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挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOCs)来源广泛且难降解，对全球气候变暖起着推动作用[1-3]，芳香族和脂肪族有机化合物是VOCs的重要组分[2-4]，有研究[5]表明，苯系物占目前大气中排放的挥发性有机污染物总量的50%以上。氯苯类(chlorobenzenes，CBs)物质在农药、染料和其他化学品制造中作为溶剂和反应物被广泛使用，在环境中广泛存在[6-7]。间二氯苯作为氯代苯系物的一种，具有刺激性气味，能够引发头晕、恶心等症状[8]，具有生物毒性，可以导致生物体内内分泌紊乱、各项机能失调、神经行为和发育紊乱，甚至存在致癌的风险[9]，被美国环境保护署归为优先污染物[10]。生物净化氯苯因其无二次污染、操作简单、处理效果好等优点，越来越受到人们的关注[11-13]。生物法处理氯苯，就是将废气中氯苯与载体上的生物膜充分接触，通过微生物的代谢将废气中有害的氯苯转化为无害的物质(CO2、水等)[14]。生物净化法在水溶性较好或者恶臭气体的工程应用方面效果显著，欧洲约有8 000座废气生物净化装置投入运行，对VOCs的去除率可以达到90%以上[15-16]。目前，生物净化苯系物的目标物主要是易于生物降解且毒性较低的物质，包括苯、甲苯、乙苯和二甲苯等，对于CBs的生物净化处理研究[17-21]还不够深入。针对不同种类的VOCs，筛选和分离纯化出具有特殊效果的菌株尤为关键。许多国内外学者在获得和选育VOCs高效降解菌方面做了大量的研究工作，已报道的菌株主要分为霉菌和真菌2种：霉菌包括青霉属[22]、外瓶霉属[23]；真菌包括假单胞菌属[24]、肠杆菌属[25]、克雷伯氏菌[26]等。
本研究从芦苇根系土壤中筛选出1株能够以间二氯苯为唯一碳源和能源的优势降解菌(Brevibacillus agri)，考察其在生物滴滤器中降解间二氯苯的性能，研究空床停留时间、进气浓度和进气负荷等因素对生物滴滤器降解性能的影响，确定优势菌株在生物滴滤器微生物群落结构中的占比，为工业化处理间二氯苯提供参考。
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本菌株取自盐城工学院盆栽1年芦苇根际土壤，经初筛、复筛、富集培养驯化而得，整个培养过程均在超净工作环境下进行。按照研究中的方法[27-28]，对筛选出的间二氯苯优势菌进行形态观察和生理生化实验分析。筛选即将分离自土壤中的菌株，用6 mm无菌滤纸片吸收培养液后，贴于选择培养基上，在37 ℃培养2 d后，滴加AgNO3溶液，根据滤纸片周围生长圈和显色圈大小，判断菌株的降解能力。挑取降解能力较大的一些菌株降解间二氯苯，使用气相色谱仪，测试间二氯苯的剩余浓度，得到降解能力较好的菌株，标号为DH-1。菌株单体面积为0.96~1.5 μm2，有荚膜，有芽孢，有鞭毛；菌落呈现圆形，乳白色黏稠状，边缘光滑，表面平滑，培养基不变色。如图1所示，用透射电镜观察菌株，呈杆状，有芽孢，形态饱满。菌株的生理生化实验鉴定结果都为淀粉水解阳性、革兰氏阴性、明胶水解阳性、甲基红阴性以及伏-普实验阴性。以DH-1的基因序列构造系统发育树，通过分析可知，菌株DH-1属于土壤短芽孢杆菌(Brevibacillus agri)。
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筛选鉴定所需培养基：富集培养基(蛋白胨10.0 g·L−1，酵母膏5.0 g·L−1，NaCl 10.0 g·L−1)、无机盐培养基(K2HPO4·3H2O 13.75 g·L−1，KH2PO4 1.8 g·L−1，(NH4)2SO4 1 g·L−1)、LB固体培养基(琼脂15.0 g·L−1，蛋白胨10.0 g·L−1，酵母膏5.0 g·L−1，NaCl 10.0 g·L−1)。
