A-O工艺对氟代硝基苯的转化降解及其微生物学机制研究

摘要

含氟硝基芳烃化合物因其独特化学和生物特性（模拟效应、电子效应、阻碍效应和渗透效应等），已成为合成农药、医药、染料和一些精细有机化学中非常重要的中间体。随着含氟硝基苯化合物大量使用，其势必通过各种途径进入环境中，造成大气、土壤和水域等污染。然而至今，有关其在环境中的行为、归趋及污染控制技术的研究甚少。鉴于此，本论文以2-氟硝基苯(2-FNB)、3-氟硝基苯(3-FNB)、4-氟硝基苯(4-FNB)、2，4-二氟硝基苯(2，4-DFNB)和2，3，4-三氟硝基苯(2，3，4-TFNB)为模式污染物，首先采用间歇实验开展了该类化合物在厌氧条件下的转化降解特性、历程及微生物菌群结构等方面的研究;进而探讨了主要厌氧转化降解产物在好氧条件下的降解特性、历程及微生物菌群结构;最后基于上述的实验结果，采用A-O工艺较为深入地研究了此类化合物的降解效能及其对系统稳定性的影响。主要结论如下:
　　(1)在近250d的厌氧驯化过程中，2-FNB、3-FNB、4-FNB、2，4-DFNB和2，3，4-TFNB均可通过硝基还原快速生成相应的氟苯胺类化合物，但除3-FNB外，其它均不能进一步发生转化。降解动力学实验得出:2-FNB、3-FNB、4-FNB、2,4-DFNB和2，3，4-TFNB的最大比降解速率分别为(21.21±1.73)、(32.14±2.33)、(21.33±2.48)、(33.89±6.87)和(10.87±0.84)mgFNB(gVSSh)-1。
　　通过热力学分析，并结合GC-MS、HPLC检测技术提出了3-FNB转化途径:3-氟硝基苯依次形成3-氟苯胺、4-氨基-2-氟苯甲酸(2-氨基-4-氟苯甲酸)、4-氨基-2-氟苯甲酰和苯甲酸。进而，采用PCR-DGGE技术对3-FNB转化降解体系中微生物菌群结构分析得出:3-FNB的脱氟转化可能与Methanosaeta thermophila、Methanothrixsoehngenii和Clostridium sp.等菌属有关。
　　(2)在好氧条件下，2-氟苯胺(2-FA)、3-氟苯胺(3-FA)、4-氟苯胺(4-FA)、2，4-二氟苯胺(2，4-DFA)和2，3，4-三氟苯胺(2，3，4-TFA)5种主要氟硝基苯厌氧转化产物，分别历经58 d、43 d、26 d、51d和165 d驯化后，去除率才达到了85％以上。通过降解动力学实验结果得出:2-FA、3-FA、4-FA、2，4-DFA和2，3，4-TFA的最大比降解速率常数分别为(21.23±0.91)、(11.75±0.99)、(22.48±0.55)、(15.27±2.04)和(8.84±0.93)mgFA(gVSSh)-1。将最大比降解速率常数与分子结构参数相关性分析发现，其与疏水性参数、电性参数和热力学参数等均相关。
　　双加氧酶活检测结果发现，2-FA、4-FA、2，4-DFA和2，3，4-TFA降解过程的酶主要为邻苯二酚2，3-双加氧酶(C2，3-DO)，其值分别为(80.99±0.07)、(84.66±0.39)、(73.79±8.62)和(18.69±1.37)(mgproteinmin)-1;3-FA降解过程的酶则主要为邻苯二酚1，2-双加氧酶(C1，2-DO)，为(13.83±0.44)(mgproteinmin)-1。另外，通过同类化合物降解实验得出，5种氟苯胺驯化污泥均具有一定的降解能力，当苯胺与氟苯胺共存时，氟苯胺的降解受到了一定的抑制，可见，氟苯胺所诱导的酶具有“多样性”特征。
　　采用PCR-DGGE技术对5种氟苯胺转化降解体系中微生物菌群结构分析得出，5种氟苯胺驯化诱导的特异性条带具有差异性，且多样性随着氟取代基的增加而减少。对特异性条带克隆测序结果对比分析发现，2-FA转化降解可能与Novosphingobium sp.、Bradyrhizobium sp.、Aquaspirillum sp.、Aminobacter sp.、Ochrobactrum sp.和Labrys sp.菌属有关;3-FA转化降解可能与Variovorax sp.、Aquaspirillum sp.、Bradyrhizobium sp.和Lachnobacterium sp.菌属有关;4-FA转化降解可能与Brevundimonas sp.和Rhodanobacter sp.菌属有关;2，4-DFA转化降解可能与Thauera sp.和Acidovorax caeni菌属有关;2，3，4-TFA转化降解可能与Williamsiaserinedens和Ralstonia sp.菌属有关。
　　(3)以升流式厌氧反应器(UASB)-移动床生物膜反应器(MBBR)联合工艺为平台，以2，4-DFNB为模式污染物，研究了联合工艺对2，4-DFNB的降解效能及其对系统稳定性的影响。基于系统稳定性得出，当系统CODcr容积负荷为5.40kgCODcrm-3d-1、HRT为20h时，2，4-DFNB容积负荷可高达0.54kgFNBm-3d-1。
　　随着2，4-DFNB容积负荷逐步提高，系统的稳定性受到了破坏。当2，4-DFNB容积负荷为0.84kgFNBm-3d-1时，系统出水的CODcr由(100.92±14.36)mgL-1增至(418.65±43.88)mgL-1，2，4-DFA浓度也由(12.69±1.74)mgL-1增至(163.16±13.70)mgL-1，而硝化作用则完全受到了抑制。究其原因发现，UASB失稳是因反应器中偏低的pH值与较高2，4-DFNB浓度的复合抑制效应，而MBBR失稳则是因厌氧出水中2，4-DFNB及其中间转化产物的抑制作用。采用高通量测序技术对UASB反应器失稳前后体系中微生物菌群结构进行分析发现，失稳过程中，Desulfovibrio菌属、Smithella菌属、Methanosaeta菌属、Bacteroidetes门和Chloroflexi门的微生物所占丰度均有所下降，这些菌群可能与UASB反应器失稳有关。
　　(4)采用稀释平板分离法从驯化污泥中进行了脱氟功能菌的筛选，结果从3-FA和4-FA驯化污泥中分别获得一菌株(JF-3和DF-3)。经形态学观察和16SrDNA序列比对发现，菌株JF-3归属Rhizobium菌属，与Rhizobium sp.最为接近，而菌株DF-3归属Ralstonia菌属，与Ralstonia pickettii最为接近。降解动力学实验结果得出，菌株JF-3和DF-3都具有脱氟功能，其最大比降解速率qmax分别为67.66mg(gdrycellmin)-1和106.20 mg(gdrycellmin)-1。
　　根据GC/MS检测结果和双加氧酶活提出3-FA和4-FA降解历程，依次生成3-氨基苯酚(4-氨基苯酚)、间苯二酚（对苯二酚）、偏苯三酚、4-氧代-2-己烯二酸、3-氧代己二酸和丁二酸。
　　研究结果初步明晰了氟硝基苯化合物在A/O序列环境下的转化降解历程和机制，更为含此类化合物废水的污染控制提供了理论依据和技术支撑。

