厌氧条件下铁/硫还原耦合影响五氯酚脱氯消减的作用研究

摘要

随着人类活动的频繁和现代科学技术及工农业生产的大规模发展，氯代有机污染物大量的进入环境当中，而土壤作为多种污染物的载体，其污染修复越来越受到人们的重视。生物修复方法是近几年来发展起来的一种有效的用于修复和治理污染土壤的方法，低氯代有机污染物一般通过好氧氧化降解得以完全矿化，而高氯代有机污染物则一般需要先通过厌氧还原进行脱氯降解成低氯代中间产物后，再好氧氧化才能得以完全矿化。五氯酚(PCP, C6Cl5OH)是氯取代基最多、毒性最强、也是最难以被降解的氯酚类化合物，因此厌氧生物降解是PCP脱氯降解的最好办法。
　　本论文通过控制不同铁/硫比条件(Fe/S分别为8/1、3/1、2/1、1/1、1/2和1/3)进行土壤悬液厌氧培养批次试验，研究了铁还原和硫酸盐还原之间竞争作用耦合影响PCP还原脱氯的效应，采用qPCR技术分析了硫酸盐还原菌、脱氯菌(Dehalococcoides)和铁还原菌地杆菌属(Geobacter)的群落结构变化和定量表达，主要研究结果如下:
　　(1)在土壤悬液厌氧培养的112天期间内，PCP总体上消减程度很低，PCP的消减虽受到所添加的SO42-的抑制作用，但影响效果并不显著，可能原因在于在此过程中，体系中PCP的生物转化作用微弱。而在添加矿质培养基和碳源之后，PCP浓度迅速降低，这可能是因为厌氧微生物经长时间的驯化已适应并产生了降解氯代有机污染物的能力，进而表现为充足的碳源和氮源的存在促进了脱氯菌的生长以及脱氯呼吸作用的进行，同时通过铁氧化还原反应循环中的电子传递过程耦合促进PCP的得电子还原脱氯消减。
　　(2)含氮矿质培养基的添加与否对土壤悬液体系的影响较大。添加氮源能显著提高硫酸盐反应强度，并因满足了微生物对C/N的需求从而增强了微生物的活性，间接影响了PCP生物脱氯效应。
　　(3)在追加氮源后40天的厌氧培养过程中，在既定的铁浓度条件下，添加七个梯度浓度的SO42-对PCP消减的影响作用有所不同。与对照处理相比，2/1、3/1和8/1的铁硫比处理中促进了PCP的消减，而其余Fe/S比较低的处理则对PCP的消减产生了抑制作用。这说明SO42-的存在对PCP消减的影响与其浓度有较大的关系，当Fe/S在8/1-2/1之间时，SO42-能够促进PCP的消减，而这可能是因为此时Fe(Ⅱ)对PCP消减的促进作用大于SO42-对PCP消减的抑制作用;并且铁氧化物可以沉淀S2-，从而抵消S2-对微生物活性造成的负面影响;同时某些硫酸盐还原菌可以促进氯代有机污染物的分解。总体来说，铁还原、硫还原和PCP脱氯三种过程存在着复杂的耦合关系，在一定浓度范围内，添加SO42-浓度越高越有利于PCP的消减，而超过这个浓度范围则浓度越高的SO42-对PCP消减的抑制作用越大。这主要与铁还原、硫还原、PCP脱氯三种过程共存体系中铁还原与硫还原的相互作用关系和结果有关。
　　(4)本研究的土壤悬液培养中所含有的铁还原菌可能是一类多样性功能微生物种群，不仅能够还原Fe(Ⅲ)，还具有还原SO42-和脱氯降解的功能。在土壤悬液厌氧培养时，Fe(Ⅱ)浓度迅速累积而硫酸盐浓度变化不大，而在追加含氮矿质培养基和碳源之后，Fe(Ⅱ)生成速率减小，硫酸盐减少量明显增大。这可能是一种电子受体之间的接替现象，随着Fe(Ⅲ)浓度的降低，SO42-作为铁还原菌的电子受体支持其继续生长。
　　本研究初步探明了厌氧环境中铁/硫还原耦合影响PCP脱氯消减的作用，证实了一定范围的Fe/S比对PCP的消减具有促进作用，分析了不同Fe/S比处理下土壤悬液体系中功能微生物群落变化，为强化生物修复PCP污染土壤提供了一种新思路。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

1 引言

1．1 氯代有机污染物土壤污染状况的综合性陈述

1．1．1 氯代有机污染物的基本性质及应用

1．1．2 氯代有机污染物的危害及土壤污染现状

1．1．3 相关的氯代有机物污染土壤常用的修复技术

1．2 氯代有机污染物的生物降解及其影响因素

1．2．1 好氧氧化降解

1．2．2 厌氧还原降解

1．3 铁／硫还原作用对氯代有机污染物还原转化的影响

1．3．1 铁还原作用

1．3．2 硫还原作用

1．3．3 铁还原和硫还原作用之间的相互影响

1．4 实时荧光定量PCR(Real-time Quantitative PCR，qPCR)

1．5 论文的研究意义及技术路线

1．5．1 研究意义

1．5．2 技术路线

2 土壤悬液厌氧培养条件下不同Fe／S比对PCP还原转化的影响

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 供试土壤的采集与处理

2．2．2 试验试剂的配制

2．2．3 主要仪器

2．2．4 试验设计

2．2．5 测定方法及数据分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 SO42-的变化趋势

2．3．2 Fe(Ⅱ)的变化趋势

2．3．3 pH及Eh的变化趋势

2．3．4 PCP消减的分析

2．4 本章小结

3 追加氮源厌氧培养条件下不同Fe／S比对PCP还原转化的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 供试土壤

3．2．2 主要仪器及试剂

3．2．3 试验设计与方法

3．2．4 测定方法及数据分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 Fe(Ⅱ)和SO42-的变化趋势

3．3．2 pH及Eh的变化趋势

3．3．3 PCP浓度的变化趋势

3．4 本章小结

4 厌氧培养条件下不同Fe／S比影响PCP还原转化的微生物学作用机制初探

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验材料

4．2．2 DNA的提取

4．2．3 qPCR检测

4．3 结果与讨论

4．3．1 Geobacter定量标准品

4．3．2 Geobacter基因荧光PCR扩增曲线和熔解曲线

4．3．2 Geobacter基因定量结果

4．4 本章小结

5 结论与研究展望

5．1 结论

5．2 创新点与不足之处

5．3 研究展望

参考文献

作者简介