2,4,6-三氯苯酚作為防腐劑、 殺菌劑、 防霉劑[1, 2]廣泛應(yīng)用于各類制造業(yè)，導(dǎo)致大面積土壤、 地表水、 地下水受到了氯代有機(jī)物的污染[3, 4, 5]，在污水廠剩余污泥中亦有發(fā)現(xiàn)[6]. 因其高毒性，持久性和致癌性，2,4,6-TCP被美國、 中國等國家列入優(yōu)先控制污染物[7, 8].
多氯酚很難在好氧條件下降解，而在氧化還原電位低的厭氧環(huán)境中，在相應(yīng)酶的作用下進(jìn)行厭氧還原脫氯，代謝速率較高[7]，且厭氧脫氯的原理與應(yīng)用對于修復(fù)土壤或地下水更具現(xiàn)實(shí)意義，受到研究者的重視. 通過富集活性污泥可獲得厭氧降解2,4,6-TCP的混合微生物[9]，氯取代基被脫除后，生物毒性大大降低[10, 11]，再通過好氧處理，可實(shí)現(xiàn)徹底礦化. 對于復(fù)雜的氯代化合物，其礦化過程具有步驟性，每步生成的產(chǎn)物往往越來越不容易脫氯[17]，且脫氯菌與其他厭氧細(xì)菌形成復(fù)雜的互養(yǎng)關(guān)系而受到制約[18, 19]，相關(guān)研究有待進(jìn)一步深入. 目前已從土壤、 地下水中分離鑒定出多種氯酚降解菌[12, 13, 14, 15, 16]，這些微生物以有機(jī)物作為電子供體，有機(jī)氯代物作為電子受體進(jìn)行呼吸代謝作用. 其中，Dehalococcoides ethenogenes、 Dehalobacter restrictus等通過還原脫氯酶進(jìn)行脫氯呼吸，另外，異化鐵還原菌的脫氯作用近年來成為研究熱點(diǎn)[13, 14]，如Gobacter、 Shewanella、 Desulfitobacterium等，這些微生物可同時(shí)進(jìn)行Fe(Ⅲ)還原與脫氯呼吸. 在不同的微生物及環(huán)境條件下，厭氧脫氯轉(zhuǎn)化過程受到影響，并顯著影響脫氯速率. 因此深入研究2,4,6-TCP在厭氧污泥群中的代謝特性和影響因素對于實(shí)現(xiàn)2,4,6-TCP徹底礦化，深入還原脫氯機(jī)制具有重要的意義.
本研究通過馴化活性污泥富集2,4,6-TCP還原脫氯污泥，探索厭氧條件下馴化污泥對2,4,6-TCP還原脫氯途徑、 代謝特征和影響因素，探討相關(guān)機(jī)制，以期為加速還原脫氯的方法、 實(shí)現(xiàn)多氯酚的徹底礦化及實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).
1 材料與方法
1.1 基本營養(yǎng)物
研究中所采用的培養(yǎng)基含有以下物質(zhì)： ①主要營養(yǎng)物質(zhì)(×10-2 g ·L-1): KCl(0.15)，KH2PO(1.36)，NH4Cl(2.68); ②微量元素(×10-3 g ·L-1): CoCl2 ·6H2O(0.024)，ZnCl2(0.075)，H3BO3(0.019)，NiCl2 ·6H2O(0.024)，Na2Mo4 ·2H2O(0.024)，F(xiàn)eCl2 ·4H2O(1.344)，MnSO4 ·4H2O(0.026)，MgSO4 ·7H2O(1.556)，CaCl2 ·2H2O(2.336)，CuSO4 ·5H2O(0.009)，AlK(SO4)2 ·12H2O(3.446); ③ 維生素(×10-3 mg ·L-1)[20]: 生物素(20)，葉酸(20)，維生素B6(100)，維生素B1(50)，維生素B12(1)，對氨基苯甲酸(50)，泛酸(50)，維生素B6(100)，硫辛酸(50); ④酵母浸膏: 0.002%. 其余物質(zhì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容另行添加.
1.2 污泥馴化
污泥取自上海市長橋污水處理廠二沉池回流污泥，其中未測得氯酚類物質(zhì). 馴化前，將污泥淘洗3次，接種至可密封厭氧瓶內(nèi)，添加1.1節(jié)所述營養(yǎng)物質(zhì). 添加乳酸鈉(20 mmol ·L-1)、 2,4,6-TCP(50 μmol ·L-1)，所有物質(zhì)添加完畢后定容至1 L，氮?dú)獯得?0 min密封，置于恒溫磁力攪拌器上，內(nèi)置磁力攪拌子，30℃條件培養(yǎng)，定期更換培養(yǎng)液. 培養(yǎng)液加入前經(jīng)高純N2吹脫20 min，更換時(shí)以N2保護(hù)，維護(hù)反應(yīng)所需的厭氧條件. 定期檢測酚類物質(zhì)濃度變化，直至馴化完成.
