电性矿物强化脱氯菌对水中TCE的降解.pdf

第 56 卷 第 11 期 2023 年 11 月 天津大学学报(自然科学与工程技术版)Journal of Tianjin University(Science and Technology)Vol.56 No.11Nov.2023 收稿日期：2022-08-12；修回日期：2022-10-19.作者简介：李铁龙（1976 ），男，博士，副教授，.通信作者：王 薇，.基金项目：国家自然科学基金资助项目(22036004)；国家重点研发计划资助项目(2018YFC1802002)；天津市自然科学基金资助项目(19JCYBJC23400)；南开大学沧州渤海新区绿色化工研究院基金项目.Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.22036004)，the National Key Research and Development Program of China(No.2018YFC1802002)，the Natural Science Foundation of Tianjin，China(No.19JCYBJC23400)，Nankai University Cangzhou Bohai New Area Institute of Green Chemical Engineering Fund，China.DOI:10.11784/tdxbz202208017 电性矿物强化脱氯菌对水中 TCE 的降解 李铁龙1，谭 鹏1，王 薇1,2(1.南开大学环境科学与工程学院，天津 300350；2.南开大学沧州渤海新区绿色化工研究院，沧州 061108)摘 要：针对地下水环境中脱氯菌污染修复周期长、电子供给难度大、易带来二次污染等问题，设计以天然矿物电气石的电场刺激、水解供氢和水体调节性能强化含脱卤拟球菌(Dehalococcoides spp.)的混合脱氯菌功能，通过将电气石和脱氯菌共同固定化，开发适用于地下水环境的生物强化原位修复技术 研究了共同包埋的电气石和脱氯菌对地下水典型有机污染物三氯乙烯(TCE)的降解性能 结果表明，在包埋材料海藻酸钠含量 6%、凝固剂氯化钙含量6%、电气石含量 1.0%、交联时间 24 h 条件下制得的固定化微球弹性好，机械强度高，粒径均匀分布在 35 mm，具有多孔洞内结构和较为致密的外表面，既可提供电气石和细菌附着的场所，又能有效地防止微球内部菌体的流失 同时，包埋后的电气石仍能快速调节水体的 pH 和 ORP，为厌氧脱氯菌提供适宜的生长代谢环境 无论是固定化还是分离体系，电气石的加入均增强了脱氯菌对 TCE 的还原脱氯效果，而电气石-脱氯菌共同固定化体系不仅能加快 TCE 的降解，在无外加电子供体的情况下仅 180 h 即可将 16 mg/L 的 TCE 完全去除，还显著促进了中间产物的进一步脱氯，反应 800 h 时终产物乙烯的转化率达到 64%，比菌体系提升了 1 倍 电气石对共同包埋的脱氯菌更有效地起到了电场刺激和电子供体的作用，使其快速稳定的增殖 该复合固定化的应用方式促进了脱氯菌的富集及与电气石的接触，更加充分地发挥了电气石表面电场的直接和间接强化作用，可解决实际地下水修复过程中微生物和强化剂易分离失效的问题，促进地下水有机污染原位生物修复技术的发展 关键词：电气石；脱卤拟球菌；固定化；三氯乙烯；产乙烯 中图分类号：X523 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2023)11-1177-10 Degradation of TCE in Water by Electrical Mineral Enhanced Dechlorination Bacteria Li Tielong1，Tan Peng1，Wang Wei1,2(1.College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300350，China；2.Nankai University Cangzhou Bohai New Area Institute of Green Chemical Engineering，Cangzhou 061108，China)Abstract：Focusing on the problems of long pollution recovery period，difficult electron supply，and secondary pollution in groundwater remediation by dechlorination bacteria，this study aimed to strengthen the function of dechlorination bacteria containing Dehalococcoides sppby electric field stimulation，hydrolysis hydrogen