表面活性剂强化电气石类芬顿联合微生物对多溴联苯醚污染土壤修复方法

摘要

本发明涉及一种表面活性剂强化电气石类芬顿联合微生物对多溴联苯醚污染土壤修复方法，首次应用表面活性剂强化电气石类芬顿联合微生物对电子垃圾场周边PBDEs污染实际土壤进行修复，该新型复合修复方法可将PBDEs总修复效率高达75％，个体BDE修复效率最高达86％。同时，可促进土壤微生物繁殖，较电气石类芬顿辅助微生物对PBDEs降解提高30％。因此，新型表面活性剂强化电气石类芬顿联合微生物新型复合修复方法能有效修复实际土壤中的PBDEs，从而降低农作物吸收风险，保护人类健康，具有重要的科研价值和应用意义。

说明书

技术领域

本发明属于土壤环境持久性有机污染物生物处理技术领域，涉及一种材料电气石发生类芬顿反应，尤其是表面活性剂强化电气石类芬顿联合微生物对多溴联苯醚污染土壤修复方法。

背景技术

19世纪70年代末，在环境样品中检测出一类新型污染物—多溴联苯醚(PBDEs)，在电器制造，如电视机、计算机线路板和外壳、建筑材料、泡沫、室内装潢、家具、汽车内层、纺织和化工等行业中被大量生产用作阻燃剂。PBDEs由于其在化学结构上与多氯联苯(PCBs)和DDT相似，具有显著的持久性和生物累积性，但它们的污染问题一直到19世纪90年代末才被环境学界高度重视，成为环境学科领域关注的热点问题。

通过对天津市周边一些郊区土壤分析测定表明，天津市周边一些郊区土壤已遭受严重PBDE污染，而且有连年加重的趋势。PBDEs危害极大，一旦进入土壤可通过食物链发生传递和转移，不仅直接影响农产品的产量和品质，而且污染物可通过食物链危及生态安全和人类健康。

然而，目前对PBDEs研究仅集中在环境及生物样品的时空分布、人体暴露途径、生物富集及它们在水体中的催化降解和微生物降解。微生物对溶液中多溴联苯醚(PBDEs)降解研究表明，微生物不能将PBDEs和它们的代谢产物彻底降解；其次，多溴联苯醚(PBDEs)是一类新型的疏水性有机污染物，它的疏水性应该会使其易吸附到土壤颗粒中。由于土壤系统是一个非常复杂的高度不均一体系，PBDEs进入土壤系统中，大部分PBDEs被土壤的有机质吸附。由于与土壤颗粒的不同微观结构相互作用，PBDEs在土壤中的结合状态会发生高度分化。表现为一部分比较容易解吸，导致污染物在生物修复的开始阶段以快速速率被降解；一部分比较难解吸，甚至一部分形成不可逆残留，被锁定在土壤中，这些均导致生物可降解性降低，使得污染物修复进行到某一阶段，污染物不再下降，形成持久性残留，微生物修复技术仍存在着很大的局限性。

因此，急需开发一种修复效率高、适用范围广的物理化学方法，辅助微生物技术进行污染土壤的修复，以便解决上述微生物修复技术的缺陷，不仅符合国家发展需求，且具有实际的需求和科学意义。

在现有的众多的非生物修复方法中，原位化学氧化(In－situ ChemicalOxidation,ISCO)技术，由于对污染物分解能力强，可在原位进行，在国际上引起广泛关注。在ISCO技术中，由过氧化氢和铁催化剂组成的Fenton氧化法在ISCO中具有费用低的优点，尤其受到关注。在废水处理的工艺中就有与微生物降解串联彻底矿化有机物的研究应用；在土壤中有机污染修复中也初步体现出来，已经成为一种被广泛使用的持久性有机污染物污染的土壤修复技术。类Fenton氧化预处理后，进一步串联微生物降解修复技术，是解决持久性有机物污染物污染土壤修复的新型技术，然而，这一复合技术没有广泛研究，寻找具有土壤应用功能且能发生类芬顿反应的材料是该技术的重点。

