典型POPs的生物降解修复技术研究与发展

生物吸附与降解是解决持久性有机污染物（POPs）最有潜力的方法之一,有必要介绍利用微生物把目标污染物转化为易降解的物质甚至矿化的POPs修复原理及其技术。对此,概述了近年来国内外基于微生物通过膜融合、胞质融合和核融合形成能够降解POPs的杂种细胞的细胞融合技术;基于降解性质粒的相容性,把能够降解不同污染物的质粒组合到一个菌种中,形成多质粒的新菌种,使微生物由于代谢途径的改变能够矿化POPs的基因工程菌构建技术;基于通过某些载体把酶固定于其中实现活性稳定、可以回收及可重复利用的酶固定化技术,以及基于降解菌活性酶分子亚基置换、降解菌活性酶的定点突变、降解酶的体外定向进化这几方面的酶构建技术;进一步分析基于分子生物学提高POPs生物修复能力的原理,指出经生物技术改造的工程菌和固定化酶未能进入实际应用的障碍所在。以多溴联苯醚（PBDEs）的微生物细胞吸收和降解机理作为典型POPs生物修复的案例,强调生物降解的过程强化需要建立多尺度上功能方面的适合;提出了分子生物学与基因工程学的结合在解决POPs环境污染方面未来的基础科学问题与研究思路。综合上述,典型POPs的生物修复技术的构建需要考虑宏观污染物协同降解的工艺理论,在基因水平、分子水平、反应器水平及工程水平上追求更高功能方面的适合。     

难降解有机物氯贝酸在好氧序批式反应器中的分配与转化

通过建立好氧序批式反应器(SBR),研究了以氯贝酸为难降解有机物代表性物质在活性污泥处理系统中的去除特性及分配转化规律,并探讨了氯贝酸代谢产物的产生与变化情况.通过对水相及泥相中氯贝酸的分析监测,发现活性污泥对其吸附作用微弱,生物降解是其去除的主要机制,氯贝酸的生物去除率在10%—12%之间.液相色谱分析结果表明,氯贝酸生物降解产生3种代谢产物:α-羟基异丁酸、乳酸、对氯苯酚.其中,α-羟基异丁酸是氯贝酸生物降解的主要产物,最大浓度约200μg·L-1左右;其次是乳酸,其最大浓度约70μg·L-1,这两种物质在水中均呈现先累积然后被微生物逐渐利用而减少的趋势;对氯苯酚的含量最少.     

石油污染物的微生物降解研究

以炼油厂污水池底泥中分离的3株细菌和3株真菌为供试微生物,陕北黄土(0～20 cm)制备的土壤悬浮液为土壤微生物对照,灭菌培养基为非生物降解对照,研究不同组合微生物的生长动态及对石油烃的降解率.将不同组合的微生物接种到石油烃质量浓度为10000 mg·L-1的液体培养基中,29 ℃±1 ℃,摇床连续培养50 d.于0 ～72 h内取样,进行微生物生长动态检测;于5～50 d定期取样,考察培养基中石油烃降解率的动态变化.结果表明:单独外源菌降解效果优于混合外源菌和土著微生物,25 d后土著微生物生物降解率超过混合外源菌.外源细菌、外源真菌、混合外源菌和土著微生物50 d生物降解率分别为71.54 %,60.13 %,47.26 %和51.49 %.土壤细菌对石油污染物具有较强的生长适应性,外源细菌降解效果最好.     

复合固定化法固定微生物去除芘

通过"玉米秸秆吸附-包埋-交联"复合固定化方法固定多环芳烃降解菌GY2B和GP3B,提高对芘的降解性能,并对其作用过程进行初步研究.结果表明,游离态单细菌GY2B、GP3B和混合菌GY2B+GP3B的7 d降解率分别为14.0%、55.0%和73.6%,而固定化GY2B+GP3B秸秆小球在5 d内即达98.2%,去除率得到了显著的提高;对固定化微生物小球的比表面积、孔隙率和扫描电镜图分析,说明载体表面具有较高的比表面积,内部是具有大量孔隙的骨架结构,在内部生长的微生物和基质有充分的接触面积和机会;固定化GY2B+GP3B秸秆小球类似于一个吸附降解一体化的微型反应器.GY2B+GP3B混合菌芘代谢产物有菲-4-羧酸、二甲基酞酸、1-羟基-2-萘酸、1-萘酚和水杨酸,推测芘的降解是GY2B+GP3B混合菌集体代谢的综合作用的结果,GP3B的中间转化产物作为GY2B生长代谢的基质,使得芘得到更完全的降解.     

