【摘要】：多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一類分布廣泛的難降解有機(jī)污染物,其具有急慢性毒性作用,甚至具有致畸、致癌、致突變的能力,因此,其對(duì)環(huán)境的污染和危害已經(jīng)成為一個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題。微生物降解PAHs是一種經(jīng)濟(jì)、高效的PAHs污染治理方式。微生物所產(chǎn)生的酶在降解PAHs的過(guò)程中起關(guān)鍵作用。而污染環(huán)境中常與PAHs共存的重金屬能通過(guò)影響微生物的生長(zhǎng)及產(chǎn)酶或酶促降解過(guò)程對(duì)PAHs的生物降解造成影響。在實(shí)際應(yīng)用中,由于游離態(tài)的微生物容易在與本土微生物進(jìn)行惡性競(jìng)爭(zhēng)中失去降解優(yōu)勢(shì),同時(shí)也由于難以適應(yīng)現(xiàn)實(shí)惡劣的自然環(huán)境而降低對(duì)PAHs的處理效率。而利用固定化技術(shù)將微生物進(jìn)行包埋固定后,微生物將會(huì)固定在聚合體形成的基質(zhì)內(nèi)部,這樣的聚合微環(huán)境能提高微生物密度,使得微生物抵御環(huán)境影響的能力增強(qiáng),同時(shí)還可以將微生物重復(fù)再利用,以此提高對(duì)PAHs的降解能力�，F(xiàn)在已有越來(lái)越多的研究關(guān)注到固定化微生物降解PAHs的應(yīng)用,但有關(guān)于固定化微生物處理PAHs的機(jī)理研究還尚不明晰,特別是在重金屬與PAHs共存的情況下。在微生物處理PAHs與重金屬?gòu)?fù)合污染時(shí),由于PAHs和重金屬都會(huì)對(duì)微生物帶來(lái)生理生化方面的影響,給微生物帶來(lái)氧化損傷或使得微生物具有抗性。因此研究微生物在固定化前后對(duì)PAHs和重金屬的生理響應(yīng)和解毒機(jī)制,能為提高微生物的處理效率及固定化技術(shù)在微生物處理PAHs和重金屬?gòu)?fù)合污染研究中起到重要作用。同時(shí),將微生物與生物炭聯(lián)用,發(fā)揮二者的協(xié)同作用,對(duì)于經(jīng)濟(jì)高效地將微生物應(yīng)用于土壤環(huán)境的修復(fù)具有重要意義。因此,本研究以高效降解菌Bacillus sp.P1為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,探究了重金屬脅迫下游離態(tài)Bacillus sp.P1降解菲的過(guò)程及酶學(xué)反應(yīng)變化,然后通過(guò)固定化技術(shù)將Bacillus sp.P1進(jìn)行處理,比較了固定態(tài)及游離態(tài)菌株在重金屬脅迫下處理PAHs的差異,通過(guò)分析Bacillus sp.P1的生理響應(yīng)及解毒機(jī)制,闡明了固定化作用對(duì)重金屬脅迫下菌株處理PAHs的影響機(jī)理。最后將生物炭與Bacillus sp.P1通過(guò)固定化技術(shù)聯(lián)用,用于菲和鎘污染土壤的處理,研究結(jié)果將為微生物在PAHs和重金屬?gòu)?fù)合污染修復(fù)中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。本研究的具體工作及成果主要可歸納為以下四個(gè)方面:第一部分探究了Pb(II)和Cd(II)脅迫下游離態(tài)Bacillus sp.P1降解菲的過(guò)程及酶學(xué)反應(yīng)變化,分析了Pb(II)和Cd(II)對(duì)Bacillus sp.P1降解菲的降解途徑及降解能力的影響,同時(shí)通過(guò)SDS-PAGE分析法探究了重金屬脅迫下Bacillus sp.P1降解菲時(shí)所產(chǎn)胞外、胞內(nèi)分泌物中蛋白的組成、濃度的變化,通過(guò)測(cè)定其中的關(guān)鍵開(kāi)環(huán)酶鄰苯二酚2,3-雙加氧酶酶活的變化,研究了重金屬對(duì)Bacillus sp.P1分泌物酶活性的影響。