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  • 无差别降解

    无差别降级即完全降解。一般指难降解的材料将其完全降解的技术。

    广泛存在于人们生产生活中的难降解化学物质,一方面为人们的物质生活提供方便,另一方面因难降解的特性长期滞留于人们的生活空间,因致癌、致畸、致突变的特性给人类健康带来了潜在危险。为了减轻难降解有机物质对生态环境的影响与危害,国内外对难降解有机物的处理方法进行了大量研究,目前,主要方法包括生物法、物化法、化学氧化法等。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 无差别降解 定义: 难降解的材料将其完全降解的技术
    新兴技术: 生物技术 常用技术: 物化法、化学氧化法
    意 义: 保护环境

    目录

    简介/无差别降解 编辑

    进入工业时代以来,每年都有新型化学物质问世。环境中的部分化合物由于结构复杂性和生物蓄积性,很难被传统的物理、化学方法降解,从而长期滞留环境中,给人类的生存发展造成威胁。

    在自然条件下,在生物作用下难发生递降分解的一类有机物质称为难降解有机物,主要来源于农药、印染、石化、塑料橡胶等行业,包括酚类、卤代有机物、芳香族化合物、硝基化合物等。这类物质具有持久性、广域分散性、生物蓄积性,可通过多种途径进入食物链危害人类健康,影响生态环境。目前,难降解有机物的处理是环境科学研究领域中的一个重要研究方向,针对性的研究难降解有机物的有效降解途径具有十分重要的意义。

    目前,国内外处理难降解有机物的方法主要包括氧化法、物化法和生物法等。物化法主要有吸附、萃取、膜处理方法等。此法的处理效果较优,但是常常伴随较高的能耗费用、投资费用以及运行费用。氧化法利用氧化还原作用提高待处理水的可生化性,常用于生物处理的前处理。常见的氧化剂有臭氧、过氧化氢、高锰酸钾,但是随着废水成分的日益复杂性,常用的氧化剂已经不能满足处理要求,而后,高级氧化技术应运而生,以光、电等作为催化剂大大加强了氧化剂的氧化作用。化学氧化-生物降解结合处理难降解有机物是目前应用最广泛最有效的一种方法。生物法包括活性污泥法、氧化塘法、接触氧化法、以及人工湿地等,具有成本低、无二次污染、工艺简单、运移能力强、无害化降解等优点,已经成为处理难降解有机物的高效技术手段。[1]

    生物降解技术/无差别降解 编辑

    (1)概念。

    生物降解技术是指利用微生物的分解作用(新陈代谢)把自然环境中难以降解的有机物质代谢分解为无毒无害物质或者矿化为含C、H、O、N等元素的稳定无机化合物。

    (2)分类。

    按照降解产物区分,分为初级生物降解、最终生物降解。初级生物降解过程中,物质的化学结构发生了变化,从而致使物质本身特性改变;最终生物降解(好氧降解)的过程中,有机物质被完全降解为CO、HO、无机盐以及新的微生物细胞成分。

    按照作用时间区分,分为快速生物降解和固有生物降解。快速生物降解是指在确定的时间内,有机物质与接种物接触而表现出来的可生物降解性;固有生物降解是指在良好的试验条件下,有机物质和接种物长时间接触而表现出来的可生物降解性。[2]

    生物法在难降解有机物领域的应用/无差别降解 编辑

    有机物的生物降解效果除了取决于生物本身某些特性,如生长环境条件的影响(温度、pH值、抑制物质等)外,还有两个重要的原因,一是与有机物自身的组成和结构特征相关,一般来说,结构简单的有机物先被降解,结构复杂的后降解;二是废水中含有的物质可能会对降解过程产生竞争、非竞争、底物抑制等七类作用, 导致有机物不能快速的被降解。

    (1)酚类的生物降解。

    酚类主要来源于酚的生产及其他行业的含酚废水。目前,已经从环境中分离出对酚类有降解能力的微生物主要有根瘤菌、醋酸钙不动杆菌、假单胞菌、反硝化细菌、酵母菌和藻类。其中,最常见的是假单胞菌,不仅可降解多种氯酚,而且能降解氯苯、硝基苯、多氯联苯、多环芳烃等近100种有毒物质。

    微生物在处理目标产物的同时,往往也会起到附加的作用。一般而言,微生物处理有机废水过程中,需要经历微生物菌群演变的过程,在这个过程中,优势菌群就会凸显出来,可进行分离和进一步研究。

