（环境工程专业论文）高氯酸盐降解菌的鉴定及特性研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位敝作者虢断圩 指剥币硌 刀l o 争石月l 。日 m o 年西月舶 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： y 如年o 月 圬 身胡 i - c j 同 p e r c h l o r a t e d e g r a d i n gb a c t e r i a 姓 2 0 1 0 年6 月 江苏大学硕士毕业论文 摘要 近年来，高氯酸盐在大量水、土壤和食物中均被检测到，已经引 起全世界范围内人们的高度重视。由于高氯酸盐摄入人体后会导致甲 状腺激素的分泌不足，进而抑制人体正常的新陈代谢和生长发育，因 此，寻找消除此类污染物的有效方法成为全世界关注的重大环境问题 之一。微生物降解作用是环境中高氯酸盐污染去除的最主要途径，利 用厌氧微生物在缺氧条件下将高氯酸盐最终降解为无毒无害的氯化 物，而且微生物降解是最为经济简便、无二次污染的有效方法，倍受 关注。本论文通过分离纯化得到两种菌株，并借助分子生物学方法和 生物信息学技术鉴定其菌属，并通过试验确定其最佳生长条件。 主要研究内容及结果如下： ( 1 ) 以从江滨泵站污水中分离所得的菌株j d l 5 和从大港污水处 理厂污水中分离得到的菌株j d 2 2 为研究对象，纯化后在p c a 培养基 中富集培养，提取培养基中总细菌的d n a ，利用p c r 扩增技术克隆 水体细菌的1 6 sr d n a 基因片段，测序结果在n c b i 数据库进行序列 检索，通过e b i 比对序列和构建系统发育树，并与数据库中已收录的 细菌1 6 s r d n a 序列进行相似性比较分析。分析结果显示：j d l 5 和 d e c h l o r o m o n a s s ps i u l 序列相似度高达1 0 0 ，j d 2 2 和 d e c h l o r o s p i r i l l u m 序列相似度达9 7 ，两者分别具有同源性。 ( 2 ) 以j d l 5 和j d 2 2 为研究对象，利用分子生物学技术和生物 学信息学技术对两种菌株进行了进一步的分析，分析结果显示：j d l 5 l 江苏大学硕士毕业论文 与d e c h l o r o m o n a sa g i t a t e 菌的c 1 0 4 还原酶a 亚基基因片段相似率达 9 9 ，j d 2 2 和d e c h l o r o s p i r i l l u ms p 菌的c 1 0 4 还原酶a 亚基基因部分 片段相似率达9 9 。 ( 3 ) 改变影响d e c h l o r o m o n a sa g i t a t e 和d e c h l o r o s p i r i l l u m 的生 长条件，通过o d 值测定和离子色谱仪分析，分别绘制生长曲线和降 解曲线。结果显示：d e c h l o r o m o n a sa g i t a t e 和d e c h l o r o s p i r i l l u m 在2 4 。c 和p h = 7 时生长较快且生长状态较好。在此条件下培养1 4 d ，高氯酸 盐的降解率可达8 6 6 5 。随着菌株生长进入衰退期，降解能力减 弱。利用同种培养基，分别在不同温度下进行培养，结果发现菌株 d e c h l o r o m o n a sa g i t a t e 和d e c h l o r o s p i r i l l u m 降解底物的最适温度为 2 4 3 0 。c ，温度高于3 7 。c 或低于1 5 。c 时降解率明显降低。不同p h 值对菌株降解底物的速率也有影响，实验表明在p h = 7 时，降解速率 最高，而在酸性或碱性条件下，降解速率均显著下降。 关键词：高氯酸盐污染，高氯酸盐降解菌，分子生物学，生长曲线， 降解曲线 l l a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ed i s c o v e r yo fp e r c h l o r a t e ，c 1 0 4 ，i nal a r g en u m b e ro f w a t e r , g r o u n da n df o o d s ，h a sb e e ng a i n i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o na l l o v e r t h ew o r l dd u et oi t si n t e r f