supply，and water regulation performance of natural mineral tourmalineBy immobilizing tourmaline and dechlorination bac-teria together，an enhanced in situ groundwater bioremediation technology was developed.The degradation of tri-chloroethylene(TCE)，a typical organic pollutant in groundwater，by co-entrapped tourmaline and dechlorinationbacteria was examined.The experimental results showed that the immobilized microspheres，which were prepared under the conditions of 6%sodium alginate as the embedding material，6%calcium chloride as the coagulant，1.0%1178 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 11 期 tourmaline，and 24 h crosslinking time，have good elasticity，high mechanical strength，and uniform particle size of 35 mm.They have a porous inner structure and a relatively dense outer surface，which cannot only provide a place for tourmaline and bacteria to attach but also effectively prevent the loss of bacteria inside the microspheres.Moreover，the embedded tourmaline can still rapidly adjust the pH and oxidation-reduction potential(ORP)of water，providing a suitable growth and metabolic environment for anaerobic dechlorination bacteria.The addition oftourmaline promoted the reductive dechlorination of TCE by the dechlorination bacteria in both the immobilization and separation systems.While the tourmaline-dechlorination bacteria co-immobilized system can not only accelerate TCE degradation，completely removing 16 mg/L TCE in only 180 h without the addition of an electron donor，butalso significantly promote the dechlorination of the intermediates.In this system，the conversion rate of the end prod-uct ethylene reaches 64%at 800 h，which is twice as high as that of the bacterial system.Tourmaline more effectively applies electric field stimulation and acts as an electron donor for the co-embedded dechlorinated bacteria，thus pro-moting their rapid and stable proliferation.The application mode of co-immobilization enhances the enrichment of dechlorinated bacteria and the contact between bacteria and tourmaline.The direct and indirect strengthening effects ofthe tourmaline electric field are more fully exerted.This can solve the problem that microorganisms and enhancers are easily separated and invalidated in the groundwater environment and promote the development of in situ bioremedia-tion technology for organic-contaminated groundwater.Keywords：tourmaline；Dehalococcoides spp.