载铁沸石分子筛催化降解地下水中氯代烃的影响因素及机制研究

氯代烃是工业场地地下水中常见污染物,高效去除氯代烃是目前环境科学研究的热点。以负载铁的沸石分子筛(Fe-ZSM-5)为催化剂,研究Fe-ZSM-5催化降解三氯乙烷(TCE)的影响因素及降解机制。结果表明,在Fe-ZSM-5体系中,加入0.8 g·L~(-1) Fe-ZSM-5、10 mmol·L~(-1) H_2O_2、0.9 mmol·L~(-1) TCE、初始pH值为7.4、25℃条件下,TCE降解率可达88%,且随着催化剂用量和H_2O_2浓度的增大,同一浓度TCE的去除率逐渐升高,降解率最高可以达到99%。此外,改变溶液初始pH值,对TCE的降解无显著影响。与Fe-ZSM-5体系相同条件下,未负载铁的沸石分子筛(ZSM-5)体系催化H_2O_2降解TCE的去除率仅为41%,H_2O_2浓度从6增至14 mmol·L~(-1),TCE去除率反而降低,溶液初始pH对去除率也无显著影响。自由基猝灭试验发现,在Fe-ZSM-5催化体系中,羟基自由基(·OH)对TCE的降解起主导作用,而未负载铁的ZSM-5催化体系中,·OH的作用则不明显。     

胁迫条件下极端微生物修复石油烃污染土壤研究进展

嗜冷菌、嗜盐菌、耐重金属菌、耐重油菌等极端微生物广泛存在于极地高寒、盐碱地以及存在重金属、重油等污染的毒性污染土壤中,是胁迫条件下石油烃降解与转化的重要微生物资源。文章从适应机制、降解机理、降解特性、修复实践等角度出发,综述了低温、盐碱、重金属、重油等不同胁迫条件下的石油烃污染土壤微生物修复进展。在石油烃降解机理方面,微生物细胞与油滴的附着机制尚不清楚,而生物表面活性剂的产生和作用机制已经得到了很好的研究。嗜冷菌的适冷机制与细胞膜脂类组成、冷激蛋白、冷适应蛋白、嗜冷酶、能量代谢等有关,低温(15℃)时石油烃降解效率可达70%以上。嗜盐菌具备细胞外被隔离机制和离子反向运输机制,能产生渗透压调节剂、具有独特的渗透压平衡方式,NaCl浓度为30g·L-1时石油烃的降解效率可达60%以上。石油烃降解菌对重金属的耐受机制包括生物吸附、细胞内积累、酶催化转化、生物浸出和生物矿化、氧化还原反应等过程,会影响土壤中重金属的迁移率和生物有效性,提高作物的产量和对重金属的富集。微生物吸收重油的机制包括界面张力降低、选择性堵塞、粘度降低、生物降解和润湿性改变等,对重质原油的总体降解率可达70%以上,但是对其中沥青质单一组分的历史最高生物降解率仅为48%。利用极端微生物修复极端、胁迫条件下的石油污染土壤,应加强菌种培育、未明机制探索、重油组分(沥青质和树脂)降解、风险评估、修复工艺参数优化及推广应用等工作。     

有机废弃物降解过程酶作用及其调控机制的研究进展

有机废弃物处置不当造成的环境污染和资源浪费已引起广泛关注,生物降解可以有效地实现有机废弃物资源化利用。微生物分泌的酶能催化生物降解的矿化和腐殖化过程,提高有机物降解率。然而,以往研究主要集中于微生物作用,对有机废弃物降解过程酶作用及其调控机制的总结很少。该文从酶学和生物化学角度出发,论述了生物酶催化降解有机质、促进腐殖质合成和削减污染物毒性等作用过程。基于酶动力学和热力学特征,从微生物、酶的固定化、理化因子和添加剂4个方面阐述酶作用的调控机制。生物酶高效、环保、可控,是有机废弃物资源化利用的重要催化剂之一。未来应加强研究酶降解的途径与分子机制、微生物-酶-有机废弃物系统的新陈代谢、激活剂对酶作用的调控、酶的固定化技术以及降解酶的生产与应用,以推动有机废弃物资源化利用的进程。     