e r e n c ew i t ht h ef u n c t i o no ft h et h y r o i dg l a n da s w e l la si t sp o t e n t i a lh e a l t hi m p a c ta tl o w - d o s ee x p o s u r e t h e r e f o r e ，t o s e a r c hf o rt h ee f f e c t i v em e t h o df o rr e m o v i n gt h e s ep o l l u t a n t s ，b e c a m et h e m a i ne n v i r o n m e n t a lp r o b l e mw o r l dw i d e l y r e s e a r c h s h o w e dt h a t m i c r o b i o l o g i c a ld e g r a d a t i o np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n t h et r a n s p o r ta n d t r a n s f o r m a t i o n o ft h e s e p o l l u t a n t s ，f i n a l l yd i s a p p e a r i n g f r o mt h e e n v i r o n m e n t i ta l s ow a st h ep r i m a r yh a n d i e s ta n de c o n o m yw a yo f r e m o v i n gc o n t a m i n a n t s u n d e r t h ea n a e r o b i cs u r r o u n d i n g s ，b a c t e r i a r e d u c e dt h ep e r c h l o r a t et oi n n o c u o u sc h l o r i d ei r o nw i t ht h ed e g r a d a t i o n v i a t h es e q u e n c e ：c 1 0 4 - - c 1 0 3 - - c 1 0 2 - - c i + 0 2 t r a n s f o r m a t i o no f p e r c h l o r a t et oc h l o r a t e ，c 1 0 3 ，w a st h er a t e l i m i t i n gs t e p w i t hc o m p l e t e c o n v e r s i o nt oc h l o r i d e p e r c h l o r a t er e d u c i n gm i c r o o r g a n i s m s ( p r m s ) w e r eu b i q u i t o u si nt h en a t u r a le n v i r o n m e n t ，a n da p p l i e dt op e r c h l o r a t e r e m e d a t i o n t h r o u g h e n r i c h m e n t a f t e ras e r i e s o f s e p a r a t i o n a n d p u r i f i c a t i o np r o c e d u r e s ，t w o s t r a i n sw e r ei d e n t i f i e db ym o l e c u l a r b i o l o g i c a l m e t h o d sa n db i o t e c h n o l o g yi n f o r m a t i c s ，t w oi m p o r t a n t e l e m e n t so ft h eg r o w t hc o n d i t i o n s ，t e m p e r a t u r ea n dp h ，w e r ed e t e r m i n e d 1 1 1 江苏大学硕士毕业论文 a f t e rat r a i no ft e s t s t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h er e s e a r c ha sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , t o t a ld n a w a se x t r a c t e df r o mt h ee f f l u e n to fj d l 5a n d j d 2 2 ， w h i c hw e r ef r o mj i a n g b i na n dd a g a n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t ， r e s p e c t i v e l y , a n d 1 6 sr d n af r a g m e n t sw e r e a m p l i f i e d ，c l o n e da n d s e q u e n c e d ，t h es e q u e n c i n gr e s u l t sw e r eb l a s t e di nt h eg e n e b a n ko fn c b i ， t h e c o r r e s p o n d i n g b a c t e r i a l s p e c i e s w e r e c o m p a r e d w i t ht h e m i c r o - o r g a n i s m si ne b ia n dc o n s t r u c t i n gt h ep h y l o g e n e t i ct r e e t h e a n a l y s i s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e16 sr d n ao fj d 1 5s h o w e d1 0 0 h o m o l o g y t ot h ed e c h l o r o m o n a ss p s i u l ，a n dj d 2 2s h o w e d9 7 h o m o l o g y t ot h ed e c h l o r o s p i r i l l u m s e c o n d l y , t h er e s e a r c ha n a l y z e dj d l 5a n dj d 2 2f u r t h e rb ym o l e c u l a r b i o l o g i c a l m e t h o d sa n d b i o t e c h n o l o g yi n f o r m a t i c s ，t h er e s u l t ss h o w e d t h a tj d15w a sf o u n du pt o9 9 s i m i l a r i t yt od e c h l o r o m o n a sa g i t a t ei na s u b u n i to fp e r c h l o r i cr e d u c t a s e ，a n dj d 2 2w a sf o u n du pt o9 9 s i m i l a r i t y t od e c h l o r o s p i r i l l u ms pi nas u b u n i to fp e r c h l o r i cr e d u c t a s e t h i r d l y ，c h a n g i n gt h e i rg r o w t hf a c t o r s ，b a c t e r i a lg r o w t hc u r v e sw e r e d r e w b ym e a s u r i n gt h eo dv a l u e o fd e c h l o r o m o n a sa g i t a t ea n d d e c h l o r o s p i r i l l u me v e r yo t h e rd a y ，w h i l eb a c t e r i a ld e g r a d a t i o nc u r v e s w e r ed r e wb yu s i n gt h e i o n c h r o m a t o g r a p h y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t d e c h l o r o m o n a sa g i t a t ea n dd e c h l o r o s p i r i l l u mg r o wf a s t e ra n db e t t e r u n d e rt h ec o n d i t i o n so f2 4 。