IKPF 工程菌株深度處理長(zhǎng)江飲用水源 PAHs 研究1.doc

ikpf 工程菌株深度處理長(zhǎng)江飲用水源 pahs 研究1張宴 2，吳兵 2，張徐祥 2，李梅 2，崔益斌 2，顧繼東 3，程樹(shù)培 1，21.污染控制與資源化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京（210093）2.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京（210093）3.香港大學(xué)生命學(xué)院，香港e-mail: 摘要：應(yīng)用跨界原生質(zhì)體融合（ikpf）菌株 xhhh 和 fhhh 及土著細(xì)菌 nj，建立了 3 個(gè)生物濾池模型，研究深度處理長(zhǎng)江飲用水源多環(huán)芳烴（pahs）創(chuàng)新技術(shù)。檢測(cè)的結(jié)果是，土 著細(xì)菌 nj 生物濾池對(duì) pahs 的比降解率為 0.055d-1，xhhh 為 0.043d-1，fhhh 為 0.098d-1。工程菌株 fhhh 的比降解率，高出土著細(xì)菌 78，而工程菌株 xhhh 不及土著細(xì)菌。研究表明，ikpf 菌株 fhhh 具有降解 pahs 優(yōu)勢(shì)，可以增加飲用水的安全性。 關(guān)鍵詞：飲用水源；pops；深度處理；工程菌株；生物濾池中圖分類號(hào)：x172引言長(zhǎng)江流域的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值（gross domestic product，gdp）約占中國(guó)的 1/3，長(zhǎng)江是中國(guó) 近 1/3 人口的生命之水，同時(shí)承載著中國(guó)近 1/3 的工農(nóng)業(yè)污染。南京地處長(zhǎng)江下游，以長(zhǎng)江 為飲用水源。2007 年檢測(cè)長(zhǎng)江飲用水源及南京民用自來(lái)水的結(jié)果表明，存在多環(huán)芳烴（polyaromatic hydrocarbon, pahs）的污染現(xiàn)象1-3。 多環(huán)芳烴（pahs）是一類持久性有機(jī)污染物（persistent organic pollutants, pops），具有誘發(fā)致癌、生殖、免疫、神經(jīng)等環(huán)境疾病的毒性威脅。生產(chǎn)自來(lái)水的常規(guī)處理方法，不能 去除飲用水源中的微量 pahs。飲用水中 g/l 的 pahs，即可通過(guò)人體的吸收富集和代謝轉(zhuǎn) 化，產(chǎn)生持久的分子毒性，威脅人體的終身健康，威脅后代的生命質(zhì)量。人們不可能放棄長(zhǎng)江飲用水源，為了保障飲用水安全，本課題應(yīng)用了跨界原生質(zhì)體融合（inter-kingdom protoplast fusion, ikpf）工程菌株 xhhh 和 fhhh，及土著細(xì)菌 nj，建立了 3 個(gè)活性炭和沙礫混合載體的生物濾池模型，研究深度處理長(zhǎng)江飲用水源的創(chuàng)新技術(shù)。結(jié)果表 明，ikpf 工程菌株 fhhh 降解 pahs 的優(yōu)勢(shì)最為突出。xhhh 和 fhhh 均是 3 個(gè)親本菌株的真核原核兩界細(xì)胞的原生質(zhì)體跨界融合產(chǎn)物，它們之 間的區(qū)別是，xhhh 細(xì)菌親株來(lái)自合成制藥廢水處理系統(tǒng)，fhhh 細(xì)菌親株來(lái)自石化廢水處理系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)工程證明，fhhh 具有降解苯環(huán)污染物的特效性能4，xhhh 具有降解雜環(huán)污染物 的特效性能5,6。pahs 是苯環(huán)污染物，所以 fhhh 降解優(yōu)勢(shì)最為突出，xhhh 則不及土著細(xì)菌。綜合應(yīng)用膜技術(shù)（membrane technique, mt）和生物濾池（biofilter, bf）技術(shù)，合稱為 膜生物濾池（membrane biofilter, mbf）技術(shù)，是飲用水深度處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，已有許 多成功的例證。本課題即將進(jìn)行 mbf 中的膜技術(shù)研究。應(yīng)用生物濾池技術(shù)原理和 ikpf 整 合基因資源原理，是項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)所在。1材料與方法1.1 菌株1 本課題得 到 國(guó)家教育 部 wtwer0720 ；江蘇省 科 技 廳 bz2007064 和江蘇省 檢測(cè)中心 蘇環(huán) 檢 測(cè)(2007)65-0711的資助。- 5 -xhhh 和 fhhh，由本課題組構(gòu)建 7。土著細(xì)菌 nj 為長(zhǎng)江水源中自然菌株。1.2 培養(yǎng)基普通真菌培養(yǎng)基，普通細(xì)菌培養(yǎng)基8。1.3 水質(zhì)檢測(cè)色譜質(zhì)譜（gc/ms）檢測(cè) pops 和 edcs； 等離子光譜（icp-j-a1100）檢測(cè)金屬污染物； toc6000a 分析儀檢測(cè)總有機(jī)碳（toc）； 磷脂法測(cè)檢膜生物量9；酸式高錳酸鉀法檢測(cè) codmn； 過(guò)硫酸鹽氧化法檢測(cè) tn 和 tp10。長(zhǎng)江南京飲用水源 2007/8/23-10/5 期間的水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表 1。