施氏假单胞菌PFS-4的筛选、优化固定及其对二氯喹啉酸的降解性能

从长期施用二氯喹啉酸的土壤中分离到1株能以二氯喹啉酸为碳源生长的菌株,命名为PFS-4。经16S rRNA基因序列和生理生化特性分析,将菌株PFS-4鉴定为施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)。以麦秆吸附-海藻酸钠包埋方式对菌株进行复合固定,采用正交实验对固定条件进行优化,研究温度、pH值、碳源对固定化菌剂降解二氯喹啉酸的影响;考察固定化菌剂对污水中二氯喹啉酸的去除效果,并对比分析游离菌及固定化菌剂去除能力的差异。结果表明,固定化菌剂制备的最佳条件为:海藻酸钠质量分数为5%,Ca Cl2为4%,菌胶比1∶2,交联时间5 h。在温度为30℃、pH值为7的条件下,经5 d培养,固定化菌剂对500 mg·L~(-1)二氯喹啉酸降解率为92.3%。在处理污水中二氯喹啉酸时,游离菌的降解能力受到极显著抑制(P0.01),而对固定化菌剂降解率影响相对较小,去除率保持在64%以上。麦秆吸附-海藻酸钠包埋固定化菌剂对不良环境具有较好缓冲性,可用于微生物降解菌的开发利用。     

一株聚乙烯降解菌的筛选及其降解特性研究

为解决聚乙烯塑料在自然环境中难降解的问题,从土壤中分离出一株降解菌用于聚乙烯塑料生物降解研究。经筛选纯化,对该菌进行生理生化实验、16Sr DNA序列分析和系统发育进化树构建;将菌株接种于以不同相对分子质量聚乙烯粉末(相对分子质量分别为2000、5000、100 000)和膜片(相对分子质量400 000)为唯一碳源的基础液体培养基中,于30℃、180 rpm下培养;采用分光光度法每隔24 h测定菌体生长浓度、总蛋白含量、还原糖含量以及p H值;培养14 d,采用ABTS法和愈创木酚法测定漆酶和锰过氧化物酶酶活力;培养60 d,称量聚乙烯残留物质量,于扫描电子显微镜下观察膜片表观,对膜片力学性能变化进行测定。鉴定结果表明,该菌为放线菌属的东方拟无枝酸菌(Amycolatopsis orientalis);菌生长浓度随聚乙烯相对分子质量的增大而减小;胞外蛋白质量浓度为(27.625±0.400)~(0.958±0.180)μg·m L~(-1);还原糖质量浓度为(15.664±1.764)~(2.660±0.000)μg·m L~(-1);p H值显著下降;漆酶和锰过氧化物酶酶活力酶活力分别为3 500~3 000 U·L~(-1)和2 600~2 000 U·L~(-1);聚乙烯失重率为(35.81%±0.39%)~(5.57%±0.22%);电镜观察发现膜片表面出现大量降解孔洞和大面积菌体附着;膜片力学性能显著下降;亲水性增大,表面能增大。证明东方拟无枝酸菌能够直接作用于普通聚乙烯塑料表面,是一株高效的降解菌株。推测该菌通过分泌胞外酶氧化聚乙烯长烃链,降低聚乙烯表面能,且在降解过程中产生酸性物质,长烃链最终转化成小分子物质;在菌株降解聚乙烯中起直接作用的酶为漆酶和锰过氧化物酶。     

菌株N1的固定化及其在处理混合废水中的应用

采用聚乙烯醇(PVA)与海藻酸钠(SA)复配的混合载体对前期研究分离得到的一株多底物硝基苯降解菌N1进行了固定化研究.确定10%PVA和3%SA为最优的混合载体配比,获得了高硝基苯降解率及优良机械强度等性能兼顾的固定化细胞.与游离态细胞相比,固定化细胞具有更高的硝基苯降解效率、更强的高盐度环境耐受性和更宽的pH适应范围.在处理硝基苯与苯胺混合废水时,固定化细胞受到苯胺的影响比游离细胞小.在连续10轮的降解试验中,固定化细胞表现出稳定的硝基苯降解能力,显示其具有较好的应用前景.     

