袁琳嫣

上海質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 （上海 201114）

節(jié)能環(huán)保

活性包埋菌對(duì)室內(nèi)空氣中甲醛和苯系物的凈化應(yīng)用研究

袁琳嫣

上海質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 （上海 201114）

甲醛和苯系物是室內(nèi)空氣主要污染物，對(duì)人體有致癌作用，嚴(yán)重危害人體健康。主要研究了活性包埋菌對(duì)室內(nèi)空氣中甲醛和苯系物的凈化性能。選用兩種不同的活性包埋菌，對(duì)其表面官能團(tuán)、表面形貌進(jìn)行了表征。采用液相衍生、氣相頂空的方法評(píng)估了其對(duì)甲醛和苯系物的吸附降解性能。結(jié)果表明，活性包埋菌對(duì)甲醛和苯系物的降解能力主要取決于載體對(duì)包埋菌的生物相容性、載體親水性及對(duì)污染物的生物耐受性。此外，在凈化前期要充分馴化活性包埋菌，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。

活性包埋菌 室內(nèi)空氣凈化 甲醛 苯系物

20世紀(jì)70年代全球能源危機(jī)爆發(fā)以后，部分發(fā)達(dá)國(guó)家率先提出了室內(nèi)空氣質(zhì)量的理念。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和節(jié)能要求的提高，裝潢和家具造成的室內(nèi)污染持續(xù)劇增,房屋封閉性的提升使空氣難以流通，從而導(dǎo)致室內(nèi)空氣污染物致使人員中毒的惡性事件頻頻出現(xiàn)[1-3]。

室內(nèi)空氣污染物主要來(lái)自于室內(nèi)的建材和家具，家用燃?xì)獾牟煌耆紵⑽鼰煹热祟惿钪邪殡S而生的空氣污染物和室外空氣中的侵入污染物。無(wú)機(jī)氣態(tài)污染物（如二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳等）對(duì)于人體健康的危害多半在呼吸器官（如肺），但是無(wú)累計(jì)性；而室內(nèi)甲醛、苯系物等有機(jī)物污染對(duì)人體有致癌作用，嚴(yán)重危害人體健康。

隨著生物材料的日益發(fā)展，固定化包埋菌作為生物強(qiáng)化手段在降解室內(nèi)空氣污染物方面具有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：包埋細(xì)菌密度大，流失少,處理效率高，產(chǎn)物易分離、反應(yīng)過(guò)程易控制，能夠連續(xù)和重復(fù)使用以及外界條件變化對(duì)包埋菌影響小等。這些特點(diǎn)決定了固定化包埋菌是一種高效低耗、結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)轉(zhuǎn)管理方便和發(fā)展前景廣闊的空氣凈化處理固定化生物技術(shù)[4]。

微生物吸附凈化污染物的原理為：有機(jī)污染物被微生物吞噬之后，通過(guò)其新陳代謝作用被分解，為其維持穩(wěn)定的生命活動(dòng)提供所需營(yíng)養(yǎng)[5]；污染物被轉(zhuǎn)化之后，還可以合成新的原生質(zhì)（或稱細(xì)胞質(zhì)）的組成成分，促進(jìn)微生物本身生長(zhǎng)繁殖，避免了物理吸附飽和問(wèn)題，能夠長(zhǎng)期循環(huán)使用。固定化微生物大多應(yīng)用于水污染處理，如采用聚乙烯醇和活性炭復(fù)合材料制成的固定化污泥處理含酚廢水，進(jìn)水酚含量達(dá)250 mg/L時(shí)，凈化率達(dá)到99.8%，處理后的廢水可達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)[6]。

目前，活性包埋菌主要用于凈化氨、氮、苯酚含量高的污染水源。在空氣凈化方面，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物甲醛和苯系物的凈化性能研究未見(jiàn)報(bào)道。未來(lái)可以結(jié)合各自優(yōu)勢(shì)研究開(kāi)發(fā)生物復(fù)合材料來(lái)解決室內(nèi)環(huán)境污染問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 活性包埋菌的制備