表 1 長(zhǎng)江飲用水源水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，(mg/l)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值codmn0.811.50ph7.88.1mn0.01fe0.24ni0.01toc3.759.28cr0.02pb0.06ti0.02ca41.02nh3-n0.331.06cu0.01zn0.01al0.68co0.01tp0.010.19li0.01b0.04se0.11pt0.201.4 生物濾池模型參數(shù)生物濾池材料為 pvc 管材。柱高 100cm；直徑 12 cm，有效容積 10l。填料活性炭 2l 和沙礫 1l，粒徑 0.8-1.2 mm。3 種菌劑各 2l 分別投加于生物濾池模型中馴化掛膜，進(jìn)水流 量 0.5l/d，溶解氧(do)1.5 mg/l，連續(xù) 5d 后，48h 內(nèi)負(fù)荷比增加至 3m3/（m2h），去除 codmn10%為掛膜結(jié)束標(biāo)志。穩(wěn)定運(yùn)行 42d，水力停留時(shí)間 20min，10-20，負(fù)荷比 3m3/（m2h）， 反沖洗強(qiáng)度 20l/（m2sec）持續(xù) 2min，do 為 1.5 mg/l。2. 結(jié)果與討論在 2007/8/23-10/5 生物濾池模型穩(wěn)定運(yùn)行的 42 天期間，檢測(cè) 10 批樣品的結(jié)果見(jiàn)表 2。 從表 2 可以看出，生物濾池模型的長(zhǎng)江飲用水源進(jìn)水的 codmn 為 0.85-1.50 mg/l，均值為 1.20mg/l；進(jìn)水 toc 為 4.07-9.28 mg/l，均值為 6.87 mg/l；進(jìn)水中 13 種 pahs 總濃度為0.058-0.102g/l，均值為 0.081g/l。污染物的比降解率（specific degradation rate, sdr）是指單位生物量在單位時(shí)間內(nèi)，降 解去除有機(jī)污染物量的比值，即 sdr降解污染物量單位/（生物量單位時(shí)間單位）。當(dāng)污 染物量的單位與生物量的單位相同時(shí)，sdr 單位為時(shí)間-1，常用的有 h-1 和 d-1 等。在處理工 程中，sdr 稱為生物負(fù)荷率（biological loading rate, blr）。sdr 和 blr 兩者定義相同， 單位相同。前者多用于研究，或者多用于工程，參數(shù)水平具有國(guó)際可比性。檢測(cè) nj、xhhh、fhhh 三個(gè)生物濾池模型，在穩(wěn)定運(yùn)行 42 天期間的比降解率（sdr）， 比較三個(gè)菌株在同等生物濾池的硬件條件下，降解 codmn、toc、pahs 性能的差異。應(yīng)用 表 2 的進(jìn)出水參數(shù)，計(jì)算出比降解率的參數(shù)水平，結(jié)果見(jiàn)表 3。從表 3 可以看出，fhhh 生物濾池模型的 3 項(xiàng)比降解率均值，均為最高水平；土著細(xì)菌 生物濾池模型的 3 項(xiàng)比降解率均值，均處第 2；而 xhhh 生物濾池模型的 3 項(xiàng)比降解率均值，均處最低水平。ikpf 菌株 fhhh 是 3 個(gè)親本菌株（pc 真菌、sc 酵母、yz 土著細(xì)菌）真核原核兩界細(xì) 胞的原生質(zhì)體跨界融合產(chǎn)物。親株 yz 土著細(xì)菌，來(lái)自石化廢水生物處理系統(tǒng)，降解的目標(biāo) 污染物是苯環(huán)污染物。2001-2004 年國(guó)家 863 項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)工程證明，fhhh 去除石化廢水中苯 環(huán)污染物的比降解率（sdr）是土著細(xì)菌的 7 倍。pahs 是苯環(huán)污染物，fhhh 在本項(xiàng)研究中 去除 pahs 的比降解率水平最高，吻合以前的研究結(jié)果。表 2 生物濾池模型進(jìn)出水參數(shù)檢測(cè)結(jié)果批次12345678910codmn濾(mg/l)池toc進(jìn)(mg/l)0.851.351.441.380.860.811.501.491.450.874.078.088.808.324.153.759.289.208.884.21水pahs (g/l) 生物量土(mg/l)著 codmn菌(mg/l)toc濾(mg/l)0.0580.0910.0970.0930.0580.0550.1020.1010.0980.059175.170.368.0674.654.2124.3193.0294.383.026.70.260.340.100.310.750.250.033.151.681.315.133.331.423.035.523.231.08池pahs(g/l)0.0190.0070.0070.0380.0230.0070.0210.0510.0170.002x生物量h(mg/l) hcodmn h(mg/l)濾toc池(mg/l)pahs(g/l) f生物量h(mg/l) hcodmn h(mg/l)濾toc池(mg/l)pahs(g/l)129.5102.185.5180.0147.9104.888.6152.0132.365.70.380.450.370.062.371.871.713.843.151.651.623.022.481.110.0230.0140.0080.0390.0290.0140.0090.0300.0250.004123.757.341.5199.070.322.722.8108.268.056.00.330.350.280.073.011.621.403.272.572.051.400.0260.0120.0110.0360.0240.0070.0070.0170.0190.005表 3 生物濾池菌株對(duì) codmn、toc、pahs 比降解率的計(jì)算結(jié)果樣品土著細(xì)菌 nj，（d-1）xhhh 菌株，（d-1）fhhh 