五氯酚生物降解机理与外生菌根真菌对五氯酚可降解性

五氯酚是氯酚族中最具毒性和最难降解的有机污染物。不同种类的微生物由于其降解污染物的生化机制不同,使得五氯酚的降解途径多样化。文章通过综述好氧与厌氧微生物降解五氯酚的降解菌和降解途径,认为五氯酚首先通过脱氯转化为低氯代化合物后再开环,因此脱氯就成为五氯酚降解的关键步骤。参与脱氯的关键酶系主要包括过氧化物酶和酚氧化酶。外生菌根真菌可降解多种难降解有机污染物,并具有生成过氧化物酶和酚氧化酶的机制,因此外生菌根真菌具有降解五氯酚的潜力与优势。这些信息将为进一步开展五氯酚生物降解机理研究,应用微生物—植物复合系统修复污染土壤提供基础。     

混菌生物降解磺胺类药物研究进展

磺胺类药物是世界范围使用最多的一类合成药物,在我国水环境中已经广泛检测出该类药物残留,对人体及生态环境造成严重危害.生物降解是解决该类药物环境残留的主要方法,混合微生物群落比起单一微生物有很大的优势,因此混菌降解该类药物的研究日益受到关注.本文对混菌生物降解磺胺类药物进行较系统的综述,包括利用河流污泥和土壤中的天然混菌体系、活性污泥中的混菌体系、人工筛选的混菌体系降解该类药物的降解特性、降解条件及生物降解机制.在有氧条件下,河流污泥、土壤中的天然混菌体系对该药物具有一定的降解能力;在传统活性污泥、序批式反应器、膜生物反应器等进行污水处理时,利用活性污泥中的混菌体系能够成功该磺胺类药物残留,该类药物作为共代谢物或者单一碳源和(或)氮源被活性污泥混菌体系所降解.厌氧条件下,天然活性污泥混菌菌群也能成功降解该类药物.此外列举了在实验室内人工筛选构建出的混菌体系,较之天然混菌体系及单一菌株,对该类药物的生物降解优势已经很明显.最后提出应进一步研究天然混菌体系中各微生物的相互作用关系,揭示该类药物的生物降解机制,在此基础上构建相互协作的能够完全降解磺胺类药物的混菌体系.     

耐盐苯酚降解菌Staphylococcus sp.的分离及降解特性

从巴丹吉林沙漠盐湖表层沉积物中筛选到一株高效耐盐苯酚降解菌CL.测定了菌株CL的生理生化指标、16S rRNA基因序列,通过动力学模型探究了该菌株的生长和苯酚降解特性,同时考察了固定化对其耐受及降解苯酚能力的影响.结果表明,菌株CL属于葡萄球菌属(Staphylococcus sp.),在温度30℃、pH 7.0—8.0、盐度0—10%和苯酚浓度100—200 mg·L~(-1)条件下,该菌株能高效降解苯酚,其降解率均在85%以上.菌株CL对不同浓度苯酚的降解符合Haldane模型,其最大比降解速率和抑制常数分别为0.32 h~(-1)和351.70 mg·L~(-1),同时该菌株在不同盐度下对苯酚的降解符合Ghose and Tyagi模型.固定化可以明显增加菌株CL对苯酚的降解和耐受能力.菌株CL在高盐环境下能够高效降解苯酚,具有生物处理高盐含酚废水的潜力.     

基因工程菌在石油污染修复中的研究进展与前景

构建基因工程菌（genetically engineered microorganisms,GEMs）是石油污染生物修复的重要发展方向.目前,通过基因编辑、过表达和定向进化等手段改造微生物的石油污染物降解和调控途径,可以提高微生物的环境适应能力和污染物降解能力,用于石油污染物的生物降解和监测.本文概述了石油污染物降解基因工程菌的主要构建策略,包括选择和改造宿主菌、改造与优化石油污染物关键酶和代谢通路、开发微生物全细胞传感器和构建基因工程菌的自毁程序.此外,基因工程菌也可用于石油污染的酶修复、微生物菌群修复和细菌-植物联合修复.随着系统生物学和合成生物学在降解微生物中的应用,基因工程菌在石油污染修复中展现出良好的研究和应用前景.     

