废水中壬基酚聚氧乙烯醚生物降解行为研究

论文摘要

烷基酚聚氧乙烯醚（Alkylphenol polyethoxylates,APEOs）是全球第二大商用非离子表面活性剂,其中壬基酚聚氧乙烯醚（Nonylphenol polyeothoxylates,NPEOs）占该类产品总量的80%。近年来的研究表明,NPEOs的中间降解产物具有弱雌激素活性。因此,开展NPEOs生物降解的研究具有重要意义。在国家自然科学基金“烷基酚聚氧乙烯醚生物降解过程中的环境雌激素效应”（批准号:50478019）资助下,本文在对比NPEOs好氧与厌氧降解优缺点的基础上进一步开展了NPEOs在硫酸盐还原与Fe（III）还原等特殊厌氧环境及反硝化缺氧环境下的生物降解行为的研究,并进一步开展了几种因素对NPEOs在缺氧或厌氧条件下生物降解过程的影响的研究,最后又以前期研究结果为依据有针对性地对NPEOs高效降解菌株进行了大量的筛选工作。研究中既综合应用高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-质谱（LC-MS）及气相色谱-质谱（GC-MS）等多种先进的化学分析检测技术对不同降解环境中NPEOs的降解效果及其雌激素中间产物浓度变化进行了检测,同时又应用生化与分子生物技术深入揭示了高效降解菌降解NPEOs类污染物的机理。所取得的主要研究成果如下:（1） NPEOs好氧与厌氧生物降解对比实验表明,NPEOs在好氧与厌氧环境下均可被降解。好氧处理对该类污染物具有更高的降解速率。厌氧处理最大降解速率高达28.37μM·d-1,而好氧处理最大降解速率则高达35.15μM·d-1。在好氧与厌氧条件下,长链NPEOs均通过一条不依赖于氧气的非末端氧化途径实现对乙氧基的脱除。但氧气对短链NPEOs的生物降解途径影响较大。短链NPEOs在通过非末端氧化途径脱除乙氧基的同时还可通过末端氧化途径生成短链的壬基酚聚氧乙烯基羧酸（Nonylphenol polyethoxylcarboxylates, NPECs）。NPEOs的好氧处理与厌氧处理均会产生雌激素活性中间产物。好氧处理可有效减弱壬基酚（Nonylphenol, NP）及短链NPEOs的积累,但是却会造成危害性更大的羧酸化产物NPECs的积累。NPEOs污染物的去除需要综合发挥好氧与厌氧处理各自的优势。（2） NPEOs在反硝化缺氧工艺中的降解实验表明,NPEOs在反硝化缺氧环境中亦可被快速降解。最大降解速率高达34.00μM·d-1,远高于普通厌氧处理,但略低于好氧处理。添加反硝化抑制剂钨酸盐可以抑制NPEOs在反硝化环境中的生物降解。这表明该体系中NPEOs的降解可能与硝酸盐还原过程相偶联。NPEOs通过非氧化的乙氧基脱除途径实现初级降解。该过程伴随乙醛的产生。总NPEOs快速降解导致NP及短链NPEOs积累。降解14天当约有85%的NPEOs被降解时,NP及短链NPEOs的浓度达到最大值。在随后的降解时间里,NP及短链NPEOs也逐渐被降解。NPEOs在反硝化活性污泥工艺中降解时,雌激素中间产物的积累量以及体系的雌激素活性均远低于普通厌氧活性污泥处理。由于NPEOs在反硝化缺氧环境中降解时既不会产生羧酸化产物NPECs,同时又可保持较高的降解速率,因此反硝化工艺处理NPEOs类污染物显示出一定的优越性。有关NPEOs在反硝化工艺中降解特性的研究国内外尚未见相关报道。