纳米铁-微生物耦合体系去除废水中的三氯生

2022-07-21周华晶黎良浩陈元彩

化工环保 2022年3期

周华晶，徐东，黎良浩，陈元彩

（1. 昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650504；2. 华南理工大学环境与能源学院工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室，广东广州 510006）

三氯生是一种广谱抗菌剂，已应用于许多工业产品和个人护理产品。三氯生相对不挥发，水中溶解度低（20 ℃时溶解度为10 mg/L）。废水中三氯生的去除常用的方法是生物处理法，主要是利用微生物的代谢作用将其降解和吸附。生物处理成本低、易于操作，且最重要的是没有二次污染，但是处理时间较长，采用传统微生物处理有毒、难降解有机废物面临极大挑战。

在传统的生物处理过程中加入某种特定的物质或基团，增强微生物对难降解污染物的去除能力，改善废水处理效果，我们称之为生物强化作用。纳米粒子由于其丰富的活性位点和巨大的比表面积，被广泛应用到污染水体的修复处理中。其中贵重金属的生物强化作用效果最佳，但其成本高昂并不适合大规模工业应用。纳米铁是一种有效的脱卤还原剂，可以催化还原多种有机卤化物。但由于纳米铁稳定性较差容易形成铁氧化物或氢氧化物沉淀，使其功能发生钝化。

本研究利用化学方法将纳米铁与微生物共同包埋形成复合菌剂，在相同实验条件下探讨单一微生物体系、单一纳米铁体系及纳米铁-微生物耦合体系对三氯生的降解机制，并研究了三氯生的降解途径以及代谢产物的毒性效应。

1 实验部分

1.1 试剂、材料和仪器

KBH，FeSO·7HO，琼脂，SiO，Al（SO），HBO，聚乙烯醇（PVA），NaCl：均为分析纯。三氯甲烷：色谱纯。实验用水均为去离子水。

基础培养基：牛肉膏6.0 g/L，NaCl 15.0 g/L，蛋白胨 10.0 g/L，大豆粉 2.0 g/L，pH 6.5。

微生物菌液：施世假单胞杆菌（KS0013）取自工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室，该菌株此前从广东省韶关市多溴二苯醚污染现场分离得到。取该菌株1环，转移到30 mL基础培养基中，35 ℃下培养2 d；再以10%的体积比接种至基础培养基中，35 ℃下培养2 d，以5 000 r/min的转速离心15 min，获得菌体的对数生长期细胞，稀释至菌浓度为（2.0±0.6）×10CFU/mL。

三氯生模拟废水：三氯生质量浓度为10 mg/L。

MLS-3705型高压灭菌锅：日本三洋公司；BT125D型电子天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；2695型Waters高效液相色谱（HPLC）仪：沃特世科技（上海）有限公司；7890A-5975C型气相色谱-质谱联用（GC-MS）仪：安捷伦科技（中国）有限公司。

1.2 纳米铁-微生物复合菌剂的制备

纳米铁溶液的制备：采用液相还原法，在氮气保护的液相体系中加入强还原剂KBH，还原FeSO·7HO得到纳米Fe溶液，质量浓度为0.1 mg/L。

包埋液的制备：质量分数为5%的琼脂和质量分数为7.5%的PVA共同加热至完全溶解，再加入质量浓度为1 mg/L的 SiO溶液，制得包埋液。

交联剂的制备：将Al（SO）粉末溶于饱和HBO溶液中，得到浓度为0.5 mol/L的Al（SO）饱和HBO交联剂。

纳米铁-微生物复合菌剂的制备：在60 ℃恒温水浴条件下，分别取纳米铁溶液和施世假单胞杆菌菌液加入到包埋液中，搅拌混合均匀，在氮气保护的环境中滴加交联剂，各组分体积比为15∶6∶57∶22。在4 ℃条件下交联10 h后，用质量分数0.9%的NaCl溶液清洗、保存，得到纳米铁-微生物复合菌剂。

1.3 三氯生的去除

取制得的纳米铁-微生物复合菌剂3 mg，投入基础培养基中培养6 h，使其活化后直接投入10 L质量浓度为10 mg/L的三氯生模拟废水中，曝气处理5 d，曝气量为2 L/h，初始反应pH为6.5左右。

对照组采用相同实验条件下的单一微生物菌液（接种量为12 mg/L的施氏假单胞菌在30 mL基础培养基中培养24 h后直接使用）或者单一纳米铁溶液（投加量为200 mg/L）。

1.4 分析方法

三氯生采用HPLC法测定，测定条件：色谱柱为Waters C柱（150 mm×4.6 mm，5 μm）；35 ℃柱温，以乙腈-水溶液（体积比75∶5）为流动相，总流速1.0 mL/min，进样量10 μL，检测波长为230 nm。目标物质出峰时间约为6.01 min，样品总检测时间为7.5 min。按照标准曲线=81 091-88 058（相关系数0.999）计算水样中初始三氯生质量浓度和反应后三氯生质量浓度ρ，得到三氯生去除率。

三氯生及其代谢产物的分析采用GC-MS法，色谱测定条件：石英柱，柱长为 30 mm，内径为0.22 mm，膜厚为 0.22 μm；进样口温度 270 ℃；以氦气作为载气，流速1 mL/min；进样量1 μL。质谱检测条件：四极杆温度150 ℃，离子源温度230℃；轰击源能量70 eV；质荷比扫描范围45～400/。具体操作如下：在每一次降解反应过程中间隔一定时间进行取样，将含有样品的悬浮液经三氯甲烷多次萃取分离，取下层萃取液进行N吹扫浓缩至1 mL，无水硫酸钠吸水后作为样液待测。