黄孢原毛平革菌对氯代蒽的生物降解及降解途径

氯代多环芳烃(chlorinated polycyclic aromatic hydrocarbons, Cl-PAHs)是多环芳烃的氯代衍生物,其毒性与母体相当甚至高于母体,在各种环境介质中广泛存在且难以降解,对生态环境和人类健康具有一定的潜在威胁.微生物降解是环境中去除有机物的主要途径之一,本文以白腐真菌的模式菌种-黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium, Pc)为代表,优化了Pc菌对氯代蒽的降解条件、探究了降解效果以及降解动力学,并分析了可能的降解途径.结果表明,Pc菌对氯代蒽有一定的降解能力.当液体培养基的初始pH值为4.5,Pc菌接种量约为每毫升1×10~5个时,在35℃,120 r·min~(-1)的恒温摇床中培养6 d后,接入浓度为100 mg·L~(-1)的底物能够达到较高的降解效率.在此条件下降解16 d后9-ClAnt和9,10-Cl_2Ant的降解率分别达到了96.45%和92.83%.动力学分析表明,Pc菌降解氯代蒽的过程符合一级动力学方程.分析降解过程,检测到5种降解中间产物,结合生物催化反应的特点推测了氯代蒽可能的降解途径.     

导电性生物炭促进Geobacter和Methanosarcina共培养体系互营产甲烷过程

近年来研究发现互营氧化产甲烷过程中存在种间直接电子传递(direct interspecies electron transfer,DIET),这种电子传递方式比传统的种间氢转移或种间甲酸转移更为高效。导电生物炭作为导电介质,可以有效促进DIET介导的互营产甲烷进程。乙酸作为有机物厌氧降解的重要中间产物,其降解过程是否存在DIET途径尚不清楚,导电生物炭对乙酸互营降解产甲烷过程的影响机制也未有研究报道。以具有DIET功能的Geobacter sulfurreducens和Methanosarcina barkeri菌株为研究对象,构建共培养体系,以乙酸为电子供体,比较添加不同导电性生物炭共培养体系的甲烷产生和微生物生长情况。结果表明:(1)导电性生物炭处理的产甲烷速率为0.015~0.017 mmol?d~(-1),显著高于对照处理的0.012 mmol?d~(-1);而不导电生物炭处理的产甲烷速率低于对照处理。说明导电性生物炭促进共培养体系中的产甲烷过程,而不具导电性的生物炭没有促进效应;(2)导电性生物炭存在时,共培养体系的甲烷产生速率(0.008 mmol?d~(-1))和产量(0.14 mmol)明显高于Methanosarcina barkeri单菌体系的产甲烷速率(0.006 mmol?d~(-1))和产甲烷量(0.09 mmol),而添加不导电生物炭的共培养体系和单菌体系的甲烷产生速率和产量无明显差异。以上结果表明,导电性生物炭能介导Geobacter sulfurreducens和Methanosarcina barkeri之间的直接电子传递,即Geobacter sulfurreducens氧化乙酸产生的电子,以导电生物炭为导电通道直接传递至Methanosarcina barkeri还原CO2产生甲烷,从而促进乙酸互营氧化产甲烷过程。本研究结果有助于我们理解种间直接电子传递对互营产甲烷过程的贡献及影响效应,为研究甲烷产生的微生物机制提供新的研究思路。     

基于木质素生物降解的堆肥化接种剂开发

选取由农林废物堆肥中筛选出的木质素降解优势土著微生物枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、铜绿假单孢菌(Pseudomonas aeruginosa)、黑曲霉(Aspergillus niger)、简青霉(Penicillium simplicissim)、栗褐链霉菌(Streptomyces badius),依据PLFA-PLS定量分析所得堆肥化2次发酵期有效的木质素降解微生物群落组成比例混合接种至稻草基质发酵瓶中,做1组L9(34)正交试验以优化混合比例,期望开发1种基于木质素降解的高效堆肥化接种剂.试验结果表明:混合菌剂具有较强的木质素降解能力,其对木质素的降解是木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶、纤维素酶和半纤维素酶共同作用的结果;当按照个数比细菌∶放线菌∶真菌为85∶5∶ 10,枯草芽孢杆菌∶铜绿假单孢菌为55∶25,黑曲霉∶简青霉为2∶1配比时,木质素、纤维素、半纤维素降解率最高,分别达到22.13%,48.97%和55.93%;在不灭菌前提下,按此配比接入菌剂,其木质素、纤维素、半纤维素降解率分别比不接菌剂发酵稻草提高19.16,38.25和46.30百分点.     