在比較胞外、胞內(nèi)酶酶促降解效率時(shí)考究了其最優(yōu)降解的pH及溫度。整體上而言,重金屬離子Pb(II)和Cd(II)均抑制了Bacillus sp.P1對(duì)菲的降解,且Cd(II)的抑制作用大于Pb(II)。Pb(II)和Cd(II)不改變Bacillus sp.P1降解菲的鄰苯二甲酸途徑,僅影響各組分的濃度。重金屬影響B(tài)acillus sp.P1降解菲過(guò)程中酶學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)在,隨Pb(II)濃度增大,胞外和胞內(nèi)分泌物中的總蛋白含量及33-45 kD分子量蛋白含量均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。而隨Cd(II)濃度增大,胞外、胞內(nèi)分泌物中蛋白總濃度及含鄰苯二酚2,3-雙加氧酶的33-45 kD蛋白的濃度依次減小。Pb(II)對(duì)Bacillus sp.P1胞外及胞內(nèi)粗酶液中鄰苯二酚2,3-雙加氧酶酶活的影響存在低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的作用。而Cd(II)對(duì)Bacillus sp.P1胞外及胞內(nèi)粗酶液中鄰苯二酚2,3-雙加氧酶的酶活呈現(xiàn)抑制作用。在較佳pH和溫度下,低濃度Pb(II)對(duì)菲的酶促降解有促進(jìn)作用,而高濃度Pb(II)則會(huì)抑制菲的酶促降解。而Cd(II)的出現(xiàn)抑制了菲的酶促降解,且Cd(II)濃度越大,抑制作用越為顯著(P0.05)。第二部分利用固定化技術(shù)對(duì)Bacillus sp.P1進(jìn)行處理,探究了聚乙烯醇(PVA)和海藻酸鈉(SA)固定Bacillus sp.P1的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件,檢驗(yàn)了固定化凝膠菌球的可重復(fù)利用性,比較了滅活固定化菌和游離態(tài)菌對(duì)鎘脅迫下對(duì)PAHs(菲和芘)吸附的影響差異、動(dòng)力學(xué)方程、菌體表面性質(zhì)差異,同時(shí)關(guān)注了固定化作用對(duì)pH、溫度、不同重金屬及PAHs降解中間產(chǎn)物菲醌等影響因素的屏蔽作用。研究結(jié)果表明,固定菌球的PVA、SA和生物接種量的最優(yōu)水平分別為12%、0.3%和10 mL。固定后,由于菌體表面的孔狀結(jié)構(gòu)更多,這些孔狀可以顯著增大污染物的吸附位點(diǎn),提高生物可利用性,因此對(duì)菲和芘的去除效率相較于固定前的去除效率更高更快。固定態(tài)滅活Bacillus sp.P1及游離態(tài)滅活Bacillus sp.P1對(duì)菲和芘的吸附過(guò)程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,且菲的符合度高于芘吸附的符合程度。分析動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn),固定后,菲的吸附速率有所下降,但吸附量增大,而芘的吸附速率和吸附量均有所增大。但芘的吸附量及吸附速率較菲的吸附而言,變化更小。固定化Bacillus sp.P1菌球可以多次回收并用于菲的降解,重復(fù)利用性較高。固定后,Bacillus sp.P1耐環(huán)境沖擊性增強(qiáng),對(duì)pH、溫度的適應(yīng)性更廣,對(duì)重金屬及PAHs降解中間產(chǎn)物等毒害物質(zhì)的屏蔽能力增大。固定化載體保護(hù)了菌體,增強(qiáng)了對(duì)菲的降解能力。第三部分從Bacillus sp.P1菌體細(xì)胞的角度出發(fā),探究了Cd(II)脅迫下Bacillus sp.P1降解菲時(shí)的生理響應(yīng)及解毒機(jī)制,比較了固定化前后菌體生物量、總蛋白、解毒指標(biāo)SOD、CAT及GSH的變化,分析了重金屬富集量與解毒指標(biāo)之間的相關(guān)性以及胞外分泌物與重金屬濃度的變化關(guān)系,進(jìn)一步闡明了Cd(II)脅迫下固定化作用對(duì)Bacillus sp.P1在降解菲時(shí)存在差異性的原因。