不同菌劑對地下水中氯代烴的去除及代謝產(chǎn)物變化分析*

嚴(yán)冬冬，黃永軍，程明鋒，徐從海，沈玉紅，李華山，劉奕萱

(1 臨沂君和環(huán)?？萍加邢薰荆綎| 臨沂 276000；2 臨沂市生態(tài)環(huán)境局沂水縣分局，山東 臨沂 276499；3 濰坊市臨朐生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 濰坊 262609；4 山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

隨著城市化進(jìn)程及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國城鎮(zhèn)地下水水質(zhì)惡化，有機(jī)污染問題日益加劇。地下水作為人類賴以生存的重要自然資源，其水質(zhì)質(zhì)量的不斷惡化引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。人們的生產(chǎn)活動(dòng)，是地下水有機(jī)污染物的主要來源之一，包括農(nóng)業(yè)藥劑的使用，工業(yè)廢水的不當(dāng)排放，化學(xué)燃料的泄漏及其它自然因素。此外，地下水中常見的有機(jī)污染物可以分為石油烴類、氯代烴類、多環(huán)芳烴(PAH)、農(nóng)藥等，其中氯代烴類污染物是最為典型的污染物之一[2-3]。

目前，對于地下水中有機(jī)污染物的去除，傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)包括：抽出處理技術(shù)[4-5]、曝氣修復(fù)技術(shù)[6-9]以及熱處理[10-12]等方法。這些技術(shù)不僅修復(fù)費(fèi)用高，處理效果低，而且對環(huán)境的干擾性極大[13]。相較之下，地下水生物修復(fù)技術(shù)具有修復(fù)周期短，二次污染易于控制、經(jīng)濟(jì)效益以及去除率高等優(yōu)點(diǎn)，無需異位處理，可顯著降低修復(fù)治理過程中對環(huán)境的干擾[14]。針對地下水中有機(jī)物去除，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了部分研究。Devlin等[15]研究了微生物去除地下水中四氯乙烯，發(fā)現(xiàn)環(huán)境因子的改變有助于有機(jī)物的降解。Robinson等[16]研究發(fā)現(xiàn)通過改變環(huán)境因子可以明顯提高生物降解的水平。然而，利用微生物對地下水中多種氯代烴的去除以及對環(huán)境因子的影響的研究尚有不足。

因此，本文將研究不同的菌劑及其添加量對地下水中的氯代烴的去除效果，以期為地下水中氯代烴污染的去除提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 不同菌劑的篩選及富集

本文以某污染地下水區(qū)域的泥沙和某植物為菌劑篩選對象。將經(jīng)過預(yù)處理的某植物和泥沙后，分別放入事先滅菌的含有100 mL富集培養(yǎng)基的250 mL厭氧瓶和L-半胱氨酸溶液，紫外滅菌30 min。之后，用移液槍依次加入終濃度為0.5 g/L L-半胱氨酸、50 μL過濾除菌的二氯甲烷、2 mL洋蔥提取液，放置于28 ℃，140 rpm的恒溫振蕩培養(yǎng)箱馴化培養(yǎng)7 d，在第4天時(shí)觀察生長狀況，補(bǔ)加50 μL二氯甲烷，增加其耐受性。重復(fù)上述步驟，二氯甲烷量增加至100 μL，加入10%第一階段培養(yǎng)結(jié)束后的菌液。馴化培養(yǎng)3次，每次菌液接種量均為10%。篩選、富集數(shù)次后，獲得菌劑A和菌劑B。

1.2 污染地下水樣品的采集

被污染的地下水從地下20 m左右收集，并儲(chǔ)存在厭氧瓶中，放置在干燥、涼爽的環(huán)境中，以備日后檢測。本研究設(shè)計(jì)的水樣每隔10天測量一次變化情況，包括各種氯代烴濃度的變化及相關(guān)環(huán)境因素。為了提高檢測結(jié)果的精度，每個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)為3個(gè)平行樣。

1.3 藥劑的添加

實(shí)驗(yàn)所需樣品瓶應(yīng)預(yù)先高溫高壓滅菌，待現(xiàn)場取樣返回實(shí)驗(yàn)室后，于無菌實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將置于冰箱冷藏保存的菌劑A和菌劑B使用1 mL針管向頂空瓶內(nèi)按表1中的比例添加。