生态功能材料—电气石(Tourmaline)既具备改良土壤特性，又具备自动调节溶液pH值至中性的特点，这些特性与电气石组成和结构有关。电气石是一种典型的高温气成矿物，其化学成分十分复杂，化学通式为XYZ Si₆O₁₈(BO₃)₃W₄，式中，X＝Na⁺、Ca²⁺、K⁺，或者空位，Y＝Mg²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Al³⁺、Fe³⁺、Mn³⁺、Mn³⁺、Cr³⁺、Ti⁴⁺，Li⁺，Z＝Al³⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Mg²⁺，W＝OH^-、F^-、O^2-，X，Y，Z三位置的原子和离子种类不同导致电气石成分不同，根据电气石Y占据阳离子种类分类为：铁电气石、镁电气石、锂电气石等。电气石能够自动地、永久地释放负离子，负离子具有较强的氧化性，可以将碳氢键断裂并且能自动将液体pH值调节至中性。研究还表明，电气石可持续发生直流静电，释放矿物质和微量元素。有限的相关研究表明，电气石对一些微生物繁殖起促进作用，而电气石类芬顿联合微生物治理土壤环境污染的应用却为空白。

表面活性剂是一种既含亲水基团又含疏水基团的物质。它对土壤中的疏水性有机物具有增溶作用，提高生物有效性，因此可能会促进PBDEs从土壤颗粒中解吸。另一方面，表面活性剂对污染物的生物有效性也可能产生负面影响。比如对微生物有毒害作用，抑制微生物在有机物表面的行为等。所以选择合适的表面活性剂在促进有机物的解吸过程中十分重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，优化技术参数，建立一种新型高效表面活性剂强化电气石类芬顿联合微生物对有机污染物土壤修复方法，将材料电气石发生类芬顿反应与微生物联合在实际土壤污染修复中得到有效应用。

本发明解决上述技术问题是采取以下技术方法实现的：

一种表面活性剂强化电气石类芬顿联合微生物对多溴联苯醚污染土壤修复方法，方法步骤如下：

(1)土壤前处理及土壤多溴联苯醚(PBDEs)测定：取0-20cm PBDEs污染表层土，自然风干，用1-3mm的筛子筛除杂质均一化，贮存在阴凉干燥处备用；

所述土壤pH为7.2，呈弱碱性，土壤中测定出7种PBDEs，其总含量为18.70±0.08ng/g，其中BDE-47、BDE-99是主要的同类物，两者含量和为11.05±0.09ng/g，其次是BDE-153、BDE-183，浓度为4.76±0.35ng/g，这四种同类物的含量大约占PBDEs总含量的85％；

(2)多溴联苯醚(PBDEs)电气石类芬顿修复体系的建立：取500g步骤(1)的污染土壤，置于1000mL的三角瓶中，依次加入土壤干重2-5％的电气石，5-15wt％过氧化氢100mL；

(3)多溴联苯醚(PBDEs)表面活性剂强化电气石类芬顿联合微生物修复体系的建立：在(2)体系中，分别加入土壤湿重0.5-1.5％白腐真菌(P.chrysosporium)及2—10g/kg的表面活性剂；

(4)培养：加入无菌蒸馏水，使步骤(3)中的土壤含水量为55-65％，隔一天搅拌一次，在25℃恒温箱中培养,分别在0，10，20，30，50，70天取样待测。

而且，所述的表面活性剂为吐温-80或曲拉通-100中的一种。

而且，所述的电气石为1000目工业级铁电气石，在碱性条件下能发生类芬顿氧化PBDEs。

而且，步骤(1)中的土壤为电子垃圾场附近的实际PBDEs污染土壤，而非实验室染毒模拟PBDE污染土壤。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明通过实际土壤PBDEs中含量分析，以提高土壤污染修复效率为目的，在电气石类芬顿可氧化PBDEs降解基础上，联合微生物提高PBDEs修复效率，进而利用不同类型表面活性剂强化电气石类芬顿联合微生物修复技术，建立高效新型修复复合技术。

2.本发明首先验证电气石类芬顿能促进白腐真菌(P.chrysosporium)去除土壤中的PBDEs。2％电气石和5％电气石类芬顿联合微生物、2％TCFR和5％TCFR组中PBDEs降解率分别比对照组中PBDEs降解率分别高33.0％、32.9％、42.9％和41.5％，电气石类芬顿反应可以显著促进土壤中PBDEs总量的降解。低溴代联苯醚更容易被电气石类芬顿催化氧化降解，而电气石类芬顿联合微生物对高溴代联苯醚降解效果更好。有效说明电气石类芬顿氧化反应可以有效促进BDE单体降解，在实际应用中需要根据污染土壤中BDE单体种类含量不同，对操作细节进行调整。本研究第一次证明了电气石类芬顿催化氧化及其联合微生物能提高土壤中PBDEs的去除率，具有较高的研究价值。

