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持久性有机污染物(persistent organic pollutants,POPs)是指通过各种环境介质能够长距离迁移并长期存在于环境,进而对人类健康和环境具有严重危害的天然或人工合成的有机污染物质。由于其具有高毒性、难降解性和生物积累性而引起人们高度重视。白腐菌是一类担子纲的真菌,由于它能在次生代谢过程中产生非专一性的胞外酶,而对大量难降解化合物具有广谱的降解能力,被广泛应用于污染水体和土壤的修复。本论文以具有代表性的弱极性持久性有机污染物多环芳烃(PAHs)和多溴联苯醚(PBDEs)为研究对象,首先建立了白腐菌胞外木素过氧化物酶(LiP)和锰过氧化物酶(MnP)的培养、测定方法,在此基础上研究了各种添加剂和培养方式对过氧化物酶活性的影响,对产酶条件进行优化;同时研究了白腐菌对PAHs和PBDEs的降解,考察增溶剂表面活性剂Tween80和β-环糊精对PAHs和PBDEs表观溶解度的影响,探讨在降解过程中,过氧化物酶活性和污染物表观溶解度的提高对降解速率的影响:分析了白腐菌好氧降解PBDEs的中间产物,初步探索了PBDEs好氧降解的机理:最后,研究了上述成果应用于PBDEs污染土壤修复的可能性,建立了超声萃取土壤中PBDE的方法,以BDE15为代表,研究了PBDEs在土壤中的吸附特征及在表面活性剂Tween80和环糊精HPCD强化洗脱条件下,白腐菌对污染土壤中PBDEs的降解情况。
研究结果主要概括如下:
(1)建立了木素过氧化物酶(LiP)和锰过氧化物酶(MnP)的测定方法。静置培养条件下藜芦醇(VA)对木素过氧化物酶(LiP)的活性表现出低浓度促进、高浓度抑制的现象,添加5mM VA能使培养到第9天的LiP活性达到3893U/L。静置培养条件下添加表面活性剂Tween80和β-环糊精都能极大的促进锰过氧化物酶(MnP)活性。振荡培养条件下没有产生明显的LiP或MnP活性,主要原因可能是振荡培养会产生巨大的剪切力和形成的菌丝球内部供氧不足抑制了酶的合成与分泌。
(2)Tween80对被测的五种多环芳烃均有显著增溶能力,多环芳烃表观溶解度随Tween80浓度的增加而增加,呈正相关,而β-环糊精只选择性增溶分子体积较小的菲和蒽。Tween80的增溶能力明显优于β-环糊精。Tween80和β-环糊精都能促进PAHs的降解,降解率都随着Tween80和β-环糊精浓度的提高而提高。Tween80对PAHs降解的促进作用明显优于β-环糊精,这与它们对PAHs的增溶作用呈较好的相关关系。振荡培养比静置培养更有利于PAHs的降解。PAHs的低水溶性是制约其生物可利用性及生物降解效率的主要因子,低分子量的PAHs比高分子量的PAHs易降解,这可能与PAHs的溶解度随分子量的提高而降低有关。此外,PAHs的降解率还受到其分子结构稳定性,分子IP值等因素的影响,因此,提高PAHs的水溶性,优化微生物培养条件和加入一定的诱导物提高胞外酶的活性是提高PAHs生物降解率的有效途径。
(3)白腐菌对BDE209和BDE15均有显著降解作用,培养10d后,BDE209的降解率达到43.0%,降解了约69.7μg,BDE15则由150μg降至4.8μg,扣除其挥发损失,降解率达62.5%。低浓度Tween80(≤700 mg/L)和β-环糊精对白腐菌降解BDE209均有明显的促进作用,而高浓度的Tween80(900 mg/L)则会抑制白腐菌生长,从而抑制其对BDE209的降解,Tween80和β-环糊精对BDE209降解的促进作用主要是由于其对BDE209的增溶作用。Tween80和β-环糊精(500mg/L)对BDE15的降解均有一定抑制作用,产生抑制作用的原因可能是由于Tween80胶束和β-环糊精空腔对BDE15的包裹降低了水中可直接利用的自由态的BDE15的浓度,影响了其生物可利用性。对BDE15和BDE209的HPLC和GC/MS谱图分析初步可以排除其脱溴降解的可能,但是衍生化产物分析也没有捕捉到溴代降解产物的产生,推测可能是Phanerochaete chrysosporium对BDE15的降解速度较快,其初级代谢产物没有产生大量累积,具体降解机理还需要进一步研究。
(4)建立了超声萃取土壤中BDE15和BDE209的方法。线性方程和Freundlich方程都能较好地拟合BDE15在土壤上的吸附实验数据,BDE15在土壤上吸附的主导机制是线性分配。低浓度Tween80对BDE15的解吸有抑制作用,高浓度Tween80则表现出显著促进作用,HPCD对BDE15解吸的有显著促进作用。培养初期,HPCD和Tween80分别对BDE15的降解表现出促进和抑制作用,说明影响BDE15在土壤中降解的主要限制因子是其在土壤上的吸附。HPCD对白腐菌降解BDE209有明显促进作用,Tween80则表现出显著抑制作用,主要原因是Tween80自身在土壤上的吸附增加了溶解在Tween80胶束中的BDE209向土壤的分配。因此,在修复BDE15(或其它低溴代联苯醚)污染土壤时,可适当提高HPCD或Tween80的用量,而在修复BDE209(或其它高溴代联苯醚)污染土壤时,要严格控制Tween80或其它易吸附于土壤的表面活性剂的用量,最好选择环糊精作为增溶剂。