Arthrobacter sp.W1共代谢杂环芳烃及其强化处理焦化废水的研究
咔唑(CA)、二苯并呋喃(DBF)和二苯并噻吩(DBT)是典型的杂环芳烃，广泛存在于焦化废水中，具有“三致”作用，一旦释放到自然界便会对人体及环境造成较大的危害。相对于其它技术而言，生物法被认为是最经济、最彻底的治理此类杂环芳烃污染的方法。本研究目的在于从环境微生物学角度探究Arthrobactersp. W1以苯酚为基质共代谢CA、DBF和DBT的特性及途径机理，结合磁性 Fe3O4-结冷胶固定化技术提高其实用性，并以其作为强化菌剂，建立活化沸石曝气生物滤池处理实际焦化废水。为实际的杂环芳烃污染治理提供理论基础和技术支持。 研究以苯酚为基质对CA、DBF和DBT进行共代谢降解，并考察了菌株W1生长及休眠细胞共代谢 CA、DBF和DBT的基本特性。Andrews抑制动力学分析表明，菌株 W1生长细胞代谢苯酚、CA、DBF和DBT的qmax值分别为0.0471、0.0192、0.0184和0.0160 h-1。菌株W1休眠细胞对不同浓度CA、DBF和DBT的代谢符合Michaelis-Menten方程，Vmax值分别为3.435，3.131和3.102 mmol g cell-1 h-1。在300 min内，菌株W1休眠细胞耦合活化沸石可以将2 mM苯酚、0.5 mM萘、0.25 mM CA、0.25 mM DBF和0.25 mM DBT均代谢至未检出，其出水IR值为20％，说明经处理后的焦化废水出水毒性显著降低。 利用二维线性离子阱-静电场轨道阱傅里叶变换组合式高分辨质谱仪(LC/MS/MS)和核磁共振(NMR)等化学分析手段鉴定出苯酚羟化酶基因工程菌(PHIND)和菌株 W1共代谢 CA的一系列新的代谢中间产物如1,2-dihydroxycarbazole、3,4-dihydroxycarbazole、2-oxo-4-(3-oxoindolin-2-yl)but-3-enoic acid、3-(1h-indol-2-yl)acrylic acid、2-(1h-indol-2-yl)acetaldehyde、2-吲哚乙酸、靛红和2-氨基苯乙醛酸，完善了CA共代谢途径。同时，鉴定出工程菌 PHIND和菌株 W1共代谢 DBF和DBT的一系列中间产物，发现 DBF和DBT共代谢途径与经典的DBF和DBT共代谢途径一致。为CA、DBF和DBT的生物修复及高价值中间产物的绿色生物合成奠定基础。 固定化细胞代谢CA、DBF和DBT的特性表明结冷胶最佳天然有机载体。磁性 Fe3O4纳米载体的加入可以解决固定化细胞质子传递的限制，提高结冷胶固定化细胞对CA、DBF和DBT的代谢效率，且磁性Fe3O4最适浓度为80 mg/L。磁性固定化细胞对不同浓度CA、DBF和DBT的代谢符合Michaelis-Menten方程， Vmax值分别为3.534，3.287和3.209 mmol g cell-1 h-1。相对于非磁性固定化细胞而言，磁性固定化细胞重复使用10次时，仍保持较高的苯酚、萘、CA、DBF和DBT代谢效率。在第10次使用时，磁性固定化细胞可以在240 min内将焦化废水中2 mM苯酚、0.5 mM萘、0.25 mM CA、0.25 mM DBF和0.25 mM DBT均代谢至未检出，且其出水IR值低于30%，说明经处理后的焦化废水毒性显著降低。 将菌株 W1游离细胞及磁固定化细胞分别投加到活化沸石曝气生物滤池中进行生物强化处理含高浓度苯酚、萘、CA、DBF、DBT和NH3-N的实际焦化废水，研究结果表明，磁固定化细胞强化体系(G3反应体系)对焦化废水中所有污染物的代谢效果最好。反应体系连续运行试验表明，相对于非强化体系(G2反应体系)及游离细胞强化体系(G1反应体系)，G3反应体系耐冲击负荷能力最强，处理效果更稳定，反应体系运行后期，可以将600 mg/L苯酚、200 mg/L萘、60 mg/L CA、90 mg/L DBF、90 mg/L DBT和30 mg/L NH3-N均代谢至未检出。且经G3反应体系处理后的出水 IR值为20%，说明经处理后焦化废水的毒性显著降低。同时，利用llumina MiSeq2000对各反应体系中微生物群落结构进行动态监测，进而揭示系统微观结构与宏观功能之间内在的联系。经生物强化的活性污泥体系，其微生物丰富度和多样性均有所增加，尤其是 G3反应体系。G3反应体系中投加的Arthrobacter属为反应体系内的优势菌群，并且促进了反应体系中微生物群落的演替，推测出焦化废水中苯酚、萘、CA、DBF、DBT、COD和NH3-N等污染物高效去除取决于磁固定化细胞强化与土著微生物资源的共同作用。
杂环芳烃;焦化废水;生物强化;群落结构分析
哈尔滨工业大学
博士
环境科学与工程
马放
2014
中文
X784;X172
154
2015-08-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）