；immobilization；trichloroethylene；ethylene production 作为一种重要的工业有机溶剂，三氯乙烯(TCE)在化妆品制造、制药、油漆、造纸、金属工艺、冰箱制冷剂等领域的广泛应用和不合理处置使其在环境中不断累积，污染了大气、地表水、土壤以及地下水TCE 密度比水大，能迅速迁移到地下，在重力作用下垂直迁移形成污染羽，随后由于毛细作用力、吸附、介质空间差异和溶解等作用分散在水和土壤之间，长期威胁饮用水安全1-2 作为溶解力最强的一种有机氯溶剂，TCE 对人体和动物等都具有明显的毒性作用；可通过呼吸道、皮肤或消化道引起中毒，临床表现为神经系统功能紊乱，心脏、肝、肾受损，头痛、恶心、视、味觉产生障碍，食欲下降，记忆力减退，皮肤损伤等3-4美国环境保护署(USEPA)于 1976 年已将其列入“优先控制化合物”，欧共体的“黑名单”和中国环境优先监测和控制污染物中也都包括 TCE TCE 已成为国内外地下水环境中分布最广、检出率最高的有机污染物之一荷兰于 20 世纪 80 年代对本国 232 个地下水抽水站检测发现，TCE 检出率达 67%美国环保局在对 39 个小城镇的供水水源地取样检测发现了 11 种挥发性氯代有机物，其中检出率最高的是 TCE(36%)日本 15 个工业城市中发现约 30%的供水井受到不同程度的 TCE 污染5 对我国 69 个城市的地下水污染检测发现，有机污染指标中检出率最高的也是以 TCE 为代表的挥发性卤代 烃6张达政等7对我国某地区地下水中 TCE 进行检测，检出率在 20%70%之间李海明8发现我国北方某城市地下水超标率最高的 TCE(超标 14.38 倍)最大浓度高达 956.6g/L 在地下水有机污染修复中，原位生物技术具有成本消耗低和对生态环境影响小等方面的优势虽然环境中广泛存在一些厌氧菌种可以 TCE 为电子受体，但它们对 TCE 的降解并不彻底，往往止步于毒性更强的中间产物二氯乙烯(DCE)或氯乙烯(VC)9-10.产乙烯脱卤拟球菌(Dehalococcoides spp.)是目前发现的唯一能将 TCE 彻底还原脱氯为无毒产物乙烯(ETH)的菌属11-13此类 TCE 降解菌以 H2或产氢有机物(如甲醇、乙酸、乳酸等)为电子供体，并仅以 H2作为其代谢的最终电子供体14-16然而 H2的溶解度低、难以在地下水中进行传质，其易燃易爆性也增大了供氢操作的难度，有机电子供体又易带来二次污染问题因此在氯乙烯污染场地采用原位生物强化的方法进行现场修复时，如何持续有效地供给脱氯菌所需的电子供体以提高生物活性，促进有毒中间产物的进一步转化是亟待解决的问题 天然矿物材料电气石(tourmaline)是以含硼为特征的铝、钠、铁、镁、钙的环状结构硅酸盐矿物，晶体结构中构成Si6O18复三方环的 6 个 Si-O 四面体的角顶指向相同，使其沿 c 轴存在强大的异性电极，产生自发电场，可电解周围的 H2O 分子，产生 H2和活性羟基负离子 OH-(H2O)n17-19 在促进微生物增殖代谢、提高生物活性方面，提供适宜的微电场刺激是一种相对安全和极具发展潜力的新方法近年来，学者们开始研究是否能以电气石的矿物自发电场来代替传统电场进行生物强化，证明了电气石能促进 Ecoli20、Phanerochaete chryso-2023 年 11 月 李铁龙等：电性矿物强化脱氯菌对水中 TCE 的降解 1179 sporium21、Cupriavidus necator22、Rhodopseu-domonas palustris23、Acinetobacter calcoaceticus JH-924、Saccharomyces cerevisiae、Lactobacillus aci-dophilus 和 Aspergillus oryzae25等微生物的代谢和增值；提高低温下好氧阶段氨氮的氧化速率和硝酸盐的形成速率，以及缺氧阶段的反硝化速率26；有利于序批式生物膜反应器中胞外聚合物的分泌27；并能提升猪粪堆肥过程中的腐殖化程度28 以上研究分析电气石的生物强化作用来自于其电场作用下微生物细胞膜渗透性的改变和环境介质中水分子间氢键的破坏，提高了生物大分子的功能和物质的跨膜运输，加快了其对营养物的吸收，促进了细胞的代谢25,29笔者首次考察了电气石作用下含Dehalococcoides