ca n dp h 7 b i o m a s sr e a c h e dt h em a x i m u m i v w i t h i n7 。1 0d a y s ，t h e nt u r n e dd o w na n db e g a nt od e c l i n e b a c t e r i a c o n s u m e dal a r g en u m b e ro fn u t r i e n t s ，t h em e t a b o l i t e sa c c u m u l a t e d r a p i d l y e v e n t u a l l y ，t h e y d i e da n da u t o l y z e d t h er e m o v a lr a t eo f p e r c h l o r a t e r e a c h e d8 6 6 5 i n1 4d a y s ，w h i c hw a sg r a d u a l l y w e a k e n e dw i t ht h ed e c l i n eo ft h es t r a i n s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t d i s c o v e r e dt h em o s ts u i t a b l et e m p e r a t u r ei s2 4 - 3 0 。c ，c l e a r l y ，w h e nt h e t e m p e r a t u r ew a sa b o v e3 7 。c o rb e l o w1 5 。c ，t h ee f f i c i e n c i e sd e c r e a s e d d e g r a d a t i o nr a t e c a nb ei n f l u e n c e db yo t h e rf a c t o r ss u c ha sp h ，i tw i l l a c h i e v em a x i m u mu n d e rt h ec o n d i t i o no fp h = 7 k e y w o r d s ：p e r c h l o r a t e p o l l u t i o n ，p e r c h l o r a t e d e g r a d i n g b a c t e r i a ， m o l e c u l a rb i o l o g y ，g r o w t hc u r v e ，d e g r a d a t i o nc u r v e v 江苏大学硕士毕业论文 摘要 目录 第一章 1 1 1 1 1 1 2 1 3 1 4 1 高氯酸盐降解菌的研究进展8 1 4 2 高氯酸盐降解菌的分析方法8 1 4 本论文研究的目标、内容及意义1 0 1 4 1 研究目标及意义1 0 1 4 2 研究内容1 0 第二章高氯酸盐降解菌的纯化鉴定。1 2 2 1 实验材料1 2 2 1 1 实验菌株的纯化1 2 2 1 2 主要的实验仪器和设备1 2 2 1 3 培养基及试剂的配置1 2 2 2 实验方法1 2 2 2 1 菌落及菌属形态特征观察1 2 2 2 2 以1 6 sr r n a 基因为指标的菌种分类与鉴定1 3 2 2 3 生理生化鉴定18 2 2 4 对高氯酸盐降解菌降解功能基因的研究1 8 2 3 实验结果1 9 2 3 1 菌落特征与菌体形态1 9 2 3 2 基于1 6 s r d n a 的分类与鉴定2 1 2 3 3 基于生理，卜化的鉴定2 6 2 3 4 高氯酸盐降解菌降解功能基因研究2 6 第三章高氯酸盐降解菌降解研究3 3 3 1 实验试剂及仪器3 3 3 1 1 主要实验仪器3 3 3 1 2 主要实验试剂3 3 3 2 实验方法及装旨3 3 3 2 1 高氯酸豁降解菌生长影响因子实验3 3 v l l 江苏大学硕士毕业论文 3 2 2 高氯酸盐降解菌降解曲线的测定3 3 3 2 3 高氯酸盐降解菌的c 1 0 4 耐受性试验3 4 3 2 4 分析方法3 4 3 3 实验结果与分析3 4 3 3 1 高氯酸盐降解菌生长影响因子实验3 4 3 3 2 高氯酸盐降解菌降解曲线的测定3 7 3 3 3 高氯酸盐降解菌的c 1 0 4 耐受性3 9 3 4 本章小结3 9 第四章主要结果与展望4 l 4 1 结论4 1 4 2 创新4 1 4 3 展望4 2 参考文献 致谢 在学期间发表的论文 附录 v i l l 4 9 橡胶制品、染料涂料、冶炼铝和镁电池等产品的生产中1 2 卅。 