1.4 氯化烴的測定

在本研究中，GC-MS可以檢測到各種氯代烴，包括四氯乙烯、三氯乙烯、二氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烷以及四氯乙烷等。具體操作步驟如下：樣品經(jīng)稀釋處理后，采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行分析。色譜柱為DB-5MS毛細(xì)管柱。載氣為He，采用恒流方式。流速為1.5 mL·min-1，自動(dòng)進(jìn)樣量為1 L，不采用分流注射。注入器溫度為280 ℃。氣相色譜的加熱過程如下：柱的初始溫度為50 ℃ (4 min)，12 ℃·min-1升高至210 ℃(1 min)，5 ℃·min-1升高至250 ℃(3 min)，0.5 ℃·min-1升高至275℃(5 min)。15 ℃·min-1增加到300 ℃(5 min)。對于飛行時(shí)間質(zhì)譜參數(shù)，離子源設(shè)定為250，電離模式為電子轟擊電離(70 eV)，采用全掃描監(jiān)測模式，掃描離子范圍為50～550。數(shù)據(jù)采集頻率為20 Hz。

1.5 環(huán)境因子的測定

采用火焰原子吸收光譜法測定DFe和DMn。采用總有機(jī)碳分析儀，將水樣中的總有機(jī)碳氧化為二氧化碳以測定水樣中TOC的含量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 菌劑A/菌劑B對氯代烴去除的研究

本實(shí)驗(yàn)向取得的地下水樣品中分別添加不同量(0.1 mL/250 mL、0.2 mL /250 mL、0.4 mL /250 mL和0.5 mL /250 mL)的菌劑A/菌劑B，探究了菌劑A/菌劑B對三氯乙烯、四氯化碳的去除效果(見圖1、圖3)以及對四氯乙烯、二氯甲烷、三氯乙烷以及四氯乙烷的去除效果的影響(見圖2、圖4)。

從圖1中可以看出，作為地下水污染的最主要的兩種氯代烴，三氯乙烯和四氯化碳在投加不同量的菌A時(shí)具有較為明顯的去除。其中投加菌劑A為0.5 mL/250 mL時(shí)，四氯化碳的去除率最大可以達(dá)到72.18%，即初始濃度1910.89 μg/L，投加0.5 mL/25 mL時(shí)經(jīng)過代謝降解后僅為531.69 μg/L。而三氯乙烯也有相同規(guī)律，在菌劑A投加量為0.5 mL/250 mL時(shí)，從初始濃度910.1 μg/L降解為310.4 μg/L，去除率達(dá)到64.23%。

圖2 不同添加量的菌劑A對其他氯代烴的影響Fig.2 Effect of different additions of bacteriophage A on other chlorinated hydrocarbons

根據(jù)圖2可以查看，菌劑A的添加量對四氯乙烯的去除以及對二氯甲烷濃度的增加有顯著影響，而對于三氯乙烷和四氯乙烷的去除幾乎無影響。當(dāng)菌劑A的添加量為0.5 mL/250 mL時(shí)，四氯乙烯從初始濃度258.48 μg/L降解為71.3 μg/L，去除率達(dá)60.72%。而對于初始濃度的二氯甲烷而言，添加不同量的菌劑A均使其濃度增加，當(dāng)添加量為0.1 mL/250 mL時(shí)，二氯甲烷的濃度達(dá)到最大值為86.83 μg/L，相較0.2 mL/250 mL時(shí)，二氯甲烷的濃度值僅為33.06 μg/L。

綜上所述，向地下水樣品中投加菌劑A(0.5 mL/250 mL)對三氯乙烯、四氯化碳和四氯乙烯有較好的去除效果。其中，二氯甲烷濃度的增加可能是三種氯代烴(三氯乙烯、四氯化碳和四氯乙烯)代謝的中間產(chǎn)物，但其增加量不高。

圖3 不同添加量的菌劑B對三氯乙烯、四氯化碳的去除量Fig.3 Removal of trichloroethylene and carbon tetrachloride by different additions of bacterial agent B