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
間歇實(shí)驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行： ①配制培養(yǎng)基: 按1.1節(jié)所述配方以去離子水配制基本營養(yǎng)物培養(yǎng)基，分裝至100 mL厭氧瓶內(nèi)，高純氮?dú)獯得?0 min密封，121℃滅菌后待用. 實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，N2保護(hù)下分別添加各類物質(zhì)： 乳酸鈉(10 mmol ·L-1或20 mmol ·L-1); 2,4,6-TCP、 2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)、 4-氯苯酚(4-CP)、 苯酚，添加濃度為40-80 μmol ·L-1; 檸檬酸三鐵(FeC6H5O7，1、 5、 10 mmol ·L-1)、 腐殖質(zhì)模式物蒽醌-2，7-雙磺酸鈉(2，7-AQDS，1、 5、 10 mmol ·L-1). 所有實(shí)驗(yàn)均為3組平行，結(jié)果取平均值，所有物質(zhì)添加完畢后接種馴化污泥. ②污泥接種: 取出適量馴化污泥，無氧條件下淘洗，置于混勻器(GS-10)上，N2保護(hù)條件下利用注射器抽取10 mL，接種至100 mL厭氧瓶內(nèi)，以去離子無氧水定容至50 mL. ③ 置于恒溫培養(yǎng)箱(HZQ-X160)內(nèi)振蕩培養(yǎng)，定時(shí)取樣檢測. ④取樣: N2保護(hù)下，利用無菌注射器抽取液體樣品，利用微濾膜(0.45 μm)過濾待測. 以Agilent 1100高效液相色譜儀(波長282 nm的紫外熒光器，ZORBAXSB-C18反相色譜柱)檢測液相2,4,6-TCP、 2,4-DCP、 4-CP和苯酚濃度，流動(dòng)相為甲醇水溶液，體積比為甲醇 ∶水(含1%醋酸)=80 ∶20，溫度為25℃，流動(dòng)速率為1mL ·min-1，檢出限0.1mg ·L-1，加標(biāo)回收率>98%. 采用Cervantes等[21]描述的方法于450 nm波長處用UNICO 1200 型分光光度計(jì)測定其還原態(tài)AH2QDS 的吸光度. 采用ICS-1000離子色譜測定液相總Fe(Ⅱ)濃度，樣品量50 μL，分離柱IonPac CS5A+CG5A，流速1.2mL ·min-1，柱后與PAR反應(yīng)(530 nm). 采用Multi N/C UV HS 型TOC儀(NDIR檢測器)測定樣品中的總有機(jī)碳(TOC)，樣品量500 μL，檢測限0.05mg ·L-1.
1.4 主要試劑
蒽醌-2，7-雙磺酸鈉，分析純，購于東京化成工業(yè)株式會(huì)社; 2,4,6-三氯苯酚、 2,4-二氯苯酚、 4-氯苯酚、 檸檬酸鐵等其他藥劑均為分析純，購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司; 高純氮?dú)赓徲谏虾Ｄ蠀R化工輕工有限公司.
