铁锌离子和表面活性剂强化生物降解氯苯及其对胞外聚合物的影响

摘要

源于天然源和各种人为源排放的挥发性有机化合物（VOCs）作为大气光化学反应的前驱体，可形成臭氧及氮氧化物等次级污染物进而对生态环境及其功能产生不利影响，是我国重点关注的空气污染物。含氯挥发性有机物（CVOCs）难降解，在其降解转化过程中易形成其他有毒副产物，加之较强的疏水性，使其成为VOCs中难处理的有机化合物之一。生物法处理中低浓度CVOCs的废气具有经济效益高、环境友好等优势，如何高效去除环境中的CVOCs是生物法亟待解决的重要问题。 本文选取CVOCs中芳香烃类化合物的典型代表物氯苯为目标污染物，以焦化厂废水中的活性污泥为菌源，在通过生物滴滤器中添加中间产物邻苯二酚完成对氯苯优势降解菌的驯化，同时考察氯苯的初始浓度对微生物生长的影响，优选适宜的表面活性剂改善其疏水性，探究其CMC值及最宜浓度。在此基础上考察了金属离子对微生物生长代谢的促进作用，并运用高通量测序技术研究了微生物群落结构的变化。结合FTIR与XPS研究Fe3+、Zn2+作用下EPS化学组成的变化及官能团特性的改变，进一步揭示复合微量元素强化生物降解氯苯作用机制。 试验发现，初始浓度150mg/L的氯苯可供大量碳源且具有较小的毒性抑制作用，鼠李糖脂在74.98mg/L时形成胶束，对应的表面张力值为26.65mN/m，而吐温80此时的表面张力值为53.1mN/m。2CMC的鼠李糖脂对微生物的生长代谢促进作用最为明显，在36h时平稳期的OD600增量达0.144，在72h的氯苯降解率为66.4%，浓度持续升高其毒性相应增大会产生不同程度的抑制作用，同时碳源竞争将导致氯苯降解率降低。 在添加2CMC鼠李糖脂的条件下，考察Fe3+与Zn2+对微生物生长代谢的促进作用。试验表明，3mg/LFe3+与2mg/LZn2+均可有效促进微生物的生长与氯苯的降解，相比于单一金属，同时添加Fe3+和Zn2+可在对数期及稳定期更快地促进微生物的生长代谢，不同价态金属离子间存在的交互作用，使微生物在碳源匮乏以及中间产物积累时的代谢能力增强，其72h时对氯苯的降解率达75.6%，各个微量元素间的促进作用中，复合微量元素＞Zn2+＞Fe3+＞No addition。 通过观察微生物表面的微观形态发现Fe3+、Zn2+的加入可使菌体表面变得更为致密，更易捕捉污染物并加大停留时间进而提高污染物在膜间的传质及降解效率。采用加热法提取EPS各个组分后的定量分析表明，Fe3+、Zn2+促使微生物分泌出了大量多糖与蛋白，其中S-EPS中多糖含量的增多加强了其与金属离子的相互作用，TB-EPS占比的提高有利于生物膜结构的稳定。而混合菌在鼠李糖脂与Fe3+、Zn2+的共同作用下，其优势菌种Brevibacterium与Gordonia菌量分别增长到41.78%，39.38%，菌量占比分别提高了4.16%与4.25%，金属离子的添加实现了对降解菌系的强化，分离培养至72h时其氯苯的降解率由不添加金属离子的66.4%在提高至75.6%。 不同时期EPS的红外光谱与XPS分析发现，羧基及胺的谱带强度在微量元素Fe3+、Zn2+作用下增强，O=C-O-R的含量与峰面积占比提高，共同说明Fe3+、Zn2+参与了蛋白质的合成并促进了蛋白质的大量分泌，取代苯类的C-H伸缩振动与卤代烃C-Cl伸缩振动增强，说明氯苯的氧化开环及脱氯过程更加迅速，Fe3+、Zn2+对BTF的去除性能产生了积极影响。O1s、Zn2p2/3的电子结合能位移与Fe2p特征峰的变化均表明Fe3+、Zn2+会与微生物EPS中多糖蛋白的活性基团发生交互作用，并以此强化氯苯混合菌的生物降解能力。

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声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2.1 VOCs的末端治理技术

1.2.2 BTF的降解过程研究

1.2.3胞外聚合物相关研究

1.2.4金属元素对生物降解的强化过程

1.3 研究目标、内容及技术路线

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

2 实验材料与分析方法

2.1.1 实验药品

2.1.2 实验仪器

2.2菌源与实验装置

2.2.1 菌源与营养盐

2.2.2 实验装置

2.3.1 表面活性剂CMC的测定

2.3.2 氯苯的测定

2.3.3 OD600的测定

2.3.4 EPS提取

2.3.5 多糖与蛋白的测定

2.3.6 EPS形态结构观测

2.3.7 混合菌微生物群落多样性的鉴定

2.3.8 FIIR与XPS分析

3 鼠李糖脂对生物降解氯苯的影响

3.1 氯苯混合菌系的定向驯化

3.2 氯苯初始浓度对其混合菌生长的影响

3.3 表面活性剂临界胶束浓度的测定

3.4 鼠李糖脂浓度对微生物生长及降解氯苯的影响

3.5 本章小结

4 Fe3+、Zn2+强化生物降解氯苯性能研究

4.1 Fe3+对生物降解氯苯的影响

4.2 Zn2+对生物降解氯苯的影响

4.3 复合微量元素对氯苯生物降解的影响

4.4 复合微量元素对微生物群落组成的影响

4.5 本章小结

5 Fe3+、Zn2+对胞外聚合物的影响作用机制

5.1 复合微量元素对 EPS 微观形态的影响

5.2 复合微量元素对 EPS 成分的影响

5.2.1复合微量元素对EPS中多糖含量的影响

5.2.2复合微量元素对EPS中蛋白含量的影响

5.3 EPS光谱学分析

5.3.1 FTIR

5.3.2 XPS

5.4复合微量元素强化生物降解氯苯作用机制

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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