取某污水處理廠的活性淤泥作為包埋菌的菌種源，將其置于離心機(jī)上，以5500 r/min的轉(zhuǎn)速濃縮，舍棄清夜，所得濃縮污泥待用。濃縮后的污泥呈褐色粘稠狀，并帶刺激性氣味。采用不同的聚丙烯酰胺類材料［聚丙烯酰胺（PAM）＋甲基聚丙烯酸酯（PMMA）］為主要的包埋材料，將其溶解在水中（120 mg/mL），加入活性淤泥（40 mg/mL），充分?jǐn)嚢杈鶆?；向混勻好的混合物中加入一定量的交?lián)劑N，N－亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）（8 mg/mL），光引發(fā)劑及磷酸緩沖鹽（pH=7.4）；充分混勻后，在紫外燈光源下照射4 min，固化放置一天。完全反應(yīng)后，流動(dòng)狀的液體轉(zhuǎn)變?yōu)轸~(yú)凍膠狀，潤(rùn)滑且有彈性。將固定化的活性淤泥分割成邊長(zhǎng)為3 mm的立方體，用流水將其漂洗干凈。1#載體呈乳白色，2#載體呈淺褐色。

1#包埋菌載體帶有更多的甲基（—CH3），甲基具有疏水性和一定的剛性，對(duì)于長(zhǎng)鏈聚合物的自由旋轉(zhuǎn)有一定的空間位阻效應(yīng)，導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的溶脹受阻，聚合物載體的水合作用變差。另外，1#載體有更多的酯基，酯基屬于非離子型親水基團(tuán)，幾乎不發(fā)生電離，合成的聚合物鏈與鏈之間的相互作用較弱，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膨脹小，導(dǎo)致可容納水分的空間小。因此，1#載體的親水性和生物相容性一般。而2#包埋菌載體帶有更多的親水基團(tuán)羧基（—COOH），其在水中呈離子（COOH-）狀態(tài)，負(fù)離子之間的排斥作用使聚合物載體溶脹，可容納水分的空間變大，故2#載體的親水性和生物相容性較好。

水是固定化包埋菌進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)，固定化包埋菌的增長(zhǎng)需要各種豐富的養(yǎng)分，但唯有水能被包埋菌菌體內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)膜所接受，在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行合成和基礎(chǔ)代謝。包埋菌所含有的水既有“鍵合”水，又有“中間水”，還有大量“自由水”[7]。

1.2 活性包埋菌的馴化

1.2.1 甲醛水溶液的馴化

制備好的包埋菌均無(wú)刺激性氣味，都能沉淀在容器底部，有很好的分離沉淀性能。以10%（體積分?jǐn)?shù)）的填充率將包埋菌放入250 mL圓底燒杯中，將氧氣管伸入燒杯底部進(jìn)行曝氣，使包埋菌能在燒杯中流化。加入250 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 μg/g的甲醛水溶液進(jìn)行室溫馴化。馴化初期，由于活性包埋菌降解甲醛的能力較弱，需2～3 d換一次水（100 μg/g的甲醛水溶液）；馴化中期，隨著處理效果的提升，可以每天換水，每次換水前需將所用容器和曝氣管清洗干凈。

馴化5 d天后，每天換水加入100 μg/g甲醛水溶液250 mL，第二天取樣采集數(shù)據(jù)。期間，通過(guò)一定的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，分析監(jiān)測(cè)燒杯內(nèi)甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，從而確定包埋菌的馴化狀態(tài)?；钚园窬瓿稍?00 μg/g甲醛水溶液中的馴化后，按上述方法繼續(xù)進(jìn)行250 μg/g甲醛水溶液和500 μg/g甲醛水溶液的馴化。

1.2.2 苯系物水溶液的馴化

用同樣的方法，在100 μg/g的苯系物水溶液中進(jìn)行活性包埋菌的馴化，直到活性包埋菌體系運(yùn)行穩(wěn)定，苯系物殘留質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再變化，則認(rèn)為可進(jìn)行下一步的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 兩種污染物（甲醛和苯系物水溶液）的馴化

