地下水三氯乙烯TCE生物修复的研究进展

第26卷第1期2003年3月华东地质学院学报JOURNALOFEASTCHINAGEOLOGICALINSTITUTEVol126No11Mar.2003:2002212205:国家自然科学基金(40102027):陈翠柏(1973)),女,博士研究生,环境工程专业,主要从事环境工程与水资源研究。地下水三氯乙烯(TCE)生物修复的研究进展陈翠柏杨琦沈照理(中国地质大学水资源与环境学院,北京100083):(TCE)。TCE,、,TCE。:TCE;;;;:X127:A:1000-2251(2003)01-010-05氯代烃(CAHs)溶剂已经广泛应用于飞机发动机、汽车部件、电子元件以及衣服的脱脂等领域。由于在工厂的普遍应用而污染了含水层和地下水环境,其中TCE是CAHs溶剂最普遍的一种污染物。TCE是挥发性有机化合物(VOCs),是一种致癌物质,可以通过气体排放或从液体中挥发到大气中而污染空气环境。TCE作为氯代溶剂已经被广泛应用于金属加工、电子技术、印刷、造纸、涂料和纺织业。TCE的密度(11462kg/L)比水大[DNAPLs],而且水溶性好,溶解度为1000mg/L,TCE在环境中易迁移,所以由它引起的土壤和地下水污染是一个长期以来普遍存在的环境问题。在美国(Federal,1989)TCE的最大污染标准(MCL)是5Lg/L,该浓度建立在保护人类健康和环境的安全饮用水法规的条件下。在日本,1982年经环保局调查,大范围的地下水污染来自TCE,许多地下水被高浓度的TCE污染,此浓度远高于环境质量标准(0.03mg/L),而且受污染的井数仍在增加(Morioka,1996)。同时,TCE及其降解产物二氯乙烯(DCEs)和氯乙烯(VC)是有毒致癌物质,特别是VC对人类的健康已造成很大的威胁。处理含氯化合物的方法很多,但以生物修复处理方法最经济有效,因此地下水生物修复技术就成为全球研究的热点问题。1TCE目前,物理、化学和生物方法处理技术已被认证可以去除TCE,它们包括炭吸附、化学氧化、膜分离、空气清洗和生物降解等。每一种处理过程都有它的优缺点。例如:炭吸附和薄膜分离的费用昂贵,空气清洗又使污染物重新分类(Hsuchetal.,1991)。这些方法只能使TCE从一种相态转化到另一种相态,不能完全使它变成无害产物。生物降解技术能够弥补这个缺陷,但它所需的时间周期比其他方法要长。在好氧条件下,三氯乙烯(TCE)既可以被直接氧化,也可以被共代谢氧化。许多资料表明,TCE既可以在好氧条件下生物降解,也可以在厌氧条件下生物降解。TCE在好氧条件下只能通过共降解途径由好氧菌降解,被认为是通过共代谢反应发生的(Oldehiusetal.,1989),降解属于共代谢过程,降解速率依靠单或双氧酶。能够进行共降解的微生物包括好氧微生物、厌氧微生物和兼氧微生物等(Haigleretal.,1992;Fathepureetal.,1988)。好氧生物降解途径通常是通过氧化作用产生,其机理主要分为羟基化作用和环氧化作用,在这方面前人对此已进行了大量的研究。厌氧生物降解途径主要是在还原条件下通过还原脱氯作用产生生物降解。1.1主要有水解作用和亲核作用两种。1.1.1水解作用一个羟基取代一个卤原子,生成卤化氢,主要发生在好氧条件下的非生物转化过程。CCl2=CHCl+H2OCCl2CHOH+HCl(1)1.1.2亲核作用CCl2=CHCl+N-CCl2CHN+Cl-(2)1.2好氧生物转化过程通过氧化作用完成,可以分为两种:羟基化作用和环氧化作用。1.2.1羟基化作用一个羟基取代分子中的一个氢原子,反应如下:CCl2=CHCl+HOyCCl2COHCl+2H++2e-(3)1.2.2环氧化作用以甲烷为例,甲烷氧化菌利用甲烷单氧酶(MMO)促进甲烷氧化成甲醇。MMO也可以把TCE氧化成TCE环氧化物(Littleetal.,1988;Foxetal.,1990)。