随着生产和使用中高氯酸盐排放和废弃，越来越多的高氯酸根进入到环境。 由于以前测定环境介质中高氯酸盐的方法灵敏度低，不能有效地测定环境样品中 的微量高氯酸盐，以致高氯酸盐的环境污染问题一直未引起人们的注意或足够的 重视。直到针对高氯酸盐的高效色谱分析柱和检测方法的研发，以及科学家们对 高氯酸盐毒理研究的新发现，人们越来越认识到高氯酸根流入环境的严重后果和 对人体健康存在严重威胁，1 9 9 7 年美国环保署( e p a ) 在加州的饮用水中检测到有 较高浓度的高氯酸盐存在，此后，内华达州和犹他州等1 4 个州的饮用水检测中， 也相继发现有高氯酸盐含量偏高的现象。其中，内华达州以地表水为水源的饮用 水中高氯酸盐最高浓度为1 6 5 t l i l 0 1 。u r b a n s k y l l l l 发现在地表水中也存在高氯酸 盐，取自某湖泊和河流的水样中测出高氯酸盐的含量为1 5 1 6 8 m g l 。e p a 已经 将高氯酸盐列为环境污染物名单1 1 2 1 并给出了饮用水的限制1 眺d 13 1 ，同本消防法 中将高氯酸盐列为第一类危险物，并被列为东京的公害物质1 1 训。 高氯酸盐极易溶于水且扩散速度快，随着地下水和地表水的流动或渗滤容易 在环境中迁移，以致地下水、地表水、甚至饮用水中逐渐发现了高氯酸，美国还 在鸡肉、蛋、牛奶、母乳、莴苣、小麦、番茄、黄瓜、甜瓜等中也检出了高氯酸 盐1 5 6 】，世界范围内的情况也大体与此相同。我国也相继在污泥、水稻、瓶装水、 牛奶中检出了高氯酸，含量分别为0 5 6 - 3 7 9 9 u g l 【g 、0 1 叫8 8 g k g 、 江苏大学硕士毕业论文 0 0 3 7 - 2 0 1 犁g l 和0 3 肚9 1 # g l t 。 1 1 2 高氯酸盐污染的危害 高氯酸盐动力学稳定性，在一般环境条件下可长期稳定存在，降解过程往往 要用几十年甚至更长时间，常见的强还原剂只有很少几种能将高氯酸根还原，除 了厌氧条件的特殊微生物外，一般的微生物、植物、动物等也很难将其还原降解 1 3 , 1 5 - 1 7 1 ，进入环境介质后会随着地下水和地表水的流动或渗滤快速扩散，经水被 植物、水生动物等吸留、积累，通过食物链进入人体1 1 8 】。 目前，高氯酸盐对人体健康影响的研究主要集中在对甲状腺功能的影响 1 1 9 刎。高氯酸盐进入人体后，干扰甲状腺素的合成和分泌，从而影响人体正常的 新陈代谢，阻碍人体正常的生长和发育| 2 l 】。高氯酸根的电荷和离子半径与碘离子 非常接近，可与碘离子竞争进入哺乳动物和人体的甲状腺，从而对甲状腺吸收碘 产生抑制作用，造成对发育系统特别是对大脑发育的影响。较低浓度的高氯酸盐 便可以干扰人体甲状腺的正常功能；较高浓度的高氯酸盐则阻碍碘的吸收，削弱 甲状腺体活性机能，造成甲状腺功能失调，引起四碘甲状腺原氨酸t 4 和三碘甲状 腺原氨酸t 3 合成量的减少( t 3 和t 4 都有促进各种代谢作用的生物活性) ，最终影 响人体的发育，尤其是影响婴幼儿的新陈代谢、中枢神经系统、大脑组织的发育， 引起智力缺陷；严重时对骨髓、肌肉组织产生病变影响，诱发甲状腺癌【1 3 2 2 2 3 1 。 高氯酸盐也可以粉尘的形式从呼吸系统进入动物和人体内。高氯酸盐粉尘可 刺激人的皮肤、眼睛和黏液膜等，也可引起咳嗽和呼吸障碍。研究表明，长期暴 露在高氯酸盐粉尘中工作的人存在一定程度血红细胞破坏和肝、肾脏损伤f 2 4 2 5 l 。 1 1 3 高氯酸根的环境行为 由于高氯酸盐及其降解产物在水中的溶解性高，多数土壤矿物质对其吸附作 用小，导致了其在环境中的快速迁移1 2 6 加。高氯酸盐污染物会随水流在不同环境 介质如河流、湖泊、地下水、土壤和底泥等中快速迁移扩散，若饮用水的源水受 到高氯酸盐污染，则必然会对人类的饮用水造成危害，从而直接影响人们的健康； 如果以这些水体作为农业灌溉用水和养殖业用水，则会对作为人类食品的各种植 物和动物产品造成污染，也会通过食物链对人体的健康造成影响；同时进入到环 境中的高氯酸黼还会直接或间接地危及各种动植物、微生物的生长发育，对坏境 2 江苏大学硕士毕业论文 造成污染，并破坏生态平衡。 到目前为止，美国已经对其境内的高氯酸盐的污染状况、污染源、迁 等进行了初步的调查研究1 3 , 2 6 , 2 8 瑚l 。其科学权威杂志p n a s 发表了高氯酸 牛体内代谢的实验研究结果，评价了高氯酸盐及其降解产物对动物健康和 留水平的影响f 矧。s m i t h 等f 3 1 j 研究了采自美国n e v a d a 州的l a s v e g a s w a s h 水样、植物样品和啮齿动物样品中高氯酸盐污染情况。