精噁唑禾草灵微生物降解的初步研究

从精噁唑禾草灵生产废水排放口处污泥中分离的产碱菌属H(AlcaligenesspH)对精噁唑禾草灵有较好的降解,降解浓度分别为100mg·l1,50mg·l1,25mg·l1的精噁唑禾草灵120h的降解率分别为4576%,6596%,6947%;利用HPLCMS对精噁唑禾草灵的微生物降解产物之一进行鉴定,结果表明精噁唑禾草灵水解是产碱菌属H降解精噁唑禾草灵的途径之一,其产物为(R)2[4(6-氯1,3苯并噁唑2基氧)苯氧基]丙酸和乙醇     

微生物固定化降解含聚废水

采用微生物固定化技术降解含聚废水.将混合菌固定化制得的微生物固定化颗粒加入到含聚废水处理工艺的生化池单元中,进行含聚废水处理的模拟实验.通过曝气和添加营养物质的方式对含聚废水进行可生化性调整,以提高废水的生化比,使其达到可以生化处理的水平.实验流程分为静态和动态两部分.微生物固定化静态处理含聚污水3 d后,出水的PAM含量为82.2 mg.L-1,降解率可达83.6%;微生物固定化动态处理含聚废水3 d后,出水的水质指标趋于稳定,PAM含量为104 mg.L-1,降解率为79.2%;原油含量为8.5 mg.L-1,去除率为98.8%;CODCr含量为119 mg.L-1,去除率为85.5%.出水水质指标达到国家污水综合排放的二级排放标准.利用紫外光谱分析PAM在微生物降解前后的光谱变化,结果表明经微生物降解后的PAM结构中的羟基和酰胺基已被降解.     

单室微生物电解池强化混合脂肪酸产甲烷

传统厌氧消化基质转化慢,甲烷产率和能量回收效率较低.本研究模拟厌氧酸化产生的短链脂肪酸(SCFAs)废水,在批式条件下,利用单室无膜微生物电解池辅助厌氧消化(MEC-AD)产甲烷,考察不同外加电压(0.4 V、0.6V、0.8 V)对底物降解、甲烷产生和能量回收效率的影响.结果表明,进水化学需氧量(C OD)浓度约为7 000 mg/L时,COD的平均去除负荷由AD的(3.34±0.09)k g m-3 d~(-1)提高到MEC-AD的(6.86±0.04)kg m-3 d~(-1)(外加0.8 V),增加了1.06倍.外加电压与脂肪酸组分的降解呈正相关,即随着外加电压的升高,底物各SCFA降解速率加快,此时相应的甲烷含量、产量明显提高.当外加电压为0.8 V时,混合脂肪酸中乙酸、丙酸及丁酸的降解速度较AD分别提高了98.25%、107.14%、54.21%,甲烷的含量达90.11%;甲烷的产率为2.63 L L~(-1) d~(-1),较AD提高了157.84%.以基质化学能、电能和产生的甲烷来计算总能量回收效率,其中AD为73.51%;加电0.4 V、0.6 V、0.8 V时分别为93.44%、88.99%、93.41%.综合脂肪酸降解、甲烷产生及能量回收情况,确定外加0.8 V为最优条件.循环伏安扫描分析发现,与AD相比,MEC-AD在-0.3V处存在明显产甲烷还原峰.高通量测序结果显示,MEC-AD中阳极优势菌群为Methanosaeta sp.和Geobacter sp.,其相对丰度比分别为36.43%和13.35%;而AD中相应比例仅为24.46%和0.99%.由此可知MEC-AD中可能存在直接的种间电子传递(DIET)产甲烷途径,该途径是甲烷含量和产量提升的重要原因.综上,以微生物电解池辅助厌氧消化能有效促进底物降解,且获得高纯度、高产量的甲烷,具有良好的应用前景.