含氮杂环芳烃废水的生物降解及其毒性变化

摘要

含氮杂环芳烃化合物(Nitrogen Heterocyclic Compounds，NHCs)的典型废水是焦化废水，它是一类高氮、高毒和强生物抑制性的工业废水，其中的吡啶、喹啉和咔唑又是氮杂环芳烃的代表性污染物，并均具有“三致”效应。焦化废水的处理工艺常用传统的生物处理法，而氮杂环芳烃等有机物在此工艺中处理效果不佳。因此，焦化废水的处理长期以来都是我国工业废水处理的难题。
　　 相对于化学法、高级氧化法、物理法等处理方法，传统的生物处理仍具有其特殊的优势，如无二次污染物产生，排水毒性低，投资和运行费用较低等。因此，生物法处理焦化废水仍然具有竞争力。本研究的目的是:利用复合菌剂生物强化降解含氮杂环芳烃废水，解析其共降解机理，探索降解过程中毒性物质的复合毒性变化规律。研究内容包括:从实验室菌种库中优选比较高效菌种，并复配一种复合菌剂;将复合菌剂用于模拟焦化废水和实际焦化废水的降解，研究复合菌剂的降解机理和系统微生物的结构变化，并解析含氮杂环芳烃废水降解过程中遗传毒性变化规律;探讨降解过程中水质指标、系统微生物和遗传毒性的关系。
　　 本研究优选出4株高效细菌，分别是Paracoccus sp.BW001（吡啶降解菌）、Shinellazoogloeoides BC0026（吡啶降解菌）、Pseudomonas sp.BW003(喹啉降解菌)、Pseudomonas sp.BW004(喹啉降解菌)、Pseudomonas sp.BC039和Pseudomonas sp.BC046（咔唑降解菌）。并将4株菌制成菌液，按菌密度OD602值的比例BC026∶BW00∶BC039∶BC046=0.10∶0.10∶0.05∶0.05，配制成复合菌剂M19。
　　 对比4株单菌与复合菌剂M19对单基质（吡啶或喹啉或咔唑）或三基质（吡啶、喹啉和咔唑共存）的降解，复合菌剂M19对吡啶、喹啉和咔唑均有较强的降解能力，且共基质情况下降解效率有所提高，实验结果显示:单菌完全降解单基质吡啶需要12.1h，复合菌剂完全降解单基质吡啶和复合基质中的吡啶分别需要10.1和14.2h;单菌完全降解单基质喹啉需要9.8h，复合菌剂完全降解单基质喹啉和复合基质中的喹啉分别需要6.2h和4.2h;单菌降解90％的单基质咔唑需要超过21.7h，而复合菌剂降解单基质咔唑和复合基质中的咔唑需要20h，由此可知M19复合菌剂的综合优势表现为快速的同步降解能力。通过跟踪分析M19中的喹啉降解基因qorL和咔唑降解基因carAa，发现两个基因在NHCs降解过程中得到保持;通过分析M19对复合基质的降解中间产物，发现其对喹啉的降解与BW004降解喹啉的路径一致，其中间产物为2(1H)喹诺酮和8-羟基香豆素。由此说明M19中4株降解菌之间没有产生直接联系，均独立作用于各自的目标污染物。
　　 利用M19对模拟废水（只含有共基质的吡啶、喹啉和咔唑）和实际焦化废水进行降解，对其水质、微生物和遗传毒性变化进行研究。发现M19对模拟废水和实际焦化废水中的吡啶、喹啉和咔唑均实现100％的去除;TOC、COD等水质指标有所下降;通过PCR扩增功能基因和DGGE技术对实际焦化废水的微生物群落结构进行解析，发现经过M19复合菌剂生物强化的处理系统中，喹啉降解基因qorL和咔唑降解基因carAa稳定表达，而微生物的群落结构和多样性发生变化;通过彗星实验对遗传毒性进行分析，利用彗星率、彗尾DNA百分比（TailDNA％）、尾长(TailLength)和尾矩(TailMoment)数据结果表征遗传毒性。数据比较得出，控制组的数据稍高于实验组，说明M19强化后的系统遗传毒性有所减弱。
　　 最后对水质指标、系统微生物和遗传毒性进行冗余分析（RDA，Redundancy analysis）来阐述它们之间的关系。发现模拟废水中的遗传毒性指标TailDNA％、TailLength和TailMoment均与吡啶、喹啉和咔唑的浓度有关，进一步证明了三类物质能共同造成细胞的DNA损伤;而实际焦化废水处理的结果表明，彗星率与部分含量较高的污染物如苯酚等的浓度有关，TailDNA％、HeadDNA％、TailLength和TailMoment与主要污染物的浓度无直接关系，可能与降解过程产生的中间产物联合作用有关，此外复杂的焦化废水水质也可能与其有关。
　　 综上所述，复合菌剂M19对吡啶、喹啉和咔唑有较为高效的降解能力;在M19降解实际焦化废水过程中，改变了系统微生物群落结构和提高了系统中微生物的活性，降解了主要的含氮杂环芳烃有机物，并对焦化废水的遗传毒性降低起到了一定的作用。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 氮杂环芳烃的污染