將已接受甲醛馴化（一個(gè)月）的兩種包埋菌繼續(xù)進(jìn)行苯系物的馴化（一個(gè)月），馴化過(guò)程和馴化完成節(jié)點(diǎn)參照甲醛和苯系物的單一馴化。

2 實(shí)驗(yàn)與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

Haake MarsIII流變儀，賽默飛世爾科技（中國(guó)）有限公司；VarioMICROcube元素分析儀，Elementar公司；Axio光學(xué)顯微鏡，卡爾蔡司光學(xué)（中國(guó)）有限公司；XS205電子天平，梅特勒-托利多公司；6890N氣相色譜儀（配氫火焰離子化檢測(cè)器）、7697頂空進(jìn)樣器、1100高效液相色譜儀，安捷倫科技（中國(guó)）有限公司。

甲醛、2,4－二硝基苯肼，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；磷酸，色譜純，F(xiàn)luka公司；水、乙腈、丙酮、二甲苯、甲苯，色譜純，J.T.Baker公司，甲醛－DNPH標(biāo)準(zhǔn)品（1.0 mg/mL），Supelco公司。

2.2 分析方法

用高倍顯微鏡觀察馴化前后兩種不同載體活性包埋菌的微觀結(jié)構(gòu)。

利用高效液相色譜監(jiān)測(cè)活性包埋菌對(duì)空氣中甲醛的凈化性能。色譜柱：Alltima C18柱（4.6 mm× 250 mm×5 μm）；流動(dòng)相：溶劑A為水，溶劑B為乙腈；梯度洗脫參數(shù)：0～6 min，60%B，12 min 100%B（保持4 min）；檢測(cè)波長(zhǎng)：365 nm；進(jìn)樣量：20 μL；流速：1.2 mL/min；柱溫：30℃。

利用頂空氣相色譜檢測(cè)活性包埋菌對(duì)空氣中苯系物的凈化性能。色譜柱：HP-5彈性石英毛細(xì)管柱（30 mm×0.32 mm×0.25 μm）；進(jìn)樣口溫度：250℃；氫焰離子化檢測(cè)器（FID）檢測(cè)室溫度：280℃；升溫程序：80℃（5℃/min）→260℃(10℃/min）→280℃（2min）；載氣（高級(jí)氮）壓力：15 kPa；進(jìn)樣方式：分流（5∶1）模式，1.0 mL/min。

自動(dòng)頂空條件：選用1 mL頂空空氣密針；頂空瓶加熱器溫度為90℃；樣品環(huán)溫度為130℃；傳輸管線溫度為150℃；平衡時(shí)間：15，30，60 min。

稱取約2 g不同載體的活性包埋菌1#和2#，分別放在20 mL頂空瓶中，然后立刻用聚四氟乙烯銀色鋁蓋密封壓緊（模擬封閉的室內(nèi)環(huán)境）。以甲醛和苯系物的殘留質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)衡量包埋菌的凈化能力。

3 結(jié)果與討論

3.1 活性包埋菌的微觀結(jié)構(gòu)

利用高倍光學(xué)顯微鏡觀察1#，2#包埋菌分別在100，250，500 μg/g甲醛水溶液中馴化后的形貌，結(jié)果如圖1、圖2所示。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)馴化后，包埋菌體內(nèi)細(xì)菌密度大幅度提高，細(xì)菌的凸起增大，體積變大。2#包埋菌有更多的大小不同的孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)里有許多大小不一、不同形狀的細(xì)菌。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被牢牢鎖在孔隙中，并能夠防御水動(dòng)力的襲擊，非常有助于包埋菌生存。此外，2#活性包埋菌有許多比較明顯的突起，說(shuō)明細(xì)菌與包埋載體結(jié)合得更好，菌體密度高、耐受力強(qiáng)。

圖1 1#包埋菌在不同甲醛水溶液中馴化后的微觀結(jié)構(gòu)

圖2 2#包埋菌在不同甲醛水溶液中馴化后的微觀結(jié)構(gòu)