生理生化实验所需试剂：卢戈氏碘液、结晶紫染液、乙醇、番红复红液、甲基红试剂、KOH、α-萘酚溶液(5%)。
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在无机盐培养基(50 mL)中，添加土壤短芽孢杆菌均匀菌液和间二氯苯(经丙酮助溶)，按照不同实验条件恒温培养，直至适当时间终止培养。在波长为600 nm下，使用紫外分光光度计测量吸光度，测得值即为菌液浓度OD600值。
采用顶空法，在气相色谱仪(Clarus580，PerkinElmer，美国)上记录间二氯苯峰面积，外标法得出间二氯苯的剩余浓度值[29]。气相色谱工作条件如下：色谱柱为石英毛细管色谱柱(30 m×0.32 mm×0.5 μm)，柱温采用程序升温方式，初温40 ℃保持4 min，经过40 ℃·min−1，达到终温220 ℃；1 μL汽化室温度为300 ℃，检测器温度为300 ℃，载气流速为1.0 mL·min−1，分流比为60∶1[30]。所有实验均重复3次。
使用傅里叶红外光谱仪(fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)和X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)对细菌表面官能团进行表征分析。菌体经冷冻干燥后，磨成粉末，得到生物样品，送至盐城工学院分析测试中心进行检测。
菌株的16S rRNA基因序列的同源性分析鉴定一般分为2步：第1步提取DNA；第2步将DNA进行PCR扩增，得到16S rRNA基因序列，最后对序列进行分析鉴定。产物进行电泳检测，整个菌种测序工作由上海生工生物工程技术服务有限公司完成。
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实验所用小试规模的生物滴滤器(biotrickling filter, BTF)结构如图2所示。包括有机玻璃柱(高度1 000 mm，外径200 mm，壁厚2.5 mm)、填料(2层圆柱形聚氨酯海绵结构，高度 300 mm)、矩形槽(营养池，长度400 mm，宽度300 mm，高度 200 mm)。将生物填料连续喷洒10 L·h−1的再循环水相从营养池中喷出，下方的多孔承载板(孔径10 mm)既保护填料避免脱落，也保证气体和营养液轻易通过。为了确保工艺条件，循环营养液由液压泵提升至喷淋口，间二氯苯经挥发槽鼓泡混合清洁空气而形成模拟气体，通过调节流量计来控制模拟气体间二氯苯的质量浓度。
1.1. 菌株来源
1.2. 培养基和化学试剂
1.3. 分析方法
1.4. 废气处理装置和流程
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在50 mL的无机盐培养基中添加130 mg·L−1的间二氯苯，控制降解时间、菌液接种量、pH和温度4个变量，确保OD600值在0.2~0.8，测定不同条件下的菌液浓度OD600值和间二氯苯剩余浓度。结果显示，OD600值和间二氯苯去除率曲线趋势一致，在菌液浓度达到最高的同时，间二氯苯的去除率也能达到峰值，此时对应的横坐标变量值即为最佳条件下的变量条件。在48 h，控制其他3个变量不变，在不同降解时间、菌液接种量、pH和温度条件下，OD600值可达0.51、0.44、0.42和0.39，间二氯苯去除率可达85.46%、84.28%、81.05%和83.51%。实验结果表明，菌株DH-1降解间二氯苯的最佳条件为：降解时间48 h，菌液接种量10%，pH=7，温度25 ℃(图3)。