研究結(jié)果表明,PAHs和重金屬給Bacilllus sp.P1帶來(lái)氧化損傷后,菌體會(huì)產(chǎn)生一系列的生理響應(yīng)及解毒機(jī)制抵抗氧化損傷,當(dāng)損傷不能緩解時(shí),細(xì)胞會(huì)受到傷害,甚至出現(xiàn)菌體滅亡的情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),固定后,Bacilllus sp.P1生物量較固定前更大,解毒指標(biāo)SOD、CAT及GSH都較固定前有較大變化。這三者都會(huì)隨菌體內(nèi)重金屬的富集量變化而變化,其中SOD活力對(duì)Cd(II)脅迫的敏感度最高。固定化載體對(duì)Bacilllus sp.P1的外排解毒機(jī)制有一定的促進(jìn)作用。固定化載體將胞外多糖等物質(zhì)固定在細(xì)胞周圍,以吸附Cd(II),從而減小Cd(II)的污染,因此,隨著隨時(shí)間推移,固定態(tài)Bacilllus sp.P1較游離態(tài)Bacilllus sp.P1細(xì)胞的胞外總糖含量更高,而反應(yīng)體系中Cd(II)濃度也更小。糖類物質(zhì)有利于絡(luò)合環(huán)境中的重金屬,而蛋白類物質(zhì)(如酶)對(duì)于分解環(huán)境中的有機(jī)污染物會(huì)起到積極作用,因此固定后胞外蛋白含量濃度較游離態(tài)的蛋白濃度更大。第四部分將Bacillus sp.P1與生物炭聯(lián)用,并利用固定化技術(shù)將Bacillus sp.P1固定在生物炭上,使二者發(fā)揮協(xié)同作用,共同處理菲-鎘污染土壤,通過(guò)探討Cd(II)對(duì)生物炭修復(fù)土壤吸附菲的影響、動(dòng)力學(xué)方程以及pH對(duì)Cd(II)脅迫下生物炭修復(fù)土壤吸附菲的影響,了解了生物炭單獨(dú)作用對(duì)菲-鎘污染土壤處理的效果,同時(shí)比較了Bacillus sp.P1及生物炭單獨(dú)作用及利用固定化技術(shù)將二者聯(lián)合作用時(shí)對(duì)土壤中菲和鎘的去除效果,總結(jié)了微生物與生物炭交互作用的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,生物炭修復(fù)土壤對(duì)菲的吸附效率隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加,約在4 h內(nèi)達(dá)到吸附最大值,隨后開(kāi)始解吸過(guò)程,在24 h達(dá)到吸附平衡。菲和Cd(II)的吸附存在競(jìng)爭(zhēng)作用。生物炭修復(fù)土壤對(duì)菲的吸附過(guò)程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。Cd(II)脅迫下,生物炭修復(fù)的土壤對(duì)菲的的吸附速率有所降低。pH對(duì)Cd(II)脅迫下生物炭修復(fù)土壤吸附菲的影響較大,堿性條件利于菲的吸附,中性環(huán)境下菲的吸附率最低。Cd(II)的添加使得酸性條件下菲的吸附量減小,而弱堿性環(huán)境中,菲的吸附量增大。游離態(tài)Bacillus sp.P1單獨(dú)添加進(jìn)土壤處理菲-鎘污染時(shí),其對(duì)菲的降解效果并不理想,對(duì)重金屬的處理能力較弱。利用生物炭固定Bacillus sp.P1會(huì)使得生物炭與Bacillus sp.P1產(chǎn)生協(xié)同作用,有利于菲的污染修復(fù),但生物炭與Bacillus sp.P1的聯(lián)用對(duì)于土壤中Cd(II)的總量降低及可利用態(tài)Cd(II)的減小上略遜色于生物炭單獨(dú)作用。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X592
【圖文】：
圖 1.1 苯并[α]芘的生成[13]Fig. 1.1 Synthesis of BapPAHs 分布廣泛，存在于大氣、水體、土壤等自然環(huán)境中，與人類生活息息相關(guān)。大氣中的 PAHs 除以氣態(tài)形式存在外，大部分以固態(tài)形式吸附在顆粒物表
