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受污染地下水中苯降解菌的筛选研究

更新时间:2009-03-28

0 引言

在石油为人类文明带来巨大利益的同时,也引起了一系列石油污染问题。浅层地下水埋藏浅,包气带隔污阻污能力有限,极易受到石油类污染。国内外尽管也曾开展了大量石油类地下水污染生物修复研究,但研究成果主要集中在污染途径、污染机理、污染预报方面,对地下水土污染的修复研究还未见到结合实地的有效方法技术的探索和实践。国内外关于石油污染物降解菌的研究还处于初始阶段,对于低温石油污染地下水中苯系物降解菌的研究较少见报道。

拟定苯系物-苯作为目标污染物,从采集的污染土样中富集、分离纯化降解菌,进而在模拟低温地下水环境条件下筛选高效降解苯系物的菌株,并进行模拟污染地下水中优势菌种降解苯的规律研究。研究成果为石油污染地下水中苯系物的生物修复提供了有效降解菌种,对有效地减少BTEX对地下水资源和人体的危害,修复被石油污染的地下水具有重要的实际应用价值和理论意义。

1 技术路线

拟定苯系物-苯作为目标污染物,从采集的受污染土样中富集、分离纯化降解菌,进而在模拟低温地下水环境条件下筛选高效降解苯系物的菌株,并进行模拟污染地下水中优势菌种降解苯的规律研究。研究成果为受污染地下水中苯系物的生物修复提供了有效降解菌种。

2 菌种的分离纯化结果与分析

采用不同梯度试验,结果显示:稀释10倍不同菌落生长较多,稀释105倍,经过3天以后4种土样的平板上有零星分布,说明在纯苯大量存在的环境中,原始菌种越少,菌落生长越少。挑取单菌落分离纯化得到6种菌。

 

表1 优势菌株菌落的性状表

  

菌种菌落形态培养7天菌落直径B1蓝色圆形小凸起,与培养基结合较牢固0.5mmB2圆环状,绿色粉末状2.0cmB3白色圆形,粉末状1.0cmB4浅灰色圆形,粉末状,产生粉红色代谢物1.0mmB5乳白色2.0mmB6中间略灰,乳白色圆环形,粉末状,产生黄色代谢物1.0cm

采用平板驯化的方法,在纯苯培养基和饱和蒸汽的密封环境中,经过3次传代驯化10℃培养,菌种生长量明显变多。

3 菌种的筛选结果与分析

3.1 不同菌种的生长特性

将一定数量的细菌接种于适宜的液体培养基中,连续定时取样检查活菌数,可发现其生长过程的规律性。以培养时间为横坐标,OD值为纵坐标,可绘制出一条生长曲线,见图1。

——根据不同菌种的生长特性以及降解效果,从被污染的土壤中,选育出一株低温寡营养环境下可以高效降解地下水中苯系物的降解菌B6。其在380 mg/L浓度以上的苯系物污染地下水中,在第3天时,降解率达到77.87%,第7天降解率达到了83.94%。

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3.2 不同菌种的降解效果

6种菌降解苯系物的溶液稀释1000倍后,第3天的测试结果见图2。

由图2可知,6种菌在高浓度苯的污染地下水中,都有降解苯的能力,其中B6菌降解效果最好,降解率为77.87%。

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图1 六种菌的生长曲线图

  

图2 第3天6种菌降解苯降解效果图

由图3可知,第7天的测试结果与第3天的测试结果相比,还是可以看出同样的趋势。B6菌的降解率相对于空白,降解率达到了83.94%。此外,两个空白样中苯浓度出现大幅度下降,究其原因,与苯的物化性质有关。苯在水中的溶解度为1.78E3(25 ℃),易挥发,虽然降解实验过程中采用密封盖和锡纸全封闭,但为了加速苯与微生物的有效接触,采用了低速振荡的方法,这也是加剧苯挥发的重要原因。由此实验结果可知,苯降解菌的生长环境是处在低温缺氧的兼性环境下生长和降解苯系物的。由以上实验结果确定B6菌为最佳降解菌。

