嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析

谢晓航, 叶萌, 潘宏, 许宋思恒, 杨慧, 柯榆杰, 宋慧婷. 嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
引用本文: 谢晓航, 叶萌, 潘宏, 许宋思恒, 杨慧, 柯榆杰, 宋慧婷. 嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
XIE Xiaohang, YE Meng, PAN Hong, XU Songsiheng, YANG Hui, KE Yujie, SONG Huiting. Degradation characteristics and kinetic analysis of phenolic pollutants by Rhodococcus biphenylivorans B403[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
Citation: XIE Xiaohang, YE Meng, PAN Hong, XU Songsiheng, YANG Hui, KE Yujie, SONG Huiting. Degradation characteristics and kinetic analysis of phenolic pollutants by Rhodococcus biphenylivorans B403[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105

嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析

    作者简介: 谢晓航(1994—),男,硕士研究生。研究方向:环境微生物工程。E-mail:474672223@qq.com
    通讯作者: 宋慧婷(1975—),女,博士,教授。研究方向:水污染控制与生态修复技术。E-mail:htsong@hubu.edu.cn
  • 基金项目:
    湖北省科技厅技术创新重大专项(2018ABA096);武汉市科技计划(2019020701011496);国家级大学生创新创业训练计划项目(201810512040,201910512029)
  • 中图分类号: X172

Degradation characteristics and kinetic analysis of phenolic pollutants by Rhodococcus biphenylivorans B403

    Corresponding author: SONG Huiting, htsong@hubu.edu.cn
  • 摘要: 为提高降酚菌株的降酚能力,实验测定了嗜联苯红球菌B403对6种酚的最小抑菌浓度,考察了该菌在不同碳源条件下的生长与降酚特性及其关联,进而研究其降解动力学规律。结果表明,菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚、对硝基苯酚、2, 4-二氯苯酚和2, 4, 6-三氯苯酚的最小抑菌浓度分别为1 190、630、700、140、70、48 mg·L−1,菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚表现出较强的耐受性。分别以这3种酚为唯一碳源,该菌株能有效降解苯酚和间甲酚,无机盐培养基中处理30 h后,苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解率分别为97.85%、100%、56.54%;当有其他有机碳源存在时,菌株B403的生物量大幅度提高,3种酚的降解效率也显著提高,处理15 h后LB-无机盐混合培养基中苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解率分别为98.92%、99.93%、94.35%。菌株B403的降酚动力学过程符合Haldane模型,菌株B403降解苯酚的动力学参数为qm=0.503 h−1Ks=270.9 mg·L−1KI=69 mg·L−1;降解间甲酚时,qm=0.672 h−1Ks=171.9 mg·L−1KI=23.74 mg·L−1;降解邻苯二酚时,qm=1.749 h−1Ks=541.9 mg·L−1KI=42.61 mg·L−1。根据动力学方程,推论降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚的最佳浓度分别为136.4、87.4、116.1 mg·L−1。综合上述结果,其他有机碳源的存在可以显著提高该菌株降酚能力和降解效率,在工业含酚废水治理及有机质丰富的酚类污染土壤修复领域具有一定的应用潜力。
  • 随着我国工业化和城市化的迅速发展,能源消耗日益增长,城市人口迅速膨胀,机动车保有量激增,导致NOx、一氧化碳(CO)和VOCs等臭氧(O3)前体物排放量不断增加[1-4],O3逐渐成为我国城市环境空气的主要污染物,严重威胁了人类健康和植物生长[5],也引起了众多学者的广泛关注. 近年来,大量研究围绕光化学烟雾和臭氧污染展开,结果表明,在短期内排放源大致不变的情况下,气象条件是影响臭氧污染最重要的因素,臭氧污染典型气象条件表现为太阳辐射强、气温高、相对湿度适宜、地面小风速及特定的风向[6-9].

    宁夏回族自治区地处中国西北部内陆,气候干燥、太阳辐射强,日照时间长[10],为臭氧前体物的转化提供了有利的气象条件,加之近年来,受城市化及宁东能源化工基地(简称“宁东基地”)污染排放影响,造成宁夏臭氧污染天气频发. 特别是2017年银川市日最大8小时浓度(O3−8 h)值超出二级标准,达到轻度及以上污染达48 d,臭氧污染引起了自治区政府及相关部门高度重视. 近年来,学者们对银川市臭氧污染及气象条件特征等方面开展了分析研究[11-14],结果表明,银川市臭氧浓度日变化呈单峰性,午后易出现臭氧超标,臭氧浓度与紫外辐射强度和气温呈正相关、与相对湿度呈负相关. 目前,对宁夏其它地市的臭氧污染的气象条件特征研究较少,宁夏臭氧污染预报预警技术支撑薄弱. 按中国气象局要求,从2018年起,每年5—9月全国各省市开展臭氧污染气象条件等级预报业务,但由于缺乏技术支撑,目前宁夏臭氧污染气象条件等级预报业务也仅是以经验为主,随意性大,精细化程度不够,预报服务效果不理性.

    本文针对宁夏臭氧污染现状及臭氧污染等级客观精细化预报服务业务需求,利用环境和气象数据,采用相关性分析和概率统计方法,从臭氧污染高影响气象因子着手,在分析各地市臭氧污染气象条件特征基础上,综合考虑各气象因子对臭氧生成的贡献大小,建立宁夏臭氧污染气象条件评价指标体系;基于评分及预报效果检验评估结果,参照《全国臭氧气象预报业务规范》,建立臭氧污染气象条件指数预报模型和等级预报标准. 研究结果将为宁夏臭氧污染气象条件客观化精细化预报提供技术支撑,实现臭氧污染气象条件定量化精细化监测,为宁夏各地市臭氧污染预报预警及科学应对臭氧污染提供技术支撑和决策参考.

    环境空气质量数据来源于宁夏回族自治区生态环境监测站提供的2017—2020年宁夏五地市(银川市、石嘴山市、吴忠市、中卫市、固原市)18个环境空气质量国控监测点及宁东基地5个区控监测点O3质量浓度逐小时数据和城市O3−8 h数据. 同期气象数据来源于宁夏气象信息中心,为距离环境监测点最近的自动气象站逐小时气温、相对湿度、风速、风向、总云量、降水等,其中,2017—2019年总云量资料为银川市、中卫市和固原市气象站保留3次人工观测的中午14时总云量数据,用于臭氧污染气象条件指数预报模型建立;另外,还使用了风云4号卫星反演的2020年五地市及宁东地区总云量资料,用于指数预报模型预报效果检验评估. 宁夏行政区划及环境空气监测站点和气象观测站点位置见图1.

    图 1  宁夏环境空气自动监测站点和气象观测站点分布
    Figure 1.  Distribution of ambient air automatic monitoring stations and meteorological observation stations in Ningxia

    臭氧超标率(E)定义:根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ 633—2012)臭氧二级标准为1 h平均浓度大于200 μg·m−3.

