反硝化条件下 BTEX微生物降解研究

高艳辉,陈余道,李本召 ,黄 旋

(桂林理工大学 环境科学与工程学院,广西桂林 541004)

随着地下储油罐泄漏及输油管线溢漏现象的频繁发生,地下水系统遭受 BTEX(苯系物)的污染已成为全球性问题。由于 BTEX本身具有致癌性和致突变性,即使是在很低的浓度下也会产生生物毒性,开发经济有效的治理 BTEX污染新技术成为了各国学者研究的目标。

最初,研究的重点是好氧条件下的生物降解,实验室和野外的实验都证明好氧条件下,微生物可以降解 BTEX。然而地下含水层通常是厌氧状态或者由于有机污染物的好氧降解使氧迅速耗尽而很快变为厌氧状态,并且很难经济有效且均匀地向含水层连续供给足够的氧,好氧生物降解在治理BTEX污染中的应用受到了极大的限制。厌氧条件下的微生物降解不需要氧,BTEX的厌氧生物降解比好氧生物降解更加可行且经济有效[1]。

因此,研究厌氧条件下 BTEX的微生物降解更有意义,近年来的研究重点已转向厌氧条件下 BTEX的生物降解性及降解速率的研究。对比厌氧条件下的几种反应,利用反硝化作用的生物降解技术最具实际意义。

1 反硝化降解 BTEX

1.1 反硝化降解BTEX机理

反硝化条件下 BTEX的微生物降解是反硝化细菌在厌氧条件下,利用 BTEX污染物作为自身生长繁殖的碳源与能源,以硝酸根(NO3-)作为电子受体,将 BTEX污染物降解为无害产物如 CO2和 H2O等的过程。

反硝化作用出现的条件有四个,包括：含水层中的硝酸盐、有机碳、反硝化细菌和微氧或厌氧条件(即溶解氧低,几乎没有)。

下面的方程描述了 BTEX矿化为二氧化碳和水的关系[2]：

1.2 反硝化降解BTEX意义

就厌氧降解BTEX的几种电子受体而言,除氧以外,硝酸盐是一个仅次于氧气的可选物质,这是因为反硝化条件下降解 BTEX与 Fe(Ⅲ)和硫酸根作为电子受体相比,有其自身的优点。Fe(Ⅲ)容易与上壤中的离子形成沉淀,这样就降低了Fe(Ⅲ)的有效利用率;硫酸根所产生的 H2S已经被实验所证实对微生物具有毒害作用,会抑制微生物的活性,从而影响BTEX的降解;而硝酸根作为电子受体时则不存在这些问题,硝酸盐产能与氧气产能相近,在水中具有高溶解度(660 g/L),不会产生氧化物沉淀,且当浓度低于 500mg/L时对含水层微生物没有毒性[3]。同时,在我国部分地区由于过量的施肥,土壤中的氮含量比较高,在有些地区的地下水中甚至出现了“肥水”的现象,这些都为反硝化降解 BTEX提供了有利的生化条件。并且进行硝酸盐还原的细菌在地下普遍存在,一些研究者在有机污染含水层物质中发现了活动的反硝化菌。硝酸盐易溶,把它作为添加电子受体时成本低。

因此,研究反硝化条件下,微生物对 BTEX的降解更具有实际意义。

1.3 反硝化降解BTEX研究

国外许多学者对反硝化条件下BTEX的厌氧降解进行了深入的研究与探讨,并取得了一定的研究成果,如通过驯化、富集培养、筛选和基因工程等手段获得高效菌种[4,5],通过供应微生物生长的营养物质以加快BTEX污染物的降解速率[6],而国内在这方面的研究比较薄弱。

近些年来,一些有关运用反硝化增强修复去除地下水中BTEX的结果和报道如表 1所述：

表1 BTEX反硝化增强修复研究

2 反硝化条件下苯的降解

苯在地下介质中的环境行为及污染防治已成为了环境科学研究的热点,尤其是反硝化条件下苯的降解更受关注。因为目前的研究结果表明厌氧条件下微生物利用硫酸根、Fe(III)和 Mn(IV)为电子受体降解苯已经被很多实验所证实,但是,对于苯是否能在厌氧条件下以硝酸根为电子受体降解还存在争议。为此,国内外学者也开展了相关的研究。一些研究认为苯在反硝化条件下具有抵抗性不能被生物降解[14-16],而另外的研究又表明苯在反硝化条件下能够被降解[17-19]。