菌株，（d-1）批次1codmn0.235toc0.379pahs0.017codmn0.317toc0.946pahs0.019codmn0.274toc0.617pahs0.01921.2796.5520.0860.8744.3440.0531.4718.1190.09831.4187.9320.0961.1426.0410.0772.22212.8520.14940.0860.3410.0050.3291.7930.0220.3071.8260.02250.6911.0900.0460.2520.4870.0140.5231.6080.03660.4101.3490.0290.4871.4420.0292.2138.2540.15170.4442.3330.0310.9676.2260.0774.39425.7400.30080.1800.9000.0120.3502.9280.0340.8265.2100.05591.0424.9010.0700.6533.4820.0411.2387.2310.084102.2688.4500.1540.8883.3980.0609.6313.6140.070均值0.8063.4220.0550.6263.1080.0432.3117.5070.098ikpf 菌株 xhhh 是 3 個(gè)親本菌株（pc 真菌、sc 酵母、xz 土著細(xì)菌）真核原核兩界細(xì)胞的原生質(zhì)體跨界融合產(chǎn)物。xhhh 與 fhhh 的區(qū)別在于，它們的細(xì)菌親株分別是 xz 和 yz。 xhhh 的土著細(xì)菌親株 xz，來(lái)自合成制藥廢水生物處理系統(tǒng)，降解的目標(biāo)污染物是雜環(huán)污染 物。而本項(xiàng)研究的目標(biāo)污染物是 pahs 苯環(huán)污染物，所以 xhhh 不居優(yōu)勢(shì)，不及土著細(xì)菌。綜上所述，ikpf 菌株去除 pahs 比降解率水平的高低，受到了親株細(xì)菌的基因資源重 要影響，在 2 個(gè)真菌親株相同的條件下，土著細(xì)菌親株的來(lái)源及其基因資源，就成了決定 ikpf 菌株降解目標(biāo)污染物水平高低的關(guān)鍵因素。致謝感謝國(guó)家教育部wtwer0720；江蘇省科技廳bz2007064；江蘇省檢測(cè)中心蘇環(huán)檢 測(cè)(2007)65-0711的立項(xiàng)資助。感謝孫石磊，趙大勇和賈海鷹師兄的幫助。參考文獻(xiàn)1楊敏娜, 周芳, 孫成等. 長(zhǎng)江江蘇段有毒有機(jī)污染物的殘留特征及來(lái)源分析. 環(huán)境科學(xué). 2006, 25(3):375-376.2 sun c., dong y., xu s. et al. trace analysis of dissolved polychlorinated organic compounds in the water of the yangtse river (nanjing, china). environmental pollution, 2002, 117:914.3 jiang x., martens d., schramm k.w. et al. polychlorinated organic compounds (pcocs) in waters, suspended solids and sediments of the yangtse river. chemosphere, 2000, 41:901-905.4 a.t. martinez. molecular biology and structure-function of lignin-degrading heme peroxidasesj. enzyme andmicrobial technology，2002，30(4)：425444.5martinez a t. molecular biology and structure-function of lignin-degrading heme peroxidases. enzyme andmicrobial technology，2002，30(4)：425444.6 xu f j，chen h z，li z h. solid-state production of lignin peroxidase(lip) and manganese peroxidase(mnp)by phanerochaete chrysosporium using steam-exploded straw as substrate. bioresource technology，2001，80：149151.7 程樹(shù)培，張徐祥，石磊等. fhhh 工程菌株降解 pta 廢水動(dòng)力學(xué)研究j. 環(huán)境科學(xué)，2003，24（6）：116120.8 沈評(píng)，范秀容，李廣武. 微生物學(xué)實(shí)驗(yàn). 北京：高等教育出版社，2001，214222. 9于鑫，張曉鍵，王占生.飲用水生物處理中生物量的脂磷法測(cè)定j.城市給水排水，2002，28（5）：1-6 10 apha, awwa, wpcf. standard methods for the examination of water and wastewater, 18th edition，washington d.c., american public health association，1992，444-453.advanced treatment of pahs in source of drinking water from yangtze river with ikpf strainszhang yan 2, wu bing 2, zhang xuxiang 2, li mei 2, cui yibin 2, gu jidong 3, chengshupei 1,2*1. state key laboratory of pollution control and resource reuse, nanjing, p.r. china (210093)2. school of the environment, nanjing university, nanjing, p.r. china (210093)3. school of life sciences, the university of hong kong, sar, p.r. chinaabstractthere were 3 biofilters constructed