岳俊杰，王玉婷，馮 炘，王 薇，李鐵龍

（1. 天津理工大學 環(huán)境科學與安全工程學院，天津 300384；2. 南開大學 環(huán)境科學與工程學院，天津 300071；3. 南開大學 環(huán)境污染過程與基準教育部重點實驗室，天津 300071）

研究報告

電氣石對脫氯菌降解三氯乙烯的影響

岳俊杰1，王玉婷1，馮 炘1，王 薇2，3，李鐵龍2，3

（1. 天津理工大學 環(huán)境科學與安全工程學院，天津 300384；2. 南開大學 環(huán)境科學與工程學院，天津 300071；3. 南開大學 環(huán)境污染過程與基準教育部重點實驗室，天津 300071）

以電氣石作為環(huán)境微生物強化介質材料，協同以Dehalococcoides spp.為主體的脫氯混合菌群（簡稱脫氯菌）對水中的三氯乙烯（TCE）進行降解，探討了電氣石對降解效果的影響。實驗結果表明：電氣石可調節(jié)水溶液的pH使之趨向于中性并提高水溶液的電導率；在脫氯菌接種量為8%、電氣石加入量為5.0 g/L的條件下降解20 mg/L的TCE，84 h時TCE已全部降解，而未加電氣石體系只降解了54.7%；外加電子供體甲醇和外加電氣石均可明顯提高脫氯菌對TCE的降解速率，且外加電氣石的降解效果更好，說明電氣石可能在促進微生物生長繁殖的同時也能為其提供合適的電子供體，這對降解地下水中的TCE具有重要意義。

電氣石；脫鹵擬球菌；三氯乙烯降解；電子供體；地下水

三氯乙烯（TCE）是一種揮發(fā)性氯代有機物，在工業(yè)生產中作為脫脂劑和除油劑等被廣泛使用。由于處置不當，使得TCE成為了地下水中檢出率最高的有機氯代烴污染物［1］。TCE污染面廣、毒性大且具有“三致”作用，對生態(tài)系統(tǒng)安全和人類健康構成了極大的威脅。

去除地下水中TCE的方法有物理法、化學法和生物法。與其他兩種方法相比，生物法具有處理效率高、費用低、降解徹底和不造成二次污染等優(yōu)點，而利用厭氧微生物與其他方法聯合修復水中有機污染時，常會表現出協同效應［2］。產乙烯脫鹵擬球菌（Dehalococcoides spp.）是目前已知的唯一能將TCE徹底還原脫氯為無毒產物乙烯的一類適應地下水缺氧環(huán)境的厭氧菌［3］。該菌種在厭氧條件下將TCE作為電子受體、以其他還原性物質（如氫氣、甲醇、甲苯、醋酸鹽等）作為電子供體，進行有效的還原脫氯［4-5］。但該方法修復周期長，且向地下水中加入還原性物質會帶來二次污染和安全隱患。

有研究表明，自然界中具有自發(fā)極性的硼硅酸鹽礦物電氣石（XY3Z6Si6O18（BO3）3W4：X=Na，Ca，K或空位；Y=Mg，Fe，Mn，Al，Li；Z=Al，Fe，Cr，Mg；W=OH，F，O）可促進微生物的生長繁殖［6-9］，并具有其他特殊的功能屬性，如輻射遠紅外線、降低溶液氧化還原電位、調節(jié)pH使之趨向中性、改善水分子團簇結構、使周圍水分子持續(xù)電解生成氫氣等［9-11］。

本工作以電氣石作為環(huán)境微生物強化介質材料，協同以Dehalococcoides spp.為主體的脫氯混合菌群（簡稱脫氯菌）對TCE進行降解，探討了電氣石對降解效果的影響及其提供電子的可行性，以期為地下水的實際修復提供理論基礎。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

TCE：純度99%；甲醇：純度99.5%。

電氣石：粉體，主要成分為SiO2，Al2O3，Fe2O3，B2O3，FeO，MgO等，純度95%以上，購于贛州托馬琳環(huán)?？萍加邢薰尽?/p>

100 mL血清瓶：宏達玻璃制瓶有限公司；100 μL氣密進樣針：澳大利亞SGE公司；M256710型手套式厭氧箱：?，攲嶒炘O備有限公司；SHABA型數顯水浴恒溫振蕩器：杰瑞爾電器有限公司；D/max-2500型X射線衍射儀：日本理學公司；DELTA-320型pH計：Mettler Toledo公司；DDS-307型電導率儀：上海精密科學儀器有限公司；JSM-6700F型掃描電子顯微鏡：日本日立公司；LS230型激光粒度分析儀：美國Beckman公司；GC-2010 plus型氣相色譜儀：日本島津公司。