3.2 活性包埋菌的馴化成果

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，在100 μg/g的甲醛水溶液中馴化12 h后，甲醛的去除率才能達(dá)到90%以上；在250和500 μg/g甲醛水溶液中馴化12 h后，甲醛去除率才能達(dá)到80%左右。由于實(shí)驗(yàn)所用包埋菌在進(jìn)入馴化期之前，載體內(nèi)部能夠降解甲醛的細(xì)菌量少，處理甲醛的能力低，所以實(shí)驗(yàn)前需要進(jìn)行馴化。因?yàn)榘窬挥性诔渥愕难鹾亢拖鄳?yīng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)下才能進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，使活性和凈化效率達(dá)到最佳效果。馴化使微生物的數(shù)量不斷增加，從質(zhì)和量?jī)蓚€(gè)角度縮短達(dá)到理想凈化效果的過(guò)程。馴化48 h后，活性包埋菌在不同甲醛水溶液中去除甲醛的能力都能達(dá)到98%。馴化后的活性包埋菌對(duì)甲醛水溶液已經(jīng)具有耐受性，可以嘗試在離開(kāi)充足的氧含量和水的情況下，考察其對(duì)甲醛和苯系物氣體的凈化性能。

3.3 兩種不同活性包埋菌對(duì)空氣中甲醛的凈化效果

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，甲醛質(zhì)量濃度較低時(shí)，視為室溫下瞬時(shí)完全氣化成甲醛氣體，2 h后，2#包埋菌對(duì)甲醛氣體的去除率大于1#包埋菌；由于生物代謝需要一定的時(shí)間，因而可持續(xù)降解甲醛。

從圖5可以看出，在80 mg/mL甲醛空氣中，2 h內(nèi)甲醛氣化并不充分。1 d以后活性包埋菌降解甲醛的能力依次為：1#受兩種污染物馴化＞2#受單一甲醛的馴化＞2#受兩種污染物馴化＞1#受單一甲醛的馴化；對(duì)于甲醛馴化活性包埋菌來(lái)說(shuō)，2#包埋菌凈化效果優(yōu)于1#包埋菌；對(duì)于兩種污染物馴化活性包埋菌來(lái)說(shuō)：1#包埋菌的耐受性優(yōu)于2#包埋菌。

2#活性包埋菌載體生物相容性好，機(jī)械強(qiáng)度高、不易碎，對(duì)微生物細(xì)胞無(wú)毒，具有極好的流變學(xué)性能和優(yōu)良的傳質(zhì)性能。載體中含有羧基等弱酸性官能團(tuán)，可促進(jìn)對(duì)極性分子的吸附。與此同時(shí)，載體空間內(nèi)孔隙度較大，既能對(duì)微生物細(xì)胞起到保護(hù)作用，承受不斷增殖的細(xì)胞，使細(xì)菌利用水中的污染物不斷進(jìn)行繁殖，又可提供菌體代謝的最佳轉(zhuǎn)運(yùn)途徑。1#活性包埋菌載體生物相容性較差，機(jī)械強(qiáng)度低，易碎，使用壽命短；載體凝膠過(guò)分致密，增加了載體基質(zhì)和產(chǎn)物的傳質(zhì)阻力；水合作用也相對(duì)比較差，導(dǎo)致在馴化和凈化處理甲醛時(shí)均受到相應(yīng)影響。

將同時(shí)接受兩種污染物馴化的包埋菌進(jìn)行對(duì)比，2#包埋菌接受兩種污染物馴化后降解甲醛的性能變差，可能是因?yàn)楸较滴锊挥H水，而2#包埋菌材料親水性更好，所以產(chǎn)生傳質(zhì)阻力，從而影響了對(duì)甲醛的降解。也可能是因?yàn)?#包埋菌有較強(qiáng)的選擇能力，比較適合處理單一污染物。

3.4 兩種不同的活性包埋菌對(duì)苯系物的凈化效果

采用2種活性包埋菌對(duì)1 μg苯系物氣體進(jìn)行凈化，殘留含量如圖6所示。?

