2研究内容

1.5.3技术路线

2 菲降解菌群的驯化和鉴定

2.1.1试验仪器与材料

2.1.2菲的提取与测定

2.1.3菲降解菌群的驯化和富集

2.1.4菌群鉴定

2.1.5菌群降解条件优化

2.2.1驯化前后菌群群落分析

2.2.2菌群降解条件优化

2.3 本章小结

3菌群强化泥浆反应器中菲的降解

3.1.1试验仪器与材料

3.1.2菌群MZJ-21在泥浆反应器中修复菲污染土壤条件优化

3.1.3土壤微生物群落鉴定

3.1.4 菌群强化泥浆反应器中菲的降解

3.2结果和讨论

3.2.1菌群强化泥浆反应器中修复菲污染土壤的条件优化

3.2.2菌群强化泥浆反应器中菲的降解效果

3.2.3修复前后土壤微生物群落变化

3.2.4泥浆反应器中微生物的分布

3.2.5菌群MZJ-21及加入泥浆后细菌胞外聚合物分析

3.3本章小结

4表面活性剂存在下生物强化泥浆反应器的吸附解析

4.1.1试验仪器与材料

4.1.2泥浆相和液相中菲和Tween80的提取方法

4.1.3不同Tween80浓度和不同水土比中菲和Tween80在水土中的分配

4.2.1不同表面活性剂浓度下菲的吸附解析

4.2.2菲和表面活性剂Tween80在不同水土比下水土中的分配

4.3 本章小结

5结论展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

作者简历

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