1.2 微生物的培養(yǎng)

采用的脫氯菌是從氯乙烯污染場地土壤中提取、富集、培養(yǎng)的，菌種保存在厭氧培養(yǎng)箱內。為使菌群保持較好的活性，需定期更換培養(yǎng)液（配制方法見文獻［12］），且每天投加0.1 mol/L溶于甲醇的TCE，TCE與甲醇的摩爾比為1∶10，甲醇作為電子供體維持脫氯菌的穩(wěn)定生長。

1.3 實驗方法

1.3.1 電氣石對水溶液性能的影響

向50 mL用HCl或NaOH調節(jié)pH至3.0或11.5的蒸餾水中分別加入一定量的電氣石，定時取樣測定水溶液pH的變化，研究電氣石對水溶液pH的調節(jié)作用。向50 mL去離子水中加入一定量的電氣石，定時取樣測定水溶液電導率的變化，研究電氣石對水溶液電導率的影響。

1.3.2 電氣石對脫氯菌降解TCE的影響

采用100 mL經高溫、高壓消毒的血清瓶，在手套式厭氧箱內進行操作。接種一定量脫氯菌液到血清瓶中，補充厭氧培養(yǎng)液至50 mL，加入一定量電氣石或甲醇，密封瓶口后加入20 mg/L TCE。將血清瓶置于水浴恒溫振蕩器上，在溫度26 ℃、轉速110 r/min的條件下進行反應，定時以氣密進樣針取100 μL頂空氣體待測。

1.4 分析方法

采用XRD技術鑒定電氣石的物相，條件為：管電壓40 kV，管電流100 mA，掃描范圍2θ=10 °～80 °，掃描速率2（°）/min。采用SEM技術觀察電氣石的微觀形貌。采用激光粒度分析儀測定電氣石的粒徑分布。采用pH計測定pH。采用電導率儀測定電導率。采用氣相色譜儀測定頂空氣體中TCE的質量濃度，換算為反應液中TCE的質量濃度，測定條件為：Rtx-Wax型毛細管柱，30 m×0.32 mm（內徑）× 0.25 μm；氫火焰離子化檢測器，載氣為氮氣，檢測器溫度220 ℃，進樣口溫度200 ℃，總流量45.8 mL/min，柱流量1.07 mL/min，分流比39；色譜柱升溫程序為40℃保持8 min，以35 ℃/min的速率升溫至220 ℃，保持2 min。

2 結果與討論

2.1 電氣石的表征結果

電氣石的XRD譜圖見圖1。由圖1可見，衍射峰的位置與數據庫中鐵鎂電氣石的標準譜圖相吻合，說明試樣為鐵鎂電氣石。SEM觀察結果顯示，電氣石呈不規(guī)則塊狀，比表面積大。粒徑分析測定結果表明，電氣石的粒徑分布主要集中在0.6～10 μm，該范圍的累積質量分數達82%。

圖1 電氣石的XRD譜圖

2.2 電氣石對水溶液性能的影響

2.2.1 電氣石對水溶液pH的影響

環(huán)境pH對微生物的生命活動影響很大。本實驗所用的脫氯菌可在6.2～7.5的pH范圍內生長，但在pH為7.2左右時的TCE降解能力最強［13］。因此，針對電氣石對水溶液pH調節(jié)作用的研究具有重要意義，電氣石對水溶液pH的影響見圖2。由圖2可見：電氣石可使酸性溶液的pH增大，使之趨于中性，且隨電氣石加入量的增加，pH增幅加大；電氣石同樣對堿性溶液具有一定的調節(jié)作用，使其pH減小，且隨電氣石加入量的增加，pH降幅增大；與酸性水溶液相比，電氣石對堿性水溶液的pH影響較小。酸性溶液pH增大是由于電氣石具有永久極化效應，電氣石表面吸附溶液中的H+使之轉化為氫原子，再以氫氣的形式釋放；堿性溶液pH有所降低是因為表面金屬離子解離和表面羥基化為電氣石與OH-的電極反應提供了大量的正電荷，使電氣石在溶液中呈現出強氧化性，可吸附OH-，從而導致堿性溶液的pH下降［14］。此外，電氣石屬硅酸鹽礦物，其表面位的存在也可能影響到溶液pH［15-16］。綜上所述，電氣石在酸性和堿性條件下均具有使pH趨向于中性的特性，該特性可能會為脫氯菌提供良好的生存環(huán)境，以保證其對TCE的降解能力。

