基于甾体雌激素的检测及降解菌的选育和生物强化应用

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1、北京工业大学博士学位论文甾体雌激素的检测及降解菌的选育和生物强化应用姓名：任海燕申请学位级别：博士专业：环境工程指导教师：王道;纪树兰20061001摘要近年来甾体雌激素污染逐渐引起国内外学者的注意，并开始对其在环境中的污染水平及其生物降解性进行探讨。本文在建立甾体雌激素分析方法的基础上对避孕药厂废水中的甾体雌激素进行了检测，并以甾体雌激素17a-乙炔雌二醇(EE2)为模型污染物，筛选出一株高效降解菌研究了高效菌的降解特性、代谢机理以及降解动力学特性，探讨了生物强化技术在高效反应器——气提式三重循环生物膜反应器中的应用。本文在研究考察各种甾体雌激素检测方法的基础上，提出

2、并确立了检测避孕药厂废水中甾体雌激素的一种新方法-----SPE．HPLC／MS／MS。通过摸索与优化，确定了分析避孕药厂废水中甾体雌激素的色谱及质谱的最佳分析条件。对几种常见的检测雌激素的分析方法进行了比较，发现与其他方法相比具有快速、选择性好、灵敏度高等优点。应用建立的分析方法，成功地对北京某避孕药厂污水处理系统进出水中的甾体雌激素——甾酮(E1)、178．雌二醇(E2)、雌三醇(E3)以及EE2进行了检测。进水中E1、E2、E3和EE2的平均浓度分别为180±13、85±7．2、73±6．4和l55±6．3ng／L，经过生物处理后，出水中仍能检测到E1，E2，E3

3、和EE2的浓度分别为：106±5．3，23±4．8，11±3．0和51±4．0ng／t,。从该避孕药生产厂曝气池的活性污泥中，应用微生物技术，通过富集培养、驯化和筛选，获得一株能够以EE2为唯一碳源和能源生长的高效菌，经形态学、生理生化特性、G+Cm01％和16SrDNA分析与测定，鉴定该菌株为鞘氨醇杆菌(Sphingobacteriumsp．)，命名为JCR5。通过对该菌株的降解特性的研究，发现菌株JCR5可在培养温度为25～40℃以及培养基初始pH为7．O～9．0的条件下降解EE2；菌株JCR5具有广泛的底物利用谱；初始EE2浓度低于30mg／L时，EE2浓度的增加

4、促进菌株JCR5的生长和底物的降解，而高于该浓度时，则起抑制作用。通过对菌株降解机理的深入研究，发现研究代谢途径的过程中，首次研究确定了菌株JCR5降解EE2的代谢途径。利用MS／MS技术对EE2降解中间产物进行分析，根据分析所的信息推测：EE2经过一系列生物催化作用首先被氧化为雌酮(estrone，E1)，最后生成2．羟基．2，4．二烯·戊酸和2一羟基一2，4-二烯．1，6．己二酸2种中间代谢产物。深入探讨了高效菌JCR5和ZY3(从避孕药厂活性污泥中以甾体雌激素为唯一碳源筛选出来的纯菌株，能够以EE2等多种甾体雌激素为唯一碳源和能源生长)以及复合高效菌(以EE2长期

5、驯化的土著菌)降解EE2的动力学及共基质代谢特性。两株纯菌及复合高效菌对EE2的降解都遵循Haldane抑制动力学模型，几种高效菌降解EE2的比基质去除速北京T业人学T学博I：q-'位论文率大小为：JCR5>复合菌>ZY3。探讨了葡萄糖以及E2与EE2共基质时菌株JCR5及高效复合菌对EE2的降解特性。葡萄糖的存在对菌株JCR5降解EE2具有促进作用，E2的存在对菌株JCR5降解EE2产生一定的抑制作用。对于复合菌，E2浓度达到30mg／L时，EE2的降解受到一定的抑制作用，在一定葡萄糖浓度下，葡萄糖浓度的增加能够促进EE2的降解。将菌株JCR5应用在高效气提式三重循环

6、生物膜反应器(TLABR)中，通过对其生物强化效果的考察，发现菌株JCR5表现出对甾体雌激素具有一定的去除效果。将生物强化技术应用于TLABR的过程中，要达到对目标底物的快速有效去除，就要综合考虑HRT、初始投菌量和污染物的进水浓度。从综合参数ⅣM来看，EE2的去除效果与初始微生物有机负荷密切相关。初始微生物有机负荷低，有利于系统对EE2的降解。控制较小的微生物有机负荷Ⅳ肘，有利于强化系统的快速启动，以及利于投加的高效菌在系统中的保持和生物膜的形成。未投加菌株JCR5时，应用TLABR处理避孕药废水，除E3外，E1、E2和EE2的去除效果均稍好于废水处理站的去除效果，表

7、明通过改进处理工艺，也能使甾体雌激素的去除效果得到一定程度的提高。而投菌后，E1、E2、E3和EE2的去除效果除优于未投菌时TLABR的处理效果外，更优于废水处理站的去除效果。表明将高效菌投加到高效反应器中这种强化方式具有一定的优势。将生物强化技术应用于气提式三重循环生物膜反应器处理含有甾体雌激素的实际废水时，投菌后反应体系对箔体雌激素和CODc，均有一定的促进作用，而对氨氮的去除无明显作用。关键词：f}{体雌激素；17et．乙炔雌二醇；SPE．HPLC／MS／MS；高效菌：生物强化；气提式三重循环生物膜反应器llAbstractRece