    E=t1t×100 (1)

    式(1)中,t1是某个时间段内臭氧浓度超出200 μg·m−3的时次,t是总时次,E为臭氧超标率.

    太阳辐射强度是影响臭氧浓度变化的重要原因之一,太阳辐射强弱又与温度有关[15],因此分析温度对臭氧污染的影响非常重要. 本文参考相关文献[16],统计不同度区间的臭氧平均浓度和超标率,分别将气温与其他气象因子联立,统计联立后的臭氧平均浓度和超标率,即以气温为参照,研究其他气象因子对臭氧平均浓度和超标率的影响,从而确定所有气象因子的影响权重,最后得出指数预报模型及等级预报分级标准.

    研究表明,臭氧是二次污染物,主要来源于挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOx)的光化学反应[17-18]。本文选取了白天的臭氧浓度和气象要素进行相关性分析,结果表明,各地臭氧浓度与气温均呈明显正相关,相关系数为0.64—0.72;与相对湿度均呈较明显负相关,相关系数−0.36—−0.55;与风速呈弱正相关,相关系数0.11—0.32. 由于风向用0—360数值表示,如:北风用0标记,东风用90标记;总云量用0—10的整数数据标记,如晴天无云标记为0,满天云系标记为10成云;宁夏全年降水过程较少,无降水或微量降水自动气象观测均标记为0,而臭氧浓度数值变化范围较大,因此,臭氧浓度与风向、总云量和降水量的相关性不明显(见表1).

    表 1  宁夏五地市及宁东基地气象要素与臭氧浓度相关系数
    Table 1.  Correlation coefficients of meteorological elements and ozone concentration in five cities of Ningxia and Ningdong base
    站点Station气温Temperature湿度Humidity风速Wind speed风向Wind direction云量Cloud cover降水量Precipitation
    银川0.67−0.360.180.013−0.022−0.039
    石嘴山0.71−0.490.24−0.018−0.0210.041
    吴忠0.69−0.420.230.015−0.101−0.059
    中卫0.71−0.490.24−0.102−0.0260.026
    固原0.64−0.550.32−0.0320.025−0.132
    宁东0.72−0.420.110.011−0.011−0.021
    全区平均0.69−0.460.22−0.019−0.026−0.031
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    为进一步探讨气象要素变化对臭氧浓度的影响,通过对2017—2019年宁夏5个地市及宁东基地臭氧浓度和超标率进行分类统计发现,气温、相对湿度、风速、云量、降水等气象要素对臭氧浓度和超标率都有影响. 各地臭氧浓度和超标率均随气温升高而升高,气温超过30℃时,各地平均臭氧浓度和超标率分别为130.3—184.0 μg·m−3、0.1 %—19.2%. 各地臭氧浓度和超标率均随湿度增大而减小,较干燥的环境(相对湿度≤55%)臭氧浓度和超标率相对较高,各地分别为95.1—134.7 μg·m−3、0.1%—6.0%,相对湿度在55%以上时臭氧浓度和超标率较低. 风速小于1 m·s−1时,各地臭氧浓度和超标率均较低,风速在2—3 m·s−1之间时,臭氧浓度和超标率相对较高,各地分别为96.2—124.2 μg·m−3、0.2%—4.9%,风速在5 m·s−1及以上时,臭氧浓度也较高,但不易出现超标. 不同风向下各地臭氧浓度和超标率无明显变化. 云量对臭氧影响表现为:云量在0—3成的晴天各地臭氧平均浓度和超标率均较高,分别为112.4—149.0 μg·m−3、0.9%—7.9%,云量在4—10成的多云或阴天较低. 降水对臭氧浓度和超标率也有一定影响,无雨时臭氧浓度和超标率分别为102.8—135.8 μg·m−3、0.5%—3.0%,小时雨量大于1 mm,臭氧浓度明显降低,除银川超标率为1.6 %外,其它地市未出现臭氧浓度超标.

    为了突出温度对臭氧浓度的影响并兼顾考虑其它气象因子的影响,以银川市为例,对气象因子联合对臭氧浓度的影响进行分析. 结果表明,当气温在30℃以上,相对湿度在15%—55%之间,臭氧浓度和超标率均较高,分别在149.7—189.2 μg·m−3、8.2%—23.9%之间;湿度大于55%,臭氧浓度和超标率相对较低(见图2). 云量对于臭氧浓度和超标率的影响也与温度密切相关,阴天臭氧浓度和超标率均较低;当气温在30℃以上,云量在0—3成的晴好天气,臭氧浓度和超标率均增大,分别在202.1—218.9 μg·m−3、12.5%—19.2%之间(见图3). 风速对于臭氧浓度的影响,在不同的温度区间下表现也不一样,温度在25℃以下,臭氧浓度相对较低,不会引起臭氧超标,当温度大于30℃,风速在2—3 m·s−1之间时,臭氧浓度和超标率均明显增大,分别在157.0—171.0 μg·m−3、10.8%—23.1%之间,风速在5 m·s−1及以上时,臭氧浓度也较高,但不易出现超标(见图4). 风向对臭氧超标率的影响也与温度密切相关,温度在25℃以下,不同风向下的臭氧超标率都很小,当气温在30℃以上,不同风向下的臭氧浓度和超标率都较大,分别在152.1—179.8 μg·m−3、9.4%—29.5%之间(图略),进一步说明温度是影响臭氧浓度的最主要因子,风向对臭氧浓度影响较小.

    图 2  气温与湿度联合对臭氧浓度及超标率的影响
    Figure 2.  The combined effect of temperature and humidity on ozone concentration and over standard rate
    图 3  气温与云量联合对臭氧浓度及超标率的影响
    Figure 3.  The combined effect of air temperature and cloud cover on ozone concentration and over standard rate
    图 4  气温与风速联合对臭氧浓度及超标率的影响
    Figure 4.  The combined effect of temperature and wind speed on ozone concentration and over standard rate

    分析结果表明,气温超过30℃时,当相对湿度在15%—55%之间、云量小于3成、风速在2—3 m·s−1之间时,臭氧浓度和超标率均较高.

    从以上分析看,温度是臭氧污染的高敏感的气象因子[19],臭氧浓度和超标率随着气温升高而明显升高,相对湿度、云量、风速对臭氧浓度的影响也较为明显,降水也有一定影响,但宁夏属于干旱少雨地区,全年各地降水次数少,同时降雨时气温也相对较低,湿度也较大,这两个气象要素也可间接代表降水对臭氧浓度影响,风向对臭氧浓度和超标率的影响不明显.