圖 1.2 PAHs 的 K 區(qū)、L 區(qū)、灣區(qū)結(jié)構(gòu)示意ure schematic of K region, L region and bay re化酶 1A1（CYP1A1）是 PAHs 在機(jī)體酶（CYP450s）中最重要的 I 相酶之一活化性能加強(qiáng)，誘發(fā)機(jī)體病變[22]。谷胱謝過(guò)程中的重要 II 相代謝酶，其主要結(jié)合形成無(wú)毒物質(zhì)。研究表明，CYP暴露及早產(chǎn)兒分析關(guān)系十分密切[23]。P結(jié)合，形成 DNA 加合物，是 DNA 分最小因子。例如，苯并(a)芘在被細(xì)胞芘（BPDE）后，其與 DNA 作用形成傷不能及時(shí)修復(fù)，在復(fù)制過(guò)程中造成基生[24]。控代謝酶的表達(dá)。當(dāng)芳香烴受體與 PA
【參考文獻(xiàn)】
相關(guān)期刊論文 前10條
1 蘆靜;賈玉巧;高艷榮;紀(jì)越;趙永東;;多環(huán)芳烴的致癌性機(jī)制研究進(jìn)展[J];中國(guó)療養(yǎng)醫(yī)學(xué);2014年09期
2 姜睿玲;楊統(tǒng)一;陳芳艷;唐玉斌;;桑園土壤微生物群落功能多樣性對(duì)PAHs污染的響應(yīng)[J];生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào);2012年04期
3 錢林波;元妙新;陳寶梁;;固定化微生物技術(shù)修復(fù)PAHs污染土壤的研究進(jìn)展[J];環(huán)境科學(xué);2012年05期
4 李永紅;金銀龍;;苯并[a]芘致癌機(jī)制研究新進(jìn)展[J];醫(yī)學(xué)研究雜志;2011年08期
5 張丹;李兆格;包新光;李江波;梁海華;段康民;沈立新;;細(xì)菌降解萘、菲的代謝途徑及相關(guān)基因的研究進(jìn)展[J];生物工程學(xué)報(bào);2010年06期
6 彭馳;廖曉蘭;王美娥;;自動(dòng)索氏-固相萃取-GC/MS測(cè)定土壤中多環(huán)芳烴方法的建立[J];湖南農(nóng)業(yè)科學(xué);2009年06期
7 吳蔓莉;聶麥茜;王曉昌;郭鵬;楊剛柱;;金屬離子對(duì)多環(huán)芳烴酶促降解的影響作用[J];水處理技術(shù);2008年08期
8 唐玉斌;梁林林;陳芳艷;毛莉;何軍;;蒽的高效降解菌的固定化小球的制備及其降解特性[J];環(huán)境工程學(xué)報(bào);2007年05期
9 王愛(ài)麗;宋志慧;王福明;;藻菌混合固定化及其對(duì)污水的凈化[J];環(huán)境污染與防治;2005年09期
10 李海波,李培軍,張軼,孫鐵珩;固定化微球菌技術(shù)修復(fù)受污染地表水[J];中國(guó)給水排水;2005年02期
相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條
1 鄧輔財(cái);芘降解菌層層自組裝微囊固定化及其促降解的作用機(jī)制[D];華南理工大學(xué);2016年
2 許飄;白腐真菌對(duì)重金屬的吸附富集特性及其重金屬耐受性和抗性機(jī)制研究[D];湖南大學(xué);2016年
3 王洪;多環(huán)芳烴污染農(nóng)田土壤原位生物修復(fù)技術(shù)研究[D];東北大學(xué);2011年
4 王瑩;蒽醌類和多環(huán)芳烴類化合物對(duì)水生生物的急性光致毒性及QSAR研究[D];大連理工大學(xué);2009年
相關(guān)碩士學(xué)位論文 前9條
1 陳思尹;多環(huán)芳烴降解菌的篩選及生物炭固定化菌劑對(duì)土壤的修復(fù)[D];上海師范大學(xué);2017年
2 黃真真;聚乙烯醇固定化白腐真菌對(duì)復(fù)合廢水的處理及其機(jī)理研究[D];湖南大學(xué);2015年
3 孫秋謹(jǐn);固定化微生物降解酚類污染物的研究[D];齊魯工業(yè)大學(xué);2013年
4 張媛媛;微生物絮凝劑MBFGA1的結(jié)構(gòu)鑒定及絮凝機(jī)理研究[D];湖南大學(xué);2013年
5 陳f嘆
本文編號(hào)：2729766