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在2.1节的最佳生长条件下，考察生物滴滤器在启动阶段的性能。运行前期，BTF性能不稳定，间二氯苯的去除率呈现很大的波动性。在图4中，随着进气浓度的逐渐升高，菌株对有机废气的耐受能力时强时弱，导致在0~8 d过程中间二氯苯的去除率时高时低。在9~14 d过程中，高浓度间二氯苯废气使菌株受到了毒副作用，BTF去除率大幅衰减。BTF的去除率在运行22 d后，达到70%以上，并趋于稳定，这是因为菌株耐受能力增强后大量繁殖导致的。第20天时，当进气浓度达到1 000 mg·m−3时，BTF的去除率为63.7%；运行25 d后，BTF的去除率达到75.6%，且趋于稳定，说明此时BTF挂膜成功，启动阶段完成。
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生物滴滤器处理间二氯苯废气实验运行了125 d，包括启动运行阶段和稳定运行阶段。启动25 d后，反应器进入稳定运行阶段，总计运行100 d。
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1）空床停留时间对间二氯苯去除率的影响。空床停留时间(empty bed residence time, EBRT)为生物滴滤塔容积与进气流量的比，进气流量决定了EBRT，是影响传质的重要因素[31]。在相同进气负荷(intake load rate, ILR)条件下，即当生物滴滤器中ILR为4.55~122.57 g·(m3·h)−1时，研究不同EBRT对去除率的影响。由图5可见，降低空床停留时间，BTF的去除率会显著下降。当EBRT为90 s时，BTF的去除率可以维持在80%以上，这是由于停留时间较长，微生物能够捕捉更多废气中的间二氯苯分子。随着EBRT的减少，微生物较少地甚至来不及捕捉间二氯苯分子，因此去除效果变差。在EBRT为30、60和90 s时，数据表明在相同ILR、较长的EBRT下可以获得较高的去除率。
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2）进气浓度对间二氯苯去除率的影响。当进气浓度过低时，当微生物得不到充足的碳源，生长迟缓；当进气浓度过高时，微生物被严重毒害，生物膜提前老化。适宜的进气浓度范围是考察BTF性能的关键因素。当进气浓度从1 107.7 mg·m−3增加至1 383.28 mg·m−3时，出气浓度从173.18 mg·m−3上升到371.89 mg·m−3(图6)。在EBRT为90 s时，进气浓度维持在1 100 mg·m−3左右，出气浓度曲线逐渐走低，去除率在运行后期达到75%以上。在EBRT为30 s时，进气浓度渐渐升高至1 383.28 mg·m−3，出气浓度也不断升高，去除效果变差，去除率低于60%；生物菌受到高浓度间二氯苯气体的毒害作用，失去活性甚至衰弱死亡，BTF去除率过低，表明该范围浓度不适合BTF的稳定运行。每次改变EBRT，去除率都会发生明显的改变，这是由生物降解体系有一定的滞后性引起的，EBRT越短，滞后性越明显[32]。当EBRT较短时，进气浓度升高，BTF的去除效果降低，耿凤华等[33]也得出了类似结论。
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3）进气负荷对间二氯苯去除率的影响。在EBRT为90 s时，研究不同进气负荷(ILR)对去除率的影响，确定微生物降解的最佳进气负荷范围(如图7所示)。当BTF中进气负荷(ILR)为4.55~60.32 g·(m3·h)−1、4.95~79.23 g·(m3·h)−1、4.75~119.78 g·(m3·h)−1时，在EBRT为90 s时，间二氯苯的去除率降幅明显。在低浓度进气负荷范围内，去除率数据点比较集中，在90%以上，这是由于微生物充分利用了低浓度间二氯苯提供的碳源，提高了间二氯苯的去除率。在高浓度进气负荷范围内，去除率曲线迅速下降，相比低浓度范围的ILR，ILR为4.75~119.78 g·(m3·h)−1，去除率降速明显，这是由于高负荷的间二氯苯废气对微生物产生了抑制作用。研究结果表明，在相同EBRT下，ILR的增加不利于间二氯苯在BTF中的去除，最佳进气负荷为4.55~60.32 g·(m3·h)−1。