    李先昕等人在静态厌氧反应器中成功培养了耐酚及降酚的厌氧微生物。研究表明在35℃条件下,水力停留时间为6~8h,苯酚去除率可稳定在90%以上;

    通过对降酚的厌氧微生物进行DNA比对分析发现Trichococcus sp.、Propionigenium sp.、Endophytic bacteriumsp.和Syntrophobacter sp.均属于兼性厌氧细菌,其中Trichococcussp.为优势菌属。微生物降解效果受到很多因素的影响,目前共代谢方面的研究得到了很大的进展。万博等人研究了铜绿假单胞菌NY3对四溴双酚A(TBBPA)的降解能力。结果表明,四溴双酚A可作为NY3菌生长的唯一碳源,当质量浓度为20mg/L时,脱溴率可达到51.90%;此外,还研究了共代谢碳源对NY3降解TBBPA的影响,发现在摇床转速150r/min、pH=8.0、29-31℃、TBBPA初始质量浓度为60mg/L条件下,外加葡萄糖、丙酮酸钠、乙酸钠、乳酸钠、柠檬酸钠、乙醇均能明显提高NY3菌生长量,且使脱溴率分别提高21.7%、13.4%、13.11%、18.5%、18.3%、17.1%;外加葡萄糖时,TBBPA降解率高达99%。

    (2)卤代有机物(HOPs)的生物降解。

    卤代有机化合物主要来源于杀虫剂、除草剂、致冷剂、油漆、溶剂和农药的广泛使用。相比于碳氢化合物,卤原子的引入使得卤代有机物具有疏水性、低水溶性、化学稳定性等特点,其生物降解性能更差。只有在特定情况下,利用微生物产生的具有较宽专一性的酶将卤代化合物进行转化。该类化合物具有三致效应,尤其是卤代硝基苯类化合物具有急性毒性效应,进入水体对鱼类、藻类造成死亡,长期暴露导致人类得高铁血红蛋白症或贫血。因此,为了加强这类化合物的降解效果,反应条件因素的研究不断地取得新的进展。微生物菌群间具有集群协同作用,使得生物降解作用发挥出更高的效能。张甜甜釆用不同的外加碳源对污泥中的菌群进行筛选和驯化,考察了在混合菌群接种量为65mg/L,碳源浓度40mM,pH约7.0,曝氮气20min,厌氧培养箱30℃条件下,不同外加碳源(丙酮酸、甲酸、乙酸、乳酸)富集的混合菌群对2,5-二氯销基苯(2,5-DCNB)的降解能力。结果表明:四种富集的混合菌群对2,5-DCNB的降解能力确有差异;以丙酮酸作外加碳源富集的混合菌群还原2,5-DCNB速率最快;以乙酸作外加碳源富集的混合菌群脱氯速率最快;基于微生物的生长状况、硝基还原和脱氯速率的综合考虑,最终确定丙酮酸为最佳外加碳源。近年来,纳米零价铁(nZVI)技术应用于卤代有机物降解领域展现了优异的性能。

    张熔烁等人研究了纳米零价铁(nZVI)-生物(P.putida菌株)联合技术对五氯酚(PCP)的降解效率及机理。首先合成Pd负载量为0.5%的nZVI/Pd颗粒,厌氧条件下,nZVI/Pd以逐级脱氯的方式将PCP完全降解成苯酚(2h内);好氧条件下,中间产物苯酚在P.putida菌种的作用下进入TCA循环完全被矿化生成CO和HO(16h内)。

    Xia等利用氢基质厌氧膜生物反应器将对氯硝基苯(2mg/L)还原为对氯苯胺,再以H作为电子供体使其脱氯生成苯胺,降解率达99.3%,此外还研究了电子供体H、对氯硝基苯浓度以及其他电子受体的竞争对对氯硝基苯的还原脱氯效果的影响。

    (3)芳香族类化合物的生物降解。

    这类化合物主要来源于石油、化工、农药、电子、纺织、造纸及制药工业。常温常压下,由于苯环结构难于降解,需借助酶的作用。一般作用于该类化合物的氧化酶分为两类:苯环羟基化加氧酶和苯环切割化加氧酶。芳香族类化合物的好氧降解的过程如下:首先在酶、氧的共同作用下,被氧化为邻苯二酚或其衍生物的共同代谢中间体,然后在开环酶、氧的共同作用下,生成直链的分子,最终再分解进人TCA循环。