2 結(jié)果與討論
2.1 污泥厭氧降解2,4,6-TCP特性
馴化初期，2,4,6-TCP需30 d實(shí)現(xiàn)初始性降解，馴化至90 d時(shí)，2,4,6-TCP 24 h內(nèi)轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%，此時(shí)認(rèn)為污泥馴化完成. 9個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中，100%轉(zhuǎn)化2,4,6-TCP一般耗時(shí)為9-24 h. 厭氧條件下，大多數(shù)氯酚都可通過還原脫氯過程逐步脫氯，降低毒性. 已有研究顯示[22]，2,4,6-TCP厭氧脫氯的中間產(chǎn)物可能有2,4-DCP、 4-氯酚、 苯酚，苯酚開環(huán)轉(zhuǎn)化為苯甲酸進(jìn)而通過厭氧產(chǎn)甲烷作用生成CH4和CO2. 本研究中，產(chǎn)物經(jīng)HPLC檢測有2,4-DCP、 4-CP、 苯酚，有少量CH4和CO2產(chǎn)生(未做準(zhǔn)確測定)，2,4,6-TCP降解曲線及中間產(chǎn)物變化見圖 1. 其中，初始濃度為66 μmol ·L-1的2,4,6-TCP 24 h內(nèi)轉(zhuǎn)化率為100%. 2,4-DCP濃度較低，多批次的實(shí)驗(yàn)中2,4-DCP濃度一般在0-4.22 μmol ·L-1，4-CP會(huì)逐漸累積，少量轉(zhuǎn)化為苯酚. 9個(gè)月多批次實(shí)驗(yàn)中，2,4,6-TCP始終未實(shí)現(xiàn)最終性降解，終產(chǎn)物為4-CP和少量苯酚，這與相關(guān)研究相符[19, 22, 23, 24, 25, 26, 27]，TOC在這一過程中降解率較低(<20%)，可見，單獨(dú)厭氧降解可實(shí)現(xiàn)快速脫氯，但難以實(shí)現(xiàn)2,4,6-TCP及有機(jī)物的的徹底礦化. 與已有研究相比(見表 1)，馴化污泥具有快速轉(zhuǎn)化2,4,6-TCP的能力，這說明通過本實(shí)驗(yàn)的馴化方法可富集大量厭氧脫氯細(xì)菌. 厭氧降解殘留物主要包含4-CP、 苯酚和有機(jī)物，通過好氧污泥(未馴化)處理后，殘留的4-CP(反應(yīng)初始濃度33 μmol ·L-1)2 h后無檢出，6 h TOC去除率>90%，無酚類物質(zhì)和苯系物檢出. 因此，加速2,4,6-TCP的厭氧脫氯是實(shí)現(xiàn)其徹底礦化的關(guān)鍵，深入研究厭氧脫氯的影響因素和相關(guān)機(jī)制具有重要的意義.
圖 1 污泥厭氧/好氧降解2,4,6-三氯酚及中間產(chǎn)物變化
表 1 馴化的厭氧污泥或富集培養(yǎng)物降解
根據(jù)Lffler等[28]的理論，乳酸鈉為氯代有機(jī)物提供電子，通過微生物的呼吸鏈傳遞給氯代有機(jī)物使其還原脫氯，這一過程產(chǎn)生的能量被微生物轉(zhuǎn)化為ATP. 根據(jù)空間位阻效應(yīng)理論，2,4,6-TCP先是逐個(gè)脫去鄰位的氯，然后再脫去對位氯. 而本體系中，在降解初始4-CP濃度即增加，2,4-DCP一直有檢出，但濃度一直很低，且未發(fā)現(xiàn)累積過程，推斷存在2,4,6-TCP同時(shí)脫去兩個(gè)鄰位的氯的途經(jīng)[29]. 同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)中，2,4-DCP在體系中的出現(xiàn)說明存在2,4,6-TCP經(jīng)由2,4-DCP中間體進(jìn)而脫氯生成4-CP這一途徑. 上述兩種途徑可能同時(shí)發(fā)生，因此推測轉(zhuǎn)化途徑見圖 2.
圖 2 2,4,6-三氯酚厭氧/好氧降解途徑及電子數(shù)變化
2.2 污泥對中間產(chǎn)物的降解
研究中以乳酸鈉為電子供體，接種馴化污泥，分別添加2,4,6-TCP及其厭氧降解的中間產(chǎn)物2,4-DCP、 4-CP和苯酚及基本營養(yǎng)物質(zhì)，于100 mL厭氧瓶內(nèi)進(jìn)行間歇培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)(具體方法見1.3節(jié))，考察各中間產(chǎn)物的降解特性. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，33 h馴化污泥對含鄰位氯氯酚(2,4,6-TCP、 2,4-DCP，初始濃度為84.1 μmol ·L-1、 45.3 μmol ·L-1)的初始性降解為100%，產(chǎn)物主要為4-CP(圖 3); 對位氯酚(4-CP，初始濃度為45.7 μmol ·L-1)降解率為22%，產(chǎn)物為少量苯酚; 而苯酚(初始濃度68.4 μmol ·L-1)基本未降解.