研究结果表明，在 动物和植物样品中高氯酸根的浓度与其所处地的土壤样品中高氯酸盐的 问具有一定的相关性。他们还对位于美国t e x a s 州k a m a c k 地区的l o n # o m 军 火制造厂附近的各生态受体中高氯酸盐的污染状况进行了初步估计，从研究数据 得到的结论可初步看出，栖息在受高氯酸盐污染的水体中的水生动、植物体中均 含有浓度较高的高氯酸盐，这就有可能通过食物链对处于食物链高端的人类的健 康造成严重危害。t a n 等| 3 5 】用原位透析取样法研究了高氯酸盐在河床底泥中的时 空变异性。研究结果证明高氯酸盐在河床底泥中的时空变化受诸如温度、微生物 降解、地表水中高氯酸盐的浓度和沉积物的性质等众多因素的影响。一般情况下 高氯酸根可以渗透到底泥水界面以下3 0 c m ，高氯酸根在底泥中的降解消耗主要 是由于微生物的还原引起的，植物吸收部分占0 1 4 3 。t h e o d o r a k i s 等i 刈对t e x a s 东、中部河流和湖泊的水样和鱼进行了检测，结果仅有部分品种的鱼的某些个体 检测到了高氯酸根，但这些鱼的鱼头、鱼肉等组织中的高氯酸根的含量远高于其 周围环境水体中高氯酸根的含量。y h 等【3 7 ，3 8 l 采用沙培的方式研究了不同陆地植 物黄瓜、莴苣和大豆三种植物吸收高氯酸盐的差异，结果表明莴苣体内高氯酸盐 的含量远高于黄瓜和人豆。除美国以外，其他国家近年也逐步开始了环境和食品 中c 1 0 4 的检测。 1 2 高氯酸根的分析检测 高氯酸盐污染问题实际早就存在，只是以前的分析方法灵敏度差，很难测定 出环境样品中浓度低至l 浓度级及其以下浓度级的微量高氯酸盐，因此高氯酸 盐环境污染问题一直没有受到人们的高度重视l 川。 1 9 9 7 年以前，对高氯酸盐的分析方法包括重量分析法、液体萃取法和分光光 度法。这些方法都需要利用高氯酸盐的一个特性，即其与有机染料结合可生成亮 3 江苏大学硕士毕业论文 绿色的化合物。这些方法的检测限制为4 0 0 夥g l ，因此对于质量浓度低于1 嘶g l 的地下水则无法检测。随着高效色谱分离技术特别是离子色谱技术和高灵敏度检 测技术如抑制电导检测和质谱检测技术的飞速发展，浓度在p p b m l 到p p b l 的高 氯酸可以得到准确无误的检测。这样人们在许多环境介质中及其与人们日常生活 密切相关产品中均发现了高氯酸盐的存在，这样高氯酸盐污染问题才得到了足够 的重视，从而形成了近几年环境科学的一个研究热点。 在目前己知的高氯酸盐的检测方法中，离子色谱法是选择性最好、灵敏度最 高的。其中，美国环保署推荐的离子色谱检测方法，检出限低至4 g l 。除此之 外，痕量高氯酸盐的检测也开启了一场离子色谱技术的新发展1 3 9 1 。在相应的检测 技术上，很多学者开展了相关的研究。如w a g n e r l 4 0 1 、w e n d e l k e n 、l a m b l 4 2 l 等 人对饮用水中高氯酸盐的检测技术进行了研究和介绍。 1 3 高氯酸盐污染修复技术 由于高氯酸盐的非挥发性和高溶解性，在水中含量为p p b 以g l ) 级水平且有很 强的稳定性，采用常规处理方法很难有效地去除高氯酸根【2 9 , 4 3 l ，特别是低浓度高 氯酸盐的去除更加困难。目前高氯酸盐的去除和污染修复采用的技术主要有阴离 子交换及吸附剂吸附、化学还原、电化学还原、生物还原、膜分离技术等。 1 3 1 活性炭吸附和膜分离处理技术 活性炭吸附和膜分离早在1 9 9 7 年，活性炭吸附技术首先用于去除高氯酸盐的 研究，结果表明活性炭对高氯酸盐的吸附容量很小，运行过程中高氯酸盐很快就 会穿透1 1 4 l 。纳滤、反渗透、电渗析等膜分离技术的原理是通过膜的选择透过性将 溶质和水进行分离，可以去除离子型化合物高氯酸盐，且不会产生副产物。如 l i a n g 等l 删研究表明纳滤和反渗透可以去除水中8 0 的高氯酸盐。 为了提高膜的拦截能力，也可以对膜表面进行改性。y o o n 等【4 5 】采用阳离子 表面活性剂修饰的超滤膜，对高氯酸盐有很好的去除效果，其原因是采用阳离子 表面活性剂修饰能降低膜孔径，从而增强了膜的体积排阻能力。但采用膜分离技 术设备费用高，膜的质量将直接影响去除效果，同时需要对膜进行及时清洗和更 换，处理后浓缩的高氯酸盐废水处置问题也难以解决，可能比较适合于小型处理 规模和家庭使用。 4 江苏人学硕士毕业论文 1 3 2 离子交换法 阴离子交换法原理非常简单，通常的做法是让含高氯酸根的溶液通过氯型的 阴离子交换树脂，则高氯酸根会与氯离子在树脂表面及内孔中的交换位点发生离 子交换而被吸附。