    基于上述分析结果,选取气温、相对湿度、云量、风速做为臭氧污染气象条件评价气象因子,将温度作为臭氧污染的高敏感的气象因子,综合考虑五地市及宁东地区不同温度区间的臭氧浓度和超标率大小进行气温基础(Ts)评分,平均浓度越大、超标率越高,评分愈大. 评分规则为:臭氧平均浓度在80 μg·m−3以下得0分,80—100 μg·m−3得1分,100—120 μg·m−3得2分,以此类推,浓度每增加20 μg·m−3增加1分;超标率为0时得0分,0—2%得1分,2%—4%得2分,以此类推,超标率每增加2%增加1分,各地市气温基础分为臭氧浓度和超标率得分的平均值(见表2). 从表2可看出,银川市、石嘴山市、吴忠市、中卫市、固原市、宁东气温基础分最高值分别为8分、8分、5分、4分、3分、5分,南北差异较大,由于银川市和石嘴山市是宁夏臭氧污染最严重的区域,臭氧浓度高,易出现臭氧超标[13],气温基础分较高;而固原市臭氧浓度为全区最低,且不易出现臭氧超标,气温基础分最低,评分结果符合宁夏臭氧污染实际状况.

    表 2  气温基础分(Ts)
    Table 2.  Basic temperature score (Ts)
    站点Station 气温/℃ Temperature
    T< 2020≤T<2525≤T<3030≤T<3333≤T<35T≥ 35
    银川平均浓度/(μg·m−370.899.7133.4159.4165.5184.0
    超标率(E)/%0.00.34.210.812.819.2
    气温基础分(Ts)013568
    石嘴山平均浓度/(μg·m−376.4104.9132.9157.1167.0181.1
    超标率(E)/%0.00.01.510.312.118.6
    气温基础分(Ts)012568
    吴忠平均浓度/(μg·m−367.591.9121.8141.3143.5150.4
    超标率(E)/%0.00.10.72.86.510.8
    气温基础分(Ts)012345
    中卫平均浓度/(μg·m−371.4101.8122.9138.2143.0144.5
    超标率(E)/%0.00.00.20.73.16.5
    气温基础分(Ts)012234
    固原平均浓度/(μg·m−369.6101.9118.8130.3144.7
    超标率(E)/%0.00.00.00.12.1
    气温基础分(Ts)01123
    宁东平均浓度/(μg·m−374.499.4121.1141.2144.4165.8
    超标率(E)/%0.00.10.42.26.28.1
    气温基础分(Ts)012345
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    以银川市为例,基于上述分析并结合相关研究成果[13-14],气温与相对湿度联合评分结果(见表3),表明了在同样的气温条件下,不同湿度对臭氧形成贡献不一样,例如温度在33—35℃之间时,相对湿度在15%—55%之间,评分为8分,大于气温基础分6分,说明该等级下相对湿度在15%—55%之间对臭氧的生成有促进作用;温度在33—35℃之间时,相对湿度≥65%,评分为5分,小于气温基础分6分,说明该等级下湿度≥65%对臭氧浓度有削弱作用. 参考相关文献[16],各气象因子单独评分为气温与其它气象因子联合评分减去气温基础分.

    表 3  气温与相对湿度联合评分
    Table 3.  Combined scores of temperature and relative humidity
    相对湿度(Rhs)/%Relative humidity气温/℃Temperature
    T<2020≤T<2525≤T<3030≤T<3333≤T<35T≥35
    Rh<15013679
    15≤Rh<250137810
    25≤Rh<350137810
    35≤Rh<450137810
    45≤Rh<55013568
    55≤Rh<65013568
    65≤Rh<75013457
    Rh≥75013457
    气温基础分(Ts)013568
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    银川市相对湿度单独评分:将气温与相对湿度联合评分减去气温基础分得到相对湿度单独评分(见表4). 从表4可看出,湿度对臭氧浓度的作用,正值表示对臭氧生成有促进作用,负值表示对臭氧的生成有减弱作用. 气温超过30℃时,相对湿度在15%—55%之间,最有利臭氧生成,相对湿度超过65%以上时,不利于臭氧的生成.

    表 4  单独评分(联合评分−气温基础分)
    Table 4.  Individual scores (joint score-basic temperature score)
    气象要素Meteorological element气温/℃ Temperature
    T<2020≤T<2525≤T<3030≤T<3333≤T<35T≥35
    相对湿度/% Rh<15000111
    15≤Rh<25000222
    25≤Rh<35000222
    35≤Rh<45000222
    45≤Rh<55000000
    55≤Rh<65000000
    65≤Rh<75000−1−1−1
    Rh≥75000−1−1−1
    总云量/成 0—3000111
    4—7000000
    8—10000−1−1−1
    风速/(m·s−1V<1000000
    1≤V<2000111
    2≤V<3000111
    3≤V<4000000
    4≤V<5000−1−1−1
    V≥5000−1−1−1
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    银川市云量单独评分:将气温与云量联合评分减去气温基础分得到云量单独评分(见表4). 从表4可看出云量对臭氧浓度的作用,正值表示对臭氧生成有促进作用,负值表示对臭氧的生成有减弱作用. 气温超过30℃时,云量小于3成,最有利臭氧生成,云量超过8成,不利于臭氧的生成.

    银川市风速单独评分:将气温与风速联合评分减去气温基础分得到风速单独评分(见表4). 从表4可看出风速对臭氧浓度的作用,正值表示对臭氧生成有促进作用,负值表示对臭氧的生成有减弱作用. 当气温超过30℃时,风速1—3 m·s−1最有利于臭氧生成,风速大于4 m·s−1不利于臭氧的生成.

    由于气象因子对各地市臭氧浓度的影响较一致,气温基础分差异较大,气温与其它气象因子联合评分也会有明显差异,但两者的差值一致,所以各地市除气温外的其它气象因子单独评分均采用表4评分结果.

    另外,由于宁夏属于高海拔、高辐射地区,五地市及宁东代表站海拔高度在1110.9—1753 m之间,海拔高度最低为银川市,海拔高度最高为固原市,地势南高北低,南北差异明显. 研究也表明,随着海拔高度增加,近地面紫外辐射强度也增加[20],而太阳紫外线辐射强度与臭氧浓度呈正比[13-14]. 从表2也可看出,宁夏自北向南臭氧超标率明显降低,但臭氧浓度降低不明显,由于无紫外线辐射强度客观预报模式产品,为使臭氧污染气象条件指数预报模型算法实现业务化,且突出紫外线辐射对臭氧浓度影响,将海拔高度引入评分体系(Hbs). 综合考虑宁夏各地下垫面特征、污染排放特征等,评分规则为:海拔高度在1500 m以下,评分为0分,超过1500 m评分为1分.

    综合各气象因子并考虑太阳辐射对臭氧污染的影响,将海拔高度引入预报评价模型,给出的宁夏臭氧污染气象条件指数(OPMCI)预报模型为:

    OPMCITsRhsClsWSsHbs (2)

    式(2)中,Ts为各地市气温基础评分,Rhs为相对湿度单独评分,Cls为总云量单独评分,WSs为风速单独评分,Hbs为海拔高度评分.

