不同共代谢基质下三氯乙烯的厌氧生物降解研究

郭 莹，崔康平

(合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥230009)

挥发性氯代烃是重要的有机溶剂和化工原料，广泛应用于制冷剂、农药、橡胶工业、脱脂和洗涤剂的制造等[1]，生产应用过程中，由于废液的不恰当处理以及一些储存罐的泄漏，使挥发性氯代烃成为最普遍的地下水有机污染物[2－4]，其中最为常见的就是三氯乙烯(TCE)。TCE是致癌物质，其降解产物二氯乙烯(DCEs)和氯乙烯(VC)也属致癌物质，特别是VC对人类健康已造成很大的威胁[5－6]。因此，如何有效地降解去除TCE已成为国内外共同关注的关键问题。

在自然环境中，TCE通过地下水发生迁移，污染地下水，且其自身衰减速率较慢[7－8]。但是，已有研究表明，包括TCE在内的挥发性氯代烃能够被厌氧微生物降解[9－12]。纵览前人的研究，本文以纯牛奶、玉米汁和毒性远低于TCE的甲苯作为共代谢基质，来研究厌氧条件下TCE的降解情况，并通过反应动力学的速率常数比较，寻找一种有效的共代谢基质，为TCE的快速降解提供科学理论依据。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

1)试剂。TCE(色谱纯)，纯牛奶，鲜榨玉米汁，甲苯(色谱纯)。

2)无机盐培养液和微量元素溶液的组成。无机盐培养液各组分质量浓度(g/L):KH2PO4，0.48;Na2CO3，0.8;NH4Cl，2.0;CaCl2，0.02。微量元素溶液各组分质量浓度 (g/L):H3BO3，0.03;ZnCl2，0.10;MgSO4·4H2O，0.20;NiCl2·6H2O，0.75;MnCl2·4H2O，1.00;CuCl2·2H2O，0.10;FeCl2·4H2O，0.01;CoCl2·6H2O，1.50。

3)实验仪器及条件。Agilent7820A型气相色谱仪、哈希IL550型TOC仪、恒温水浴箱、100 mL棕色盐水瓶(配有胶塞和铝塑盖)、电子天平。

Agilent7820A型气相色谱仪仪器条件:进样口温度，200℃;色谱柱流量，1.0 mL/min;炉温，70℃;保留时间，10 min;检测器，FID;温度，200℃。此方法的检出限为0.1 μg/L。

1.2 实验方法

模拟TCE污染区域地下水，在水样中添加一定量的TCE试剂，使TCE浓度达到1～10 mg/L，定量分装于100 mL棕色盐水瓶中，定量加入预备的厌氧污泥，充氮气保持反应器内厌氧环境，使温度维持在室温(25℃)，调节pH值为7左右，并用胶塞和铝塑盖密封。选择纯牛奶、玉米汁、甲苯作为共代谢基质，三种共代谢基质各自分别按1g/L、2g/L、3g/L投加于九个反应器中，并设置未添加共代谢基质的空白样，在充氮气保护密闭条件下，置于暗箱中，每隔15天取样分析，以确定最适宜TCE还原脱氯的共代谢基质种类和投加量。

2 实验结果和讨论

2.1 TCE的降解结果

未添加共代谢基质时TCE的初始浓度为14.426 mg/L。该降解过程中测量的TCE质量浓度变化如图1所示。

图1 无共代谢基质时TCE降解曲线

1g/L、2g/L、3g/L纯牛奶为共代谢基质时TCE的初始质量浓度分别为:13.556 mg/L、14.069 mg/L、12.637 mg/L。该降解过程中测量的TCE质量浓度变化如图2所示。

1g/L、2g/L、3g/L玉米汁为共代谢基质时TCE的初始质量浓度分别为:13.282 mg/L、12.693 mg/L、12.415 mg/L。该降解过程中测量的TCE质量浓度变化如图3所示。

图2 不同浓度纯牛奶为共代谢基质时TCE降解曲线

图4 不同浓度甲苯为共代谢基质时TCE降解曲线

1g/L、2g/L、3g/L甲苯为共代谢基质时TCE的初始质量浓度为分别为:13.034 mg/L、12.602 mg/L、13.951 mg/L。该降解过程中测量的TCE质量浓度变化如图4所示。

