甲烷基質(zhì)膜生物反應(yīng)器厭氧還原高氯酸鹽的相關(guān)研究.pdf

1、高氯酸鹽在國防工業(yè)、煙花制造、皮革加工、橡膠制造等產(chǎn)業(yè)中被廣泛使用，大量含有高氯酸根的污水未經(jīng)處理排入環(huán)境中。高氯酸鹽進(jìn)入人體后干擾人體甲狀腺正常機(jī)能，造成神經(jīng)損傷威脅人體健康，對嬰幼兒影響尤為嚴(yán)重。去除水體中高氯酸鹽污染物的方法主要包括物理、化學(xué)和生物法，其中生物法因其成本低廉、環(huán)境友好而受到人們的關(guān)注。生物還原高氯酸鹽污染物又受到許多客觀條件的限制，富集更高效的微生物菌群并優(yōu)化其還原條件，是提高生物法修復(fù)效率的關(guān)鍵。微生物還原污染物

2、需要電子產(chǎn)生“還原力”，而甲烷厭氧氧化就可向微生物提供所需的電子，二者結(jié)合不僅實現(xiàn)環(huán)境中高氯酸鹽污染的修復(fù)，同時也可減少全球碳排放。
　　本研究利用甲烷基質(zhì)中空纖維膜生物反應(yīng)器，初始以亞硝酸鹽(NO2-)作為電子受體進(jìn)行生物膜富集，隨后以高氯酸鹽(ClO4-)為唯一電子受體以富集高效高氯酸鹽還原菌群，并進(jìn)一步研究該微生物菌群以甲烷為唯一的電子供體和碳源還原高氯酸鹽的代謝動力學(xué)。經(jīng)過40天富集培養(yǎng)后進(jìn)行正式實驗。當(dāng)電子供體供給充足（

3、10 psi甲烷，電子當(dāng)量462.808 mmol e-當(dāng)量/m2-d）時，可將1 mg/LClO4-及1.1 mg N/L NO3-完全還原;當(dāng)反應(yīng)器中存在2 mg N/L NO2-時，ClO4-還原受到抑制，去除率降至30％。當(dāng)反應(yīng)器中電子受體負(fù)荷增加至1 mg/L ClO4-+11.3mgN/L NO3-時，電子供體出現(xiàn)不足，微生物將優(yōu)先還原NO3-。高通量測序結(jié)果表明，該反應(yīng)器中，Methylocystis（甲基孢囊菌屬）、Me

4、thylomonas（甲基單胞菌屬）、Methylophilus（嗜甲基菌屬）、Pelomonas和綠彎菌門不可培養(yǎng)的Chloroflexi是占主導(dǎo)地位的功能菌屬。Methlocystis、Methylomonas為甲烷氧化菌，Methylomonas豐度在第1階段未被檢出，隨著實驗的送行持續(xù)培養(yǎng)使反應(yīng)器中Methylomonas的豐度增加。Methlocystis在實驗前期為反應(yīng)器中主要甲烷氧化菌，但隨著Methylomonas豐度的

5、增加Methlocystis豐度逐漸下降。Methylophilus為甲醇氧化菌，經(jīng)過一段時間的培養(yǎng)后出現(xiàn)出現(xiàn)在反應(yīng)器中，同時Methylophilus可能具有還原高氯酸鹽的能力。Pelomonas是還原污染物的主要功能菌，Pelomonas豐度在含有硝酸鹽的階段持續(xù)上升，Pelomonas在系統(tǒng)發(fā)育樹上與已知的Dechloromonas高氯酸鹽降解菌相近，推測參與了高氯酸鹽還原過程。
　　筆者進(jìn)一步研究了鹽度對甲烷氧化耦合高氯酸

6、鹽還原的影響，并發(fā)現(xiàn)鹽度對該生物還原過程影響顯著。在電子供體足量的前提下，1％鹽度（10g/L氯化鈉）脅迫2 mg/L高氯酸鹽及10 mg/L硝酸鹽還原率從57.2％和91.9％下降至5.9％和55.9％。將反應(yīng)器中鹽度移除后，污染物還原率不能恢復(fù)到未受鹽度影響的階段。0.2％鹽度（2g/L氯化鈉）脅迫下單獨以高氯酸根（硝酸根）為電子受體，2mg/L高氯酸鹽（5mg/L硝酸鹽）還原率僅為53.5％(59.1％)。通過掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)鹽

7、度對微生物形態(tài)造成不可逆損傷，鹽環(huán)境下微生物出現(xiàn)破裂、褶皺、枝丫狀和體積變小的損傷，同時破裂的細(xì)胞產(chǎn)生大量的胞外聚合物而和可溶性微生物產(chǎn)物。實時熒光定量PCR結(jié)果顯示，鹽度條件下反應(yīng)器中微生物總量下降。高通量測序發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫改變了反應(yīng)器中微生物菌落形態(tài)結(jié)構(gòu)。Methylomonas（甲基單胞菌屬）對鹽度敏感，在非鹽環(huán)境下相對豐度達(dá)到31.3％，1％鹽度下相對豐度迅速下降至5.9％。隨著Methylomonas豐度的減少Methlocys

8、tis（甲基孢囊菌屬）的相對豐度增加，說明Methlocystis有一定的耐鹽性。Methylophilus（嗜甲基菌屬）在1％鹽度條件下相對豐度達(dá)到9％，但在其他階段Methylophilus的豐度卻很低，推測Methylophilus對鹽度的毒害耐受性較好，同時在系統(tǒng)發(fā)育樹上與Dechloromonas agitate相近，推測Methylophilus在鹽條件下承擔(dān)了主要的高氯酸鹽還原和反硝化作用。1％鹽脅迫下反應(yīng)器中耐鹽菌Xan

9、thomonadaceae（黃單胞菌屬）相對豐度升高至11.5％，Xanthomonadaceae在系統(tǒng)發(fā)育樹上與具有反硝化功能的Thermomonas haemolytica相近，推測Xanthomonadaceae參與反硝化過程。
　　環(huán)境pH和銅離子濃度對微生物厭氧氧化耦合高氯酸鹽還原的影響十分明顯，適宜的pH和銅離子濃度可以促進(jìn)微生物的生長提高還原效率。實驗證明當(dāng)環(huán)境pH為7～8時高氯酸鹽還原率最高，向反應(yīng)體系中添加≤10