spp菌群的生物效应，发现除了直接的电场刺激外，电气石自发电场作用下水电解产生的氢也可为脱氯菌提供直接的电子供体以显著提升活性30-31，这为氯乙烯污染的原位修复提供了一种廉价、安全和持久的潜在生物强化方法，将有广阔的发展前景 但若将电气石作为 Dehalococcoides spp 的强化介质共同应用于地下水环境中，随着地下水的流动，电气石和菌易分散流失，这将是限制矿物表面电场和产氢有效生物利用的关键问题确保电气石与脱氯菌的高效复合、接触传质，是发挥两者协同作用的前提和重要手段为解决这一技术应用的瓶颈，本研究将电气石和 Dehalococcoides spp为主体的脱氯菌群进行共同固定化处理，不仅能对脱氯菌产生富集作用，增强微生物对环境的耐受能力，还可进一步发挥电气石为生物还原脱氯原位提供电场刺激、电子供体和还原环境的强化功能，提供该生物强化技术在地下水环境中高效、便捷的应用方式 电气石独特的自发永久电场可以取代额外电场来施加生物刺激；氢来自水的电解，可在没有矿物消耗的情况下，不断为脱氯菌提供最直接有效的电子供体，避免外加电子供体带来的成本及二次污染问题通过矿物和菌的固定化确保原位电场强化和电子供应，可为解决地下水 TCE 原位生物修复的瓶颈问题提供一条绿色、经济的新途径 笔者研究了脱氯菌和电气石的固定化方法，选择海藻酸钠作为载体，采用包埋法对电气石和脱氯菌群进行共同固定通过比较成球状况、机械强度、渗透性等选择固定化微球的适宜制备条件；验证了电气石包埋后对环境水体性能的调节能力；比较了分离和固定化脱氯菌/电气石体系降解 TCE 的性能；并结合不同电子供体的体系脱氯过程分析了脱氯菌和电气石共同固定化后的优势和性能强化机理 1 材料与方法 1.1 试剂与仪器 主要试剂：四水合氯化亚铁(FeCl24H2O)、九水合硫化钠(Na2S9H2O)、碳酸氢钠(NaHCO3)、海藻酸钠(SA)和无水氯化钙(CaCl2)均为分析纯，购自天津市江天化工技术有限公司；三氯乙烯(TCE)、顺-1，2-二氯乙烯(cis-1，2-DCE)、氯乙烯(VC)、乙烯(ETH)和甲醇购自北京百灵威科技有限公司；电气石购自天津鸿雁天山石业纳米有限公司 主要仪器：日本岛津 GC-2000plus 气相色谱仪，德国徕卡(Leica)AF7000 活细胞工作站，德国蔡司MERLIN Compact(6164)型扫描电子显微镜(SEM)，瑞士梅特勒 DELTA320pH 计，LE501 ORP 复合电极，上海比朗仪器有限公司 CHA-S 气浴恒温振荡器.1.2 实验菌株的培养 含 Dehalococcoides spp 的混合脱氯菌液由美国Rice 大学提供，菌种从氯乙烯污染场址中提取后经实验室驯化培养混合菌液置于 500mL 的血浆瓶中进行间歇式厌氧培养培养液由 10g/L NaHCO3及基础盐、微量元素储备液各 10mL 加入灭菌去离子水中配置，后经高纯氮气吹脱 30min 进行除氧处理另加入 40mg/L FeCl24H2O 和 300mg/L Na2S9H2O作为培养液的还原剂菌液每天加入 50mg/L 的TCE(以体积比为 15 溶于甲醇中)进行活化；每隔4d 移去培养体系中 10%体积量的混合液，以相同量的新鲜培养液替换，水力停留时间为 40d 1.3 固定化微球的制备 电气石粉用稀盐酸(0.1mol/L)浸泡 30min 后清洗、真空干燥备用；取 6g 海藻酸钠溶于 80mL 去离子水中，120处理 30min 后冷却至室温静置 4h；取20mL 脱氯菌液和/或电气石粉体，用氮气脱除溶液中的残留氯化物后与上述材料混匀，连通恒流泵滴入CaCl2溶液中，形成微球；将获得的微球置于冰箱中4 交联一定时间，使用前用灭菌的生理盐水(0.9%)清洗去除交联剂 制备的微球缩写如下：海藻酸钠微球(SA)、电气石微球(SA-T)、脱氯菌微球(SA-D)、电气石-脱氯菌微球(SA-TD)1.4 TCE的降解反应 将制备的微球或等量电气石粉体/脱氯菌加入100mL 密封棕色反应瓶中，体系中电气石使用量为1.0g/L，与 50mL 含 16mg/L TCE 的模拟地下水溶液 1180 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 11 期 (无氧)混匀后置于恒温振荡器中，在温度 22、转速 110r/min 条件下振荡反应，间隔一定时间用气密进样针从反应瓶中顶空取气样 100L，用气相色谱仪测定 TCE 及其还原脱氯产物的含量 2 结果与讨论 2.1 固定化微球的组分配比确定 在固定化微球制备过程中，包埋的组分配比条件会影响微球的物理特性以形状、粘连及拖尾衡量成球状况；振荡后的破碎情况来反映微球的机械强度；浸渍酸性蓝 93 后横切面染色情况指示微球的渗透性综合表 1 的分析结果，选用 SA、电气石、CaCl2含量分别为 6%、1.0%和 6%，交联时间为 24h 作为后续包埋制备的组分配比 表 1 反应条件对固定化微球物理特性的影响 Tab.1 Effect of reaction conditions on the physical prop-erties of the immobilized microspheres 反应条件 成球状况 机械强度 渗透性 1%1 1 1 2%1 2 3 4%2 2 3 6%3 3 4 海藻酸钠 含量 8%2 3 2 0.2%1 1 1 0.5%2 3 2 1.0%3 3 4 2.0%3 3 3 电气石 含量 4.0%2 2 3 1%1 1 1 2%1 1 2 4%2 2 3 6%3 3 4 CaCl2 含量 8%2 3 2 0 h 1 1 1 4 h 1 1 2 8 h 2 2 2 12 h 3 2 2 24 h 3 3 4 交联时间 48 h 2 3 2 注：数字代表微球各性能的效果：1较差；2一般；3好；4很好.