2 结果与讨论

2.1 纳米铁-微生物耦合体系对三氯生的降解效果

不同体系中三氯生的去除率见图1。由图1可见，纳米铁-微生物耦合体系处理5 d后，三氯生的去除率高达83%，分别是对照组单一微生物体系和单一纳米铁体系的4.15倍和4.88倍，表明纳米铁和微生物之间存在明显的协同效应，证明纳米铁-微生物耦合体系是一种有效去除三氯生的反应体系。

图1 不同体系中三氯生的去除率

单一微生物体系和纳米铁-微生物耦合体系的微生物生长曲线见图2。由图2可见，纳米铁-微生物耦合体系的OD高于单一微生物体系，降解菌从第1天到第5天为对数增长期，纳米铁-微生物耦合体系的OD在第5天达到最大值（1.518），高于单一微生物体系的OD最大值（第6天，OD为1.332），随后单一微生物体系的OD略微下降，但纳米铁-微生物耦合体系的OD一直保持较高水平。因此，纳米铁的存在明显有利于微生物的生长，由此可以推断，纳米铁通过还原产生的铁离子可以为微生物生长提供营养，还原过程中产生的电子为微生物生长提供能量。

图2 微生物的生长曲线

2.2 三氯生降解产物分析及其代谢途径推测

三氯生降解过程的HPLC谱图见图3。由图3可见：除了系统产生的水峰以外，三氯生的峰强随时间的延长逐渐变弱；并且在这个过程中产生了多个降解中间体的峰；三氯生在5 d内完全降解。

图3 三氯生降解过程的HPLC谱图

采用三氯生降解过程中第1、3、5天的混合水样进行GC-MS分析，三氯生降解过程混合水样的色谱图见图4。由图4可见，分别在保留时间为21.8，25.9，30.6 min时检测到中间产物苯酚（A1）、2，2-（1-甲基）双5-甲基环己醇和1，4-环己二醇（A2），以及29.8 min检测到三氯生。

图4 三氯生降解过程混合水样的色谱图

由于GC-MS测试过程中定容溶剂正己烷易挥发加成到中间产物上，故实际检测到的三氯生降解中间产物碎片离子的质谱图见图5。由图5可见，除了三氯生，在反应过程中还检测到了苯酚、1，4-环己二醇和2，2-（1-甲基）双5-甲基环己醇3种中间产物的碎片离子。

由图4、图5推测出本研究中纳米铁-微生物耦合体系对三氯生的降解途径（见图6）。由图6可见：三氯生的降解主要包括脱氯和双键断裂；首先，路径一是纳米铁还原脱氯以及双键的断裂形成中间产物B1（2，2-（1-甲基）双5-甲基环己醇），随后B1经微生物代谢进一步被降解，生成A2（1，4-环己二醇）；路径二是由零价纳米铁造成醚键的氧化断裂，形成中间产物A1（苯酚），A1经微生物代谢进一步被降解，生成A2；最后，A2经微生物代谢进一步开环矿化成小分子羧酸，最终生成CO和HO。

图5 三氯生降解中间产物碎片离子的质谱图

图6 纳米铁-微生物耦合体系中三氯生的代谢途径

2.3 三氯生及其代谢产物的毒性评价

为了进一步评估三氯生在纳米铁-微生物耦合体系降解过程中存在的潜在风险，采用ECOSAR软件对三氯生及其中间代谢产物进行毒性评估。ECOSAR软件对三氯生及其中间代谢产物毒性的估测值见表1。根据《新化学物质危害评估导则》（HJ/T 154—2004）规定，急性毒性半致死浓度（LC）主要分为剧毒（＜1 mg/L）、有毒（1～10 mg/L）、有害（10～100 mg/L）和无害（＞100 mg/L）4个等级，慢性毒性值（ChV）主要分为剧毒（＜0.1 mg/L）、有毒（0.1～1 mg/L）、有害（1～10 mg/L）和无害（＞10 mg/L）4个等级。由表1可见，三氯生对鱼类和水蚤的急性毒性和慢性毒性均属于剧毒（LC＜1 mg/L，ChV＜0.1 mg/L），对绿藻属于有毒（1 mg/L＜LC＜10 mg/L，0.1 mg/L ＜ChV＜1 mg/L）。

表1 ECOSAR软件对三氯生及其中间代谢产物毒性的估测值

三氯生及其中间代谢产物的急性毒性评价、慢性毒性评价分别见图7、图8。

由图7可见：对于鱼类，三氯生的LC为0.476 mg/L，然而其代谢中间体A1的LC明显下降了两个等级（38.351 mg/L），虽然B1毒性下降不多，但是其最终代谢产物A2的LC下降了多个等级，达到无害化处理；同样的结果也在水蚤上观察到；对于绿藻，一级代谢物B1的LC略有增加，但最终代谢产物A2的LC下降至无害。由图8可见：三氯生的ChV除了绿藻的一级代谢B1略有增加，其他代谢产物的ChV均下降了1到多个等级，最终代谢产物下降至无害。上述结果对纳米铁-微生物耦合体系去除废水中三氯生的实际应用具有一定的指导意义。