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          微生物還原降解水中高氯酸鹽的研究進展

              摘要:高氯酸鹽廣泛存在于水體環境中,是一種具有高穩定性、高擴散性和持久性的污染物,其毒理機制、環境污染、遷移轉化和處理技術已成為目前環保領域的研究熱點;诟呗人猁}污染問題,該文介紹了高氯酸鹽的特性、來源以及對人體的危害;闡述了高氯酸鹽的微生物降解機理,包括降解途徑、還原菌種類、電子供體、影響高氯酸鹽降解的因素等;綜述了高氯酸鹽微生物法降解技術的應用進展,并進一步分析了高氯酸鹽生物降解技術的研究方向。

              高氯酸鹽是一種有毒的無機化合物,分子量較小,在環境中主要以銨、鈉、鉀以及其他金屬鹽形式存在。在高溫下具有較強的化學氧化性,常作為氧化劑用于煙火制造、軍火工業、火箭推進劑以及爆破作業等領域,同時也常作為添加劑用于潤滑油、織物固定劑等產品的生產。使用和生產高氯酸鹽的工廠對過期庫存的清理和污水的違規排放,導致大量的高氯酸鹽被排放到環境中,使得該地區的地表水和地下水受到污染。高氯酸鹽的化學穩定性較高,很難自然降解,對大多數土壤和礦物質的吸附能力也較弱,很容易隨著水的流動而擴散,進而形成大范圍的面源污染。高氯酸鹽可以通過飲用水及食物鏈進入人體,干擾甲狀腺激素的分泌,會對人體免疫力、骨骼發育以及聽覺器官造成影響,甚至會對嬰兒的智力發育以及神經中樞造成損傷[1]。目前,在世界各地的雨水、雪水、地下水、飲用水和食品[2 7]中均檢測出了高氯酸鹽,其環境污染問題和健康風險已引起了人們的高度關注。因此,開展高氯酸鹽污染的研究及防治工作具有重大意義。

          1 微生物降解機理

              高氯酸鹽具有非揮發性、高溶解性和高穩定性等特點,混凝、沉淀、過濾和消毒等常規處理工藝難以將其有效去除。因此,需要尋找效率更高的處理方法加以解決。目前高氯酸鹽的去除方法主要有物化法和微生物法,其中物化法包括吸附、離子交換、膜技術和化學還原等。一般物化法耗資較大,且需要二次處理,而微生物去除高氯酸鹽的效率較高,具有很好的可行性,因此受到了越來越多的關注。

          1.1 降解途徑

              高氯酸鹽還原路徑如圖1 所示。高氯酸鹽在高氯酸鹽還原酶、氯酸鹽還原酶以及亞氯酸鹽歧化酶的催化作用下,依次被還原為氯酸鹽和亞氯酸鹽,并最終還原為氯離子。若將1 mol 高氯酸鹽完全降解為氯離子和溶解氧,則需要C 型細胞色素作電子載體轉運8 mol 電子[8]。在整個降解過程中,高氯酸鹽還原為氯酸鹽為限速步驟,其速率遠低于其他步驟。另外,溶解氧也可以被還原菌利用,因此在水溶液中并沒有氯酸鹽和溶解氧等中間產物積累,不會對高氯酸鹽的降解產生抑制作用[9]。

          降解過程中所需的高氯酸鹽還原酶、氯酸鹽還原酶以及亞氯酸鹽歧化酶分別由不同的基因編碼,使其表現出不同的結構和功能。高氯酸鹽還原酶和氯酸鹽還原酶的差別在于二聚體不同。亞氯酸鹽歧化酶由cld 基因編碼,只能在厭氧條件下的高氯酸鹽(氯酸鹽)降解菌中表達其活性[10]。另外,亞氯酸鹽歧化酶的活性雖不受氧氣影響,但也只能在高氯酸鹽和氯酸鹽同時存在且無氧的環境中才充分表達[11]。由于亞氯酸鹽對高氯酸鹽降解菌有毒害作用,因此亞氯酸鹽歧化酶活性的表達對整個反應的運行尤為重要。

          1.2 菌的種類與選擇

              高氯酸鹽降解菌廣泛分布于環境中,在土壤、江河及凍土中均有檢出。為提高降解效率,需要對高氯酸鹽降解菌進行培養及馴化,并從中分離出優勢菌株。但是培養條件不同,其分離得到的菌種也不同。目前,已分離得到了大量的高氯酸鹽降解菌,如Dechlorospirillum[12]、Propionivibriomilitaris[13]、Burkholderia[14]等。其中大部分的降解菌屬于變形菌門中的α、β、γ、ε 變形菌綱,只有少數降解菌不屬于變形菌門,如Moorella perchloratireducens[15]等。這些降解菌可以利用高氯酸鹽、硝酸鹽和氯酸鹽作為電子受體,并接受醋酸鹽和H2等外源電子供體。

               根據電子供體的不同,可將高氯酸鹽降解菌分為自養微生物和異養微生物。從廢水和土壤中分離出的Dechloromonas 屬菌株JM、JDS5 和JDS6,均為自養型高氯酸鹽降解菌[16];而Dechloromonas agitate和Dechlorosoma suillum 均為異養型高氯酸鹽降解菌[17,18]。研究者利用含有高濃度高氯酸鹽的富集培養基培養高氯酸鹽降解菌株,得到的降解菌不僅降解速率快,持續時間也較長[19]。高氯酸鹽降解菌的種類是影響高氯酸鹽降解效果的重要因素,為此需要不斷改進培養方法和條件,分離得到高效的降解菌,以實現高氯酸鹽的有效去除。

          2 高氯酸鹽降解的影響因素

          2.1 電子供體

              高氯酸鹽降解時所需的電子供體可分為有機和無機兩種。有機電子供體主要包括醋酸鹽、乳酸鹽、甲醇、乙醇等[20],其中最為常見的是醋酸鹽。研究者在對細菌的生長進行研究時發現,以醋酸鹽為電子供體的細菌生長速率最快[21]。另外,有機電子供體也可作為碳源,為降解菌的生長提供能量,加快高氯酸鹽的降解速率。因此,異養型微生物降解與自養型微生物降解相比速率較快。無機電子供體主要有H2、Fe0、S0、H2 S 等[22],其中H2 的研究較多。以H2為電子供體降解高氯酸鹽,不但可以將高氯酸鹽徹底還原為氯離子,而且不會產生二次污染[23]。有機和無機兩種電子供體各有優缺點,在實際應用中應該根據水中高氯酸鹽的具體情況選擇合適的電子供體。

          版權、出處:《凈水技術》

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