零价纳米铁对产乙烯脱卤拟球菌群降解三氯乙烯的影响研究

摘要

三氯乙烯(TCE)是地下水中最常检出的挥发性有机污染物之一，作为一种重质非水相液体(Dense Non-aqueous Phase Liquids)，一旦被释放到环境中就会垂直迁移形成羽状污染，而且三氯乙烯在环境中以多种形式长期存在，其降解产物通常是毒性更强的二氯乙烯(DCE)和氯乙烯(VC)，易造成地下水安全问题。
　　目前比较有发展前景的三氯乙烯修复技术有原位活性金属还原技术和原位生物修复技术，但是前者容易产生二次污染，后者需要充足的电子供体才能保证降解反应顺利进行。零价纳米铁(Nano-scale Zero Valent Iron，NZVI)粒子具有一定的还原能力被用于三氯乙烯修复中，在反应过程中会有零价纳米铁腐蚀产氢的副反应发生。产乙烯脱卤拟球菌（Dehalococcoidesethenogenes）是目前唯一能将三氯乙烯完全脱氯为无毒产物的菌种，需要以氢气(H2)作为最终电子供体，被应用于地下水原位生物修复中。将零价纳米铁与产乙烯脱卤拟球菌耦合，纳米铁腐蚀产氢恰好能为产乙烯脱卤拟球菌提供充足的电子供体，取代外加源。但零价纳米铁作为一种纳米材料，是否会对产乙烯脱卤拟球菌群产生毒性作用，对三氯乙烯的降解效率和产物分布会有怎样的影响，是地下水原位生物强化修复技术应用中需要解决的关键问题。
　　基于此，本文采用不同浓度零价纳米铁与产乙烯脱卤拟球菌群耦合降解三氯乙烯，考察了零价纳米铁对产乙烯脱卤拟球菌群降解三氯乙烯路径的影响，并利用聚合酶链式反应一变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)和定量PCR(qPCR)等分子生物学方法研究了纳米铁对产乙烯脱卤拟球菌群群落结构和功能基因表达的的影响。得到的主要研究结果如下:
　　1.零价纳米铁和产乙烯脱卤拟球菌群对三氯乙烯均具有降解作用。产乙烯脱卤拟球菌群可在120 h内将50 mg·L-1的三氯乙烯完全降解，而0.50 g·L-1零价纳米铁在120 h内对三氯乙烯的降解率为71％。将零价纳米铁投加到产乙烯脱卤拟球菌群反应体系中，随着零价纳米铁浓度的增加，降解三氯乙烯的时间缩短。零价纳米铁腐蚀产氢、同时降低了反应体系的氧化还原电位，为厌氧产乙烯脱卤拟球菌群提供了电子供体和适宜的强还原性环境，加速了三氯乙烯的降解，且三氯乙烯的降解速率随零价纳米铁浓度的增加而提高。
　　2.零价纳米铁对三氯乙烯的还原脱氯过程主要经过β消去作用、氢解作用、加氢作用，将三氯乙烯经中间产物二氯乙烷和乙炔逐步降解为终产物乙烯和乙烷。产乙烯脱卤拟球菌群单独降解或者零价纳米铁与产乙烯脱卤拟球菌群耦合降解三氯乙烯时，三氯乙烯逐步脱氯为DCE、VC，最后还原脱氯为乙烯和甲烷，其中由VC向乙烯和甲烷转化的过程是三氯乙烯降解的限速步骤。向产乙烯脱卤拟球菌群中投加零价纳米铁，零价纳米铁腐蚀产氢为产乙烯脱氯拟球菌提供电子供体，促进了三氯乙烯的生物还原脱氯和中间产物的转化，但不改变三氯乙烯的降解路径，反应体系的还原脱氯过程主要是由产乙烯脱卤拟球菌控制。在耦合体系中，零价纳米铁的浓度愈高，中间产物转化的愈彻底，产生的终产物的量愈多。
　　3.通过透射电子显微镜(TEM)分析，菌群中产乙烯脱卤拟球菌与0.50 g·L-1零价纳米铁接触24 h后，仅在少量吸附零价纳米铁的细胞表明无破损，而菌群中的杆状菌则吸附了大量的零价纳米铁，且有细胞破损。经PCR-DGGE分析可知，零价纳米铁对产乙烯脱卤拟球菌群物种多样性具有影响:零价纳米铁浓度为0～0.50 g·L-1时，主要表现为优势菌种的差异，同时个别菌种因零价纳米铁的投加而消失，而对细菌门类数量没有影响，且对产乙烯脱卤拟球菌属的生长影响不明显；当零价纳米铁浓度达到0.50 g·L-1以上时，部分菌种的生长受到严重的影响，致使多种菌种失活，多样性减少，但仍有部分一直处于优势的菌种，能够推动三氯乙烯的降解。零价纳米铁对产乙烯脱卤拟球菌群物种多样性具有影响，其影响因零价纳米铁浓度和菌种的不同而有所差异。
　　4.通过对编码三氯乙烯还原脱氯过程中最重要的两个还原脱卤素酶的tceA基因和vcrA基因进行的qPCR分析可知，产乙烯脱卤拟球菌与零价纳米铁接触480小时后，tceA基因的相对基因表达率(relative gene expression ratio，rER)下降，而vcrA基因的相对基因表达率升高。零价纳米铁的浓度为0.10、0.25、0.50、0.75和1.00 g·L-1所对应的tceA基因的相对基因表达率较对照组分别降低了7％，77％，59％，73％，67％，vcrA基因的rER分别增加了140％，150％，150％，120％，210％。将中间产物和终产物量的变化与tceA基因和vcrA基因表达的变化进行比较发现，中间产物量和终产物量的增加和减少都与tceA基因和vcrA基因相对基因表达率的增加和减少相对应。由此可以得出向产乙烯脱卤拟球菌群中投加零价纳米铁影响了编码还原脱卤素酶基因的表达，零价纳米铁的浓度在0～1.00g·L-1之间时，投加零价纳米铁降低了tceA基因的相对基因表达率，提高了vcrA基因的相对基因表达率。宏观上表现为:随着零价纳米铁浓度的增加，三氯乙烯降解速率提高，中间产物积累量减少，终产物累积量增加。
　　综上所述，向产乙烯脱卤拟球菌群反应体系中投加零价纳米铁促进了三氯乙烯的生物还原脱氯和中间产物的转化，但不改变三氯乙烯的降解路径。零价纳米铁对产乙烯脱卤拟球菌群物种多样性的影响因零价纳米铁浓度不同和菌种差异而有所不同，零价纳米铁浓度较低时，产乙烯脱卤拟球菌群的多样性没有明显的变化。投加零价纳米铁还影响了编码还原脱卤素酶基因的表达，降低了tceA基因的相对基因表达率，提高了vcrA基因的相对基因表达率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 三氯乙烯的污染现状及其修复技术