  

图3 6种菌第7天降解苯的效果图

4 目标菌降解苯系物机制研究

为了了解苯系物的降解机制,本研究采用吹扫捕集-6890/5973气质联机仪进行测试。通过直接吹扫、二氯甲烷萃取、正己烷萃取的方法,配合儿茶酚显色实验,初步探讨了目标菌在适宜于地下水环境条件下的降解苯系物的降解机制。

从图6可以看出,B6菌在温度为10 ℃~30 ℃的范围内都可以生长。但温度在10 ℃和20 ℃时菌液的OD值较30 ℃时低。这是因为,当温度较低时,微生物的代谢缓慢,生长速度受到影响,当温度太低时微生物还会停止生长,进入休眠状态。从图中可以看出,三种温度条件下,当温度为30 ℃时,为该菌最佳生长温度。当温度超过这个最适温度范围时,B6菌的生长就会受到影响。

4.1 菌种代谢物的检测分析

从图7可看出,在温度位于10 ℃~20 ℃之间时,降解效果均较好。而地下水温度大多位于10 ℃~20 ℃之间,所以B6菌适合于进行降解地下水中苯系物。当温度大于20 ℃时,呈现降解率降低而苯系物增多的趋势。这主要是因为在筛选降解菌之初,所采用的温度即为低温10 ℃,B6菌已经适应在低温环境中生长代谢,而换至高温,需要适应的过程,从而导致降解效果较低温差的结果。

由试验结果可知,B6菌降解后的谱图中,没有了甲苯、二甲苯等苯系物的谱峰,但在直接吹扫和正己烷萃取条件下,主要有苯及甲苯、二甲苯等苯系物出现,说明B6菌在降解大量苯的同时,把少量的其他苯系物也一同降解了。这与苯系物具有共同的降解机理是分不开的。在经过二氯甲烷萃取后,出现了较多的B6降解菌的中间代谢产物,见表2。

 

表2 主要代谢及降解中间产物

  

物质名称分子式保留时间Benzothiazole11.46BatylatedHydroxytoluene14.97Thiophene,2,5-bis[2-methylpropyl]—16.41Butanedioicacid,Methy1-bis[1-methylpropyl]ester17.913,5-di-tert-buty-4-hydroxybeazal-dehyde18.653,5-di-tert-buty-4-hydroxyanisole18.68Diisobutylphthalate19.73Ethanol,2-[dodecyloxy]-23.53十七烷十七烷27.13

由表2可知,在B6降解苯系物的过程中,出现双加氧酶和单加氧酶及儿茶酚降解酶的中间产物。

该实验过程及实验结果说明:模拟地下水环境为低温缺氧寡营养环境,B6菌确实以苯为唯一碳源进行生长代谢,进而彻底降解苯系物,净化受污染的地下水。

4.2 双加氧酶的检测(儿茶酚降解实验)

为进一步辅证5.1的实验结论,进行了儿茶酚显色的直观实验现象分析,在本实验中,发现经过较短时间,发酵液即变成了黄颜色,黄颜色的出现表明,儿茶酚已经被双加氧酶氧化,从而证实苯系物降解的途径有儿茶酚的降解途径。

5 不同影响因素对降解过程的影响

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5.1 pH值

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对不同微生物的生长pH来说,存在最高、最适、最低三个数值。从图4可以看出,B6菌的生长pH不是很广,在pH为5~10时都可以生长;最适宜B6菌生长的pH范围在6附近,而地下水pH多数于6.95~7.62,说明B6菌在地下水中易于生长;当pH在5以下和以7以上时,B6菌的生长都受到影响。

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图4 不同pH条件下B6菌的生长状况图

——pH值对B6菌降解效果的影响。

  

