王多余， 孫玉棟， 鄧勝松， 朱慧霞， 王 淮

（1.安徽省化工研究院，安徽 合 肥 230041；2.合肥工業(yè)大學(xué) 醫(yī) 學(xué)工程學(xué)院，安徽 合 肥 230009）

0 引 言

煙嘧磺?。╪icosulfuron）是一種磺酰脲類玉米田苗后除草劑，對(duì)于玉米田中的闊葉雜草、一年生禾本科雜草及部分莎草科雜草具有良好的防治效果［1－4］，其具有用量低、效果好的特點(diǎn)，在我國(guó)已得到廣泛的推廣和使用［5］。目前國(guó)內(nèi)許多農(nóng)藥企業(yè)已開(kāi)始生產(chǎn)該除草劑，雖然在煙嘧磺隆對(duì)水體、土壤和植物的環(huán)境毒性評(píng)價(jià)方面已有較多研究［6－10］，但涉及煙嘧磺隆廢水及其生產(chǎn)中間體的處理，尤其是生物降解方面的報(bào)道較少。煙嘧磺隆廢水主要含有大量的鹽酸、氯化銨、硫磺、氯化鈉、硫化堿、二氯乙烷、二甲苯、丙酮及生產(chǎn)中間體等物質(zhì)［11－13］，本文采用蘇云金芽孢桿菌菌株ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水及生產(chǎn)中間體的降解特性進(jìn)行了初步研究，為探索煙嘧磺隆類農(nóng)藥及其廢水污染的生物修復(fù)積累技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

菌種：蘇云金芽孢桿菌（ODPY），由本課題組篩選及保藏。

2－氯－N，N－二甲基煙酰胺、磺酰胺、磺酰胺甲酸酯由安徽省宿州市科立華化工有限公司提供，為煙嘧磺隆生產(chǎn)過(guò)程中的3個(gè)重要中間產(chǎn)物。

種子培養(yǎng)基：牛肉膏3.0g，蛋白胨10.0g，NaCl 5.0g，煙嘧磺隆廢水300mL，蒸餾水1 000mL，pH 7.0；無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基：K2HPO4·3H2O 6.0g，KH2PO41.0g， MgSO4· 7H2O 0.4g，（NH4）2SO42.5g，蒸餾水1 000mL，其中 Mg－SO4·7H2O和磷酸鹽緩沖液分別滅菌后加入。

主要試劑與儀器：HQL300B柜式恒溫冷凍搖床（武漢中科科儀技術(shù)發(fā)展有限公司）；WFI800－D3B型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京瑞利分析儀器廠）；島津UV－2550紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（日本SHIMADZU 公司）；WC－Ⅰ微波消解COD測(cè)定儀（長(zhǎng)沙湘藍(lán)科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 菌種種子液制備

將菌株ODPY接種于種子培養(yǎng)基中，在30℃，活化17h 后，2 次離心 （8 000r／min、8min、4℃），使菌種懸浮于生理鹽水中（NaCl，0.85%），調(diào)整其菌液濃度使OD600nm為2.0。

1.3 ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水的降解

在100mL惡草酮廢水中以5%的接種量接入ODPY種子液，放入30℃、150r／min的恒溫?fù)u床中培養(yǎng)，定時(shí)取樣，進(jìn)行UV－VIS全波長(zhǎng)掃描及COD測(cè)定。同時(shí)，在相同條件下，以無(wú)菌水作為對(duì)照進(jìn)行空白試驗(yàn)。試驗(yàn)均設(shè)3次重復(fù)。

1.4 ODPY對(duì)煙嘧磺隆中間體的降解

在無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基礎(chǔ)上分別加入1%的煙嘧磺隆中間體2－氯－N，N－二甲基煙酰胺、磺酰胺、磺酰胺甲酸酯，5%的接種量接入ODPY種子液，放入30℃、150r／min的恒溫?fù)u床中培養(yǎng)，定時(shí)取樣，進(jìn)行UV－VIS全波長(zhǎng)掃描及COD測(cè)定。試驗(yàn)均設(shè)3次重復(fù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水的降解