优化条件下制备的固定化微球形状均匀，粒径分布于 35mm(图 1)用 SEM 观察微球结构发现，SA 颗粒外表面有较为致密的球壳，内部布满蜂窝网状孔道(图 2)这种多孔洞微细结构有利于电气石和细菌的附着以及基质的传递，致密的外表面能有效防止菌体的外流SA-T 微球表面产生了一些纳米级微孔，这为污染物的进入提供了通道电气石和微生物共同包埋的 SA-TD 球体更为致密，表面粗糙度提高，同时表面多孔结构利于污染物的传递和代谢产物的输出 （a）SA （b）SA-TD 图 1 制备微球的形貌 Fig.1 Appearance of the prepared microspheres （a）SA 截面 （b）SA 表面 （c）SA-T 表面 （d）SA-TD 表面 图 2 不同微球的 SEM图 Fig.2 SEM images of different microspheres 2.2 电气石微球调节水体性能研究 含 Dehalococcoides spp的混合脱氯菌群适宜在弱碱性厌氧环境中生存，水体环境的改变将直接影响菌群的生长和代谢情况以往的研究发现电气石粉体具有自发调节水体 pH 值的功能，为分析固定化后的电气石是否仍具有调节脱氯菌生理生化环境的功能，笔者考察了电气石微球对水环境 pH 值和氧化还原电位(ORP)的影响，结果如图 3 所示 测试不同电气石含量的 SA-T 调节酸性、中性、碱性水体 pH 的能力发现，不同电气石含量的微球均能使酸性水体(pH3.5)显著提升至近中性、中性水体(pH7)趋于弱碱性，碱性水体(pH11)下降，显示水能穿过微球孔道与包埋的电气石发生作用而这种调节能力随微球中包埋的电气石含量增加呈先升高后降低的趋势如添加含 0.2%、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%电气石微球中性体系反应 120 min 后的pH 值分别升至 7.47、7.78、7.85、7.86、7.56这可能是 2023 年 11 月 李铁龙等：电性矿物强化脱氯菌对水中 TCE 的降解 1181 （a）pH （b）ORP 图 3 电气石微球对水体 pH和 ORP的影响 Fig.3 Effect of SA-T on pH and ORP of water 由于包埋过多的电气石会堵塞微球内的孔道，影响其与水的接触传质 比较 SA-T 与中性水混合 30min 前后体系的ORP，观察到电气石被固定至微球内部后仍能显著降低水体的 ORP，含 0.2%、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%电气石微球分别将水体的 ORP 降低了 41.3%、51.1%、56.7%、60.8%、56.4%可见包埋后的电气石仍具备提供宜于厌氧脱氯菌群生存的水体环境的作用 电气石对水体性质的调控作用一方面是由矿物破碎过程中，价键断裂而造成表面裸露着的 OH-和金属阳离子(Na+、Mg2+、K+等)引起的 与水接触后，这些离子被极性水分子所吸引，导致水体 pH 值发生变化，溶液中 OH-含量较高时则会抑制 OH-的释放32.金属阳离子的缺失会造成电气石表面荷负电，吸引H+，升高溶液的 pH 值33 另一方面，电气石表面几十微米范围内存在着 11041107V/m 的静电 场18，可电解水分子产生 H和 OH-(式(1)(3)OH-与 H2O 结合形成活性羟基负离子，H+从电场中获得电子生成 H2，使水的 ORP 降低 H2OHOH-(1)2H2e-H2(2)OH-nH2OOH-(H2O)n(3)2.3 固定化微球的 TCE生物强化降解性能分析 对比分析了脱氯菌和电气石直接混合体系和固定化体系生物强化降解 TCE 的性能 如图 4 所示，各体系中 TCE 降解速度由快到慢顺序依次为：电气石-脱氯菌微球(D)体系、电气石与脱氯菌游离(B)体系、脱氯菌微球(C)体系、脱氯菌(A)体系 D 体系仅在 （a）TCE 的生物脱氯还原路径 （b）反应体系中 TCE 的变化 （c）反应体系中 DCE 的变化 （d）反应体系中 VC 的变化 （e）反应体系中 ETH 的变化 图 4 固定和分离体系中 TCE 的降解性能 Fig.4 TCE degradation in fixed and free systems 1182 