该方法目前存有四点问题：一是大多数离子交换树脂选择性不 强，因此用该方法处理基体复杂的含低浓度高氯酸根的水样时效率不是很高， 弼p p 等【舶1 对比了聚苯乙烯、聚乙烯基吡啶和聚丙烯酸酯为基质的几种阴离子交 换树脂去除高氯酸盐的能力，发现树脂吸附的有效性主要取决于树脂基质的疏水 性，上述研究中以聚苯乙烯为基质的树脂吸附能力最强。二是由于高氯酸根与交 换树脂的作用太强，因此吸附于树脂上的高氯酸根很难用其他离子置换下来，树 脂的再生又很困难，需要浓度很高的卤水，般地需要浓度为3 1 2 的n a c i 作为再生剂f 4 刀，而当水中含有大量的硫酸盐和硝酸盐时，这种去除能力又将大大 降低。因为这些阴离子将与高氯酸盐离子竞争，造成后者对交换树脂的亲和力减 弱。三是处置再生置换下来的高氯酸根仍然是一个问题，否则会污染环境；四是 成本较高，很难获得同常的大规模应用。 1 3 3 化学还原与电化学还原法 化学电化学高级还原去除水中的c 1 0 4 的原是利用特殊的化学电化学反应 来还原c 1 0 4 。高氯酸根中氯氧化数为+ 7 ( c 1 0 4 c i ，e o = i 2 8 7 v ) ，具强氧化潜力， 但反应的活化能非常高，在大多环境条件下非常稳定，只有在浓的强酸条件下高 浓度高氯酸根才具有强的氧化性，低浓度高氯酸根具有很高的化学和电化学稳定 性，不能被一般的还原剂还原，而环境中的高氯酸浓度相对是比较低的。 e a r l e y 等i 删研究认为对空气敏感的金属如三价钛【t i ( h 2 0 ) 6 3 + 】和- f i t 铼 【r u ( h 2 0 ) 6 2 + 】能对高氯酸根还原、及c h 3 r e 0 3 催化h 3 p 0 2 对高氯酸根还原效果较 好，作用产物对生物和环境无毒。但反应速度很低、反应条件苛刻且成本太高。 此外，该方法目前还存在电极腐蚀、电极钝化和电极表面污染等问题，这给实际 使用带来了困难。 1 3 4 生物修复 生物修复包括植物修复法和微生物还原降解修复法。 ( 1 ) 植物修复 5 江苏大学硕士毕业论文 植物修复法主要是指植物及其根际微生物吸收、累积、全部或部分的还原降 解高氯酸根离子。n z e n g g l l n g 等1 4 9 】研究发现，一些木本植物可使受高氯酸根污染 的水体去毒净化，其过程包括叶枝和根际对高氯酸根的吸收和降解，甚至一些可 食用的以及水生植物均可用来处理受高氯酸根污染的水体，使它们降解去毒。一 般最初的几天高氯酸根被植物缓慢吸收并有部分降解，而后根际快速降解。 高氯酸根在根际的降解主要由根际微生物来完成，而植物的根分泌物则为根 际微生物提供了营养。已开展的相关研究有，t a n 等1 5 0 1 研究了栽有藤草的人工湿 地系统处理含高氯酸盐污水的效果，他们的研究结果显示植物吸收与在根周围的 高氯酸根离子浓度密切相关，并表明在湿地系统中微生物降解高氯酸根离子比植 物吸收具有更重要的作用，同时认为用人工湿地处理含高氯酸根离子的污水是一 种有前景的技术。另外，n z e n g u n g 等1 5 1 】应用两种水培的生物反应器，研究了不 同根际环境条件下植物对高氯酸根的修复。此研究结果表明，改善植物的根际环 境可以优化根际降解作用，在植物修复过程中减少不良过程比如植物降解减缓等 的发生。 除了应用植物根际微生物降解高氯酸根离子外，也有关注植物对高氯酸根离 子高积累的研究，p l l s u n d b e r g 等1 5 2 j 研究测定了高氯酸根离子在烟草中的吸收、转 移和积累，他们的研究表明烟草是一种耐高氯酸根离子的植物，能在组织中积累 高的高氯酸根离子，并认为烟草可做为修复高氯酸根的植物材料。植物修复法适 用于土壤、水体等的大范围污染修复，其优点是成本低廉，但该方法的缺点是速 度较慢。另外，关于高氯酸根植物修复机理的认识目前还不是特别清楚。 ( 2 ) 微生物修复 微生物修复还原的机理，一般是指在厌氧条件和酶的催化下，高氯酸根离子 作为电子受体接受环境中某些无机或有机电子供体的电子而被还原为氯离子。在 厌氧条件下，混合的细菌群( 主要是厌氧菌群) - - r 以将高氯酸盐降解为氯化物， g u l l i c k 等1 1 0 l 在中试系统中利用厌氧菌群将水中的高氯酸盐浓度h q 3 0 0 0 m g l 降到 5 0 0 肛g l ，去除率为9 9 9 8 。 国外已从高氯酸污染位点或污水处理厂活性污泥中分离出了一些高氯酸还 原降解纯菌。