由图1可知，未添加共代谢基质时，TCE在45天后降解完全。由图2可知，TCE均在40天后去除完全，且牛奶浓度越大，TCE的去除速率越快，但差别并不显著;由图3可知，TCE均在42天后去除完全，玉米汁浓度为2g/L和3g/L的去除效果相差甚微，但均明显优于浓度为1g/L时的去除效果;由图4可知，TCE均在20天后去除完全，且甲苯浓度越大，TCE的除去速率越快。

同时，将图2、图3、图4与图1进行对比发现，添加三种共代谢基质后TCE的降解速率均快于未添加共代谢基质时的情形，可见，共代谢基质有助于微生物的代谢活动，可促进TCE快速降解。对比图2、图3和图4可知，甲苯作共代谢基质时，TCE的去除速率最快，明显快于纯牛奶和玉米汁作共代谢基质时的去除速率，而纯牛奶的去除效果也略优于玉米汁，但差别不大。且三种物质都符合浓度越大效果越好的趋势。可见，同质量浓度时，甲苯是较好的共代谢基质。对于本实验而言，3g/L的甲苯是最佳浓度的最佳共代谢基质。

另外，在色谱分析中，某些样品中可以检测到有DCE的生成，但大部分样品中未检测到，可能是DCE易挥发或者其自身又很快发生降解的缘故。在实验过程中没有检测到其他降解产物，因此，不知道TCE降解的最终产物。但根据前人的研究结果，TCE脱氯成不含氯的产物是有可能的[13－14]。在实验过程中检测到DCE，可以说明TCE是通过还原脱氯发生降解的，这在其他人的研究中也已被证实[15]。

2.2 共代谢基质的变化

TCE的还原降解是由共代谢基质提供电子而实现的，在整个实验过程中，三种共代谢基质溶液中的TOC变化如图6、7、8所示。无共代谢基质溶液中的TOC变化如图5所示。

由图5可知，未添加共代谢基质的溶液中，TOC变化平稳缓慢，且变化幅度不大，说明无共代谢基质的溶液中，微生物活性较弱，并不能为TCE的降解提供足够的电子。由图6、7、8可知，三种基质的TOC总体均呈下降趋势，并且在实验的前15天下降均较快，说明实验最初阶段，污泥中有较多利用基质的微生物，其活性也较强，同时也为TCE的降解提供更多的电子。且每种基质的不同浓度对比发现，浓度较大的基质中TOC下降速率也较快，说明微生物在共代谢基质充足的环境中，活性更强，更能有效的降解TCE。但是三种基质的变化状况有较大差异，原因可能是三种基质的污泥中能降解TCE的微生物数量和微生物活性各有不同，还有待于进一步的研究。

图5 无共代谢基质时TOC变化曲线

图6 不同浓度纯牛奶为共代谢基质时TOC变化曲线

图7 不同浓度玉米汁为共代谢基质时TOC变化曲线

图8 不同浓度甲苯为共代谢基质时TOC变化曲线

2.3 TCE的降解动力学

根据实验获得的数据，做ln(C/C0)－ t图[16]，结果如图9、10、11 所示。由图9、10、11中可以看出，在三种共代谢基质条件下，反应均符合一级动力学模型。并且可以得到其反应速率常数和线性相关系数，如表1所示。

图9 不同浓度纯牛奶为共代谢基质时ln(C/C0)–t回归曲线

图10 不同浓度玉米汁为共代谢基质时ln(C/C0)–t回归曲线

图11 不同浓度甲苯为共代谢基质时ln(C/C0)–t回归曲线

表1 不同共代谢基质下的一级动力学参数

从比较结果来看，在本次实验条件下，甲苯是最有效的共代谢基质，且浓度越大处理效果越好。分析原因，纯牛奶中可能添加有防腐剂，而防腐剂正是一种有效的微生物抑制剂，很有可能导致降解速率变慢，玉米汁和甲苯相对无添加，加之采用的甲苯为色谱纯，纯度较高，所以等质量浓度下，处理效果更加理想。另外，TCE降解的差异还有可能与实验的微环境有关，具体的情况还有待于进一步研究。之前的研究中很少将纯牛奶、玉米汁和甲苯作为共代谢基质一起讨论，因此，本次实验的首次对比研究，为降解TCE寻找合适的共代谢基质拓宽了视野。