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从2.3节已经得知菌株DH-1对间二氯苯的降解能力，可以使用FTIR和XPS，分析间二氯苯在BTF中稳定运行阶段菌株表面的变化情况。采集填料表面菌体按照1.3节中的方法制成生物样品，进行FTIR和XPS表征。从傅里叶红外光谱图(图8)可以看出，在指纹区，波数在900~600 cm−1处，主要是亚甲基的面内摇摆振动和芳环的面内振动，波数895.8 cm−1对应的是间位取代苯环吸收峰，且峰形较弱，说明菌体表面存在间二氯苯分子。在1 300~900 cm−1处，主要存在C—H的面外弯曲振动(981.1 cm−1)，游离—OH (1 051.5 cm−1)在官能团区的1 500~1 300 cm−1处，存在甲基的弯曲振动(1 385 cm−1附近)和亚甲基的剪式弯曲振动(1 460 cm−1附近)；在2 000~1 500 cm−1和1 542.8 cm−1处，存在来自氨基酸中的C=NH，且峰形较宽；在1 665.3 cm−1处，存在来自羧酸的C=O的伸缩振动，在1 739 cm−1处，存在酸酐；在2 500~2 000 cm−1处，主要出现了1个特征峰，由于峰比较强且尖锐，说明是C=NH或者=NOH；在4 000~2 500、2 966.1和2 926 cm−1处分别是甲基和亚甲基的反对称振动；在3 400~3 200 cm−1处，由于形成氢键导致波数向低频移动，产生了1个很宽的羟基吸收峰。通过官能团区的峰形分析得出，间二氯苯在菌株表面被降解的同时，还与菌株中的蛋白质存在相互键合作用，且逐渐被菌株开环降解。
图9为XPS C1s轨道能谱图。由此可以看出，C主要有3种峰，结合能284.7 eV处为芳香碳，286.2 eV处为C—OH，288.0 eV处为C=O且偏移了0.8 eV(文献值为287.3 eV[34])。XPS数据证实了FTIR的结果：间二氯苯在降解过程中，逐渐被羧酸化后开环降解。
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为了研究土壤短芽孢杆菌DH-1在BTF中的含量以及BTF中菌系群落结构的变化，在稳定期间，从BTF中采集填料表面菌体，进行基因序列的同源性分析鉴定[35]。由图10可以看出：短杆菌种类占69.39%，在微生物群落中占优势；在BTF中也存在其他菌株，包括8.49%芽孢杆菌、5.71%假单胞菌、2.35%柠檬酸杆菌、3.08%红杆菌和0.32%不动杆菌等。在稳态操作期间，土壤短芽孢杆菌(Brevibacillus)种群在BTF的细菌群落中占比最大，表明土壤短芽孢杆菌DH-1在BTF中对间二氯苯降解发挥着极大的作用。同时该研究结果也表明，菌株DH-1在未来的工业应用中对间二氯苯废气的连续处理将会是有效的。
2.1. 优势菌最佳生长条件的确定
2.2. 生物滴滤器的启动
2.3. 生物滴滤器的稳定运行
2.4. 菌株表面官能团分析
2.5. 菌系结构的变化
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1)从土壤中筛选1株具有降解间二氯苯能力的菌株，鉴定为土壤短芽孢杆菌DH-1(Brevibacillus agri)，菌株适宜生长的条件为：降解时间为48 h，菌液接种量为10%，pH=7，温度为25 ℃。
2)在空床停留时间为90 s、进气浓度为1 000 mg·m−3、进气负荷为60 g·(m3·h)−1条件下，间二氯苯的去除率可以维持在85%以上。说明较长的EBRT、较低的进气浓度和进气负荷下可以获得较高的去除率。
3)在稳定运行期间，菌体表面官能团的变化表明，间二氯苯在降解过程中被加氧羧化后，逐步被生物降解；生物滴滤器中土壤短芽孢杆菌占比达69.39%，在BTF的细菌群落中占主导地位，并可以良好生长。
