含氮杂环芳烃废水的生物降解及其毒性变化

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1、含氮杂环芳烃废水的生物降解及其毒性变化第1章绪论1.1氮杂环芳烃的污染随着工业的快速发展，全球每年产生大量工业废水，由于治理不善而造成严重的环境污染，其中尤以含氮杂环有机物的废水污染最为严重。氮杂环有机物是一类高毒、难降解的物质，对生物有严重的危害，如吡啶、喹啉和咔唑是氮杂环有机物的典型代表，常见于焦化、农药、制药等废水中。针对含氮杂环有机物的污染，现在均采取生物处理或组合工艺处理该类废水。由于废水中含氮杂环芳烃含量较高，废水表现出比较强的生物抑制性，为提高生物处理效果并考虑费用和生态效益因素，采用生物强化技术能有针对性地提高某些含量较高的含氮杂环芳烃的去除率。由于废水中多为复合型有机污染

2、，可采用复合型生物强化的微生物处理，通过筛选已有高效菌种，构建更加高效的复合型菌剂。利用高效复合菌剂可以有效地处理复合型污染的含氮有机废水，改善废水的可生化性，实现对污染物的降解和对毒性的降低。本文主要以处理焦化废水中的含氮杂环芳烃，开展复合菌剂的优化，解决复合污染的同步降解问题，并研究降解过程中废水的遗传毒性变化，探讨毒性变化与各水质及微生物变化的关系。氮杂环化合物是指具有环状结构，且成环的原子除碳原子外，还含有氮元素原子的化合物。氮杂环化合物多数具有芳香烃的性质，其化学结构非常稳定，不易被开环降解，具有生物难降解性。因此其对环境的污染引起了研究者的关注。在工业生产过程中，人为合成是氮杂

3、环芳烃产生的主要途径。如现代炼焦工业、制药产业、燃料合成等等均有该类物质的生成，由于其产生时常伴随其他有机化合物，使得该类废水的处理困难加剧。该类工业废水中主要的污染物质有：苯酚、吡啶、喹啉、异喹啉、联苯、咔唑、吲哚及其衍生物等[1]，导致了废水具有复合污染、强生物抑制和高毒性等特点。1.2典型氮杂环芳烃的生物降解研究现状1.2.1焦化废水中典型有机污染物的高效降解菌研究微生物是广泛存在于环境中，作为分解者，微生物承担着把有机物分解成小分子物质的重任，使其回归自然，成为下个循环的物质基础，在这些微生物中，特别是生存在高污染环境下的微生物，对某些污染物质产生了一些高效分解能力，这些微生物是对

4、人类很有用的。在环境中具有生物降解性的微生物有细菌、放线菌、酵母菌、真菌和藻类等，从这些微生物中选取出有高效降解能力的种类，将这些有高效降解能力的微生物形成各种组合就成了复合菌剂。简单的复合菌剂是从自然界中筛选并分离出来、具有特殊功能的微生物，以一定的比例组合在一起，并能共同生存。而复杂的复合菌剂是也从自然界中筛选并分离出来、具有特殊功能的菌种，再加入吸附剂、活化剂、固化酶和微量元素，利用生物工程技术大规模生产而成的复合微生物体系。而降解焦化废水主要依靠假单胞菌、黄杆菌、芽孢杆菌、节细菌属、红球菌属、诺卡氏菌等这些细菌（见表1-2）。第2章利用高效菌降解氮杂环芳烃2.1实验材料与方法酵母提

5、取物及胰蛋白胨购自OxoidLtd.（英国）；凝胶电泳染料Gel-red购自BiotiumLtd.（美国）；吡啶标准溶液购自ChemServic,Inc.（美国）；喹啉标准溶液购自AccuStandard,Inc.（美国）；咔唑标准溶液购自SigmaAldrich,Inc.（美国）；DNA提取试剂盒V212(上海博彩，K717)；SPE固相萃取小柱购自上海安普公司；文中无特殊说明的化学试剂均为分析纯级。试验采用Luria-Bertani（LB）培养基和无机盐培养基（MineralSaltMedium，MSM）。LB培养基主要用于吡啶高效菌、喹啉高效菌和咔唑高效菌的富集；固体培养基加入质量分

6、数为1.5%的琼脂，用于纯菌的保藏与快速复苏使用。MSM培养基用于高效菌的降解对比实验，MSM培养基的具体成分见表2-1。试验中采用的培养基均在121℃，1.05kg/cm2下灭菌20min。2.2结果与分析2.2.1单菌对不同基质的降解效果实验中实际的吡啶初始浓度为198.51±5.84mg/L,喹啉初始浓度为177.90±2.41mg/L,咔唑初始浓度为170.54±3.21mg/L。以4株降解菌分别独立地降解一种NHC,对各NHC的降解效率进行对比(如图2-1所示)。吡啶、喹啉和咔唑均在其特异性降解菌的作用下被快速降解；而对于其它非特异性降解

7、菌产生明显的抑制作用，但是菌株经过一段时间适应后，仍然可以将该NHC完全降解。4株降解菌在各反应体系中的表现，可总结为表2-2。由表中数据可见,4株特异性降解菌仅对其目标污染物有高效降解能力，且不需要适应期；但均显著地受到非目标污染物的抑制，抑制时间大致为：吡啶＞喹啉＞咔唑。在本研究中，首次发现一种NHC的降解菌在经过长时间的适应后，可以形成对其它NHC的降解能力，完全降解所需时间大致为：咔唑＞吡啶＞喹啉。吡啶对BSO购