    张浩等人分离出一株能够以苯胺作为唯一碳源和氮源的假单胞菌Z1,并确定其最佳生长、降解的条件为:PH=6.0~8.0;30℃;盐度=0.1%~1.0%。研究表明:在此条件下,初始浓度为400mg/L的苯胺可在16h内被完全降解;当苯胺初始浓度为1300mg/L时,最大降解速率可达41.4mg/(L*h),32h内可降解98%的苯胺。

    近年来,研究学者开始在微观领域进行研究,旨在寻求降解有机物的更有效途径。张子栋等人研究了透明颤菌血红蛋白及其突变体Q53H、P54C和Q53H/P54C对苯系物(苯酚、苯胺、2,4,6-三氯苯酚和2,4,5-三氯苯胺)的降解特性。研究表明:在实验条件PH=5.2,T=55℃时,Q53H对苯胺的降解效率最高达80.4%;在实验条件PH=7.0,T=55℃时,Q53H对苯酚、2,4,5-三氯苯胺的降解效率达到最高,分别为89.8%、91.8%;在实验条件PH=7.0,T=45℃时,P54C对2,4,6-三氯苯酚的降解效率最高达90.4%。

    (4)硝基化合物的生物降解。

    硝基化合物中,芳香族类硝基化合物是最难降解的,主要来源于染料、炸药、医药、农药等工业。苯环结构的对称性和稳定性决定了其不易发生反应,而硝基的存在使苯环的电子云密度降低,使得其生物降解性更差。按照降解初始反应的不同,芳香族类硝基化合物的生物降解可以分为氧化分解还原分解。氧化分解多发生在好氧条件下,在单加氧酶的作用下可增加一个氧原子脱掉硝基,在双加氧酶的作用下可引入两个羟基,并将硝基脱除。还原分解可发生在好氧或厌氧条件下。若硝基发生还原反应,则硝基被还原为羟胺或胺。若苯环发生还原反应,即发生苯环的加氢反应。

    Mulla等人将固定化技术应用于生物工程中,实现了聚氨酯包裹微球菌SMN-1对土壤中二硝基甲苯的生物修复,比较了游离悬浮细胞(摇瓶培养)和固定化细胞(分批固定化)两种方式对二硝基甲苯降解率的影响,分别为15%和30%。并且相对于反应器中的游离细胞,固定化细胞对p H条件和p H变化更有耐受性。[2]

    生物降解技术研究趋势/无差别降解 编辑

    目前,国内外对难降解有机物的生物降解方式越来越重视,对生物技术进行强化与改进,从而提高降解效率,具有重要的研究意义。首先,基于遗传与基因工程技术,目前有两个途径可以提高菌株的降解能力:(1)筛选或构建多功能的超级菌;(2)改变分子结构引入特定基团。孙向楠等人筛选出一株能够以苯甲酸钠作为唯一碳源的芽孢杆菌,命名为Bacillus sp. LKG-A,研究表明该菌种利用龙胆酸1,2-双加氧酶催化苯环的裂解,从而降解苯甲酸钠。运用Touch downPCR和TAIL PCR完成关键酶(龙胆酸1,2-双加氧酶)基因的完整阅读框的扩增,并将该基因连入大肠杆菌的表达菌株BL21(DE3)中,实现了酶蛋白的异源高效表达。

    难降解有机物参与微生物代谢过程是达到降解的主要途径。因此,明确生物降解途径中生物对难降解有机物的处理过程及可能存在的代谢产物,结合目标污染物的结构特征,充分考虑影响生物活性、降解酶活性等因素,进而对菌种所需生长条件进行优化,通过控制外加物质的浓度以及外加菌种的协同作用提高目标污染物的降解率。

    此外,一些研究者将生物技术与其他技术进行交叉结合,得到的集成技术充分利用各技术的协同作用、发挥各技术的优势,从而发挥出更大的效能。张茜等人利用具有高效降解特性的菌株与土壤含水层处理(SAT)系统相结合,研究生物强化后该系统对硝基酚(PNP)的去除效果。研究表明:非生物条件下,SAT通过吸附作用去除PNP,平均去除率为11%;生物强化条件下,通过吸附、生物降解双重作用下去除PNP,平均去除率升高至88.5%。[2]

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    参考资料
    [1]^引用日期:2019-04-19
    [2]^引用日期:2019-04-19
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