3、本发明最终通过不同类型表面活性剂Tween-80和TX-100强化电气石类芬顿辅助微生物对PBDEs修复，建立新型高效土壤污染修复复合技术。该发明实际污染土壤PBDEs修复效率在70-75％，较电气石类芬顿联合微生物提高35％左右；且表面活性剂能强化电气石类芬顿联合微生物提高PBDEs同系物，修复效率因BDE个体不同提高程度不同，其中BDE-99，-100，-153，-154去除率分别提高至86.3±0.8，85.3±1.4，83.6±5.0，77.0±2.5％，较未添加表面活性剂提高50％左右。因此，本次研究表明，两种表面活性剂都提高了电气石类芬顿联合微生物对土壤PBDEs去除，且种类和用量不同，强化去除效果不同整体表现高剂量TW-80效果明显，而低剂量TX-100效果更佳，且TX-100效果略优越于TW-80。。因此，Tween-80和TX-100都提高了电气石类芬顿辅助微生物对PBDEs的生物可利用性，表面活性剂强化电气石类芬顿辅助微生物降解PBDEs是有效的实际土壤污染修复技术，具有极高的可推广应用价值。

4、本发明首次应用表面活性剂强化电气石类芬顿联合微生物对电子垃圾场周边PBDEs污染实际土壤进行修复。将价格低廉的天然矿物材料电气石添加到污染土壤中，电气石中铁与双氧水发生类芬顿催化氧化降解PBDEs基础上，促进微生物繁殖，因为电气石添加到土壤会释放微量元素，双氧水汇释放氧均为微生物提供了繁殖条件，从而提高微生物对PBDEs的去除；基于实际污染土壤PBDEs难以被微生物利用，在原有类分度联合微生物修复技术基础上加入表面活性剂，有效提高PBDEs从土壤中解吸率，为微生物降解或类芬顿催化降解提供了条件。本发明提供的方法能够有效修复壤中的PBDEs，从而降低农作物吸收风险，保护人类健康，具有重要的科研价值和应用意义。

附图说明

图1不同种类和剂量表面活性剂对电气石类芬顿联合微生物降解PBDEs总降解率的影响；

图2不同种类和剂量表面活性剂对电气石类芬顿联合微生物降解单一PBDE同类物降解率的影响；

图3加入不同表面活性剂后土壤中麦角固醇含量变化。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

表面活性剂强化电气石类芬顿联合微生物对多溴联苯醚污染土壤修复方法实验操作如下：

(一)基本材料：

电气石(tourmaline)：1000目工业级试剂，购买于河北省灵寿县保健石加工厂，产地为新疆。

(二)污染土壤制备：

土壤采于天津市静海县电线拆解厂附近表层土(0-20cm)，自然风干，过2mm筛去除杂质均一化，贮存在阴凉干燥处备用。pH为7.2，呈弱碱性。土壤中测定出7种PBDEs，其总含量为18.70±0.08ng/g，其中BDE-47，-99是主要的同类物，两者含量和为11.05±0.09ng/g，其次是BDE-153，-183，浓度为4.76±0.35ng/g。这四种同类物的含量大约占PBDEs总含量的85％。尽管五溴和八溴联苯醚已经被禁止生产和使用，但仍有检出，说明PBDEs在环境中能迁移积累和转化。

(三)PBDEs修复体系的建立：

(1)电气石类芬顿辅助微生物对土壤中PBDEs降解实验

取500g土置于1000mL的三角瓶中，10g电气石，100mL 10％过氧化氢(H₂O₂)以及50mL菌悬液(0.1g/mL湿重)依次加入，作为电气石类芬顿联合微生物组(2％TCFR+P)(5％TCFR+P组中加入25g电气石，其他成分相同)。此外，还设置了只加P.chrysosporium(P)，只加2％电气石(T2％)，只加5％电气石(T5％)，加P.chrysosporium和2％电气石以及P.chrysosporium和5％电气石的电气石联合微生物组(P+T2％和P+T5％)，只加过氧化氢(H₂O₂)，加入过氧化氢和P.chrysosporium(H₂O₂+P)，2％电气石和过氧化氢(2％TCFR)，加5％电气石和过氧化氢(5％TCFR)的实验组来说明微生物、电气石、过氧化氢、电气石催化类芬顿反应各自的作用，控制组只有土壤(CK)。加入无菌蒸馏水用称重法使土壤含水量60％左右，隔一天搅拌一次，每组做三个平行，在25℃恒温箱中培养，分别在0，10，20，30，50，70天取样待测。