    根据宁夏臭氧污染气象条件指数OPMCI总评分,参照《全国臭氧气象预报业务规范》,将OPMCI从小到大分为1—6级,从不易臭氧污染到极易臭氧污染,建立了臭氧污染气象条件指数预报模型和等级预报标准. 从2017—2020年宁夏各地市臭氧污染状况看,污染级别为轻度及以下,出现4级中度臭氧污染的天数也较少,未出现5级及以上重度臭氧污染. 为建立与宁夏臭氧污染实际情况相适应且对臭氧污染预报有指导意义的气象条件等级预报标准,等级预报分级标准评分区间的划分预留了5级评分,排除了6级预报结果(见表5).

    表 5  臭氧污染气象条件预报分级标准及等级描述
    Table 5.  Classification standards and descriptions of meteorological conditions for ozone pollution
    臭氧污染气象条件指数OPMCI总评分Classification standards and descriptions of meteorological等级Grade描述Description
    ≤2分1级很不利于臭氧生成
    3—5分2级不利于臭氧生成
    6—8分3级较利于臭氧生成
    9—10分4级有利于臭氧生成
    11—12分5级非常有利于臭氧生成
    >12分6级极有利于臭氧生成
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    基于臭氧污染气象条件评分标准、指数预报模型及等级预报分级标准,对2020年5—9月宁夏五地市及宁东基地进行逐时臭氧污染气象条件等级预报,统计了不同等级下的臭氧浓度和超标率. 并依据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ 633—2012),对2020年5—9月宁夏五地市及宁东基地臭氧浓度进行了分级. 结果表明,银川市、石嘴山市臭氧污染气象条件等级预报为1—5级,吴忠市、中卫市、宁东基地为1—3级,固原市为1—2级,且气象条件等级越高,各地臭氧浓度和超标率也越大(见图5). 臭氧污染气象条件等级预报与臭氧污染等级相一致的准确率银川市为77.4%、石嘴山市为87.9%、吴忠市为89.5%、中卫市为93.4%、固原市为99.9%、宁东基地为92.1% ,各地臭氧污染气象条件等级预报与臭氧浓度实际等级较为一致,其中,银川市等级预报准确率最低,固原市最高,也说明了银川市作为宁夏首府城市,随着城市人口增多,汽车保有量增大,本地及其周边污染企业臭氧前体物的排放和输送,加之有利于臭氧浓度升高的气象条件对臭氧污染的影响较大,而固原市为宁夏经济最不发达地区,人口和污染企业少、海拔高、辐射强,气象条件对臭氧污染的影响较大. 检验评估结果符合宁夏臭氧污染实际情况,指数预报模型算法及等级预报分级标准可为宁夏臭氧污染气象条件客观精细化预报业务提供技术支撑,对臭氧污染预报有指导意义.

    图 5  臭氧污染气象条件等级预报效果检验评估
    Figure 5.  Inspection and evaluation of the forecast effect of ozone pollution meteorological conditions

    (1)宁夏各地市臭氧浓度与气温均呈明显正相关,相关系数为0.64—0.72,臭氧浓度和超标率随着气温升高而明显升高;与相对湿度呈较明显负相关,相关系数−0.36—−0.55,相对湿度≤55%的较干燥的环境臭氧浓度和超标率相对较高;与风速呈弱正相关,相关系数0.11—0.32,风速在2—3 m·s−1之间时,臭氧浓度和超标率较高;与风向的相关性不明显,不同风向下的臭氧浓度和超标率变化不明显;与总云量相关性也不明显,但总云量在3成及以下时,臭氧浓度和超标率较大.

    (2)选取气温、相对湿度、总云量、风速作为臭氧污染气象条件预报的评价因子,并将海拔高度引入预报评价模型,间接表征了太阳辐射对臭氧浓度的影响,建立了宁夏臭氧污染气象条件指数预报模型;考虑宁夏臭氧污染的实际状况,建立了宁夏臭氧污染气象条件预报分级标准.

    (3)预报效果检验评估结果表明,各地臭氧污染气象条件等级预报与臭氧浓度实际等级较为一致,且气象条件等级越高,各地臭氧浓度和超标率也越大. 指数预报模型算法及等级预报分级标准可为宁夏臭氧污染气象条件客观精细化预报业务提供技术支撑,对臭氧污染预报有指导意义.

  • 图 1  菌株B403以苯酚为底物时在3种培养基中的生长情况

    Figure 1.  Growth of strain B403 in three mediumswith phenol as substrate

    图 2  菌株B403在3种培养基中对苯酚的降解特性

    Figure 2.  Phenol degradation characteristics by strain B403 in three media

    图 3  菌株B403以间甲酚为底物时在3种培养基中的生长情况

    Figure 3.  Growth of strain B403 in three media with m-cresol as substrate

    图 4  B403在3种培养基中对间甲酚的降解特性

    Figure 4.  M-cresol degradation characteristics by strain B403 in three media

    图 5  菌株B403以邻苯二酚为底物时在3种培养基中的生长情况

    Figure 5.  Growth of strain B403 in three media with catechol as substrate

    图 6  菌株B403在3种培养基中对邻苯二酚的降解特性

    Figure 6.  Catechol degradation characteristics of strain B403 in three media

    图 7  菌株B403对不同浓度的苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解曲线

    Figure 7.  Degradation curves of phenol, m-cresol and catechol with different concentrations by strain B403

    图 8  菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚的动力学拟合曲线

    Figure 8.  Kinetic fit curve of phenol, m-cresol and catechol degradation by strain B403

    表 1  菌株B403在不同浓度酚类物质中的生长情况

    Table 1.  Growth of strain B403 in different concentrations of phenolic substances

    苯酚/(mg·L−1)间甲酚/(mg·L−1)邻苯二酚/(mg·L−1)对硝基苯酚/(mg·L−1)2,4-二氯苯酚/(mg·L−1)2,4,6-三氯苯酚/(mg·L−1)
    1 100+++600+++600+++100+++0+++0+++
    1 110+++610++610+++110+++10+++8+++
    1 120+++620+620+++120++20+++16+++
    1 130+++630-*630+++130+30+++24++
    1 140+++640-640++140-*40+++32+
    1 150++650-650++150-50++40+
    1 160+660-660++160-60+48-*
    1 170+670-670++170-70-*56-
    1 180+680-680+180-80-64-
    1 190-*690-690+190-90-72-
    1 200-700-700-*200-100-80-
      注:“+++”表示细菌生长量多;“++”表示细菌生长量较多;“+”表示细菌生长量较少;“-”表示不能生长;*表示最小抑菌浓度。
    苯酚/(mg·L−1)间甲酚/(mg·L−1)邻苯二酚/(mg·L−1)对硝基苯酚/(mg·L−1)2,4-二氯苯酚/(mg·L−1)2,4,6-三氯苯酚/(mg·L−1)
    1 100+++600+++600+++100+++0+++0+++
    1 110+++610++610+++110+++10+++8+++
    1 120+++620+620+++120++20+++16+++
    1 130+++630-*630+++130+30+++24++
    1 140+++640-640++140-*40+++32+
    1 150++650-650++150-50++40+
    1 160+660-660++160-60+48-*
    1 170+670-670++170-70-*56-
    1 180+680-680+180-80-64-
    1 190-*690-690+190-90-72-
    1 200-700-700-*200-100-80-
      注:“+++”表示细菌生长量多;“++”表示细菌生长量较多;“+”表示细菌生长量较少;“-”表示不能生长;*表示最小抑菌浓度。
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    表 2  由Haldane模型得到的菌株B403降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚的动力学参数

