反硝化條件下 BTEX微生物降解研究

高艷輝,陳余道,李本召 ,黃 旋

(桂林理工大學 環境科學與工程學院,廣西桂林 541004)

隨著地下儲油罐泄漏及輸油管線溢漏現象的頻繁發生,地下水系統遭受 BTEX(苯系物)的污染已成為全球性問題。由于 BTEX本身具有致癌性和致突變性,即使是在很低的濃度下也會產生生物毒性,開發經濟有效的治理 BTEX污染新技術成為了各國學者研究的目標。

最初,研究的重點是好氧條件下的生物降解,實驗室和野外的實驗都證明好氧條件下,微生物可以降解 BTEX。然而地下含水層通常是厭氧狀態或者由于有機污染物的好氧降解使氧迅速耗盡而很快變為厭氧狀態,并且很難經濟有效且均勻地向含水層連續供給足夠的氧,好氧生物降解在治理BTEX污染中的應用受到了極大的限制。厭氧條件下的微生物降解不需要氧,BTEX的厭氧生物降解比好氧生物降解更加可行且經濟有效[1]。

因此,研究厭氧條件下 BTEX的微生物降解更有意義,近年來的研究重點已轉向厭氧條件下 BTEX的生物降解性及降解速率的研究。對比厭氧條件下的幾種反應,利用反硝化作用的生物降解技術最具實際意義。

1 反硝化降解 BTEX

1.1 反硝化降解BTEX機理

反硝化條件下 BTEX的微生物降解是反硝化細菌在厭氧條件下,利用 BTEX污染物作為自身生長繁殖的碳源與能源,以硝酸根(NO3-)作為電子受體,將 BTEX污染物降解為無害產物如 CO2和 H2O等的過程。

反硝化作用出現的條件有四個,包括：含水層中的硝酸鹽、有機碳、反硝化細菌和微氧或厭氧條件(即溶解氧低,幾乎沒有)。

下面的方程描述了 BTEX礦化為二氧化碳和水的關系[2]：

1.2 反硝化降解BTEX意義

就厭氧降解BTEX的幾種電子受體而言,除氧以外,硝酸鹽是一個僅次于氧氣的可選物質,這是因為反硝化條件下降解 BTEX與 Fe(Ⅲ)和硫酸根作為電子受體相比,有其自身的優點。Fe(Ⅲ)容易與上壤中的離子形成沉淀,這樣就降低了Fe(Ⅲ)的有效利用率;硫酸根所產生的 H2S已經被實驗所證實對微生物具有毒害作用,會抑制微生物的活性,從而影響BTEX的降解;而硝酸根作為電子受體時則不存在這些問題,硝酸鹽產能與氧氣產能相近,在水中具有高溶解度(660 g/L),不會產生氧化物沉淀,且當濃度低于 500mg/L時對含水層微生物沒有毒性[3]。同時,在我國部分地區由于過量的施肥,土壤中的氮含量比較高,在有些地區的地下水中甚至出現了“肥水”的現象,這些都為反硝化降解 BTEX提供了有利的生化條件。并且進行硝酸鹽還原的細菌在地下普遍存在,一些研究者在有機污染含水層物質中發現了活動的反硝化菌。硝酸鹽易溶,把它作為添加電子受體時成本低。

因此,研究反硝化條件下,微生物對 BTEX的降解更具有實際意義。

1.3 反硝化降解BTEX研究

國外許多學者對反硝化條件下BTEX的厭氧降解進行了深入的研究與探討,并取得了一定的研究成果,如通過馴化、富集培養、篩選和基因工程等手段獲得高效菌種[4,5],通過供應微生物生長的營養物質以加快BTEX污染物的降解速率[6],而國內在這方面的研究比較薄弱。