圖2 電氣石對水溶液pH的影響電氣石加入量/（g·L-1）：● 0；■ 0.5；▲ 1.0；◆ 2.5；○ 5.0；□ 10.0

2.2.2 電氣石對水溶液電導率的影響

在微生物生長代謝過程中，溶液電導率的增加可促進生長所必需的營養(yǎng)物質向生物體內的傳遞，從而有效促進微生物的營養(yǎng)和代謝［17］。電氣石對水溶液電導率的影響見圖3。由圖3可見：電氣石可使去離子水的電導率增大，且隨電氣石加入量的增加，電導率的增幅加大；加入時間為0～5 min時電導率迅速增大，隨后趨于平緩。電氣石具有自發(fā)電極特性，有許多電偶極體，與水作用會釋放電子、傳遞電荷，從而提高水溶液的電導率［17］；而電氣石在粉碎過程中產生的過量電荷（表面懸鍵）也可能對電導率的增加具有一定幫助［16］。綜上所述，電氣石可提高水溶液的電導率，該特性可能會促進脫氯菌的新陳代謝和菌群生長，從而提高其對TCE的降解速率。

2.3 脫氯菌降解TCE的影響因素

2.3.1 脫氯菌接種量

在不加電氣石的情況下，在達到一定細菌濃度后，脫氯菌可在24 h內將20 mg/L的TCE迅速轉化為順式二氯乙烯（cis-DCE）和乙烯等產物，但為了給電氣石提供足夠的作用時間以體現其對脫氯菌降解TCE的影響，必須尋找一個適宜的脫氯菌接種量。脫氯菌接種量對TCE降解的影響見圖4。圖4中，ρ0和ρ分別為初始時刻和反應某一時刻的TCE質量濃度，mg/L。由圖4可見，不加脫氯菌只加培養(yǎng)液的空白對照瓶內的TCE濃度幾乎保持不變，而加入脫氯菌的反應瓶內TCE的降解速率隨接種量的增加而加快。由于脫氯菌將中間產物cis-DCE繼續(xù)轉化為氯乙烯和乙烯還需較長時間，為避免反應時間過長同時又能體現出電氣石的作用效果，故選取8%的接種量進行后續(xù)實驗。

圖3 電氣石對水溶液電導率的影響

圖4 脫氯菌接種量對TCE降解的影響

2.3.2 電氣石加入量

在脫氯菌接種量為8%的條件下，電氣石加入量對脫氯菌降解TCE的影響見圖5。由圖5可見：在未投加電氣石時，脫氯菌能在120 h內將20 mg/L的TCE完全降解，而電氣石的加入明顯提高了降解速率；當電氣石加入量小于5.0 g/L時，TCE降解速率隨電氣石加入量的增加而增加；當電氣石加入量為10.0 g/L時表現出與5.0 g/L相近的降解速率甚至更低。這表明電氣石的加入量并不是越多越有利，在脫氯菌接種量為8%的條件下，電氣石加入量為5.0 g/L時對TCE降解速率的促進效果最佳，故后續(xù)實驗選擇電氣石加入量為5.0 g/L。蔣侃等［7-8］發(fā)現，電氣石對細菌的生長繁殖有明顯的促進作用。這可能是由于電氣石的自發(fā)電極及粉碎過程中產生的電荷不僅可為脫氯菌提供適宜的生存環(huán)境，還可促進細胞的新陳代謝、增強細胞活力。

圖5 電氣石加入量對脫氯菌降解TCE的影響

2.3.3 電子供體

對于脫氯菌，合適的電子供體是其生長的重要條件，正常情況下，該菌種不能在無電子供體的條件下降解TCE。在脫氯菌接種量為8%的條件下，甲醇和電氣石的加入對脫氯菌降解TCE的影響見圖6。