    Table 2.  Degradation kinetic parameters of phenol, m-cresol and catechol by strain B403 obtained from Haldane model

    酚类污染物qm/h−1Ks/(mg·L−1)KI/(mg·L−1)误差平方和R2
    苯酚0.503270.9690.0390.97
    间甲酚0.672171.923.740.0240.998
    邻苯二酚1.749541.942.610.0510.954
    酚类污染物qm/h−1Ks/(mg·L−1)KI/(mg·L−1)误差平方和R2
    苯酚0.503270.9690.0390.97
    间甲酚0.672171.923.740.0240.998
    邻苯二酚1.749541.942.610.0510.954
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-19
  • 录用日期:  2019-11-01
  • 刊出日期:  2020-04-01
谢晓航, 叶萌, 潘宏, 许宋思恒, 杨慧, 柯榆杰, 宋慧婷. 嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
引用本文: 谢晓航, 叶萌, 潘宏, 许宋思恒, 杨慧, 柯榆杰, 宋慧婷. 嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
XIE Xiaohang, YE Meng, PAN Hong, XU Songsiheng, YANG Hui, KE Yujie, SONG Huiting. Degradation characteristics and kinetic analysis of phenolic pollutants by Rhodococcus biphenylivorans B403[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
Citation: XIE Xiaohang, YE Meng, PAN Hong, XU Songsiheng, YANG Hui, KE Yujie, SONG Huiting. Degradation characteristics and kinetic analysis of phenolic pollutants by Rhodococcus biphenylivorans B403[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105

嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析

    通讯作者: 宋慧婷(1975—),女,博士,教授。研究方向:水污染控制与生态修复技术。E-mail:htsong@hubu.edu.cn
    作者简介: 谢晓航(1994—),男,硕士研究生。研究方向:环境微生物工程。E-mail:474672223@qq.com
  • 1. 湖北大学资源环境学院,区域开发与环境响应湖北省重点实验室,武汉 430062
  • 2. 湖北大学生命科学学院,省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室,武汉 430062
基金项目:
湖北省科技厅技术创新重大专项(2018ABA096);武汉市科技计划(2019020701011496);国家级大学生创新创业训练计划项目(201810512040,201910512029)

摘要: 为提高降酚菌株的降酚能力,实验测定了嗜联苯红球菌B403对6种酚的最小抑菌浓度,考察了该菌在不同碳源条件下的生长与降酚特性及其关联,进而研究其降解动力学规律。结果表明,菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚、对硝基苯酚、2, 4-二氯苯酚和2, 4, 6-三氯苯酚的最小抑菌浓度分别为1 190、630、700、140、70、48 mg·L−1,菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚表现出较强的耐受性。分别以这3种酚为唯一碳源,该菌株能有效降解苯酚和间甲酚,无机盐培养基中处理30 h后,苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解率分别为97.85%、100%、56.54%;当有其他有机碳源存在时,菌株B403的生物量大幅度提高,3种酚的降解效率也显著提高,处理15 h后LB-无机盐混合培养基中苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解率分别为98.92%、99.93%、94.35%。菌株B403的降酚动力学过程符合Haldane模型,菌株B403降解苯酚的动力学参数为qm=0.503 h−1Ks=270.9 mg·L−1KI=69 mg·L−1;降解间甲酚时,qm=0.672 h−1Ks=171.9 mg·L−1KI=23.74 mg·L−1;降解邻苯二酚时,qm=1.749 h−1Ks=541.9 mg·L−1KI=42.61 mg·L−1。根据动力学方程,推论降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚的最佳浓度分别为136.4、87.4、116.1 mg·L−1。综合上述结果,其他有机碳源的存在可以显著提高该菌株降酚能力和降解效率,在工业含酚废水治理及有机质丰富的酚类污染土壤修复领域具有一定的应用潜力。

English Abstract

  • 酚类污染物是工业废水中常见的一类污染物,在石油精炼、塑料制造、树脂生产、农药生产、钢铁制造以及油漆生产等工业生产过程都有酚类污染物的产生[1]。酚类污染物的种类很多,其中以苯酚、甲酚、氯酚的污染最为突出[2]。由于苯酚及其衍生物有毒且难以降解,在水环境中分布广泛,已对生态环境造成损害,同时也严重威胁着人类的生存和发展,中国将苯酚、间甲酚、2, 4-二氯苯酚、2, 4, 6-三氯苯酚、五氯苯酚和对硝基苯酚列入环境优先处理的污染物“黑名单”[3]。因此,高效治理含酚废水的研究十分重要。

    含酚废水的处理方法有很多,主要分为物理法、化学法和生物法。其中生物法因其成本低、二次污染小等优点而被广泛应用[4]。生物法处理含酚废水的关键在于降酚菌株的筛选[5]。据报道,国内外学者已从环境中成功分离、筛选出了一些降酚菌株。EREQAT等[6]从橄榄油废物中分离出1株苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis),在96 h内对700 mg·L−1苯酚的最大去除率可达到88.6%;JIANG等[7]从工业废水处理系统中分离出1株德巴利氏酵母(Debaryomyces),在32 h内可完全降解500 mg·L−1苯酚;贾子龙[8]从焦化废水中分离出1株假单胞菌(Pseudomonas sp.),可在78 h内完全降解360 mg·L−1间甲酚;黄强等[9]筛选得到1株铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),其降解50 mg·L−1对硝基苯酚需要8 h;于彩虹等[10]从首钢焦化废水处理系统中分离出蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus),其完全降解400 mg·L−1和800 mg·L−1苯酚所需要的时间分别为24 h和72 h。这些菌株均能以单一酚为唯一碳源进行生长,但在有其他有机碳源存在时酚类物质降解的研究较少。酚类污染物种类繁多,寻求对酚类污染物具有降解广谱性,能够降解不同酚类物质的菌株对含酚废水的生物处理具有重要意义。同时,为了更好地研究降酚菌对酚类污染物的降解机理,降解动力学的研究是必不可少的[11]。微生物降解动力学有助于微生物处理的设计、运行合理化与科学化,克服长期以来微生物处理的设计和运行多为根据经验数据来进行的局限,为酚类污染物的生物处理提供理论依据[12]