菌株ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水降解的影響如圖1所示。圖1表明，菌株ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水有一定的降解作用。隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，煙嘧磺隆廢水的COD也隨之下降，在第2天時(shí)達(dá)到最低值，為6 342mg／L，COD去除率達(dá)到23%，3d后，煙嘧磺隆廢水的COD下降趨緩并略有升高。這是由于隨著降解時(shí)間延長(zhǎng)，微生物逐漸生長(zhǎng)繁殖，煙嘧磺隆廢水中可降解底物的不斷減少和產(chǎn)物的增多，可能會(huì)影響并限制了ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水的生物降解，同時(shí)，微生物的自身組成成分也會(huì)在COD測(cè)定時(shí)造成一定的干擾，導(dǎo)致COD值增大。

通過(guò)空白對(duì)照和紫外－可見(jiàn)全波長(zhǎng)掃描檢測(cè)煙嘧磺隆廢水降解0、2、4d的圖譜如圖2所示，由圖2可看出，煙嘧磺隆廢水COD的下降，是由于菌株ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水的降解所引起的。從圖2還可以看出，煙嘧磺隆廢水在275～572nm之間有強(qiáng)吸收值，其中在292nm吸光度降幅最大。煙嘧磺隆廢水經(jīng)菌株ODPY降解后，廢水在275～572nm有強(qiáng)光度的物質(zhì)含量有所下降，其中292nm處有強(qiáng)光度的物質(zhì)降幅最大，這顯示菌株ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水中的某一或某一類組分有著較好的降解作用。

圖1 ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水COD的去除

圖2 煙嘧磺隆廢水的紫外－可見(jiàn)全波長(zhǎng)掃描圖

2.2 ODPY對(duì)煙嘧磺隆中間體的降解

農(nóng)藥廢水難以降解的重要原因是其中所含的各種生產(chǎn)中間體難以被有效降解［4，8－9］。為探討菌株ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水降解的緣由，本研究借鑒系統(tǒng)還原論的思路，依托煙嘧磺隆以及其他農(nóng)藥廢水的成分分析結(jié)果，選取了煙嘧磺隆生產(chǎn)過(guò)程中的3種重要組分2－氯－N，N－二甲基煙酰胺、磺酰胺和磺酰胺甲酸酯，分別考察了菌株ODPY對(duì)其的降解狀況。

菌株ODPY對(duì)2－氯－N，N－二甲基煙酰胺廢水的降解如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，與沒(méi)有接種ODPY菌的對(duì)照樣相比，隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，2－氯－N，N－二甲基煙酰胺的COD也隨之下降，COD去除率達(dá)到40.9%。這一結(jié)果表明煙嘧磺隆的中間體2－氯－N，N－二甲基煙酰胺能夠被菌株ODPY有效降解利用。2－氯－N，N－二甲基煙酰胺降解的紫外－可見(jiàn)全波長(zhǎng)掃描圖如圖4所示，該中間體在286nm處有最大吸光度，經(jīng)菌株ODPY降解后，其在286nm處的吸光度有較為明顯的下降、峰寬變小。這表明菌株ODPY能夠降解煙嘧磺隆廢水中的中間體2－氯－N，N－二甲基煙酰胺。

圖3 2－氯－N，N－二甲基煙酰胺水溶液COD的去除

圖4 2－氯－N，N－二甲基煙酰胺的紫外－可見(jiàn)全波長(zhǎng)掃描圖

菌株ODPY對(duì)煙嘧磺隆中間體磺酰胺的降解情況如圖5所示，從圖5可看出，隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，磺酰胺的COD隨之快速下降，在第3天時(shí)達(dá)到425mg／L，COD去除率達(dá)到71.5%，所以煙嘧磺隆的中間體磺酰胺能被菌株ODPY有效地快速降解?；酋０方到獾淖贤猓梢?jiàn)全波長(zhǎng)掃描圖也很好地證實(shí)了ODPY的降解能力，如圖6所示。

