零價(jià)納米鐵對(duì)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(jī)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(huì)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(zhǎng)期存在，其降解產(chǎn)物通常是毒性更強(qiáng)的二氯乙烯(DCE)和氯乙烯(VC)，易造成地下水安全問(wèn)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(jià)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(guò)程中會(huì)有零價(jià)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(wú)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(jià)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(jià)納米鐵作為一種納米材料，是否會(huì)對(duì)產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群產(chǎn)生毒性作用，對(duì)三氯乙烯的降解效率和產(chǎn)物分布會(huì)有怎樣的影響，是地下水原位生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　基于此，本文采用不同濃度零價(jià)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(jià)納米鐵對(duì)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(duì)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(jià)納米鐵和產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群對(duì)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(jià)納米鐵在120 h內(nèi)對(duì)三氯乙烯的降解率為71％。將零價(jià)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(jià)納米鐵濃度的增加，降解三氯乙烯的時(shí)間縮短

5、。零價(jià)納米鐵腐蝕產(chǎn)氫、同時(shí)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(qiáng)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(jià)納米鐵濃度的增加而提高。
　　2.零價(jià)納米鐵對(duì)三氯乙烯的還原脫氯過(guò)程主要經(jīng)過(guò)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?jiǎn)为?dú)降解或者零價(jià)納米鐵與產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群耦合降解三氯乙烯時(shí)，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(guò)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(jià)納米鐵，零價(jià)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(guò)程主要是由產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌控制。在耦合體系中，零價(jià)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(guò)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(jià)納米鐵接觸24 h后，僅在少量吸附零價(jià)納米鐵的細(xì)胞表明無(wú)破損，而菌群中的桿狀菌則吸附了大量的零價(jià)納米鐵，且有細(xì)胞破損。經(jīng)PCR-DGGE分析可知，零價(jià)納米鐵對(duì)產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群物種多樣性具有影響:零價(jià)納米鐵濃度為0～0.50 g·L-1時(shí)，主要表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)菌種的差異，同時(shí)個(gè)別菌種因零價(jià)納米鐵的投加而消失，而對(duì)細(xì)菌門類數(shù)量沒有影響，且對(duì)產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌屬的生長(zhǎng)影響不明顯；當(dāng)零價(jià)納米鐵濃度達(dá)到0

8、.50 g·L-1以上時(shí)，部分菌種的生長(zhǎng)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(shì)的菌種，能夠推動(dòng)三氯乙烯的降解。零價(jià)納米鐵對(duì)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(jià)納米鐵濃度和菌種的不同而有所差異。
　　4.通過(guò)對(duì)編碼三氯乙烯還原脫氯過(guò)程中最重要的兩個(gè)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(jià)納米鐵接觸480小時(shí)后，tceA基因的相對(duì)基因表達(dá)率(re

9、lative gene expression ratio，rER)下降，而vcrA基因的相對(duì)基因表達(dá)率升高。零價(jià)納米鐵的濃度為0.10、0.25、0.50、0.75和1.00 g·L-1所對(duì)應(yīng)的tceA基因的相對(duì)基因表達(dá)率較對(duì)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(duì)基因表達(dá)率的增加和減少相對(duì)應(yīng)。由此可以得出向產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌群中投加零價(jià)納米鐵影響了編碼還原脫鹵素酶基因的表達(dá)，零價(jià)納米鐵的濃度在0～1.00g·L-1之間時(shí)，投加零價(jià)納米鐵降低了tceA基因的相對(duì)基因表達(dá)率，提高了vcrA基因的相對(duì)基因表達(dá)率。宏觀上表現(xiàn)為:隨著零價(jià)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