纳米铁与脱氯菌耦合修复地下水中三氯乙烯及其毒理试验研究

摘要

三氯乙烯(TCE)作为一种重要的挥发性有机溶剂，其广泛的应用和不合理的排放，给土壤和地下水造成了严重的污染。自1999年Gosset和Zinder分离出第一株产乙烯脱氯拟球菌(Dehalococcoides spp.195)以来，Dehalococcoides spp.作为目前唯一一种可以将TCE完全脱氯为乙烯的特效菌株被广泛的研究，并应用到地下水中TCE的原位修复中。但Dehalococcoides spp．需要氢气或者醋酸盐等作为脱氯的电子供体，限制了它的应用。
　　 自1997年Zhang等首次在实验室中合成了纳米级的铁粉以来，纳米铁以其高比表面积、强化学活性以及易于原位注射使用的优点，在TCE原位修复方面表现出巨大的应用前景。目前纳米铁已经被应用到多处地下水原位修复工程中。但是，纳米铁作为一种纳米材料，其投加是否会对地下水中土著的TCE降解菌-Dehalococcoides spp.产生毒性抑制作用；纳米铁与地下水接触后腐蚀产生的阴极活性氢能否被Dehalococcoides spp.用作电子供体，刺激Dehalococcoides spp.菌系的生长，实现纳米铁与脱氯菌对TCE的耦合修复？这些问题目前在国内外未见相关报道。
　　 针对以上问题，本论文采用日本Toda Kogyo公司提供的商用纳米零价铁和莱斯大学实验室培养驯化的高效脱氯混合菌种作为研究对象，对二者耦合后的脱氯效果以及纳米铁对脱氯菌(Dehalococcoides spp.)中TCE降解解码基因-tceA和VcrA的基因表达水平等进行了深入研究。论文的主要研究内容分为以下三部分：
　　 1．研究该商用纳米铁和脱氯菌单独降解TCE时的降解速率及产物。(1)为了给脱氯菌提供适宜的生存环境，纳米铁与脱氯菌的耦合实验需要在培养液中进行，而在培养液中纳米铁的活性将发生改变。在去离子水中，4g/L纳米铁脱氯反应速率常数为0.056 h-l，而在微生物培养液中，其反应速率常数下降至0.022h-1，反应速率降低2.55倍：(2)60mmol/L的HEPES缓冲溶液对纳米铁的活性影响不大，其可以将4g/L纳米铁腐蚀产生的pH值上升维持在pH值7.39以下，避免pH值变化对脱氯菌产生毒害作用；(3)根据不同稀释浓度菌液降解TCE批实验结果，得出稀释25倍的菌液可以与纳米铁的脱氯速率相搭配；(4)稀释25倍的脱氯菌液中，Dehalococcoides spp.菌种细胞数目在降解转化TCE的后，由初始的2.0±0.44×105 cell/mL上升至4.61±0.8×105 cell/mL。
　　 2．纳米铁与脱氯菌祸合体系脱氯实验研究：(1)在lg/L纳米铁做电子供体的情况下，二者耦合的表观反应速率常数为0.053h-1，明显高于纳米铁单独降解TCE时的速率0.006 h-1，这是纳米铁和微生物耦合作用的结果。但是其耦合的反应速率低于微生物单独降解TCE的反应速率(0.115 h-1)，表明纳米铁对脱氯菌有一定的抑制作用；(2)不同于脱氯菌，产甲烷菌的活性受到了纳米铁产氢的刺激；(3)纳米铁单独降解TCE时，乙烯的产量在502h时达到3.8士0.3μmol，而脱氯菌单独降解TCE时乙烯的产量在414h时即有11.6士0.51μmol乙烯生成。耦合体系中乙烯的产量初始时有一段滞后期，但是337h后乙烯产量逐渐上升至7.6±0.3μmol，表明脱氯菌可以在纳米铁被氧化活性降低后恢复降解活性；(4)在无电子供体的情况下，TCE的降解情况对比得出：纳米铁腐蚀产氢可以作为脱氯菌的电子供体，这对纳米铁的原位应用具有重要意义。同时在纳米铁单独降解TCE的情况下，在166h内有732.7±27.6μmol H2产生，而当纳米铁与脱氯菌耦合降解TCE时，氢气的浓度在166h后仅有16.5±4.0μmol氢气剩余，这进一步证明纳米铁腐蚀产生的氢气被混合菌种作为电子供体利用。
　　 3．纳米铁毒性剂量效应以及其对Dehalococcoides spp.菌中TCE降解解码基因tceA和VcrA基因表达水平的研究：(1)在好氧和厌氧两种条件下，未包覆型纳米铁对E.coli和B.subtilis两种菌株均有明显的毒性效应。包覆型的纳米铁对E coli和B.subtilis菌株毒性明显下降；(2)在脱氯菌暴露于纳米铁以后，其tceA基因的表达水平经历了一个缓慢下降的过程。在24h后，其相对的基因表达水平即由28.l下降到24.3，基因表达水平下降13.9倍之多。VcrA基因在开始的24h内，其相对的基因表达水平即由29.15下降到262，基因表达水平下降7.73倍；(3)采用TCE暴露作为参照来校核mRNA逆转录方法测定基因表达水平的准确性。投加20mg/L的TCE后tceA基因的相对表达水平在24h内上升了699.7倍；VcrA基因在24h内上升了倍42.52倍。充分证明mRNA逆转录的方法可以准确的反映外源胁迫对tceA和VcrA基因的生物刺激或者生物抑制水平。