圖 3 馴化污泥對中間代謝產(chǎn)物的降解
Mohn等[30]發(fā)現(xiàn)對位氯在厭氧環(huán)境難以脫氯，4-CP分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性使得在酶作用下氯原子難以被親核取代. 當(dāng)鄰位和對位或間位共存時(shí)，鄰位優(yōu)先脫氯，因?yàn)樵撀窂骄哂休^小的氧化還原電勢. 本研究中僅添加4-CP，無競爭存在，電子供體充足，無產(chǎn)物抑制，說明馴化污泥的對位氯降解功能有限，具有明顯的底物專一性. Li等[23]的研究顯示，一些脫氯菌的種屬對含對位氯的氯酚的降解止步于4-CP. 根據(jù)不同氯取代位置，厭氧脫氯一般需要不同的菌群或催化酶. Kim等[31]發(fā)現(xiàn)，降解2,4,6-TCP的Pseudomonas solanacearum TCP114和降解4-CP的Pseudomonas testosteroni CPW301不僅有嚴(yán)格的底物專一性，且2,4,6-TCP對4-CP降解菌產(chǎn)生毒性，兩類細(xì)菌難以共存. 因此，本研究的馴化污泥以脫鄰位氯降解菌為優(yōu)勢，盡管馴化過程4-CP一直存在，但未富集出降解4-CP的優(yōu)勢種群. 苯酚在本體系幾乎不降解，分析也是上述原因. 這一結(jié)果有重要的意義，在2,4,6-TCP的厭氧降解中，4-CP和苯酚的最終性轉(zhuǎn)化成為限制步驟. 因此，探明2,4,6-TCP和4-CP降解菌的生態(tài)關(guān)系、 強(qiáng)化微生物脫對位氯功能，是今后的研究重點(diǎn).
2.3 電子介體影響
在已分離出的厭氧脫氯菌中發(fā)現(xiàn)很多種屬被證實(shí)在脫氯呼吸時(shí)伴隨三價(jià)鐵[Fe(Ⅲ)]的還原，一些電子介體顯著影響脫氯代謝[29]. 這類微生物分布廣泛，在不同的科、 屬中均有發(fā)現(xiàn)，是生態(tài)環(huán)境中重要的微生物群體. 其功能多樣，除Fe(Ⅲ)，可將電子傳遞給不同的電子受體(如腐殖質(zhì)). 研究中采用間歇實(shí)驗(yàn)，以乳酸鈉為電子供體，以Fe(Ⅲ)(檸檬酸三鐵)和腐殖質(zhì)模式物蒽醌-2，7-雙磺酸鈉(2，7-AQDS)作為電子介體考察二者對馴化污泥降解2,4,6-TCP的影響(具體方法見1.3節(jié))，另分別以Fe(Ⅲ)和AQDS為唯一電子受體考察未經(jīng)馴化的污泥和馴化污泥對二者的還原能力，結(jié)果如下.
2.3.1 Fe(Ⅲ)
由圖 4可見，同對照組(未經(jīng)馴化的接種污泥)相比，馴化的污泥可快速將Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)，這說明污泥富集了一定數(shù)量的鐵還原菌. 由圖 5可見，隨Fe(Ⅲ)濃度的增加，2,4,6-TCP的降解速率逐漸加快，F(xiàn)e(Ⅲ)濃度為1 mmol時(shí)即可明顯強(qiáng)化2,4,6-TCP的降解，濃度為10 mmol ·L-1時(shí)，24 h實(shí)現(xiàn)100%轉(zhuǎn)化，與對照樣相比縮短了9 h. Fe(Ⅲ)一方面可作為酶的激活劑促進(jìn)代謝速率，另一方面可在一些微生物的作用下，作為呼吸鏈的電子受體接受降解有機(jī)物釋放的電子[32]，再將電子傳遞給氯酚，加速脫氯過程中的電子傳遞. 鐵元素并未被微生物同化，這一過程發(fā)生在細(xì)胞外，因此其機(jī)制與“脫氯呼吸”不同，這種代謝方式又稱”胞外呼吸”. 能夠進(jìn)行上述方式進(jìn)行呼吸代謝的微生物稱異化鐵還原菌. 馴化污泥不僅可以還原脫氯，還具有還原Fe(Ⅲ)的功能，且Fe(Ⅲ)的存在強(qiáng)化了系統(tǒng)的脫氯，因此馴化污泥中應(yīng)富集了異化鐵還原菌的相關(guān)種屬. 當(dāng)含氯有機(jī)物存在時(shí)，F(xiàn)e(Ⅲ)起到電子轉(zhuǎn)運(yùn)的功能. 而提高Fe(Ⅲ)的電子轉(zhuǎn)運(yùn)效率是強(qiáng)化還原脫氯的關(guān)鍵之一，因此深入研究異化鐵還原菌及在污泥中的地位、 功能對強(qiáng)化還原脫氯有重要的意義.