圖5 磺酰胺水溶液COD的去除

圖6 磺酰胺的紫外－可見(jiàn)全波長(zhǎng)掃描圖

與圖1和圖3相比可知，菌株ODPY使煙嘧磺隆廢水的COD明顯下降的主要原因是其對(duì)磺酰胺的降解作用。

菌株ODPY對(duì)磺酰胺甲酸酯的降解情況如圖7、圖8所示，由圖7、圖8可看出，隨著降解時(shí)間的增加，磺酰胺甲酸酯的COD也隨之快速下降，在第3天時(shí)達(dá)到最低值，為743mg／L，COD去除率達(dá)到42.2%；磺酰胺甲酸酯在281nm特征峰強(qiáng)度和面積也相應(yīng)地減弱。

圖7 磺酰胺甲酸酯水溶液COD的去除

圖8 磺酰胺甲酸酯的紫外－可見(jiàn)全波長(zhǎng)掃描圖

2.3 降解原理分析

煙嘧磺隆、2－氯－N，N－二甲基煙酰胺、磺酰胺、磺酰胺甲酸酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖9所示。

圖9 4種物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

由以上分析可知，菌株ODPY對(duì)煙嘧磺隆生產(chǎn)的3種重要中間體的降解率大小依次為：磺酰胺＞磺酰胺甲酸酯＞2－氯－N，N－二甲基煙酰胺。這是由取代吡啶環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性決定的，其中，磺酰胺吡啶芳香環(huán)2位上的—SO2NH2為強(qiáng)吸電基團(tuán)，使吡啶芳香環(huán)上的π鍵電子云密度降低，從而使—C＝O上C的電子云向吡啶芳香環(huán)上轉(zhuǎn)移，因而其吡啶芳香環(huán)3位上的C—N 鍵比2－氯－N，N－二甲基煙酰胺相同位置上的C—N鍵更易斷裂；相比之下，磺酰胺甲酸酯吡啶芳香環(huán)2位上—C＝O與相鄰N上的孤對(duì)電子能形成電子共軛，并且，磺酰胺、磺酰胺甲酸酯吡啶芳香環(huán)2位上基團(tuán)的吸電性都要高于2－氯－N，N－二甲基煙酰胺相同位置的基團(tuán)，這使得整個(gè)基團(tuán)的電子穩(wěn)定性增強(qiáng)［9］。此外，磺酰胺甲酸酯的降解率比磺酰胺的低近1倍可能是后者的親水性更低所致。綜上所述，菌株ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水的降解是其降解中間體2－氯－N，N－二甲基煙酰胺、磺酰胺和磺酰胺甲酸酯等能力的綜合體現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)蘇云金芽孢桿菌菌株ODPY降解煙嘧磺隆廢水及生產(chǎn)中間體的考察表明，菌株ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水有一定的降解效果，其COD去除率最大達(dá)到23%。綜合菌株ODPY對(duì)3種重要中間體的降解結(jié)果可以看出，該菌株ODPY對(duì)煙嘧磺隆廢水的降解是基于該菌株對(duì)煙嘧磺隆中間體2－氯－N，N－二甲基煙酰胺、磺酰胺、磺酰胺甲酸酯的降解，尤其是通過(guò)降解磺酰胺所實(shí)現(xiàn)的，其對(duì)3種中間體的降解率分別為40.9%、71.5%和42.2%。

這一研究的開(kāi)展為探索煙嘧磺隆類農(nóng)藥生產(chǎn)及其廢水污染的生物修復(fù)提供了初步的菌種來(lái)源與技術(shù)基礎(chǔ)。該菌株對(duì)這些中間體的降解所涉及的機(jī)理仍需進(jìn)一步研究，以拓展該菌株的應(yīng)用。

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