BURLAND和 EDWARDS[18](1999)首先研究证明在以地下水和土壤组成的培养基中,在硝酸盐参与下苯可以被降解成 CO2。通过同位素跟踪的方法发现,92%～95%的苯被转化成了 CO2,BURLAND认为剩余的 5% ～8%可能被微生物的生长所利用。在 BURLAND实验的初始阶段,苯的降解和硝酸盐的消耗都比较缓慢。经过了大约 40天以后,苯的降解和硝酸盐的消耗一起加速,在硝酸盐全部消耗以后,苯的降解也几乎处于停止状态。虽然 BURLAND的研究表明,苯可以在一定条件下被反硝化微生物降解,但是 BURLAND并没有进一步确定影响苯反硝化降解的因素。

吴玉成等[19](1999)利用实验室含水层物质微环境实验,通过对含水层厌氧反硝化条件模拟,对苯和甲苯的微生物降解机制进行研究。研究结果表明,在加强反硝化条件下,微生物可以利用 NO3-作为电子受体降解苯和甲苯,降解苯和甲苯的反硝化菌存在于含水层物质中,环境的酸碱条件对微生物降解具有重要影响,pH值过高或过低均会抑制微生物降解作用的产生。

李东艳等[20](2000)以未污染的稻田土为接种物,进行了一系列的微环境实验研究,结果表明反硝化条件下苯和甲苯都能被微生物降解,甲苯比苯更易降解,甲苯的存在促进了苯的降解。

Coates[4]等(2001)分离出了在反硝化条件下可以降解苯的微生物 RCB和 JJ(2株属于变型菌 B亚类的石油细菌Dechlor omonas strains),这为进一步研究苯降解的机理提供了必要的条件。研究发现,Coates所选用的土壤基质可以在不接种 RCB和不投加硝酸根的条件下降解苯,而在接种了RCB和投加了硝酸根以后,苯降解速率有较大提高,在苯降解的同时硝酸根也不断被消耗。但是,如果只投加硝酸根而不接种 RCB,苯却没有降解。

Junfeng Dou[21]等(2010)首次报道分离出的蜡状芽孢杆菌(B.cereus)可以在硝酸盐还原条件下有效的降解苯。实验结果表明,蜡状芽孢杆菌可以在 25天内完全降解 150 mg/L的苯,并且可以利用硝酸盐作为终端电子受体修复苯污染区域,强调了其潜在的生物修复技术。

以上研究均表明反硝化条件下苯能被生物降解,为反硝化条件下治理地下水有机污染补充了依据,但是还需要解决一系列的问题才能实现反硝化条件下微生物降解苯的强化。

3 结论与展望

目前,反硝化降解 BTEX的的研究工作虽然取得了一定进展,但仍处于初级阶段,还需要在以下方面进行深入研究：结合污染场地的治理,加强野外研究;在利用反硝化作用去除地下水中 BTEX时,准确估计降解污染物所需的电子受体量尤为重要,因为加入硝酸根的量不足会影响生物降解过程,过量会引起地下水的氮污染;微生物降解作用是一个非常复杂的过程,在实际应用之前,其降解途径、终端产物等有待于进一步研究,以期尽快实现反硝化条件下 BTEX降解的强化。

[1]Lovley DR.Potential for anaerobic bioremediation of BTEX in petroleum contam inated aquifers[J].J.Ind.Microbiol.,1997,18：75– 81.

[2]Valquiria Ribeiro Gusmao,Tiago Henrique Martins,Fabio A lexandre Chinalia,et al.BTEX and ethanol removal in horizontal-flow anaerob ic immobilized biomass reactor,under denitrifying cond ition[J].Process Biochem istry,2006,41：1391– 1400.

[3]Evans,P.J.,Mang,D.T.,and Young,L.Y..Degradation of toluene and m-xylene and transformation of o-xylene by denitrifying enrichment cultu res[J].Ap pl.Environ.Microbiol.,1991,57：450-454.