    本研究报道了1株能以多种酚类污染物作为唯一碳源生长的红球菌对酚类污染物的耐受性,并针对其在耐受性强的3种酚中的生长情况结合降解特性进行了分析,发现该菌株在其他有机碳源存在时表现出更高的酚降解效率,这一特性更利于在酚类污染物土壤、水体治理中的实际应用。为阐明该菌株对苯酚、间甲酚、邻苯二酚3种酚类污染物的最适降解环境,根据菌株对3种酚的最小抑菌浓度,选择合适的浓度梯度建立动力学模型,为酚类污染物的治理提供技术基础。

  • 实验用菌株为嗜联苯红球菌(Rhodococcus biphenylivorans),命名为B403,由湖北大学省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室筛选,其保藏编号为CCTCC NO:M 2019087。

    实验过程中所使用的培养基有3种类型:LB培养基、无机盐培养基、LB-无机盐混合培养基。LB培养基:胰蛋白胨10 g·L−1、酵母提取物5 g·L−1、NaCl 10 g·L−1。无机盐培养基:NaCl 0.2 g·L−1、KH2PO4 0.5 g·L−1、K2HPO4 0.5 g·L−1、NH4NO3 1 g·L−1、MgSO4·7H2O 0.2 g·L−1、FeSO4·7H2O微量。LB-无机盐混合培养基:胰蛋白胨5 g·L−1、酵母提取物2.5 g·L−1、NaCl 5.1 g·L−1、KH2PO4 0.25 g·L−1、K2HPO4 0.25 g·L−1、NH4NO3 0.5 g·L−1、MgSO4·7H2O 0.1 g·L−1、FeSO4·7H2O微量。

    以上培养基调节pH至6.5~7.0,121 ℃蒸汽灭菌后30 min备用,每组设置3个平行,酚类污染物配成5 g·L−1母液,过滤除菌后,按需加入培养基中。

  • 分别配制苯酚、间甲酚、对硝基苯酚、2, 4-二氯苯酚、2, 4, 6-三氯苯酚和邻苯二酚母液,设置苯酚浓度为1 100~1 200 mg·L−1、间甲酚浓度为600~700 mg·L−1、邻苯二酚浓度为600~700 mg·L−1、对硝基苯酚浓度为100~200 mg·L−1、2, 4-二氯苯酚浓度为0~100 mg·L−1、2, 4, 6-三氯苯酚浓度为0~80 mg·L−1。测定2, 4, 6-三氯苯酚时,每支试管浓度相差8 mg·L−1,测定其他酚类时,每支试管浓度相差10 mg·L−1。按0.6%的接种量接入菌株B403菌悬液,于28 ℃、200 r·min−1恒温摇床中培养24 h,肉眼观察,试管中溶液保持澄清时的最低浓度为最小抑菌浓度(MIC),通过最小抑菌浓度表征菌株对这6种酚的耐受性。

    用LB液体培养基活化菌株B403单菌落,48 h后分别接种菌液至LB培养基、无机盐培养基、LB-无机盐混合培养基中培养,控制接种后培养基中初始OD600=0.1。在3种培养基中加入同一种酚,每个处理设置3个重复,于28 ℃、200 r·min−1恒温摇床中培养51 h,每3 h 取样1次,测定细菌生长量。同时取样1 mL培养液至EP管中,在12 000 r·min−1离心5 min后取上清液,用双蒸水稀释50倍,经0.22 μm的有机相微孔滤膜过滤,高效液相色谱法测定酚含量。苯酚、间甲酚、邻苯二酚初始浓度均设置为500 mg·L−1

  • 细菌生长量的测定:用空白培养基做参比,在波长600 nm下测定菌液的光吸收值,记作OD600,反映液体培养基中该菌株的生长状况。

    苯酚含量的测定:采用高效液相色谱法[13],XDB-C18(5 μm,4.5 mm×150 mm)色谱柱,体积分数为50%的甲醇溶液为流动相,流速0.5 mL·min−1,柱温25 ℃,进样量10.00 μL,苯酚、间甲酚、邻苯二酚检测波长分别为270、272、270 nm。苯酚去除率按式(1)计算。

    式中:η为苯酚去除率;C0为初始苯酚浓度,mg·L−1C为反应后苯酚浓度,mg·L−1

  • 菌株B403在苯酚、间甲酚、邻苯二酚、对硝基酚、2, 4-二氯苯酚、2, 4, 6-三氯苯酚中的生长情况如表1所示。根据实验结果,菌株B403在实验浓度范围内的6种酚中均能生长,但对酚的耐受能力存在差异。菌株B403对苯酚的耐受能力最强,最小抑菌浓度为1 190 mg·L−1;其次是间甲酚和邻苯二酚,最小抑菌浓度分别为630 mg·L−1和700 mg·L−1。该菌对硝基苯酚、2, 4-二氯苯酚、2, 4, 6-三氯苯酚的最小抑菌浓度分别为140、70、48 mg·L−1,说明这3种酚对菌株B403的生长抑制较为强烈,可能与这3种酚中含有的硝基和卤原子取代基有关[14]。在耐受性实验基础上,选取耐受能力较强的苯酚、间甲酚和邻苯二酚考察菌株在不同碳源条件下的生长和降酚特性。

  • 在分析菌株B403在苯酚中的生长情况和降解效率时,以500 mg·L−1苯酚为底物,初始接种OD600一致,测定菌株B403生长量和苯酚含量。菌株B403在苯酚-无机盐培养基、苯酚-LB培养基及苯酚-LB-无机盐混合培养基中的生长曲线和对苯酚的降解曲线如图1图2所示。3种培养基中菌株B403表现出不同的生长特性,在苯酚-LB培养基中,菌株B403的生长状况最佳,在51 h内,OD600最大可增加至10.85。在苯酚-LB-无机盐混合培养基生长状况次之,51 h内,OD600最高值为6.65。而在苯酚-无机盐培养基中,菌株B403的生长状况最差,在51 h内,OD600最大值仅为0.97。这说明该菌能够以苯酚为唯一碳源生长,且在有其他有机碳源存在的情况下能快速提高菌株的生物量。苯酚-LB培养基和苯酚-LB-无机盐混合培养基的菌株在前15 h内生长情况基本一致。18 h后,菌株B403在苯酚-LB培养基和苯酚-LB-无机盐混合培养基中的生长明显加快,相比在无机盐培养基中差异更为明显。这说明在生长前期,苯酚对菌株B403生长有一定的抑制作用,这种抑制作用在苯酚作为单一碳源时更为显著。在含有其他有机碳源的条件下,18 h之后,苯酚对菌株的生长抑制减弱,菌株快速进入对数期,而苯酚为唯一碳源条件下,苯酚对菌株的生长抑制并没有随着时间的增加而减弱。