（3） NPEOs在硫酸盐及Fe（III）还原条件下的厌氧生物降解实验表明,NPEOs在这些特殊厌氧条件下均可被生物降解。Fe（III）还原条件下,总NPEOs的最大降解速率则为34.95μM·d-1。硫酸盐还原条件下,总NPEOs的最大降解速率则为34.85μM·d-1。与NPEOs在普通厌氧条件下的降解途径相似,乙氧基链通过一条非末端氧化的途径被逐步脱除。在此过程中不会有羧酸化产物NPECs的生成。NPEOs的降解同样会引起NP及短链NPEOs的积累,进而导致雌激素活性的增加。Fe（III）还原处理的最大雌激素活性出现在第14天而硫酸盐还原处理的最大雌激素活性则推迟至21天。与普通厌氧处理相比,硫酸盐或Fe（III）还原条件下NPEOs雌激素中间产物的厌氧降解也得到了强化。国内外鲜见NPEOs在该两种特殊厌氧环境下生物降解行为的报道。（4）温度对NPEOs的缺氧与厌氧生物降解具有较大的影响。温度的降低会导致NPEOs降解效率的快速下降,低温可能是导致NPEOs生物降解效率低的一个主要原因。反硝化系统中NPEOs生物降解的温度系数为0.011℃-1。普通厌氧条件下的温度系数为0.01℃-1,与反硝化处理的温度系数较为接近。硫酸盐还原处理的NPEOs生物降解的温度系数最小,仅为0.008℃-1。这表明,NPEOs在硫酸盐还原条件下降解时对温度变化的敏感性稍弱于其它两种处理。温度对NPEOs好氧生物降解的影响已有大量报道,但鲜见温度对NPEOs厌氧及缺氧降解的影响的报道。（5）共存有机物与典型中间降解产物均会对NPEOs厌氧及缺氧生物降解产生抑制作用。共存有机物的存在会严重抑制NPEOs的厌氧与缺氧生物降解。并且,这种抑制作用会因共存有机物种类的不同而产生差异。反硝化工艺中添加甲醇对NPEOs生物降解的抑制作用最强。在500 mg·L-1的高初始浓度下NPEOs仍不会对本身的生物降解产生抑制作用。在典型厌氧、硫酸盐还原与反硝化缺氧处理中,NPEOs初始浓度每增加10 mM,最大降解速率分别增加1.24μM·d-1、1.3μM·d-1和2.51μM·d-1。有机物对NPEOs的抑制作用在废水处理中广泛发生,但NPEOs初始浓度与典型中间降解产物对NPEOs厌氧及缺氧生物降解产生的抑制作用在多数情况下可以忽略。（6）通过大量的筛选工作获得Serratia sp. LJ-1与Bacillus sp. LY两株NPEOs高效降解菌。两株细菌在好氧条件下均能高效降解NPEOs,同时避免危害性更大的羧酸化产物NPECs的生成。菌株LY及LJ-1的NPEOs降解准一级动力学常数分别高达0.325 d-1与0.599 d-1。与菌株LY相比,菌株LJ-1降解NPEOs类污染物的能力更强。尽管已有大量NPEOs降解菌株的报道,但鲜见Serratia菌与Bacillus菌对NPEOs生物降解的报道。由于菌株LY为异养脱氮菌,该菌株在降解NPEOs的同时会进行异养脱氮。两株细菌可能通过羟基转移途径脱除NPEOs的乙氧基链。菌株LY及LJ-1还可高效降解NP。降解NP的准一级降解动力学常数分别为0.435 d-1和0.852 d-1。通过对两菌株降解NP时相关酶活性的分析,初步推测它们对NP的降解涉及苯环的开裂,苯环可能通过邻位裂解途径开裂。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 烷基酚聚氧乙烯醚概述

