借助紫外光解利用解淀粉芽孢杆菌加速2,4,6-三氯酚的生物降解

摘要

苯酚和酚类化合物是一种重要的工业原料，广泛存在于各种工业排出的废水中，如石油精炼、树脂、塑料、皮革、纺织制造、化学和石化工厂，焦炉，铸造加工，纸浆和造纸厂，橡胶回收工厂，制药和工农业的生产过程中。具有恶臭、异味和高度毒性，是重要的有机污染物之一。其工业废水是极难处理的，且废水排放后在环境中具有一定的稳定性，通过迁移，其污染范围可进一步扩大，氯代酚类化合物的存在常常使微生物菌体内的酶变质并失去活性，最终导致生物处理的效果较差，所以采用单一的生物方法难以使其有效降解。本研究探讨紫外光辐射对缓解三氯酚对微生物的影响，并用气升式内循环紫外光/生物膜一体式反应器，通过单独紫外辐射降解(Photolysis，P)、单独生物降解(Biodegradation，B)以及紫外辐射与生物同步耦合降解(Photobiodegradation，P&B)3种方法对三氯酚进行降解，并对其降解规律、降解动力学以及降解过程中氯的释放规律进行研究，以证明紫外光解与生物膜同步耦合降解方法的高效性。通过分子生物学分析，了解微生物降解TCP的功能基因，探讨微生物降解TCP的机理。
　　在对TCP光解代谢途径的研究中，选择从活性污泥中筛选的一株菌株用于降解苯酚和TCP，采用16srDNA技术鉴定出该菌株的种属为解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)，利用该菌降解苯酚和TCP混合废水，以研究TCP对苯酚降解的影响及其对微生物生长的抑制性。同时，紫外光解被用来减小TCP的抑制性以提高苯酚的去除率。实验结果表明紫外光解可以有效的减小TCP对微生物的抑制，因为紫外光解使TCP转化为其中间产物，这些中间产物对微生物具有相对低的抑制性，当以单独苯酚(25～200mg/L)作为生长基质时，微生物生长符合Monod动力学，得到最大的μmax(1.46h-1)和最小的Ks(21mg·L-1)，当TCP加到苯酚溶液中时，μmax减小了26％，Ks增加了319％，而当TCP经紫外光辐射处理后，μmax从1.08h-1升高到1.18h-1Ks从88mg·L-1下降到56mg·L-1，实验结果显示紫外光解缓解了TCP对微生物的抑制。研究TCP的抑制性下降机理时，被认为是其生成了中间产物，通过仪器检测中间产物及分析其代谢途径，是因为生成了4-MCP和2，4-DCP，实验验证，通过分别添加4-MCP和2，4-DCP到苯酚溶液中，以观察其对苯酚的降解和微生物生长的影响，证明4-MCP和2，4-DCP相对于原始TCP来说对苯酚的降解和微生物生长具有更低的抑制性。
　　在解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)对氯酚类废水的降解特性研究中，用该菌处理不同混合基质废水，其中包括接种不同浓度菌量于同源共基质(2，4，6-TCP+Phenol)和其它共基质（2，4，6-TCP+GL、2，4，6-TCP+苯甲酸）的模拟废水中，以考察其对各基质的反应特性，发现其微生物的生长曲线都是一致的，且解淀粉芽孢杆菌对2，4，6-TCP+GL共基质模拟废水所起反应最为迅速，对2，4，6-TCP+Phenol共基质模拟废水所起反应最为缓慢，且该菌在不外加碳源情况下即单独TCP情况下微生物也能很好的生长;在利用该菌以苯酚为外加碳源对4-MCP、2，4-DCP、2，4，6-TCP、2，4，6-TCP(UV)的降解研究中，发现不论在摇瓶实验还是反应器实验中氯酚类物质对解淀粉芽孢杆菌都有不同程度的生长抑制特性，对解淀粉芽孢杆菌抑制性大小:2，4，6-TCP＞4-MCP＞2，4-DCP＞2，4，6-TCP(UV)，
　　在对解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)的实际应用及功能基因的研究中，首先采用该菌生物降解2，4，6-TCP，本研究采用在摇瓶中降解2，4，6-TCP模拟废水(5～40mg/L)，在ILPBR中利用固定化生物膜验证其处理效果;借助光解和生物处理同步耦合、生物强化作用以及次级利用三者的联合作用。在摇瓶的降解实验中，单独TCP条件下，浓度为20mg/L的2，4，6-TCP完全降解完大约用时32小时;在加入苯酚作为外加碳源后，浓度为20mg/L的2，4，6-TCP完全降解完大约用时30小时。而在ILPBR中利用固定化生物膜处理2，4，6-TCP模拟废水，比较在P+B和P&B两种实验条件下2，4，6-TCP的降解情况，在P+B条件下，20mg/L的2，4，6-TCP在共基质作用下最快是在120min内被完全降解完;而在P&B条件下20mg/L的2，4，6-TCP在共基质作用下在30min内可以完全降解完。这说明光解和生物处理同步耦合的处理效果是非常好的。在对解淀粉芽孢杆菌降解2，4，6-TCP功能基因的研究中，发现该菌具有能翻译出TCP单氧化酶(TCP-MO:2，4，6-TCPmonooxygenase)的tcpA类似基因。