    菌株B403在不同培养基中酚降解效率存在明显差异,15 h时,苯酚-LB-无机盐混合培养基中菌株B403对苯酚的降解率最高,达到了98.92%,在苯酚-LB培养基中的苯酚降解率为85.87%。处理18 h后,2种培养基中的苯酚被完全降解,而苯酚-无机盐培养基中的菌株酚降解效率仅为62.27%,处理30 h能达到97.85%,菌株B403在苯酚-无机盐培养基中的降解效率最低与其低生物量密切相关[15]。添加有机碳源不仅能够增强该菌株对酚的耐受性,而且提高了生物酚降解效率[16-17]。在实验过程中发现,在苯酚降解过程中会产生邻苯二酚和顺, 顺-黏糠酸等中间产物,但这些中间产物量非常小,与已报道的结果[18-19]一致。低浓度邻苯二酚和顺, 顺-黏糠酸等中间产物对菌株生物生长抑制较弱,因此,推测在菌株B403生物降解苯酚的过程中主要抑制物为苯酚。18 h后,在苯酚-LB培养基和苯酚-LB-无机盐混合培养基中的苯酚完全被降解,此时菌株B403利用其他有机碳源继续生长,生长速率大幅度提升。菌株B403在苯酚-LB-无机盐混合培养基的降解效率高于在苯酚-LB培养基中的降解效率,这说明在含有较高生物量的情况下,添加少量的无机盐离子对该菌株降解苯酚有促进作用。

    关于苯酚的微生物降解已经有了大量的研究,陈晓华等[20]筛选了1株苍白杆菌(Ochrobactrum sp.),在30 ℃、初始pH=7.0、接种量为5%、初始苯酚浓度为400 mg·L−1的条件下,完全降解苯酚需要24 h;沈娥等[21]分离了1株红球菌W2,在30 ℃、pH=7.0、50 g·L−1NaCl 条件下,其降解500 mg·L−1苯酚需要78 h;高振贤等[22]发现Ralstonia metallidurans CH34菌株降解4 mmoL·L−1苯酚需要48 h。菌株B403在苯酚为唯一碳源的条件下,其降解苯酚能力明显高于以上文献报道中的菌株。在此基础上,添加常规碳源可大幅提高该菌株的苯酚降解能力,含酚工业废水以及土壤中往往含有丰富的常规碳源,这一特性更利于菌株B403在环境领域实际应用。

    在分析菌株B403在间甲酚中的生长情况和降解效率时,以500 mg·L−1间甲酚为底物,其他条件同上,绘制生长曲线和降解曲线,如图3图4所示。结果表明,在间甲酚-LB培养基中,在51 h内,OD600最大增加到8.58,菌株B403的生长状况最佳。在间甲酚-LB-无机盐混合培养基中,生长状况次之,51 h内,最高增长到5.23。而在间甲酚-无机盐培养基中,菌株B403的生长状况最差,在51 h内,OD600最大仅增长到0.44。这说明该菌不仅能以苯酚为唯一碳源生长,而且在间甲酚为唯一碳源时也能生长。当间甲酚为唯一碳源时,间甲酚及其代谢中间产物对菌株生长均有持续抑制作用,因而菌株生物量较低,而在有其他有机碳源存在时,18 h后间甲酚及其代谢中间产物对菌株的生长抑制作用减弱,导致菌株生物量大幅度提高。彭丽花等[23]发现,Citrobacter farmeri sp.在间甲酚完全降解的反应液中,中间产物所带来的TOC占总TOC的25%左右,间甲酚中间产物的进一步转化反应可能受到某种条件的制约。菌株B403在含苯酚的3种培养基中的生物量高于含同浓度间甲酚的3种培养基中的生物量可能与此相关。

    菌株B403在不同培养基中对间甲酚的降解效率存在明显差异。在12 h时,间甲酚-LB-无机盐混合培养基中菌株B403对间甲酚的降解率达到67.49%,15 h间甲酚被完全降解;间甲酚-LB培养基中在12 h时对间甲酚降解率为48.17%,15 h达到99.93%,18 h间甲酚被完全降解;而在18 h时,甲酚-无机盐培养基中的菌株对间甲酚的降解率仅为66.34%,30 h后,间甲酚被完全降解。间甲酚-LB培养基和间甲酚-LB-无机盐混合培养基中的间甲酚完全降解后,菌株B403可以利用其他有机碳源继续生长,生长速率大幅度提升。菌株B403在间甲酚-LB-无机盐混合培养基的降解效率高于在间甲酚-LB培养基中的降解效率,说明在含有较高生物量的情况下,添加适量无机盐离子对该菌降解间甲酚有一定的促进作用。菌株B403在间甲酚-LB培养基和间甲酚-LB-无机盐混合培养基中的高生物量和比生长速率大幅度地提升了其对间甲酚的降解效率。葛启隆[24]发现1株短芽孢杆菌(Brevibacillus borstelensis),在添加200 mg·L−1琥珀酸后,降解300 mg·L−1间甲酚所需时间缩短了20 h,这与上述文献结果相符。

    白静[25]得到1株降酚菌Alcaligenes faecalis sp.,其对间甲酚最大降解能力为250 mg·L−1,需要118 h才能降解完全。WANG等[26]利用Paecilomyces variotii JH6降解300 mg·L−1间甲酚,在65 h时,间甲酚去除率达到96.4%。通过实验对比发现,菌株B403具有更高的间甲酚降解能力。

    在分析菌株B403在邻苯二酚中的生长情况和降解效率时,以500 mg·L−1邻苯二酚为底物,其生长和降解特性如图5图6所示。与苯酚、间甲酚结果类似,在邻苯二酚-LB培养基中,菌株B403的生长状况最佳,在51 h内,OD600最大值为13.09;其次是邻苯二酚-LB-无机盐混合培养基,在51 h内,OD600最高增长为8.68;而在邻苯二酚-无机盐培养基中,菌株B403的生长状况最差,在51 h内,OD600最大仅增长到0.36。这说明菌株能够以邻苯二酚为唯一碳源进行代谢生长,并且有外加碳源存在时,对菌株生物量有大幅提高。邻苯二酚-LB培养基和邻苯二酚-LB-无机盐混合培养基的菌株在前6 h内生长速率基本一致。9 h后,生长速率均有了明显提升,这说明其他有机碳源能够减弱邻苯二酚对菌株的生长抑制,菌株进入对数生长期,与苯酚和间甲酚生长情况相比,菌株进入对数期时间更短,且在18 h后菌株进入衰亡期,这说明邻苯二酚对菌株具有持续的生长抑制。