圖 4 馴化污泥還原Fe(Ⅲ)
圖 5 Fe(Ⅲ)對馴化污泥降解2,4,6-三氯酚影響
2.3.2 AQDS
由圖 6可見，乳酸鈉為電子供體AQDS為唯一電子受體時(shí)，馴化污泥可快速將AQDS還原為AH2QDS，24 h的還原率均可達(dá)到80%以上，而未經(jīng)馴化的污泥AQDS還原能力有限，還原率均不到30%. 這進(jìn)一步說明污泥中富集了一定數(shù)量的異化鐵還原微生物，并通過胞外電子傳遞的方式，以乳酸鈉為電子供體將電子傳遞給氧化態(tài)的AQDS，生成還原態(tài)的AH2QDS. 完成電子傳遞的是AQDS分子內(nèi)的醌基，醌基接受氫后轉(zhuǎn)化為氫醌，因此這一過程又稱醌呼吸，醌呼吸是異化鐵還原菌代謝特性之一. 而同時(shí)添加AQDS和2,4,6-TCP時(shí)發(fā)現(xiàn)，AQDS明顯加快了2,4,6-TCP的脫氯，24 h降解率為90.4%，而對照樣為69.1%，見圖 7(10 mmol ·L-1、 5 mmol ·L-1 2，7-AQDS對HPCL出峰有干擾，數(shù)據(jù)未列出). AQDS不僅可在厭氧環(huán)境中充當(dāng)有機(jī)物礦化的電子受體，而且可在異化鐵還原菌和可還原態(tài)物質(zhì)(重金屬、 有機(jī)污染物、 染料等)之間充當(dāng)電子穿梭體，促進(jìn)這些物質(zhì)的還原[33, 34]. 本研究進(jìn)一步證明，AQDS可強(qiáng)化2,4,6-TCP還原脫氯，其原理可能是AQDS的介導(dǎo)作用加速了電子在微生物和有機(jī)氯之間的傳遞，目前尚無明確的結(jié)論，需進(jìn)一步研究.
圖 6 馴化污泥還原轉(zhuǎn)化AQDS
圖 7 AQDS對馴化污泥降解2,4,6-三氯酚影響
馴化污泥可在不同的條件下由不同的脫氯機(jī)制主導(dǎo)，其中，一些微生物通過還原脫氯酶進(jìn)行脫氯呼吸作用; 異化鐵還原菌在無電子介體時(shí)，進(jìn)行直接脫氯作用. 當(dāng)有電子介體時(shí)，則通過電子介體的介導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)有機(jī)氯的還原. 電子介體為Fe(Ⅲ)時(shí)，部分微生物則同步進(jìn)行異化鐵還原脫氯，為AQDS時(shí)，則進(jìn)行醌呼吸脫氯，其本質(zhì)均為胞外呼吸電子傳遞的代謝作用，且脫氯作用在電子介體的作用下得到強(qiáng)化，其電子傳遞途徑為： 有機(jī)物→異化鐵還原菌→電子介體→有機(jī)氯，污泥的脫氯途徑見圖 8. 因此，深入研究微生物之間相互聯(lián)系、 相互促進(jìn)及介導(dǎo)機(jī)制等是今后亟待解決的問題.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 8 馴化污泥還原脫氯途徑
3 結(jié)論
(1)厭氧條件下，以乳酸鈉為電子供體，2,4,6-TCP為電子受體馴化活性污泥，可實(shí)現(xiàn)2,4,6-TCP快速初始性降解，9-24 h內(nèi)40-80 μmol ·L-1 TCP可100%轉(zhuǎn)化，中間產(chǎn)物有2,4-DCP，終產(chǎn)物主要為4-CP及苯酚.
(2)馴化污泥以脫鄰位氯降解菌為優(yōu)勢種群，可同時(shí)脫除2,4,6-TCP和2,4-DCP的鄰位氯，單獨(dú)降解4-CP和苯酚時(shí)，代謝速率慢，轉(zhuǎn)化率低，具有明顯的底物專一性.
(3)馴化污泥降解2,4,6-TCP殘留物經(jīng)好氧污泥處理可實(shí)現(xiàn)快速徹底礦化，好氧條件下，殘留的4-CP(33 μmol ·L-1)2 h實(shí)現(xiàn)100%去除.
(4)馴化污泥可將Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)，并具有較強(qiáng)的腐殖質(zhì)(AQDS)還原能力，說明馴化污泥富集了異化鐵還原菌.
(5)電子介體Fe(Ⅲ)和AQDS可強(qiáng)化2,4,6-TCP轉(zhuǎn)化速率，在電子介體的介導(dǎo)作用下，厭氧污泥可同時(shí)進(jìn)行胞外呼吸實(shí)現(xiàn)脫氯.（來源及作者：上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 宋佳秀 李玲 盛凡凡 郭翠香 張永明 李祖元 王天麗 ）