[4]Coates JD,Chakraborty R,Lack JG,etal.Anaerobic benzene oxidation coupled to nitrate reduction in pure culture by twostrainsofDechloromonas[J].Nature,2001,411：1039– 1043.

[5]Chakraborty R,Coat es J D.Anaerobic degradation of monoaromatic hydrocarbons[J].Appl.Microbil.Biot chnol.,2004,64：437– 446.

[6]Boll M,Fuchs G,Heider J.Anaerobic oxidation of aromatic compounds and hydrocarbons[J].Curr.Opin.Chem.Bio.,2002,6：604–611.

[7]Yu Dao Chen,James F.Barker,Lai Gui.A strategy for aromatic hydrocarbon bioremediation under anaerobic conditions and the impactsof ethanol：A m icrocosm study[J].Journal of Contam inant Hydrology,2008,96：17– 31.

[8]Da Silva,M.L.,Ruiz-Aguilar,G.M.,Alvarez,P.J..Enhanced anaerobic biodegradation of BTEX-ethanol mixtu res in aquifer columns amended with sulfate,chelated ferric iron or nitrate[J].Biodegradation,2005,16：105– 114.

[9]Schreiber,M.E.,Bahr,J.M..Nitrate-enhanced bioremediation of BTEX-contam inated groundwater：parameter estimation from natural-grad ient tracer experiments[J].Contamin.Hyd rol,2002,55：29– 56.

[10]Cunningham,J.A.,Rahme,H.,Hopkins,G.D.,Lebron,C.,Reinhard,M..Enhanced in situ bioremediation of BTEX-contaminated groundwater by combined injection of nitrate and sulphate[J].Environ.Sci.Technol.,2001,35：1663– 1670.

[11]Phelps,C.D.,Young,L.Y..Anaerobic biodegradation of BTEX and gasoline in various aquatic sediments[J].Biodegradation,1999,10：15– 25.

[12]Ball,H.A.,Reinhard,M..Monoaromatic hydrocarbon transformation under anaerobic conditions at seal beach,california：laboratory studies[J].Environ.Toxicol.Chem.,1996,15：114– 122.

[13]Gersberg,R.M.,Korth,K.G.,Rice,L.E,et al.Chem ical and m icrobial evaluation of in-situ bioremediation of hydrocarbons in anoxic groundwater en riched with nutrients and nitrate[J].W orld J.Microbiol.Biotechnol.,1995,11：549– 558.

[14]Kuhn E P,Zeyer J,E icher P,etal.Anaerobic degradation of alkylated benzenes in denitrifying laboratory aqu ifer columns[J].Applied Environ Microbiol,1988,54：490-496.

[15]Lovley D R.Potential for anaerobic bioremediation of BTEX in petroleum contam inate aquifers[J].Journal of Industrial M icrobiology＆Biotechnology,1997,18：75-81.

[16]Alvarez P J J,Vogel T M.Degradation of BTEX and their aerobic metabolites by indigenous m icroorganisms under nitrate reducing conditions[J].Wat Sci Technol,1995,31：15-28.

[17]Major DW,Mayfield C L,Barker JF.Biotransformation of benzene by denitrification in aquifer sand[J].Ground Water,1988,26：8-14.

[18]S.M.Bulrand,E.A.Edwards.Anaerobic Benzene Biodegradation of linked to Nitrate Reduction.Applied and environmentalm icrobiology[J],1999,65：529– 533.

[19]吴玉成,钟佐燊,张建立.反硝化条件下微生物降解地下水中的苯和甲苯[J].中国环境科学,1999,19(6)：505-509.

[20]李东艳,钟佐燊,孔惠等.反硝化条件下苯的生物降解的微环境研究[J].中国地质大学学报,2000,25(5)：493-497.

[21]Jun feng Dou,Aizhong Ding,Xiang Liu,et al.Anaerobic benzene biodegradation by a pure bacterial culture of Bacillus cereus under nitrate reducing conditions[J].Journal of Environmen tal Scien ces,2010,22(5)：709– 715.