目录

声明

致谢

文中缩略说明

摘要

1 绪论

1．1 有机氟化物的分类及应用

1．2 有机氟化物的污染现状及其危害

1．2．1 ODS及替代品

1．2．2 多氟及全氟化合物

1．2．3 氟代农药

1．2．4 氟代医药

1．3 含硝基芳烃化合物生物转化降解机制研究

1．3．1 好氧生物转化降解机制

1．3．2 厌氧生物转化降解机制

1．3．3 含硝基芳烃化合物降解功能菌及其遗传学

1．4 含氟芳烃化合物生物转化降解机制研究

1．4．1 好氧生物转化降解机制

1．4．2 厌氧生物转化降解机制

1．4．3 氟代芳烃降解功能菌及其遗传学

1．5 含氟含硝基芳烃化合物生物降解影响

1．5．1 污染物化学结构

1．5．2 共存基质

1．6 含氟含硝基芳烃化合物废水的生物处理技术

1．6．1 含有机氟化物废水的生物处理技术

1．6．2 含硝基芳烃化合物废水的生物处理技术

1．7 现有研究存在的不足及深入研究探讨

1．8 研究目的、意义和内容

1．8．1 研究目的及意义

1．8．2 研究内容

1．8．3 技术路线

2 厌氧还原脱氟特性及其微生物群落结构分析

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验方法

2．2．3 测定项目及分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 氟代硝基苯对厌氧消化的抑制效应

2．3．2 氟代硝基苯厌氧生物转化降解特性

2．3．3 氟代硝基苯厌氧降解动力学

2．3．4 微生物种群结构分析

2．4 小结

3 好氧氧化脱氟特性及其微生物群落结构分析

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 氟苯胺生物降解性能

3．2．2 氟苯胺降解动力学

3．2．3 氟苯胺驯化污泥降解同类化合物特性

3．2．4 共存基质对氟苯胺降解特性的影响

3．2．5 测定项目及分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 氟苯胺好氧生物降解性能

3．3．2 氟苯胺降解途径初探

3．3．3 氟苯胺降解动力学

3．3．4 氟苯胺驯化污泥降解同类化合物特性

3．3．5 共存基质对氟苯胺降解的影响

3．3．6 微生物群落结构分析

3．3．7 氟苯胺驯化降解与微生物群落结构的关系

3．4 小结

4 A-O工艺降解氟代硝基苯效能及其对系统稳定性的影响分析

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 UASB-MBBR联合工艺的启动与运行

4．2．2 2，4-DFNB负荷对UASB-MBBR系统稳定性影响

4．2．3 UASB反应器中厌氧颗粒污泥转化降解2，4-DFNB特性

4．2．4 MBBR反应器中活性污泥和生物膜转化降解2，4-DFA特性

4．2．5 测定项目及分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 UASB-MBBR联合工艺启动

4．3．2 2，4-DFNB负荷对UASB-MBBR联合工艺运行性能的影响

4．3．3 UASB反应器失稳机制

4．3．4 MBBR反应器失稳机制

4．4 小结

5 脱氟功能降解菌的筛选鉴定及降解特性

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验方法

5．2．3 测定项目及分析方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 菌株的生理生化及形态观察

5．3．2 菌株的16S rDNA序列分析

5．3．3 氟苯胺初始浓度对菌株JF-3和DF-3生长及降解的影响

5．3．4 菌株JF-3和DF-3的降解动力学及生长动力学

5．3．5 3-FA和4-FA降解过程中菌株JF-3和DF-3的细胞产率

5．3．6 菌株JF-3和DF-3降解其它芳烃化合物的特性

5．3．7 3-FA和4-FA降解途径及机制

5．4 小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 不足与展望

参考文献

作者简历