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        納米鐵-微生物耦合體系去除廢水中的三氯生

        2022-07-21 07:15:20周華晶黎良浩陳元彩
        化工環(huán)保 2022年3期
        關(guān)鍵詞:三氯毒性產(chǎn)物

        周華晶,徐 東,黎良浩,陳元彩

        (1. 昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,云南 昆明 650504;2. 華南理工大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510006)

        三氯生是一種廣譜抗菌劑,已應(yīng)用于許多工業(yè)產(chǎn)品和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品。三氯生相對(duì)不揮發(fā),水中溶解度低(20 ℃時(shí)溶解度為10 mg/L)。廢水中三氯生的去除常用的方法是生物處理法,主要是利用微生物的代謝作用將其降解和吸附。生物處理成本低、易于操作,且最重要的是沒有二次污染,但是處理時(shí)間較長,采用傳統(tǒng)微生物處理有毒、難降解有機(jī)廢物面臨極大挑戰(zhàn)。

        在傳統(tǒng)的生物處理過程中加入某種特定的物質(zhì)或基團(tuán),增強(qiáng)微生物對(duì)難降解污染物的去除能力,改善廢水處理效果,我們稱之為生物強(qiáng)化作用。納米粒子由于其豐富的活性位點(diǎn)和巨大的比表面積,被廣泛應(yīng)用到污染水體的修復(fù)處理中。其中貴重金屬的生物強(qiáng)化作用效果最佳,但其成本高昂并不適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。納米鐵是一種有效的脫鹵還原劑,可以催化還原多種有機(jī)鹵化物。但由于納米鐵穩(wěn)定性較差容易形成鐵氧化物或氫氧化物沉淀,使其功能發(fā)生鈍化。

        本研究利用化學(xué)方法將納米鐵與微生物共同包埋形成復(fù)合菌劑,在相同實(shí)驗(yàn)條件下探討單一微生物體系、單一納米鐵體系及納米鐵-微生物耦合體系對(duì)三氯生的降解機(jī)制,并研究了三氯生的降解途徑以及代謝產(chǎn)物的毒性效應(yīng)。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 試劑、材料和儀器

        KBH,F(xiàn)eSO·7HO,瓊脂,SiO,Al(SO),HBO,聚乙烯醇(PVA),NaCl:均為分析純。三氯甲烷:色譜純。實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

        基礎(chǔ)培養(yǎng)基:牛肉膏6.0 g/L,NaCl 15.0 g/L,蛋白胨 10.0 g/L,大豆粉 2.0 g/L,pH 6.5。

        微生物菌液:施世假單胞桿菌(KS0013)取自工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,該菌株此前從廣東省韶關(guān)市多溴二苯醚污染現(xiàn)場(chǎng)分離得到。取該菌株1環(huán),轉(zhuǎn)移到30 mL基礎(chǔ)培養(yǎng)基中,35 ℃下培養(yǎng)2 d;再以10%的體積比接種至基礎(chǔ)培養(yǎng)基中,35 ℃下培養(yǎng)2 d,以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心15 min,獲得菌體的對(duì)數(shù)生長期細(xì)胞,稀釋至菌濃度為(2.0±0.6)×10CFU/mL。

        三氯生模擬廢水:三氯生質(zhì)量濃度為10 mg/L。

        MLS-3705型高壓滅菌鍋:日本三洋公司;BT125D型電子天平:賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;2695型Waters高效液相色譜(HPLC)儀:沃特世科技(上海)有限公司;7890A-5975C型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)儀:安捷倫科技(中國)有限公司。

        1.2 納米鐵-微生物復(fù)合菌劑的制備

        納米鐵溶液的制備:采用液相還原法,在氮?dú)獗Wo(hù)的液相體系中加入強(qiáng)還原劑KBH,還原FeSO·7HO得到納米Fe溶液,質(zhì)量濃度為0.1 mg/L。

        包埋液的制備:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的瓊脂和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的PVA共同加熱至完全溶解,再加入質(zhì)量濃度為1 mg/L的 SiO溶液,制得包埋液。

        交聯(lián)劑的制備:將Al(SO)粉末溶于飽和HBO溶液中,得到濃度為0.5 mol/L的Al(SO)飽和HBO交聯(lián)劑。

        納米鐵-微生物復(fù)合菌劑的制備:在60 ℃恒溫水浴條件下,分別取納米鐵溶液和施世假單胞桿菌菌液加入到包埋液中,攪拌混合均勻,在氮?dú)獗Wo(hù)的環(huán)境中滴加交聯(lián)劑,各組分體積比為15∶6∶57∶22。在4 ℃條件下交聯(lián)10 h后,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9%的NaCl溶液清洗、保存,得到納米鐵-微生物復(fù)合菌劑。