圖6 甲醇和電氣石的加入對脫氯菌降解TCE的影響● 空白對照體系；■ 外加甲醇體系；▲ 外加電氣石體系

由圖6可見：外加電子供體甲醇和外加電氣石均可明顯提高脫氯菌對TCE的降解速率，且外加電氣石的降解效果更好；84 h時外加電氣石體系的TCE已全部降解，而同一時刻的空白對照體系中TCE只降解了54.7%。這可能是因為：電氣石的靜電場作用可持續(xù)電解周圍水分子，生成的氫離子從電氣石電極之間的電流中得到電子生成氫氣［11］，而氫氣又是脫氯菌最直接的電子供體；此外，電氣石還可促進脫氯菌的增殖和生長，并為其提供適宜的生存環(huán)境。因此，電氣石有望作為電子供體取代氫氣、甲醇等在地下水處理時存在安全隱患和帶來二次污染的還原性物質，為脫氯菌降解TCE提供了一個新途徑，這對地下水的修復具有重要意義。電氣石已被成功應用于環(huán)境保護、飲用水凈化、醫(yī)療保健等領域［18-19］，作為一種綠色環(huán)保礦物材料，它不會對環(huán)境產生不利影響。因脫氯菌生長繁殖必須在厭氧環(huán)境中進行，故對于除地下水外的其他水溶液（如工業(yè)廢水），脫氯菌與電氣石聯合修復方法的應用需做進一步的深入研究。

3 結論

a）電氣石可調節(jié)酸性和堿性水溶液的pH使之趨向于中性并提高水溶液的電導率，且電氣石加入量越大效果越明顯，該特性可能有助于脫氯菌對TCE的降解。

b）在脫氯菌接種量為8%、電氣石加入量為5.0 g/L的條件下降解20 mg/L的TCE，84 h時TCE已全部降解，而未加電氣石體系只降解了54.7%，說明電氣石可促進脫氯菌對TCE的降解。在一定的范圍內，隨電氣石加入量的增加，降解速率加快。

c）外加電子供體甲醇和外加電氣石均可明顯提高脫氯菌對TCE的降解速率，且外加電氣石的降解效果更好。說明電氣石可能在促進微生物生長繁殖的同時也能為其提供合適的電子供體（氫氣），這對降解地下水中的TCE具有重要意義。

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（編輯 魏京華）

Effect of Tourmaline on Trichloroethylene Degradation with Dechlorinating Bacteria

Yue Junjie1，Wang Yuting1，Feng Xin1，Wang Wei2，3，Li Tielong2，3
（1. School of Environmental Science and Safety Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2. College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300071，China；3. Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria，Ministry of Education，Nankai University，Tianjin 300071，China）

Trichloroethylene （TCE） in water was degraded with mixed dechlorinating bacteria mainly containing Dehalococcoides spp. using tourmaline as promoting material. The effect of tourmaline on TCE degradation were investigated. The experimental results show that：Tourmaline can adjust the water pH to neutral and increase the electrical conductivity of water；When the inoculation amount of dechlorinating bacteria is 8% and the dosage of tourmaline is 5.0 g/L，20 mg/L TCE can be completely degraded within 84 h，while only 54.7% of TCE is degraded without tourmaline；The degradation rates of TCE can be increased obviously in both systems with methanol and tourmaline，and the latter is better than the former，which indicates that tourmaline may not only promote the growth of microbes but also provide a suitable electron donor for them. This is signif i cant for degradation of TCE in groundwater.

tourmaline；Dehalococcoides spp.；trichloroethylene degradation；electron donor；groundwater

X523

A

1006 - 1878（2015）03 - 0226 - 05

2014 - 12 - 25；

2015 - 03 - 11。

岳俊杰（1977—），女，天津市人，博士，副教授，電話 022 - 60214185，電郵 yue_junjie@163.com。聯系人：馮炘，電話 022 - 60214188，電郵 xfeng2100@tjut.edu.cn。

國家自然科學基金項目（31200396）；天津自然科學基金項目（14JCQNJC08500，12JCYBJC32200）；天津理工大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（X2013010）；天津理工大學教學改革項目（YB12-28）。