    菌株B403在不同培养基中对邻苯二酚的降解效率也存在明显差异。邻苯二酚-LB培养基中菌株完全降解邻苯二酚仅需15 h,邻苯二酚-LB-无机盐混合培养基中18 h后完全降解,此时邻苯二酚-无机盐培养基中菌株对邻苯二酚的降解率仅为46.27%。该菌株在无机盐培养基中对邻苯二酚的降解效率最差,在51 h时,仍然没有完全降解,降解率为64.16%。邻苯二酚是苯酚降解的中间产物[27],邻苯二酚既可以促进微生物生长,同时也可能具有生物毒害作用抑制微生物生长[28]。邓维琴等[29]确定了1株鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp. SC-1),其能在48 h降解100 mg·L−1邻苯二酚。程珂珂等[30]发现了1株邻苯二酚降解菌,当邻苯二酚浓度超过400 mg·L−1时,菌株生长会受到明显抑制,邻苯二酚降解率仅能达到45%。当无机盐培养基中含有高浓度邻苯二酚时,菌株B403生长受到了明显抑制,菌株快速进入衰亡期,邻苯二酚无法完全降解,说明高浓度邻苯二酚对菌株有较强抑制作用。在邻苯二酚-LB培养基和邻苯二酚-LB-无机盐混合培养基中,菌株B403能够正常生长,邻苯二酚降解效率也有所提高,表明其他有机碳源的存在可以缓解邻苯二酚对菌株B403的抑制作用。与苯酚、间甲酚底物情况不同,菌株B403在LB培养基中对邻苯二酚的降解效率最佳,这说明无机盐离子的存在对菌株降解邻苯二酚没有促进作用。

    实验结果表明,菌株B403的降解底物具有广谱性,在好氧条件下不仅能够将苯酚作为碳源进行生长和降解苯酚,还能在一定浓度范围内降解间甲酚和邻苯二酚。菌株B403的生长与苯酚降解同步进行,分别以3种酚为唯一碳源时,苯酚和间甲酚对菌株B403生长抑制程度相近,邻苯二酚对菌株生长抑制作用更强。在有其他有机碳源存在时,3种酚对菌株的生长抑制均有缓解,菌株生物量大幅增长,极大地促进了菌株对3种酚的降解。此外,无机盐离子对苯酚和间甲酚的降解也有一定促进作用,而对邻苯二酚的降解没有起到促进作用。

  • 国内外已有一系列酚类降解动力学模型[31],对于酚类底物既是反应基质又是抑制剂的生物降解过程,通常采用Haldane方程来模拟底物降解动力学过程[32]。分别以500 mg·L−1苯酚、邻苯二酚、间甲酚作为底物,降解速率最高的培养基为实验用培养基,苯酚和间甲酚采用LB-无机盐混合培养基,邻苯二酚采用LB培养基,进行降解动力学实验。根据最小抑菌浓度设置浓度梯度,投加菌株B403后,在不同降解时间下测定培养液中3种酚的浓度,对实验数据进行拟合并求出Haldane方程参数。Haldane方程如式(2)所示。

    式中:q为比底物利用速率,h−1qm为最大比底物利用速率,h−1S0为初始底物浓度,mg·L−1Ks为底物亲和常数,mg·L−1KI为底物抑制常数,mg·L−1

    将实验结果在matlab 7.0中进行非线性回归分析,得到所有分离物的动力学参数qmKsKI,如表2所示。可以看出,苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解动力学均符合Haldane方程,拟合情况良好。图7为菌株B403降解3种酚的降解曲线。图7(a)为苯酚降解曲线,完全降解200、400、600、800、1 000、1 200 mg·L−1苯酚所需时间分别为12、15、18、24、30、45 h;图7(b)为间甲酚降解曲线,完全降解100、200、300、400、500、600 mg·L−1间甲酚所需时间分别为9、9、12、15、18、21 h;图7(c)为邻苯二酚降解曲线,完全降解100、200、300、400、500、600 mg·L−1邻苯二酚所需时间分别为9、12、12、15、18、21 h。根据3种酚的降解曲线可知,菌株B403降解酚类污染物的滞后期随着浓度的升高明显延长,不同初始浓度具有相同降解率可能与取样时间间隔有关。

    图8为菌株B403对3种酚的降解速率曲线和拟合降解曲线。当苯酚、间甲酚、邻苯二酚浓度分别超过136.4、87.4、116.1 mg·L−1时,菌株B403对3种酚的比降解速率随着浓度的升高而降低,呈现底物抑制作用,即认为136.4、87.4、116.1 mg·L−1分别为降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚的最佳浓度。在降解动力学方程中,若底物抑制常数(KI)越大,说明菌株对底物的抑制越不敏感,底物亲和常数(Ks)越大,说明菌株对底物生物降解的潜能越大,最大比底物利用速率(qm)越大,则表明底物越容易被降解,误差平方和越接近0,R2越接近1,这说明模型拟合得越好。菌株B403对苯酚的KI最大,为69 mg·L−1,这说明实验的3种酚中菌株B403对苯酚的抑制最不敏感,与实验中菌株对苯酚具有最高的最小抑菌浓度的实验结果一致。菌株B403对邻苯二酚的Ksqm最大,邻苯二酚作为苯酚的代谢产物,在有其他有机碳源存在时,邻苯二酚更容易被菌株利用,菌株对邻苯二酚的生物降解潜能最大。由误差平方和和R2可知,使用Haldane模型拟合苯酚、邻苯二酚、间甲酚的降解动力学过程时,间甲酚的拟合效果最佳。

    张玉秀等[33]从焦化废水中分离出1株苯酚降解菌红球菌(Rhodococcus sp.),并用Haldane方程对其降解苯酚的实验数值进行拟合,得到降解苯酚的最佳浓度为234.548 mg·L−1Ks=77.487 mg·L−1。贾子龙[8]从处理模拟焦化废水系统里分离得到1株假单胞菌(Pseudomonas sp.),用Haldane方程对其降解间甲酚进行拟合,得到降解间甲酚的最佳浓度为40 mg·L−1Ks=9.85 mg·L−1。目前关于菌株降解邻苯二酚的降解动力学研究较少,相比于其他研究,菌株B403降解苯酚的最佳浓度较低,Ks高于大部分已报道的菌株,这说明菌株B403对多种酚类污染物生物降解的潜能较大。

  • 1)菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚、对硝基苯酚、2, 4-二氯苯酚和2, 4, 6-三氯苯酚的最小抑菌浓度分别为1 190、630、700、140、70、48 mg·L−1;菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚有较强的耐受性。

    2)菌株B403在含有500 mg·L−1的单一酚(苯酚、间甲酚、邻苯二酚)的LB培养基和LB-无机盐混合培养基中与在含有500 mg·L−1的单一酚(苯酚、间甲酚、邻苯二酚)的无机盐培养基中与相比,生物量和降酚能力大幅提高,其他有机碳源的存在,更有利于菌株B403生长,提高降酚能力,具有广阔的应用前景。

    3)菌株B403在含常规碳源条件下降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚均符合Haldane模型。降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚的最佳浓度分别为136.4、87.4、116.1 mg·L−1,菌株B403对3种酚的生物降解潜能较大。

参考文献 (33)

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