(2)表面活性剂强化电气石类芬顿联合P.chrysosporium对PBDEs降解实验

称取500g土壤置于1000mL的三角瓶中，10g(T2％)电气石，100mL 10％过氧化氢(H)以及50mL菌悬液(0.1g/mL湿重)依次加入，分别添加2g/kg土、10g/kg土的吐温80(TW80-1，TW80-2)和曲拉通100(TX100-1，TX100-2)，探讨其对PBDEs降解的影响。空白组只加500g土壤(CK)。各组中加入无菌蒸馏水使土壤含水量为60％左右，隔一天搅拌一次，每组做三个平行，在25℃恒温箱中培养，分别在0，10，20，30，50，70天取样待测。

考察不同类型、不同剂量表面活性剂对土壤中PBDEs总降解率的影响；研究比较不同类型、不同剂量表面活性剂对土壤中PBDE同类物降解率的影响；阐述表面活性剂对土壤真菌生物量的影响，进而评价表面活性剂在电气石类芬顿联合微生物对土壤中PBDEs的降解中的促进作用。

(四)实验结果

1、电气石类芬顿辅助微生物反应降解PBDEs总降解率

土壤中添加P.chrysosporium对PBDEs去除的效果随时间的变化关系见表1，培养10天后总去除率达15.3±2.5％，然后降解变得缓慢，70天后去除率达到22.6±3.1％，而空白对照组只减少了10.1±0.1％。因此加入P.chrysosporium的土壤中PBDEs的去除效果比空白组高12％，因此仍需寻求高效降解技术来提高微生物修复实际污染土壤的效率。只加电气石组：70天后，T2％对PBDEs总去除率为28.7±2.8％，T5％对PBDEs总去除率为27.7±1.7％，因此2％电气石和5％电气石对PBDEs去除的影响差别不大，且2％电气石和5％电气石对PBDEs去除无明显差异(p>0.05)；电气石联合微生物组：P+T2％组降解率为31.1±1.2％，P+T5％为32.2±3.0％，因此电气石的用量对微生物降解PBDEs效果影响较小，P+T2％和P+T5％组间无显著性差异(p>0.05)，P+T比T组略有提高。

70天后2％电气石和5％电气石类芬顿联合微生物对PBDEs的去除率(表1)两者之间(2％TCFR+P-43.1±0.4％；5％TCFR+P-43.0±1.1％)没有显著性差异(p>0.05)，从修复成本考虑，用量为2％电气石更经济合理。

表1电气石类芬顿辅助微生物反应降解PBDEs总降解率的影响

此外，电气石类芬顿联合微生物组比电气石联合微生物组PBDEs的降解率高10％多，比只加P.chrysosporium(22.6±3.1％)组高20％。2％TCFR和5％TCFR组中PBDEs的降解率分别是53.0±0.2％和51.6±2.4％，比TCFR+P处理组高10％左右。原因可能是P.chrysosporium在修复过程中产生的菌丝覆盖在土壤或电气石表面，导致电气石催化类芬顿反应产生的·OH不能有效的与吸附在土壤或SOM中的PBDEs作用，或者阻止了电气石中的Fe³⁺/Fe²⁺与加入的H₂O₂发生反应，进一步减少了·OH的数量。

在本研究中电气石联合微生物组PBDEs去除率比空白组(10.1±0.1％)高3倍多，比只添加P.chrysosporium(22.6±3.1％)高大约10％。因此，电气石能促进P.chrysosporium去除土壤中的PBDEs。2％电气石和5％电气石类芬顿联合微生物、2％TCFR和5％TCFR组中PBDEs降解率分别比对照组中PBDEs降解率分别高33.0％、32.9％、42.9％和41.5％，电气石类芬顿反应可以显著促进土壤中PBDEs总量的降解。

2、电气石联合微生物反应降解PBDEs个体降解率

表2显示了土壤中加入P.chrysosporium后PBDEs单一同类物的降解效果。对于BDE-28，-47，-99，-100，降解率分别为11.2±1.9％，5.3±0.3％，17.3±0.5％，16.3±0.8％。对于高溴代的BDE-153，-154，-183，降解率分别为21.9±3.8％，25.7±2.3％，63.74±1.21％，而空白组中为15.3±1.3％，11.2±0.9％，60.14±3.07％。因此，微生物对不同BDE单体降解效果不同。加入电气石联合P.chrysosporium的土壤中BDE-153，-154的去除率比BDE-28，-47，-99，-100高。这种趋势与只加P.chrysosporium的土壤中去除效果相同，也说明了电气石有促进微生物降解的作用。