这种不稳定环氧化物经化学分解产生各种产物,包括一氧化碳、甲酸、乙醛酸和一些含氯的酸(Milleretal.,1982)。混合培养基中,TCE氧化剂和其也细菌之间发生协同作用,TCE进一步被矿化成二氧化碳、水和氯化物(Fogeletal.,1986;Hensonetal.,1989;HenryandGrbic-Galic,1991a)。1.3厌氧生物转化过程通过还原作用完成,主要有氢解作用和二卤消去作用。1.3.1氢解作用CCl2=CHCl+H++2e-CCl2=CH2+Cl-(6)1.3.2二卤消去作用脱去相邻的两个氯原子,形成一个CSC键。CCl2=CHCl+2e-HCSCCl+2Cl-(7)1.4主要发生在厌氧条件下的非生物转化过程。CCl2=CHClCClSCCl+HCl(8)目前,地下水中三氯乙烯的生物修复既可以在好氧条件下通过共代身途径降解,也可以在厌氧条件下通过还在脱氯去除。其降解均是在氧化作用和还原作用条件下进行的。其中氧化反应以环氧化作用占主导。22.1TCE:M=Mmax[S]Km+[S](9)式中M为反应速率;Km为米氏常数;[S]为底物浓度当Kmm[S]时,M=Mmax[S]Km,反应为一级反应当Kmn[S]时,M=Mmax,反应为零级反应Petrovskis(1995)等利用甲苯作为电子供体,在好氧条件下得出TCE降解遵循一级反应动力学方程,降解速率是0.26~0.4mol/d。ErikArvin*通过完全混合的试验室生物膜反应器研究动力学得出,TCE浓度范围在0~1.2mg/L时,通过甲烷氧化菌好氧降解TCE遵循一级反应动力学方程。Wilsonetal.(1996)报道TCE降解遵循一级反应动力学方程,其降解速率是0.2~4.8y#r-1。*ErikArvin.Biodegradationkineticsofchlorinatedaliphatichydrocarbonswithmethaneoxidizingbacteriainanaerobicfixedbiofilmreactor.873-881.1991.在厌氧还原脱氯条件下,TCE遵循零级反应动力学方程,产物是乙烯和乙烷。(Hollinger,1993;Smatlak,1996;Tandol,1994;Yanger,1997)。Harknessetal.(1999)得出TCE遵循米-门动力学方程,产物是乙烯。同样Ballapragadaetal.(1997)也得出TCE降解遵循米-门公式。2.2TCE生长基质和共代谢基质降解的竞争抑制动力学方程(Lisaetal.,2001)分别如下:Cg=-XkgSgKsg(1+Sc/Kisc+Sg)(10)11第1期陈翠柏等:地下水三氯乙烯(TCE)生物修复的研究进展其中Cg为生长基质消耗速率,单位是Lmol或mg#L-1#d-1;Kg为生长基质最大比降解速率,单位是Lmol或mgsubstrate(mgcells)-1;Sg为生长基质浓度,单位是Lmol或mg#L-1;X为活性微生物浓度,单位是mgcellsL-1;Ksg为生长基质半饱和常数,单位是Lmol或mg#L-1;Kisc为共代谢基质抑制系数,单位是Lmol或mg#L-1Sc为共代谢基质浓度,单位是Lmol或mg#L-1。Cc=-XKcScKsc(1+Sc/Kisg)+Sg(11)其中Cc为共代谢反应速率,单位是Lmol或mg#L-1#d-1;Kc为共代谢基质最大比降解速率,单位是Lmol或mgsubstrate(mgcells)-1;Ksc为共代谢基质半饱和常数,单位是Lmol或mg#L-1;Kisg为生长基质抑制系数,单位是Lmol或mg#L-1。底物对生长基质的毒性影响(Lisaetal.,2001)如下:Cg=-KgXSgKsg+Sg+S2gK1(12)其中K1为生长基质抑制常数,单位是Lmol或mg#L-1。Inguvaetal.(1999)用一备用碳源,通过B.cepaciaPR1131来降解TCE,最后得出由B.cepaciaPR131生物降解TCE符合生物降解速率定律劳-麦方程。