近些年來,一些有關運用反硝化增強修復去除地下水中BTEX的結果和報道如表 1所述：

表1 BTEX反硝化增強修復研究

2 反硝化條件下苯的降解

苯在地下介質中的環境行為及污染防治已成為了環境科學研究的熱點,尤其是反硝化條件下苯的降解更受關注。因為目前的研究結果表明厭氧條件下微生物利用硫酸根、Fe(III)和 Mn(IV)為電子受體降解苯已經被很多實驗所證實,但是,對于苯是否能在厭氧條件下以硝酸根為電子受體降解還存在爭議。為此,國內外學者也開展了相關的研究。一些研究認為苯在反硝化條件下具有抵抗性不能被生物降解[14-16],而另外的研究又表明苯在反硝化條件下能夠被降解[17-19]。

BURLAND和 EDWARDS[18](1999)首先研究證明在以地下水和土壤組成的培養基中,在硝酸鹽參與下苯可以被降解成 CO2。通過同位素跟蹤的方法發現,92%～95%的苯被轉化成了 CO2,BURLAND認為剩余的 5% ～8%可能被微生物的生長所利用。在 BURLAND實驗的初始階段,苯的降解和硝酸鹽的消耗都比較緩慢。經過了大約 40天以后,苯的降解和硝酸鹽的消耗一起加速,在硝酸鹽全部消耗以后,苯的降解也幾乎處于停止狀態。雖然 BURLAND的研究表明,苯可以在一定條件下被反硝化微生物降解,但是 BURLAND并沒有進一步確定影響苯反硝化降解的因素。

吳玉成等[19](1999)利用實驗室含水層物質微環境實驗,通過對含水層厭氧反硝化條件模擬,對苯和甲苯的微生物降解機制進行研究。研究結果表明,在加強反硝化條件下,微生物可以利用 NO3-作為電子受體降解苯和甲苯,降解苯和甲苯的反硝化菌存在于含水層物質中,環境的酸堿條件對微生物降解具有重要影響,pH值過高或過低均會抑制微生物降解作用的產生。

李東艷等[20](2000)以未污染的稻田土為接種物,進行了一系列的微環境實驗研究,結果表明反硝化條件下苯和甲苯都能被微生物降解,甲苯比苯更易降解,甲苯的存在促進了苯的降解。

Coates[4]等(2001)分離出了在反硝化條件下可以降解苯的微生物 RCB和 JJ(2株屬于變型菌 B亞類的石油細菌Dechlor omonas strains),這為進一步研究苯降解的機理提供了必要的條件。研究發現,Coates所選用的土壤基質可以在不接種 RCB和不投加硝酸根的條件下降解苯,而在接種了RCB和投加了硝酸根以后,苯降解速率有較大提高,在苯降解的同時硝酸根也不斷被消耗。但是,如果只投加硝酸根而不接種 RCB,苯卻沒有降解。

Junfeng Dou[21]等(2010)首次報道分離出的蠟狀芽孢桿菌(B.cereus)可以在硝酸鹽還原條件下有效的降解苯。實驗結果表明,蠟狀芽孢桿菌可以在 25天內完全降解 150 mg/L的苯,并且可以利用硝酸鹽作為終端電子受體修復苯污染區域,強調了其潛在的生物修復技術。

以上研究均表明反硝化條件下苯能被生物降解,為反硝化條件下治理地下水有機污染補充了依據,但是還需要解決一系列的問題才能實現反硝化條件下微生物降解苯的強化。

3 結論與展望

目前,反硝化降解 BTEX的的研究工作雖然取得了一定進展,但仍處于初級階段,還需要在以下方面進行深入研究：結合污染場地的治理,加強野外研究;在利用反硝化作用去除地下水中 BTEX時,準確估計降解污染物所需的電子受體量尤為重要,因為加入硝酸根的量不足會影響生物降解過程,過量會引起地下水的氮污染;微生物降解作用是一個非常復雜的過程,在實際應用之前,其降解途徑、終端產物等有待于進一步研究,以期盡快實現反硝化條件下 BTEX降解的強化。

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