圖3 100 μg/g（a）、250 μg/g（b）、500 μg/g（c）甲醛水溶液凈化后殘留甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖4 活性包埋菌2 d內(nèi)對(duì)4 mg/mL*甲醛氣體的凈化效果

圖5 活性包埋菌7 d內(nèi)對(duì)80 mg/mL甲醛氣體的凈化效果

圖6 活性包埋菌對(duì)苯系物的降解效果

圖6表明，對(duì)于甲苯來(lái)說(shuō)，2#活性包埋菌降解能力優(yōu)于1#活性包埋菌，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，苯系物殘留量明顯降低。對(duì)于二甲苯來(lái)說(shuō)，由于2#包埋菌接受兩種污染物的耐受性差，二甲苯包括鄰、間、對(duì)三種結(jié)構(gòu)，且其親水性比甲苯差，所以1#活性包埋菌降解能力優(yōu)于2#活性包埋菌。接受兩種污染物馴化的包埋菌，同樣也是1#包埋菌的凈化性能更高。相對(duì)于甲苯，活性包埋菌對(duì)于二甲苯的處理效果較差。這可能是二甲苯的生物降解性能更差（見(jiàn)表1）的緣故，但是，包埋菌本身沒(méi)有吸附降解飽和度，可以持久地發(fā)揮去除氣體中污染物的作用。

表1 苯系物在不同的氧化還原條件下的生物降解性

4 總結(jié)與展望

活性包埋菌通過(guò)新陳代謝作用能夠分解空氣中的有機(jī)物并代謝出抗氧化物質(zhì)，憑借彼此間的共生增殖及協(xié)同效應(yīng)保持微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其降解性能受載體制備的難易程度，是否對(duì)生物有毒害作用，與菌體的結(jié)合力，菌體活性在載體的保護(hù)下是否會(huì)受到損傷，活性包埋菌的環(huán)境適用性和穩(wěn)定性、傳質(zhì)性能以及對(duì)污染物的選擇性等影響。適合的載體可以將微生物細(xì)胞固定在載體之上，使其存留在揮發(fā)性氣體中的時(shí)間更長(zhǎng)。載體的阻隔作用使微生物固定化后與底物的傳質(zhì)速率受到阻礙，所以當(dāng)包埋法處理的生物系統(tǒng)與有毒有害物質(zhì)接觸時(shí)，由于微生物細(xì)胞密度高，抵抗能力強(qiáng)，削弱了有毒有害物對(duì)微生物的沖擊，安全性大大增加。

固定化微生物空氣凈化技術(shù)是凈化室內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機(jī)物和空氣中含氮、酸等異味源的最新研究方向。固定化微生物材料可以異味源和揮發(fā)性有機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行繁殖，長(zhǎng)效去除異物和空氣中的有害物質(zhì)，且無(wú)二次污染，為利用微生物材料治理環(huán)境污染物奠定了基礎(chǔ)。

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Purification of Formaldehyde and Benzene Compounds in Indoor Air by Active Immobilized Bacteria

Yuan Linyan

Formaldehyde and benzene compounds are the main pollutants in indoor air,which have carcinogenic effects on human body and seriously endanger people′s health.The purification of formaldehyde and benzene compounds in indoor air by active immobilized bacteria was studied.Two kinds of active immobilized bacteria were chosen,and their surface functional groups and surface morphology were characterized.The adsorption and degradation properties of formaldehyde and benzene compounds were evaluated by means of HPLC derived method and HS-GC test method.Results showed that the degradation ability of active immobilized bacteria to formaldehyde and benzene compounds mainly depended on the bio-compatibility between the carriers and active immobilized bacteria,carriers′hydro-philicity and the bacteria′s biological tolerance.In addition,thorough domesticate the active immobilized bacteria to the best state during the early stage of purification was a crucial factor.

Active immobilized bacteria;Indoor air purification;Formaldehyde;Benzene compounds

X5

2017年5月

袁琳嫣 女 1987年生 碩士 助理工程師 研究方向：材料