吡啶在紫外光辐射下的生物降解

摘要

吡啶是一种难降解的含氮杂环化合物，应用广泛，难以用单一的生物方法使其有效降解。本研究探讨紫外光辐射对降解吡啶微生物的影响，并用气升式内循环紫外光/生物降解反应器，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种方法对吡啶进行降解，并对其降解规律、降解动力学以及降解过程中氨氮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，了解紫外光辐射下生物膜的变化情况，探讨紫外光解与生物膜同步耦合降解吡啶的微生物学机理。
　　 从驯化的活性污泥中富集吡啶降解菌，以吡啶为唯一碳、氮源，在菌密度为0.1，吡啶浓度为416.3mg/L、温度为35℃、pH为6.5的条件下，吡啶降解菌可在15h内将吡啶完全降解，降解速率为27.75mg/(L·h)-1。分别对初始质量浓度为50、100、300、500、800、1000、1500mg/L的吡啶，采用直接生物降解、经紫外辐射后生物降解2种方法进行降解，探讨紫外辐射对吡啶降解菌的影响。结果表明，在菌密度为0.113、温度为35℃、pH为6.5的条件下，吡啶初始质量浓度大于500mg/L对吡啶降解菌产生明显的抑制作用，但菌株在适应后，对吡啶的降解速率更高；紫外辐射能缓解吡啶对微生物的抑制作用，且紫外辐射时间越长，吡啶对微生物的抑制作用越弱。500mg/L的吡啶经9h紫外光解后在菌密度为0.105、温度为35℃、pH为6.5的条件下进行生物降解，其体积去除速率为41.67mg/(L·h)-1。
　　 考察单独紫外辐射降解(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种方法降解不同初始浓度吡啶的规律，其中采用方法P&B去除吡啶的速率最快，其次是方法B，而方法P的速率最慢，如对初始浓度为500mg/L的吡啶进行间歇降解，采用方法P时，其去除速率为8.28mg/(L·h)-1，方法B时其去除速率为20.49mg/(L·h)-1，而采用方法P&B时，吡啶的去除速率为27.32mg/(L·h)-1。采用连续流方式对进水浓度分别为50，100和300mg/L的吡啶溶液分别采用方法P，B和方法P&B进行降解，其单位体积平均体积去除率分别是：15.8(P)，23.1(B)和24.9mg/(L·h)-1(P&B)，高于间歇降解方法。紫外光解与生物膜同步耦合降解(P&B)方法对吡啶的降解速率高于两种紫外光解与生物膜分步降解(P2+B4、P3+B3)方法，100mg/L的吡啶采用方法P2+B4和方法P3+B3反应6h其降解率分别为35.6％和47.5％，而紫外光解与生物膜同步耦合降解(P&B)方法在6h内对吡啶的降解率为100％。采用单独紫外辐射光解(P)、单独生物降解(B)、光解与生物降解同步耦合(P&B)3种方法降解吡啶过程中，用方法P和方法P&B时，随着吡啶的降解氨氮浓度逐渐上升，而采用方法B时，氨氮浓度一直保持稳定且呈现较低水平。100mg/L的吡啶完全降解，方法P释放氨氮11.6mg/L，方法P&B释放11.9mg/L，而方法B仅释放0.2mg/L。
　　 分别对不同初始浓度的吡啶，采用单独紫外辐射光解(P)、单独生物降解(B)、光解与生物降解同步耦合(P&B)3种方法进行降解，根据Haldane模型和Aiba模型求解方法B和方法P&B对吡啶的降解动力学方程，发现方法P&B的吡啶最大降解速率都高于方法B。根据Aiba模型求解得到的动力学方程，发现其抑制常数从方法B的1660mg/L下降至方法P&B的1600mg/L。实验结果表明，方法P&B降解吡啶的初始阶段紫外辐射可以缓解吡啶对微生物的抑制作用，从而提高吡啶的降解速率。
　　 将降解吡啶的驯化活性污泥和气升式内循环紫外光/生物降解反应器中的陶瓷载体生物膜中的细菌基因组DNA进行16srDNA序列检测及统计。检测结果显示，两者的菌种组成不同，活性污泥中对降解吡啶起主要作用的菌种是ParacoccusdenitrificansPD1222(16％)及Polaromonassp.JS666(18％)，而反应器中陶瓷载体经紫外辐射后的生物膜有3个菌种在降解污染物的过程中起主要的作用，分别是AcidovoraxebreusTPSY(10％)，CytophagahutchinsoniiATCC33406(10％)以及PseudomonasfluorescensSBW25(19％)。实验结果表明，活污泥中的优势菌群对紫外处理非常敏感，尽管陶瓷载体微孔中的生物膜菌群在紫外逆境条件下其组成发生改变，但存活的微生物依然保持了对吡啶的降解活性。