由圖3可以看出，菌劑B的添加量對三氯乙烯和四氯化碳的去除量有著不同程度的影響。添加量低的菌劑B對三氯乙烯和四氯化碳去除效果更為顯著，其中投加菌劑B為0.2 mL/250 mL時(shí)，三氯乙烯由初試濃度910 μg/L降解為134.04 μg/L，去除率為85.27%。而四氯化碳在菌劑B投加量為0.2 mL/250 mL時(shí)，去除率最高為91.35%，即初始濃度1 910.89 μg/L，投加0.2 mL/25 mL時(shí)經(jīng)過代謝降解后僅為165.36 μg/L。

根據(jù)圖4可以查看，菌劑B的投加有助于產(chǎn)生二氯甲烷，且隨著投加量的增加，二氯甲烷的濃度也呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)菌劑B的添加量為0.5 mL/250 mL時(shí)，二氯甲烷的濃度增至 3 805.75 μg/L。此外，在菌劑B的添加量為0.5 mL時(shí)，四氯乙烯、三氯乙烷和四氯乙烷的含量與原始水樣相差不大。

圖4 不同添加量的菌劑B對其他氯代烴的影響Fig.4 Effect of different additions of bacteriophage B on other chlorinated hydrocarbons

綜上所述，向地下水樣品中投加菌劑B(0.2 mL/250 mL)對三氯乙烯、四氯化碳有較好的去除效果。其中，二氯甲烷濃度的增加可能是兩種氯代烴(三氯乙烯、四氯化碳)代謝的中間產(chǎn)物，且濃度隨著投加量的增多而增大。

結(jié)合圖1～圖4中菌劑A與菌劑B的對氯代烴的效果可以看出，投加菌劑B對三氯乙烯、四氯化碳的最優(yōu)去除率為85.27%、91.35%，而菌劑A的最有去除率為64.23%、72.18%，因此，菌劑B對三氯乙烯、四氯化碳的去除效果優(yōu)于菌劑A。此外，從其他氯代烴含量的變化來看，投加菌劑后對其余氯代烴也有一定的去除效果，但是二氯甲烷的含量卻均有一定量的增加，特別是菌劑B投加后二氯甲烷增加明顯，其含量的增加可能是三氯乙烯和四氯化碳代謝過程的中間產(chǎn)物。

2.2 投加菌劑A/菌劑B對環(huán)境因子的影響

本實(shí)驗(yàn)測定了向地下水樣品中添加不同劑量菌劑A/菌劑B后，環(huán)境中溶解態(tài)鐵、溶解態(tài)錳以及TOC的含量變化，如表2所示。

由表2中數(shù)據(jù)可知，菌劑A與菌劑B的投加量對環(huán)境因子中TOC的含量影響最為顯著，而對于環(huán)境因子中的溶解態(tài)鐵和溶解態(tài)錳的含量影響不大。值得注意的是，在添加菌劑A/菌劑B后，各樣品中TOC的含量均大幅增多。其中，菌劑A當(dāng)投加量為0.4 mL/250 mL時(shí)，樣品中TOC的含量達(dá)到最大值8.54 μg/L，而投加菌劑B為0.1 mL/250 mL時(shí)，樣品TOC含量最大值為8.15 μg/L。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)研究了不同添加量((0.1 mL/250 mL、0.2 mL/250 mL、0.4 mL/250 mL和0.5 mL/250 mL)菌液A/菌液B對六種氯代烴(四氯乙烯、三氯乙烯、二氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烷和四氯乙烷)的去除效果以及對環(huán)境因子(溶解態(tài)鐵、溶解態(tài)錳和TOC)的影響。通過分析研究結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

(1)向地下水樣品中投加菌劑A與菌劑B對三氯乙烯、四氯化碳均有較好的去除效果，菌劑A(0.5 mL /250 mL)的最優(yōu)去除率為64.23%、72.18%，而菌劑B(0.2 mL/250 mL)的最優(yōu)去除率為85.27%、91.35%，因此菌劑B的去除效果優(yōu)于菌劑A。

(2)從其他氯代烴含量的變化來看，投加菌劑后對其余氯代烴也有一定的去除效果，但是二氯甲烷的含量卻均有一定量的增加，特別是菌劑B投加后二氯甲烷增加明顯，其含量的增加可能為三氯乙烯和四氯化碳代謝過程中的中間產(chǎn)物。

(3)當(dāng)投加不同劑量的菌液A/菌液B時(shí)，對環(huán)境因子中TOC含量的影響最為顯著。