对于低溴代联苯醚如BDE-28，-47，-99，-100，2％TCFR+P的处理组中降解率分别为21.2±1.1％，21.5±2.3％，35.4±2.0％，44.9±5.3％，对比而言，2％TCFR组中分别为55.5±6.0％，66.5±3.3％，36.5±3.6％，72.6±3.6％。对于高溴代联苯醚如BDE-153，-154在2％TCFR+P处理组中的降解率分别是46.5±6.1％和67.3±1.8％，而在2％TCFR处理组中是47.3±3.1％，38.9±2.2％。

表2电气石类芬顿辅助微生物反应降解PBDEs个体降解率的影响

因此，低溴代联苯醚更容易被电气石类芬顿催化氧化降解，而电气石类芬顿联合微生物对高溴代联苯醚降解效果更好。这说明电气石类芬顿反应可以有效促进BDE单体降解，在实际应用中需要根据污染土壤中BDE单体种类含量不同，对操作细节进行调整。本研究第一次证明了电气石类芬顿催化氧化及其联合微生物能提高土壤中PBDEs的去除率。

3、不同剂量吐温-80和曲拉通100对电气石类芬顿联合微生物对PBDEs总降解率的影响

在25℃恒温箱中培养，分别在0，10，20，30，50，70天取样测定，实验结果显示(见图1)，在第70天时，当TW-80添加量分别为1g/kg(TW80-1)和5g/kg(TW80-2)时，它将电气石类芬顿联合微生物对PBDEs总降解率分别提高至66.6±1.8％和70.9±0.2％；当TX-100添加量分别为1g/kg(TX100-1)和5g/kg(TX100-2)时，电气石类芬顿联合微生物对PBDEs总降解率分别提高至75.7±1.8％和71.4±1.5％。对比之下，电气石类芬顿联合微生物对PBDEs的最高去除效率为43.1±0.4％。Tween-80和TX-100分别将电气石类芬顿辅助微生物对PBDEs降解最高能提高27和33％。因此，Tween-80和TX-100都提高了电气石类芬顿辅助微生物对PBDEs的生物可利用性，表面活性剂强化电气石类芬顿辅助微生物降解PBDEs是有效的降解技术，具有极高的可推广应用价值。

4、不同含量表面活性剂对电气石类芬顿联合微生物对PBDE同类物降解率的影响

与3中相同的培养方式，培养70天后取样测定，结果见图2。针对单体BDE，TW-80最佳剂量为5g/kg土，它将电气石类芬顿联合P.chrysosporium对BDE-28，-47，-99，-100去除率分别提高至42.9±1.6，84.5±2.2，77.6±2.8，57.5±1.3％，较未添加表面活性剂前分别提高22，63，42和13％；而对BDE-153，-154和-183去除率分别为82.8±3.1，73.1±2.3，和89.1±3.9％，较未添加表面活性剂前分别提高36，6和11％。TX-100最佳剂量为1g/kg土，它将电气石类芬顿联合P.chrysosporium对BDE-28，-47，-99，-100去除率分别提高至41.2±0.5，65.2±1.8，86.3±0.8，85.3±1.4％，较未添加表面活性剂前分别提高20，43，51，40％；而对BDE-153，-154和-183去除率分别为83.6±5.0，77.0±2.5和89.5±0.4％，较未添加表面活性剂前分别提高37和10和11％。因此，表面活性剂能强化电气石类芬顿联合微生物对PBDEs同系物中不同化合物提高降解程度不同，整体表现TW-80是在高剂量效果明显，而TX-100在低剂量时效果更佳，且TX-100效果略优越于TW-80。因此，本次研究表明，两种表面活性剂都提高了电气石类芬顿联合微生物对土壤PBDEs去除，且种类和用量不同，强化去除效果不同。

5、添加表面活性剂对土壤真菌生物量的影响

由图3测定结果可知，加入表面活性剂后各组中麦角固醇含量最大值的高低顺序为TW80-2组>TX100-2组>TW80-1组>TX100-1组>空白组。真菌含量最大值在第50天取得，TW80-2和TW80-1组中分别为3.22±0.28、2.83±0.27μg/g土壤。加入不同剂量的TX-100后，开始阶段TX100-2组比TX100-1组中真菌含量略低，之后TX100-2组中的真菌含量更高，最大值为2.95±0.17μg/g土壤，TX100-1组中麦角固醇含量最大值为2.83±0.06μg/g土壤，70天后TX100-2和TX100-1中的麦角固醇含量分别为2.23±0.25、2.18±0.0μg/g土壤。

综上，即本实验证实表面活性剂能够很好的通过强化电气石类芬顿辅助PBDEs微生物降解对PBDEs污染场地进行土壤修复，修复过程表面活性剂能够不同程度地提高微生物数量。