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 11 期 180h 即可将 TCE 完全去除，B 体系需要 300h，而C、A 体系分别需要 400h 和 480h 才能完全去除TCE C 体系的降解速率快于 A 体系，显示菌固定化后产生富集作用，可提升降解性能 D 体系相比于 C体系和 B 体系相比于 A 体系，TCE 降解时间分别缩短了 55.0%和 37.5%，说明电气石的加入增强了脱氯菌对 TCE 的还原去除能力，相比于分离体系，固定化体系中电气石的生物强化作用更加明显 D 体系相比于 B 体系将 TCE 的降解时间缩短了 40%，也表明将电气石和脱氯菌共同固定后，更好地发挥了电气石的强化脱氯效果 生物体系中 TCE 的还原路径为依次脱氯，即顺序降解为 DCE、VC 和 ETH(图 4(a)对各体系中的降解产物进行分析发现，由于 DCE 降解为 VC 的速度慢于 TCE 降解为 DCE 的速度，而 VC 向 ETH 的转化是整个降解过程最缓慢的速度控制步骤28，中间产物 DCE 和 VC 均出现累积过程 D 体系中的DCE 已呈现出先增加、后逐渐下降的变化趋势，可见共同固定化的电气石也显著促进了脱氯菌降解中间产物的过程，因此积累的 DCE 开始进一步降解 而其他体系中的中间产物降解较慢，反应 800h 时 DCE还没有出现明显的下降现象 此时，A 体系中的 DCE积累量最高，然后依次为 C 和 B 体系，可见对中间产物降解的促进作用也是固定化体系高于未固定化体系、有电气石体系高于无电石气体系 由于整个脱氯过程中 VC 向 ETH 的转化最为缓慢、电气石和脱氯菌共同固定的 D 体系中的 DCE 更快转化，其 VC 的积累量略高于其他三体系，该体系终产物 ETH 的产量最高，为单纯菌体系的近 2.0 倍 A、B、C、D 体系中最终产物 ETH 的转化率分别为 33%、45%、41%、64%考察电气石剂量对固定化微球降解效果的影响(图 5)发现，使用 0.5、1.0、2.0g/L 3 种电气石剂量制备的微球降解 TCE 时，TCE 完全降解所需要的时间分别为 300h、180h 和 240h 其中 1.0g/L 和 2.0g/L体系中 DCE 均在出现峰值后开始降低，反应 800h时 1.0g/L 体系中 DCE 的积累量最低，仅为 18%，此时 VC 和 ETH 的产量也最高 可见，随着电气石用量的增加(从 0.5g/L 到 1.0g/L)，更强的电场和供电子效应使对 TCE 生物还原脱氯过程的强化推动作用提升.但当微球中的电气石进一步增多(从 1.0g/L 到2.0g/L)时，生物强化作用减弱，这可能是由于过多的电气石会占据微球的孔隙，降低微球的渗透性，阻碍反应物的传输，导致脱氯菌对 TCE 的还原作用减弱 （a）反应体系中 TCE 的变化 （b）反应体系中 DCE 的变化 （c）反应体系中 VC 的变化 （d）反应体系中 ETH 的变化 图 5 不同电气石剂量微球对 TCE 的降解性能 Fig.5TCE degradation by microspheres with different amounts of tourmaline 为考察菌石共同固定化微球的长效稳定性，将反应 800h 后 1g/L 体系中的微球取出清洗后重新加入TCE，进行了两轮重复降解实验(图 6)在反应 180h时，第 1 次反应体系中 TCE 已完全去除，第 3 次反应中此时的 TCE 的去除率为 80%，中间产物的产量略 2023 年 11 月 李铁龙等：电性矿物强化脱氯菌对水中 TCE 的降解 1183 有降低，乙烯的产率仅下降了 10%反应过程中微球未见明显破损，产生的少量粉末沉淀在下一次实验前被去除 可见，共同包埋的电气石能持续地为脱氯菌提供电性强化和电子供体，使菌群能够长期稳定地发挥更好的降解作用 图 6 菌石微球的重复使用性能 Fig.6 Reuse performance of bacteria-tourmaline micro-spheres 2.4 固定化微球的生物促进机理 为了从微生物的生长状态直接观察电气石的强化作用，在不影响生长环境的条件下，笔者采用活细胞成像技术记录了脱氯菌的增殖情况 选取菌培养周期的 0、12、24、48h 进行拍摄，对菌体系和电气石/菌复合体系进行对比观察，结果如图 7 所示 对比两体系中菌的增殖现象，可以发现电气石的加入很大地提 高了体系中脱氯菌的密度 未添加电气石的体系菌量增加较慢，添加电气石的脱氯菌体系中脱氯菌菌量增加明显，且相同时间点的菌分布更加均匀 提取菌液DNA 采用定量 PCR(qPCR)分析 Dehalococcoides spp 的 16S rRNA 基因拷贝数，计算得到反应 48h 时菌石体系的菌量为菌体系的 1.7 倍 说明电气石的电场刺激及对脱氯菌生长环境水体性能的调节，都起到了强化菌增殖的作用，促使微生物快速稳定的增长，故而可促进脱氯菌对 TCE 的还原脱氯，缩短微生物降解 TCE 所需的时间 电气石电场电解水可产生氢气这一脱氯菌的直接电子供体 