图5 不同pH条件下B6菌的降解效果图

由图5可见,在pH值位于9.0附近时目标菌对苯系物降解效果最好。而地下水pH多数于6.95~7.62间,由图可知,在上述pH值范围内B6菌的降解效果亦较好。

5.2 温度

——温度对B6菌生长速度的影响。将B6菌接种到装有100 mL培养基的150 mL培养瓶中,分别在10 ℃、20 ℃、30 ℃不同温度下培养。以未接种的培养基作为空白对照,将培养液稀释10倍后在波长660 nm条件下测定吸光度值,结果见图6。

——pH值对B6菌生长速度的影响。在培养基中分别加入HCl和NaOH溶液,调节培养基的pH值,使得液体培养基的pH值分别为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0,灭菌后分别接种到装有100 mL培养基的150 mL的培养瓶中,在10℃条件下培养。以未接种的培养基作为空白对照,将培养液稀释10倍后在波长660 nm条件下测定吸光度值。结果见图4。

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地下水温度大多位于10 ℃~20 ℃之间,pH多数于6.95~7.62间。与实验条件相匹配。

——温度对B6菌降解效果的影响。

  

图6 不同温度条件下B6菌生长速度对比图

  

图7 不同温度条件下B6菌的降解效果图

许多好氧细菌有甲苯双加氧酶。这种酶可使甲苯与O2结合。一些好氧细菌的甲苯单加氧酶,只能使O2中一个原子和甲苯结合形成邻甲酚。儿茶酚双加氧酶可氧化儿茶酚、3-和4-甲基儿茶酚、3-氟儿茶酚。

  

图8 B6菌镜下照片

6 菌种的鉴定结果

经过革兰氏染色鉴定结果可知,其为革兰氏阳性菌;对照降解机制实验,以及由活体染色实验结果可知,该菌为红色球状菌,见图8。

7 结语

OD值是表征细菌数量的一个指标,可从侧面说明该菌的繁殖速度。从表中看出,B5菌的OD值在第5天到第6天之间出现明显的上涨。在第6天到第7天又出现了明显的下降。B6菌在第3天到第4天处于明显的繁殖期,从第4天以后菌数量上又处于比较平稳的阶段。

——对目标菌B6的降解机制进行了初步研究。采用直接吹扫、二氯甲烷萃取、正己烷萃取的方法,配合儿茶酚显色实验,初步探讨了苯系物在适宜于地下水环境条件下的降解机制:主要是在双加氧酶的作用下降解苯及其他苯系物的。

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——通过单因素实验得出,B6的最适生长温度为30 ℃左右,但其在10 ℃~20 ℃范围内亦生长较好。最适生长pH范围为6.0左右。与地下水普遍意义上的温度和pH范围相符。

——对目标菌B6进行了菌种鉴定。经过革兰氏染色鉴定结果可知,其为革兰氏阳性菌;对照降解机制实验,以及由活体染色实验结果可知,该菌为红色球状菌。

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——研究成果对有效地减少BTEX对地下水资源和人体的危害,修复被采矿工程、工业生产等造成的苯系物污染的地下水具有重要的实际应用价值和理论意义。

参考文献

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[3] Evans, M, et.al, 1997, Hexavalent chromium reduction by bacillus SP. in a packed bioreactor, Environ. Sci. Technol, 31(5):1446-1451.

1)人力支持。专业实验室的运行需要人力资源作为基础,实验室管理人员作为其看护者,必须兢兢业业,保证实验室安全。专业实验室内一般存放大量化学试剂和物理仪器,尤其是很多化学试剂具有一定的危险性,即专业实验室本身就是较易发生安全事故的场所。在专业实验室开放的情况下,学生由于经验不足及容易大意,易发生损坏实验室仪器及安全问题等事故,一旦发生,后果严重。这就对专业实验室管理人员提出更高的要求,不仅要严格要求自己,细致管理仪器试剂,也要严格要求学生。同时,指导教师也应充分发挥作用,认真指导学生操作,避免错误发生。

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秦健,王少泉,朱晓杰,张亚男
《矿业工程》 2018年第02期
《矿业工程》2018年第02期文献

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