        1.3 三氯生的去除

        取制得的納米鐵-微生物復(fù)合菌劑3 mg,投入基礎(chǔ)培養(yǎng)基中培養(yǎng)6 h,使其活化后直接投入10 L質(zhì)量濃度為10 mg/L的三氯生模擬廢水中,曝氣處理5 d,曝氣量為2 L/h,初始反應(yīng)pH為6.5左右。

        對(duì)照組采用相同實(shí)驗(yàn)條件下的單一微生物菌液(接種量為12 mg/L的施氏假單胞菌在30 mL基礎(chǔ)培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h后直接使用)或者單一納米鐵溶液(投加量為200 mg/L)。

        1.4 分析方法

        三氯生采用HPLC法測(cè)定,測(cè)定條件:色譜柱為Waters C柱(150 mm×4.6 mm,5 μm);35 ℃柱溫,以乙腈-水溶液(體積比75∶5)為流動(dòng)相,總流速1.0 mL/min,進(jìn)樣量10 μL,檢測(cè)波長為230 nm。目標(biāo)物質(zhì)出峰時(shí)間約為6.01 min,樣品總檢測(cè)時(shí)間為7.5 min。按照標(biāo)準(zhǔn)曲線=81 091-88 058(相關(guān)系數(shù)0.999)計(jì)算水樣中初始三氯生質(zhì)量濃度和反應(yīng)后三氯生質(zhì)量濃度ρ,得到三氯生去除率。

        三氯生及其代謝產(chǎn)物的分析采用GC-MS法,色譜測(cè)定條件:石英柱,柱長為 30 mm,內(nèi)徑為0.22 mm,膜厚為 0.22 μm;進(jìn)樣口溫度 270 ℃;以氦氣作為載氣,流速1 mL/min;進(jìn)樣量1 μL。質(zhì)譜檢測(cè)條件:四極桿溫度150 ℃,離子源溫度230℃;轟擊源能量70 eV;質(zhì)荷比掃描范圍45~400/。具體操作如下:在每一次降解反應(yīng)過程中間隔一定時(shí)間進(jìn)行取樣,將含有樣品的懸浮液經(jīng)三氯甲烷多次萃取分離,取下層萃取液進(jìn)行N吹掃濃縮至1 mL,無水硫酸鈉吸水后作為樣液待測(cè)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 納米鐵-微生物耦合體系對(duì)三氯生的降解效果

        不同體系中三氯生的去除率見圖1。由圖1可見,納米鐵-微生物耦合體系處理5 d后,三氯生的去除率高達(dá)83%,分別是對(duì)照組單一微生物體系和單一納米鐵體系的4.15倍和4.88倍,表明納米鐵和微生物之間存在明顯的協(xié)同效應(yīng),證明納米鐵-微生物耦合體系是一種有效去除三氯生的反應(yīng)體系。

        圖1 不同體系中三氯生的去除率

        單一微生物體系和納米鐵-微生物耦合體系的微生物生長曲線見圖2。由圖2可見,納米鐵-微生物耦合體系的OD高于單一微生物體系,降解菌從第1天到第5天為對(duì)數(shù)增長期,納米鐵-微生物耦合體系的OD在第5天達(dá)到最大值(1.518),高于單一微生物體系的OD最大值(第6天,OD為1.332),隨后單一微生物體系的OD略微下降,但納米鐵-微生物耦合體系的OD一直保持較高水平。因此,納米鐵的存在明顯有利于微生物的生長,由此可以推斷,納米鐵通過還原產(chǎn)生的鐵離子可以為微生物生長提供營養(yǎng),還原過程中產(chǎn)生的電子為微生物生長提供能量。

        圖2 微生物的生長曲線

        2.2 三氯生降解產(chǎn)物分析及其代謝途徑推測(cè)

        三氯生降解過程的HPLC譜圖見圖3。由圖3可見:除了系統(tǒng)產(chǎn)生的水峰以外,三氯生的峰強(qiáng)隨時(shí)間的延長逐漸變?nèi)?;并且在這個(gè)過程中產(chǎn)生了多個(gè)降解中間體的峰;三氯生在5 d內(nèi)完全降解。

        圖3 三氯生降解過程的HPLC譜圖

        采用三氯生降解過程中第1、3、5天的混合水樣進(jìn)行GC-MS分析,三氯生降解過程混合水樣的色譜圖見圖4。由圖4可見,分別在保留時(shí)間為21.8,25.9,30.6 min時(shí)檢測(cè)到中間產(chǎn)物苯酚(A1)、2,2-(1-甲基)雙5-甲基環(huán)己醇和1,4-環(huán)己二醇(A2),以及29.8 min檢測(cè)到三氯生。

        圖4 三氯生降解過程混合水樣的色譜圖

        由于GC-MS測(cè)試過程中定容溶劑正己烷易揮發(fā)加成到中間產(chǎn)物上,故實(shí)際檢測(cè)到的三氯生降解中間產(chǎn)物碎片離子的質(zhì)譜圖見圖5。由圖5可見,除了三氯生,在反應(yīng)過程中還檢測(cè)到了苯酚、1,4-環(huán)己二醇和2,2-(1-甲基)雙5-甲基環(huán)己醇3種中間產(chǎn)物的碎片離子。