为验证共同固定化微球中电气石为脱氯菌提供电子供体的功能，实验比较了有无外加电子供体的个微球体系降解 TCE 的过程 如图 8 所示，由于没有专门添加电子供体，仅在 TCE 溶液中含作为助溶剂的少量甲醇(2 L)，菌球体系以极低的速率脱氯，所有 TCE 在反应 400h 后才被完全去除，体系中出现中间产物 DCE 和 VC 的积累，ETH 产量较低 加入 50L 甲醇的菌球体系中 TCE 完全去除的时间缩减近 1/2(230h)，说明添加于水体中的甲醇能够进入微球，为脱氯菌提供有效电子供体 而值得注 （a）菌体系 （b）电气石/菌体系 图 7 微生物体系活细胞成像照片 Fig.7 Living cell imaging photos of the microbial system 意的是，菌石球体系比菌球+甲醇体系的 TCE 降解速率更快，仅需 180h 即可完全去除 TCE 电气石电场作用下微球中的脱氯菌迅速增值，对电子供体的需求更大，此阶段 TCE 的快速降解显示菌石球体系中存在甲醇以外的其他电子供体，分析应为电气石的电解产氢，在反应前期能够为脱氯菌提供足够的电子供体 此部分氢气产量应是低于外加 50L 甲醇的产氢量，故随着菌群的增值，菌石球体系中间产物的转化要慢于菌球+甲醇体系 可以看到菌球+甲醇体系在反应约 600h 时 DCE 已完全去除，而菌石球体系在反应 800h 时 DCE 还处于下降阶段 菌石球+甲醇体系在电气石电场强化和充足电子供体的共同作用下，TCE 和中间产物的降解速度均明显加快 TCE 于140h 内去除，DCE 仅需 300h 时就完全转化，此后VC 的量也开始明显下降，反应 800h 时终产物的转化率已达 93%脱 氯 菌 群 的 氢 气 需 求 阈 值 为(2.2 0.9)nmol/L34，本研究中，在仅含电气石的微球体系里，1184 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 11 期 180h 时产生了 107mol/L H2，而菌石共同包埋微球体系里未检测到 H2，也表明微球里的电气石表面电场电解水产生的 H2可作为电子供体被共同固定化的脱氯菌利用 （a）菌球体系 （b）菌石球体系 （c）菌球甲醇体系 （d）菌石球甲醇体系 图 8 不同电子供体微球体系 TCE降解性能比较 Fig.8 Comparison of the TCE degradation performanceof microsphere systems with different electrondonors 以上结果表明，经过与脱氯菌的共同固定化后，电气石的直接电场刺激作用、间接调节水体性能和产氢作为电子供体功能均能在微球结构中更加有效的发挥，以促进混合菌群的代谢增殖，提升其脱氯降解性能 3 结 语 用海藻酸钠共同包埋电性矿物电气石和含Dehalococcoides spp 的混合脱氯菌群，在 SA、电气石、CaCl2含量分别为 6%、1.0%和 6%和交联时间为24h 条件下获得了具有较好弹性、机械强度和渗透性的固定化微球 复合微球中的电气石能自发调节水体的 pH 从中性至弱碱性(pH7.85)并使 ORP 降低56.7%，形成更有利于厌氧脱氯菌的水介质环境，并通过近距离的电场刺激和电解水原位供氢，促进脱氯菌的快速增殖，显著促进 TCE 脱氯降解 与单独菌和菌石简单复合体系相比较，菌石球体系 TCE 去除的时间分别缩短了 300h 和 120h，乙烯的产量提升为2.0 倍和 1.4 倍 证明将脱氯菌群和电气石共同固定化提供了使用廉价、绿色矿物材料强化地下水有机污染生物原位修复的经济、便捷的应用方式 参考文献：1 Kenneke J F，McCutcheon S CUse of pretreatment zones and zero-valent iron for the remediation of chloro-alkenes in an oxic aquiferJ.Environmental Science&Technology，2003，37(12)：2829-2835.2 Mohammad O I，Kibbey T C G.Dissolution-induced contact angle modification in dense nonaqueous phase liquid/water systemsJ.Environmental Science&Tech-nology，2005，39(6)：1698-1706.3 Mandel J，Kelsh M.A review of the epidemiology of tri-chloroethylene and kidney cancerJ.Human and Eco-ogical Risk Assessment，2001，7(4)：727-735.4 Wartenberg D，Reyner D，Scott 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