1．1．1 三氯乙烯的污染现状

1．1．2 三氯乙烯的修复技术

第二节 产乙烯脱卤拟球菌在三氯乙烯修复中的应用

第三节 纳米铁在环境修复中的应用及存在的问题

1．3．1 纳米铁粒子在环境污染修复中的应用

1．3．2 纳米铁粒子在应用中存在的问题

第四节 本文选题意义及主要的研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

第二章 纳米铁对产乙烯脱卤拟球菌群降解三氯乙烯的影响

第一节 实验材料

2．1．1 产乙烯脱卤拟球菌群

2．1．2 产乙烯脱卤拟球菌群的培养液

2．1．3 主要试剂

2．1．4 主要仪器设备

第二节 实验方法

2．2．1 三氯乙烯及产物的测定方法

2．2．2 零价纳米铁粒子的制备

2．2．3 三氯乙烯的还原脱氯实验

第三节 实验结果

2．3．1 反应后体系的化学参数

2．3．2 三氯乙烯降解结果

2．3．3 三氯乙烯降解产物

第四节 本章小结

第三章 纳米铁对产乙烯脱卤拟球菌群的生物影响

第一节 实验材料

3．1．1 产乙烯脱卤拟球菌群

3．1．2 产乙烯脱卤拟球菌群的培养液

3．1．3 主要试剂

3．1．4 试剂盒

3．1．5 主要溶液

3．1．6 引物

3．1．7 主要软件及数据库

3．1．8 主要仪器设备

第二节 实验方法

3．2．1 纳米铁与脱氯菌接触实验

3．2．2 样品总DNA的提取

3．2．3 PCR扩增DNA片段

3．2．4 变性梯度凝聚电泳

3．2．5 凝胶中DNA片段的回收及其PCR扩增

3．2．6 定量PCR

第三节 实验结果

3．3．1 零价纳米铁对细胞形貌的影响

3．3．2 零价纳米铁对群落结构的影响

3．3．3 零价纳米铁对功能基因表达的影响

第四节 本章小结

第四章 结论

第五章 问题、建议与创新点

第一节 问题与建议

第二节 创新点

参考文献

致谢

个人简历