        由圖4、圖5推測(cè)出本研究中納米鐵-微生物耦合體系對(duì)三氯生的降解途徑(見圖6)。由圖6可見:三氯生的降解主要包括脫氯和雙鍵斷裂;首先,路徑一是納米鐵還原脫氯以及雙鍵的斷裂形成中間產(chǎn)物B1(2,2-(1-甲基)雙5-甲基環(huán)己醇),隨后B1經(jīng)微生物代謝進(jìn)一步被降解,生成A2(1,4-環(huán)己二醇);路徑二是由零價(jià)納米鐵造成醚鍵的氧化斷裂,形成中間產(chǎn)物A1(苯酚),A1經(jīng)微生物代謝進(jìn)一步被降解,生成A2;最后,A2經(jīng)微生物代謝進(jìn)一步開環(huán)礦化成小分子羧酸,最終生成CO和HO。

        圖5 三氯生降解中間產(chǎn)物碎片離子的質(zhì)譜圖

        圖6 納米鐵-微生物耦合體系中三氯生的代謝途徑

        2.3 三氯生及其代謝產(chǎn)物的毒性評(píng)價(jià)

        為了進(jìn)一步評(píng)估三氯生在納米鐵-微生物耦合體系降解過程中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn),采用ECOSAR軟件對(duì)三氯生及其中間代謝產(chǎn)物進(jìn)行毒性評(píng)估。ECOSAR軟件對(duì)三氯生及其中間代謝產(chǎn)物毒性的估測(cè)值見表1。根據(jù)《新化學(xué)物質(zhì)危害評(píng)估導(dǎo)則》(HJ/T 154—2004)規(guī)定,急性毒性半致死濃度(LC)主要分為劇毒(<1 mg/L)、有毒(1~10 mg/L)、有害(10~100 mg/L)和無害(>100 mg/L)4個(gè)等級(jí),慢性毒性值(ChV)主要分為劇毒(<0.1 mg/L)、有毒(0.1~1 mg/L)、有害(1~10 mg/L)和無害(>10 mg/L)4個(gè)等級(jí)。由表1可見,三氯生對(duì)魚類和水蚤的急性毒性和慢性毒性均屬于劇毒(LC<1 mg/L,ChV<0.1 mg/L),對(duì)綠藻屬于有毒(1 mg/L<LC<10 mg/L,0.1 mg/L <ChV<1 mg/L)。

        表1 ECOSAR軟件對(duì)三氯生及其中間代謝產(chǎn)物毒性的估測(cè)值

        三氯生及其中間代謝產(chǎn)物的急性毒性評(píng)價(jià)、慢性毒性評(píng)價(jià)分別見圖7、圖8。

        由圖7可見:對(duì)于魚類,三氯生的LC為0.476 mg/L,然而其代謝中間體A1的LC明顯下降了兩個(gè)等級(jí)(38.351 mg/L),雖然B1毒性下降不多,但是其最終代謝產(chǎn)物A2的LC下降了多個(gè)等級(jí),達(dá)到無害化處理;同樣的結(jié)果也在水蚤上觀察到;對(duì)于綠藻,一級(jí)代謝物B1的LC略有增加,但最終代謝產(chǎn)物A2的LC下降至無害。由圖8可見:三氯生的ChV除了綠藻的一級(jí)代謝B1略有增加,其他代謝產(chǎn)物的ChV均下降了1到多個(gè)等級(jí),最終代謝產(chǎn)物下降至無害。上述結(jié)果對(duì)納米鐵-微生物耦合體系去除廢水中三氯生的實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

        圖7 三氯生及其中間代謝產(chǎn)物的急性毒性評(píng)價(jià)

        圖8 三氯生及其中間代謝產(chǎn)物的慢性毒性評(píng)價(jià)

        3 結(jié)論

        a)利用納米鐵與微生物耦合體系降解廢水中的三氯生,通過納米鐵的還原作用脫去三氯生苯環(huán)上的氯離子,使其毒性降低或消除;再利用微生物共代謝作用引入施氏假單胞菌協(xié)同降解三氯生。

        b)反應(yīng)5 d時(shí),納米鐵-微生物耦合體系對(duì)三氯生的去除率達(dá)到83%,是單一微生物體系和單一納米鐵體系的4.15倍和4.88倍,納米鐵和微生物之間存在明顯的協(xié)同效應(yīng)。

        c)納米鐵的引入明顯有利于微生物的生長,三氯生被納米鐵還原脫氯形成的中間產(chǎn)物可以進(jìn)一步被微生物降解。

        d)三氯生在納米鐵-微生物耦合體系中生成了毒性更低的中間產(chǎn)物,最終能達(dá)到無害化程度。因此本研究對(duì)于實(shí)際廢水處理具有重要指導(dǎo)作用。

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