TCE生物降解的一级比速率常数是0103ml#min-1#(mg蛋白质)-1,半饱和常数是01026mmol/L(3.47@106)。最大降解速率是018nmol#min-1#(mg蛋白质)-1。动力常数计算中用对数微分法得出的速率常数相对误差约为17%。B.cepa2cia,菌株PR131降解高浓度的TCE,其去除率可达70%其去除率,当TCE浓度较低基本可全部被去除。Shields等(1992)报道的由此菌株降解的TCE最大速率大约是1nmol#min-1#mg-1蛋白质。2.32.3.1竞争性抑制作用竞争性抑制作用指酶不能同时与底物及抑制剂结合。1M=KmMmax1+[I]Ki1[S]+1Mmax(13)[I]:抑制剂浓度;Ki:底物抑制系数2.3.2非常竞争性抑制作用非竞争性抑制作用指酶同时与底物及抑制剂结合两者无竞争作用。1M=KmMmax1+[I]Ki1[S]+1Mmax1+[I]Ki(14)2.3.3反竞争性的抑制作用反竞争性的抑制作用指酶只有在与底物结合以后才与抑制剂结合。1M=KmMmax1[S]+1Mmax1+[I]Ki(15)2.3.4底物抑制作用底物抑制作用指当底物浓度很高时,有些底物会与酶-底物结合体再结合而抑制酶底物结合体向产物的反应。1M=KmMmax1[S]+1Mmax1+1Ks(16)可见,在生化反应中,若酶的浓度恒定,底物的浓度比较小时,酶促反应速度与底物浓度成正比;当底物浓度足够高时,反应速度会受到抑制。这主要是高浓度的底物降低了水的有效浓度,降低了分子扩散性,从而降低了反应速度;过量的底物聚集在酶表面,也会抑制反应速度,不利于底物的去除,给生物修复工作带来了诸多困难。33.1土著微生物(IndigenousMicroorganism)指非外来引进的,在当地包气带土壤和含水层中生存的微生物。这种微生物本身变异,在土壤中广泛存在。其最大优点是:¹降解污染物的潜力比较大(活性大);º种类多样性,可以降解多种污染物;»适应环境繁殖能力强。其缺点主要是降解速率比较慢。Fe细菌中浮游球衣菌、泉发菌属。丝状硫细菌中的发硫菌属。红球菌属TA1,假单胞菌属putidaTA2和诺卡氏菌属AR1。两种微生物P.putidaDC1和洋葱假单胞菌属GR3都可以降解TCE。Ewer等的研究表明,异戊二烯利用红球菌属伴随环氧化物的活动产生一个谷胱甘肽S-转移酶,这种菌株对氯代乙烯转化产物的毒性不太敏感,因此,这种菌株在TCE处理过程中是有用的。Robinsonetal.(1998)等研究表明,两个假单胞菌株,P.putidaF1和P.putidaTVA8可以用甲苯共代谢降解TCE。Reijetal.(1995)等的研究表明,靠丙烯生长的黄单杆菌菌株Py2细胞能不断降解超过一定浓度范围的TCE。在恒化培养器中靠丙烯生长的菌株Py2可降解浓度高达206Lmol/L的TCE,此浓度12华东地质学院学报2003年的TCE比降解速率是1.5nmol#min-1#(mg生物量)-1。Workman,Yager利用硝酸盐和硫酸盐作用电子受体,氢作为电子供体,利用Methanogens,deni2trifiers和sulfatereducers可以使TCE发生共代谢还原脱氯,产生乙烯和甲烷。3.2生物强化微生物(BioaugmentationMicroorgan2ism)指非当地生长的,经过专门筛选、培养的微生物。其最大优点是代谢活性高,降解速率快。最大缺点是筛选出的微生物仅能降解专一的有机污染物。筛选出的微生物如投放到污染的场地,投放量要大,否则形成优势菌种,即能够降解某种特定有机物的菌种。国外许多学者对TCE降解的强化微生物进行过大量研究,并分离出一些菌株。其中可以好氧生物降解TCE的菌株主要有以下几种,其形态主要有杆菌、球菌、螺旋菌、弧菌、丝状菌。Wackettetal.(1989)的研究表明,以丙烷为降解TC