1.2 烷基酚聚氧乙烯醚及其降解产物的毒性

1.2.1 烷基酚聚氧乙烯醚及典型降解产物的生物毒性

1.2.2 烷基酚聚氧乙烯醚及典型降解产物的类雌激素作用

1.3 烷基酚聚氧乙烯醚及其降解产物的分析方法

1.3.1 化学分析检测法

1.3.2 生物分析检测法

1.4 烷基酚聚氧乙烯醚及其降解产物在环境中的分布

1.5 烷基酚聚氧乙烯醚类污染物的去除方法

1.5.1 生物方法

1.5.2 化学方法

1.5.3 物理化学方法

1.6 烷基酚聚氧乙烯醚类污染物的生物降解

1.6.1 降解烷基酚聚氧乙烯醚类污染物的微生物

1.6.2 烷基酚聚氧乙烯醚的生物降解途径

1.6.3 烷基酚聚氧乙烯醚的生物降解的影响因素

1.6.4 壬基酚聚氧乙烯醚典型降解中间产物壬基酚的生物降解

1.7 选题的目的、意义和技术路线

第二章壬基酚聚氧乙烯醚好氧降解与厌氧降解特性比较

2.1 材料与方法

2.1.1 试剂与药品

2.1.2 培养基与污泥种源

2.1.3 生物降解实验

2.1.4 分析检测方法

2.2 结果与讨论

2.2.1 壬基酚聚氧乙烯醚在好氧与厌氧条件下的降解

2.2.2 壬基酚聚氧乙烯醚的生物降解途径

2.2.3 壬基酚聚氧乙烯醚生物降解过程中典型雌激素中间产物的变化

2.3 小结

第三章壬基酚聚氧乙烯醚在反硝化缺氧工艺中生物降解行为的研究

3.1 材料与方法

3.1.1 试剂与药品

3.1.2 培养基与污泥种源

3.1.3 生物降解实验

3.1.4 分析检测方法

3.1.5 数据分析方法

3.2 结果与讨论

3.2.1 壬基酚聚氧乙烯醚在反硝化工艺中的降解

3.2.2 壬基酚聚氧乙烯醚在反硝化工艺中的降解途径

3.2.3 壬基酚聚氧乙烯醚降解过程中雌激素活性中间产物的浓度变化

3.3 小结

第四章壬基酚聚氧乙烯醚在硫酸盐还原与 Fe（III）还原特殊厌氧环境中生物降解行为的研究

4.1 材料与方法

4.1.1 试剂与药品

4.1.2 培养基与污泥种源

4.1.3 生物降解实验

4.1.4 分析检测方法

4.1.5 数据分析方法

4.2 结果与讨论

4.2.1 壬基酚聚氧乙烯醚在硫酸盐还原条件下的生物降解

4.2.2 典型降解产物及降解途径

4.2.3 壬基酚聚氧乙烯醚降解过程中雌激素活性中间产物浓度变化

4.3 小结

第五章温度对壬基酚聚氧乙烯醚厌缺氧生物降解的影响

5.1 材料与方法

5.1.1 试剂与药品

5.1.2 培养基与污泥种源

5.1.3 生物降解实验

5.1.4 分析检测方法

5.2 结果与讨论

5.2.1 壬基酚聚氧乙烯醚生物降解动力学分析

5.2.2 温度对厌氧反应器中壬基酚聚氧乙烯醚生物降解的影响

5.2.3 温度对反硝化与硫酸盐还原反应器中壬基酚聚氧乙烯醚生物降解的影响

5.2.4 不同还原条件下壬基酚聚氧乙烯醚生物降解温度系数的计算

5.3 小结

第六章有机物、初始浓度及中间降解产物对壬基酚聚氧乙烯醚厌缺氧生物降解的影响

6.1 材料与方法

6.1.1 试剂与药品

6.1.2 培养基与污泥种源

6.1.3 生物降解实验

6.1.4 分析检测方法

6.1.5 数据分析方法

6.2 结果与讨论

6.2.1 有机物对壬基酚聚氧乙烯醚厌氧生物降解的影响

6.2.2 初始浓度对壬基酚聚氧乙烯醚生物降解的影响

6.2.3 典型降解中间产物对壬基酚聚氧乙烯醚生物降解的影响

6.3 小结

第七章菌株Serratia sp. LJ-1 与Bacillus sp. LY 对壬基酚聚氧乙烯醚类污染物的降解

7.1 材料与方法

7.1.1 实验菌种及扩繁

7.1.2 细菌16S rDNA 扩增及测序

7.1.3 菌株LJ-1 革兰氏染色实验及透射电镜拍照

7.1.4 菌株LJ-1 及LY 降解壬基酚聚氧乙烯醚与壬基酚的性能研究

7.1.5 不同氮源对菌株LY 降解壬基酚聚氧乙烯醚效果的影响研究

7.1.6 菌株LJ-1 及LY 降解多种有毒有机污染物实验

7.1.7 细菌裂解液对壬基酚聚氧乙烯醚的生物降解实验

7.1.8 双加氧酶活性的测定

7.1.9 分析方法

7.2 结果与讨论

7.2.1 菌株 LJ-1 的分离与鉴定

7.2.2 两菌株对壬基酚聚氧乙烯醚降解去除

7.2.3 壬基酚聚氧乙烯醚降解途径

7.2.4 菌株 LY 的联合脱氮及不同氮素污染物对其降解壬基酚聚氧乙烯醚的影响

7.2.5 壬基酚聚氧乙烯醚类似物的生物降解

7.3 小结

第八章结论与建议

8.1 结论

8.2 建议

参考文献

致谢

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