腐殖质微生物还原的影响因素及其去除污染物的研究

摘要

腐殖质是一种非均质的高分子有机物，普遍存在于陆地和水体环境中。人们发现某些微生物能够以腐殖质及其模式物蒽醌-2,6-双磺酸盐(AQDS)为唯一电子受体氧化多种有机物或氢支持菌体的生长，并提出腐殖质呼吸概念。有机物含量丰富的沉积物、污染的土壤以及废水处理厂的活性污泥中都发现了许多具有腐殖质还原能力的细菌。此后大量研究也表明，通过腐殖质微生物还原，即腐殖质/腐殖质还原菌协同作用，腐殖质及其模式物不仅可以作为终端电子受体促进微生物厌氧氧化有机酸盐、酚类等物质，而且可以作为电子穿梭物质促进金属化合物、偶氮染料、硝基化合物等的生物还原转化。因此，腐殖质微生物还原在污染物的生物降解和污染环境的生物修复中具有重要意义。 本文通过缩短曝氧气时间间隔改进驯化方法获得富含腐殖质还原菌的污泥，与课题组以前驯化方法相比驯化时间大大缩短，只需要驯化21天即可使1mMAQDS的80％在8h内被还原菌还原。在此基础上，以AQDS作为腐殖质模式物，利用驯化污泥考察了腐殖质微生物还原的影响因素；考察了AQDS作为电子穿梭物质时驯化污泥还原去除Cr(Ⅵ)的影响因素；同时还对AQDS作为电子穿梭物质时污泥降解对硝基酚(PNP)进行了研究，探讨了降解的机理。这些研究为通过腐殖质微生物还原修复污染环境提供了基础依据。 对腐殖质微生物还原的影响因素的研究表明：驯化西湖底泥还原腐殖质的温度范围为15～45℃，最适温度为30～37℃；还原腐殖质的pH范围为5～9，最适为7，并且微生物能调节pH趋向中性；适当提高微生物量能促进腐殖质的还原；溶解氧、光照和外加磁场的存在对腐殖质还原均有一定的抑制作用；不同氮源对腐殖质还原的效果好坏依次为NH4C1>CO(NH2)2>NaNO3>NaNO2；金属离子的影响表明，Mg(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)促进了腐殖质的还原，Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)则不同程度抑制了腐殖质的还原，Fe(Ⅲ)作为AQDS的竞争电子受体或与还原态AQDS反应而影响腐殖质的还原，Hg(Ⅱ)完全抑制腐殖质的还原。 对驯化后富含腐殖质还原菌污泥还原去除Cr(Ⅵ)的影响因素研究表明：AQDS的加入有效的促进了还原菌将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，而Cr(Ⅵ)的存在也导致了AH2QDS积累的延迟；AQDS浓度、外加碳源浓度和初始Cr(Ⅵ)浓度对腐殖质还原菌还原Cr(Ⅵ)有着较大的影响，适当提高外加碳源和AQDS浓度对Cr(Ⅵ)的还原有促进作用，随着初始Cr(Ⅵ)浓度的提高其完全去除时间也延长；NO3-和SO42-对Cr(Ⅵ)还原有抑制影响；Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)和Mg(Ⅱ)对Cr(Ⅵ)还原有促进作用，而Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)则抑制了Cr(Ⅵ)还原;连续还原Cr(Ⅵ)的实验进一步表明，AH2QDS可以迅速与Cr(Ⅵ)发生化学反应，分别转化为AQDS和Cr(Ⅲ)；在碳源充足的条件下，AQDS可循环利用，实现长期连续还原Cr(Ⅵ)，这对于实际应用具有较大的指导意义。通过污泥对PNP的降解实验表明：在有外加碳源作为电子供体时，未经驯化的西湖底泥、驯化西湖底泥或驯化四堡污泥均能降解酚类物质PNP，而加入腐殖质模式物AQDS对PNP的微生物降解有促进作用；在电子供体充足时微生物能长期连续降解PNP；随着PNP浓度的提高，由于毒性的影响其降解速率降低：以乙酸钠作为电子供体时的降解效果要好于葡萄糖作为电子供体的培养；液相色谱分析结果表明，PNP的降解产物主要为对氨基酚PAP，其降解机理是：微生物氧化碳源将电子传递给AQDS，AQDS作为电子穿梭体将电子传递给PNP的-NO2将其还原为-NH2；通过微生物降解PNP的可能途径有两条：(a)腐殖质还原菌氧化碳源直接传递电子给PNP将其还原降解；(b)通过AQDS的穿梭作用微生物间接将电子传递给PNP将其还原降解。研究结果可以作为微生物修复对硝基酚污染的理论依据。

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

第二章文献综述

2.1腐殖质概述

2.1.1腐殖质的来源、性质

2.1.2腐殖质的结构、模型和模式物

2.1.3腐殖质的功能

2.2腐殖质微生物还原、腐殖质还原菌及归属类型

2.2.1腐殖质微生物还原

2.2.2腐殖质还原菌及其归属类型

2.3腐殖质在微生物去除污染物中的作用

2.3.1作为终端电子受体促进微生物氧化降解有机物

2.3.2作为电子穿梭物质促进微生物还原降解有机物

2.3.3作为电子穿梭物质促进微生物还原金属

2.3.4作为电子供体用于微生物厌氧呼吸

2.4腐殖质作为电子穿梭物质在微生物燃料电池中的应用

2.5腐殖质微生物还原与其它微生物还原类型的比较

2.6本论文的研究内容和设想

第三章污泥驯化和腐殖质微生物还原的影响因素研究

3.1概述

3.2材料和实验方法

3.2.1实验材料与设备

3.2.2实验方法

3.2.3分析测定方法

3.3实验结果与讨论

3.3.1缩短曝气时间的底泥驯化效果

3.3.2温度对腐殖质微生物还原的影响

3.3.3 pH对腐殖质微生物还原的影响

3.3.4微生物量对腐殖质微生物还原的影响

3.3.5溶解氧对腐殖质微生物还原的影响

3.3.6光照对腐殖质微生物还原的影响

3.3.7磁场对腐殖质微生物还原的影响

3.3.8氮源对腐殖质微生物还原的影响

3.3.9金属离子对腐殖质微生物还原的影响

3.4本章小结

第四章富含腐殖质还原菌污泥还原Cr(Ⅵ)的研究

4.1概述

4.2材料和实验方法

4.2.1实验材料与设备

4.2.2实验方法

4.2.3分析测定方法

4.3实验结果与讨论

4.3.1 AQDS浓度的影响

4.3.2 Cr(Ⅵ)浓度的影响

4.3.3乙酸盐浓度的影响

4.3.4 NO3ˉ和SO42-的影响

4.3.5重金属离子的影响

4.3.6连续还原Cr(Ⅵ)

4.3.7 Cr(Ⅵ)还原机理讨论

4.4本章小结

第五章富含腐殖质还原菌污泥降解PNP的研究

5.1概述

5.2材料和实验方法

5.2.1实验材料与设备

5.2.2实验方法

5.2.3分析测定方法

5.3实验结果与讨论

5.3.1未驯化西湖底泥降解PNP

5.3.2驯化西湖底泥降解PNP

5.3.3驯化四堡污泥降解PNP降解

5.3.4还原态AQDS作为电子供体化学还原PNP

5.3.5 PNP降解机理的探讨

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

附录：攻读硕士期间发表和撰写的主要学术论文

致谢