由于本实验是一个初步研究，没有考虑各种因素对TCE生物降解反应的影响，还需进行深入研究，以期对TCE的生物降解情况有一个更好的理解。

3 结语

(1)在TCE的降解过程中可以检测到DCEs的生成，因此，可判断TCE是通过还原脱氯发生降解的。

(2)添加三种共代谢基质下的处理效果均优于未添加共代谢基质时的情况。同质量浓度时甲苯是TCE降解的最佳共代谢基质，纯牛奶和玉米汁相对较差;且在一定范围内，共代谢基质浓度越大，TCE降解效果越好。

(3)甲苯作共代谢基质时的TOC明显比纯牛奶和玉米汁作共代谢基质时下降快，可说明TCE更能有效的接受甲苯所提供的电子。

(4)实验数据的回归结果表明，反应均符合一级动力学方程，且反应速率常数大小依次为k甲苯＞k玉米汁＞k纯牛奶。

[1]左剑恶，肖晶华，陈莉莉.氯代有机污染物在厌氧条件下还原脱氯的研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2003，4(6):43－48

[2]刘明柱，陈鸿汉，胡丽琴，等.生物降解作用下地下水中TCE、PCE迁移转化的数值模拟研究[J].地学前缘，2006，13(1):155－159

[3]卢晓霞，李广贺，张旭，等.厌氧条件下有机氯代烃污染物的氧化降解[J].环境科学，2002，23(4):37 －41

[4]李惠娣，杨琦，尚海涛.不同共代谢基质下四氯乙烯厌氧生物降解研究[J].环境污染与防治，2004，26(5):326－ 328，354

[5]李惠娣，杨琦，尚海涛.甲醇为共代谢基质时四氯乙烯的厌氧生物降解[J].环境科学，2004，25(3):84 －88

[6]李烨，刘菲，史敬华，等.以醋酸为共代谢基质时四氯乙烯的生物降解初步研究[J].水文地质工程地质，2006，33(3):7－10

[7]陈翠柏，杨琦.混合菌种对地下水中三氯乙烯的生物降解和吸附解吸的实验研究[J].水文地质工程地质，2004(1):47－51

[8]刘菲，汤鸣皋，何小娟，等.零价铁降解水中氯代烃的实验室研究[J].地球科学－中国地质大学学报，2002，27(2):186－188

[9]He J Z，Sung Y，Dollhopf M E，et al.Acetate versus hydrogen as direct electron donors to st－ imulate the microbial reductive dechlorination process at chloroethene － contaminated sites[J].En viron.Sci.Technol.，2002，36:3945 －3952

[10]Aulenta F，Majone M，Verbo P，et al.Complete dechlorinatin of tetrachloroethene to ethene in presence of methanogenes is and acetogenesis by an anaerobic sediment microcosm[J].Biodegradat－ ion，2002，13:411－424

[11]何小娟，刘菲，黄园英，等.利用零价铁去除挥发性氯代脂肪烃的试验[J].环境科学，2003，24(1):139 － 142

[12]段志婕，吴德礼，马鲁铭.零价金属还原技术处理氯代有机物的研究进展[J].环境科学与管理，2007，32(6):79－ 83

[13]吴德礼，王红武，马鲁铭.Ag/F催化还原体系处理水体中氯代烃的研究[J].环境科学，2006，27(9):1802 － 1807

[14]Lee I，Bae J，McCarty P L.Comparison between acetate and hydrogen as electron donors and implications for the reductive dehalogenation of PCE and TCE[J].Contam Hydrol，2007，94(1 －2):76 －85

[15]Hood E D，Major D W，Quinn J W，et al.Demonstration of enhanced bioremediation in a TCE source area at launch complex 34，eapecanaveral air force station[J].Ground Water Monit Remed，2008，28(2):98 －107

[16]Yu S，Semprini L.Kinetics and modeling of reductive dechlorination athigh PCE and TCE concentration[J].Biotech Bioeng，2004，88(4):451－464