零價納米鐵對產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群降解三氯乙烯的影響研究.pdf

1、三氯乙烯(TCE)是地下水中最常檢出的揮發(fā)性有機污染物之一，作為一種重質(zhì)非水相液體(Dense Non-aqueous Phase Liquids)，一旦被釋放到環(huán)境中就會垂直遷移形成羽狀污染，而且三氯乙烯在環(huán)境中以多種形式長期存在，其降解產(chǎn)物通常是毒性更強的二氯乙烯(DCE)和氯乙烯(VC)，易造成地下水安全問題。
　　目前比較有發(fā)展前景的三氯乙烯修復(fù)技術(shù)有原位活性金屬還原技術(shù)和原位生物修復(fù)技術(shù)，但是前者容易產(chǎn)生二次污染，后者需

2、要充足的電子供體才能保證降解反應(yīng)順利進(jìn)行。零價納米鐵(Nano-scale Zero Valent Iron，NZVI)粒子具有一定的還原能力被用于三氯乙烯修復(fù)中，在反應(yīng)過程中會有零價納米鐵腐蝕產(chǎn)氫的副反應(yīng)發(fā)生。產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌（Dehalococcoidesethenogenes）是目前唯一能將三氯乙烯完全脫氯為無毒產(chǎn)物的菌種，需要以氫氣(H2)作為最終電子供體，被應(yīng)用于地下水原位生物修復(fù)中。將零價納米鐵與產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌耦合，納米鐵

3、腐蝕產(chǎn)氫恰好能為產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌提供充足的電子供體，取代外加源。但零價納米鐵作為一種納米材料，是否會對產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群產(chǎn)生毒性作用，對三氯乙烯的降解效率和產(chǎn)物分布會有怎樣的影響，是地下水原位生物強化修復(fù)技術(shù)應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題。
　　基于此，本文采用不同濃度零價納米鐵與產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群耦合降解三氯乙烯，考察了零價納米鐵對產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群降解三氯乙烯路徑的影響，并利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)和定

4、量PCR(qPCR)等分子生物學(xué)方法研究了納米鐵對產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群群落結(jié)構(gòu)和功能基因表達(dá)的的影響。得到的主要研究結(jié)果如下:
　　1.零價納米鐵和產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群對三氯乙烯均具有降解作用。產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群可在120 h內(nèi)將50 mg·L-1的三氯乙烯完全降解，而0.50 g·L-1零價納米鐵在120 h內(nèi)對三氯乙烯的降解率為71％。將零價納米鐵投加到產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群反應(yīng)體系中，隨著零價納米鐵濃度的增加，降解三氯乙烯的時間縮短

5、。零價納米鐵腐蝕產(chǎn)氫、同時降低了反應(yīng)體系的氧化還原電位，為厭氧產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群提供了電子供體和適宜的強還原性環(huán)境，加速了三氯乙烯的降解，且三氯乙烯的降解速率隨零價納米鐵濃度的增加而提高。
　　2.零價納米鐵對三氯乙烯的還原脫氯過程主要經(jīng)過β消去作用、氫解作用、加氫作用，將三氯乙烯經(jīng)中間產(chǎn)物二氯乙烷和乙炔逐步降解為終產(chǎn)物乙烯和乙烷。產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群單獨降解或者零價納米鐵與產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群耦合降解三氯乙烯時，三氯乙烯逐步脫氯為D

6、CE、VC，最后還原脫氯為乙烯和甲烷，其中由VC向乙烯和甲烷轉(zhuǎn)化的過程是三氯乙烯降解的限速步驟。向產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群中投加零價納米鐵，零價納米鐵腐蝕產(chǎn)氫為產(chǎn)乙烯脫氯擬球菌提供電子供體，促進(jìn)了三氯乙烯的生物還原脫氯和中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，但不改變?nèi)纫蚁┑慕到饴窂?，反?yīng)體系的還原脫氯過程主要是由產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌控制。在耦合體系中，零價納米鐵的濃度愈高，中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的愈徹底，產(chǎn)生的終產(chǎn)物的量愈多。
　　3.通過透射電子顯微鏡(TEM)分析，

7、菌群中產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌與0.50 g·L-1零價納米鐵接觸24 h后，僅在少量吸附零價納米鐵的細(xì)胞表明無破損，而菌群中的桿狀菌則吸附了大量的零價納米鐵，且有細(xì)胞破損。經(jīng)PCR-DGGE分析可知，零價納米鐵對產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群物種多樣性具有影響:零價納米鐵濃度為0～0.50 g·L-1時，主要表現(xiàn)為優(yōu)勢菌種的差異，同時個別菌種因零價納米鐵的投加而消失，而對細(xì)菌門類數(shù)量沒有影響，且對產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌屬的生長影響不明顯；當(dāng)零價納米鐵濃度達(dá)到0

8、.50 g·L-1以上時，部分菌種的生長受到嚴(yán)重的影響，致使多種菌種失活，多樣性減少，但仍有部分一直處于優(yōu)勢的菌種，能夠推動三氯乙烯的降解。零價納米鐵對產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群物種多樣性具有影響，其影響因零價納米鐵濃度和菌種的不同而有所差異。
　　4.通過對編碼三氯乙烯還原脫氯過程中最重要的兩個還原脫鹵素酶的tceA基因和vcrA基因進(jìn)行的qPCR分析可知，產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌與零價納米鐵接觸480小時后，tceA基因的相對基因表達(dá)率(re

9、lative gene expression ratio，rER)下降，而vcrA基因的相對基因表達(dá)率升高。零價納米鐵的濃度為0.10、0.25、0.50、0.75和1.00 g·L-1所對應(yīng)的tceA基因的相對基因表達(dá)率較對照組分別降低了7％，77％，59％，73％，67％，vcrA基因的rER分別增加了140％，150％，150％，120％，210％。將中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物量的變化與tceA基因和vcrA基因表達(dá)的變化進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，中間

10、產(chǎn)物量和終產(chǎn)物量的增加和減少都與tceA基因和vcrA基因相對基因表達(dá)率的增加和減少相對應(yīng)。由此可以得出向產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群中投加零價納米鐵影響了編碼還原脫鹵素酶基因的表達(dá)，零價納米鐵的濃度在0～1.00g·L-1之間時，投加零價納米鐵降低了tceA基因的相對基因表達(dá)率，提高了vcrA基因的相對基因表達(dá)率。宏觀上表現(xiàn)為:隨著零價納米鐵濃度的增加，三氯乙烯降解速率提高，中間產(chǎn)物積累量減少，終產(chǎn)物累積量增加。
　　綜上所述，向產(chǎn)乙烯脫