1．2 典型氮杂环芳烃的生物降解研究现状

1．2．1 焦化废水中典型有机污染物的高效降解菌研究

1．2．2 焦化废水中典型有机污染物的降解机理研究

1．2．3 复合菌剂研发及应用研究

1．3 氮杂环芳烃的遗传毒性研究

1．3．1 吡啶、喹啉、咔唑的遗传毒性

1．3．2 复合型氮杂环芳烃的遗传毒性

1．4 分子生物学技术在微生物研究中的应用

1．4．1 降解基因的PCR检测技术

1．4．2 DGGE技术

1．5 彗星实验在遗传毒性研究中的应用

1．5．1 彗星实验应用于遗传毒性的研究现状

1．5．2 鲫鱼外周血细胞在环境毒理检测中的应用及其毒性评价体系

1．6 本论文的研究意义、内容和技术路线

1．6．1 研究意义

1．6．2 研究内容

1．6．3 技术路线

第2章 利用高效菌降解氮杂环芳烃

2．1 实验材料与方法

2．1．1 试剂

2．1．2 培养基

2．1．3 高效菌的富集

2．1．4 生物强化的复合菌剂

2．1．5 单一高效菌降解单基质和共基质污染物

2．1．6 复合菌剂降解单基质和共基质污染物

2．1．7 DNA提取与功能基因检测

2．1．8 水质分析方法

2．2 结果与分析

2．2．1 单菌对不同基质的降解效果

2．2．2 复合菌剂对不同基质的降解效果

2．2．3 喹啉降解基因与咔唑降解基因检测

2．2．4 喹啉的中间产物分析

2．3 本章小结

第3章 利用复合菌剂对焦化废水的降解

3．1 实验材料与方法

3．1．1 试剂

3．1．2 模拟废水与实际焦化废水降解试验

3．1．3 水质分析方法

3．1．4 焦化废水中总DNA提取及功能基因检测、16S rDNA扩增

3．1．5 DGGE

3．2 结果与分析

3．2．1 模拟废水的复合菌剂降解效果

3．2．2 焦化废水的复合菌剂降解效果

3．2．3 降解基因的表达情况

3．2．4 焦化废水复合菌剂降解过程中的菌群结构变化

3．3 本章小结

第4章 彗星实验检测降解过程中的遗传毒性

4．1 实验材料与方法

4．1．1 试剂及部分试剂配置

4．1．2 模式细胞及其形态观察

4．1．3 模拟废水与焦化废水降解过程中的毒性检测实验

4．1．4 分析方法

4．2 结果与分析

4．2．1 模式细胞的表观现象

4．2．2 模拟废水降解过程中的遗传毒性变化

4．2．3 焦化废水降解过程中的遗传毒性变化

4．2．4 水质指标、系统微生物与遗传毒性指标的关系

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

附件 1

附件 2 模拟废水的彗星实验结果图

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果

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