现已分离得到的高氯酸盐降解菌大多为变形菌门( p r o t e o b a c t e r i a ) ， a 、b 、丫、e 变形菌纲，v i b r i od e c h l o r a t i c a n s ，w o l i n e l l as u c c i n o g e n e s ，d e c h l o r o s o m a ， 6 江苏大学硕士毕业论文 d e c h l o r o m o n a s c i t r o b a c f i 盯、l d e o n e l l ad e c h l o r a t a n s 、眈幽如m 印f ，f z 胁m 等属【1 5 ，s 3 巧5 1 ， 革兰氏阴性( g ) ，杆菌，单极生鞭毛，厌氧或兼性厌氧菌，厌氧或微好氧条件， 纯培养或混合培养可以将高氯酸根还原降解为氯化物。对于高氯酸盐降解菌的研 究表明，其在环境中普遍存在且种类繁多，在厌氧条件下降解高氯酸盐时其生长 速率比平时环境中快一倍1 5 引。高氯酸盐的生物还原降解通过以下途径进行： c l c h 。 h 心i i i 计屯1 1 i 噬：t 倒埝 u n i c - 均嘲 明棚 a c e 饱f e t ，h 力眠i 眦瞒 c 咖 2 。h l o ，i i k 珊o s s 图1 1c 1 0 4 生物降解途径 f i g 1t h eb i o d e g r a d a b l ew a yo fp e r c h l o r a t e c 1 0 4 _ c 1 0 3 _ c 1 0 2 - c l + 0 2 其中从c 1 0 4 到c 1 0 3 这一步是最慢的一步即限速步骤。大多数降解高氯酸 盐的微生物可以在不同的环境下工作，利用氧气、硝酸根、氯酸根等作为最终电 子受体( s 0 4 2 。除外) 。在厌氧条件下，混合的细菌群( 主要是厌氧菌群) 可以将高 氯酸盐降解为氯化物。m i l l e r 等1 7 1 1 认为在缺氧条件下高氯酸盐通过细菌的离析作 用而转化为氯酸盐和亚氯酸盐，再到氯化物，在降解高氯酸盐的过程中并未发现 两种中间产物的积累。原因在于亚氯酸献对细菌有毒害作用，微生物利用氯酸盐 和高氯酸盐生长的关键在于亚氯酸吉 ；：歧化酶，它可以催化亚氯酸盐歧化分解至 0 2 和c l 一。亚氯酸盐利用歧化酶歧化的速率大大大于氯酸盐通过还原酶降解的速 率，其中最慢的一步是高氯酸盐的降解。因此，没有中间产物在水溶液中积累。 高氯酸盐的降解会受到水中溶解氧的抑制，但在降解过程中产生的氧气则会很快 被微生物利用。微生物降解高氯酸盐到氯离子的化学计量比为1 ：1 。 微生物修复法被普遍认为是处理效果好、费用低、发展前景较好的一种方法。 但这种方法也存在对环境条件要求高、不易操作的限制，主要适用于大规模的工 7 器嘶艮 江苏大学硕士毕业论文 业废水处理和水厂处理。 在生物处理过程中，最佳处理技术可能取决于以下几个因素： ( 1 ) 高氯酸盐的浓度。 ( 2 ) 其他污染物的存在及其浓度。 ( 3 ) 其他水处理的参数：p h 、碱度、天然有机物、总溶解固体、金属等。 1 4 高氯酸盐降解菌 高氯酸盐还原降解菌( p e r c h l o r a t e r e s p i r i n gb a c t e r i a ) 是自然界中能够还原降 解高氯酸盐的细菌。高氯酸盐还原降解菌分布广泛，在天然环境中几乎到处存在， 特别是受高氯酸盐污染的江河、淤泥、土壤及废水处理厂的污泥中。多为厌氧或 微好氧生长，能以高氯酸盐、氯酸盐等为电子受体，有些能利用硝酸盐【8 j 、金属、 氧气【9 1 或硫酸盐等为电子受体，以乙酸、乙醇、氢气等为电子供体，也可以蛋白 营养物质、酵母膏、二氧化碳、碳酸氢盐、乳酸等为电子供体，高氯酸盐还原降 解菌是环境友好型细菌，降解效率好，具有良好的应用自订景。 1 4 1 高氯酸盐降解菌的研究进展 高氯酸盐降解菌进行高氯酸污染的处理或环境修复在美国有较多的研究，如 t e x a s 州的m a c g r e g o r ，土壤被附近的地表水严重污染，高氯酸盐的浓度达到了 2 3 1 8 0 0 0 0 0 m g k g ，通过在土壤中挖掘沟渠并用水流将高氯酸盐冲洗至含有机物和 沙砾的生物载体中，土壤中高氯酸根浓度由2 7 0 0 0 l 降低到4 9 l 以下1 7 0 1 。g u l l i c k 等利用厌氧菌群将受污染水体中的高氯酸盐由3 0 0 0 m g l 降至5 0 0 9 l ，去除率为 9 9 9 8 1 1 0 l 。m i l l e r 等认为1 7 ，缺氧条件下c 1 0 4 穗过微生物作用转化为氯酸盐和 亚氯酸盐，再到氯化物此过程虽然产生了氧气，但通常不会积聚在水中，而且在 高氯酸盐降解菌还原高氯酸盐的过程中，也从未发现毒性相当高的中间产物亚氯 酸盐积聚在水中。 1 4 2 高氯酸盐降解菌的分析方法 ( 1 ) 现代分子生物学技术在微生物检测鉴定中的应用 现代分子生物学技术在微生物检测鉴定中的常用方法有： 1 6 sr d n a 基因文库方法。在微生物研究中，1 6 sr d n a 己经被广泛接受 8 江苏大学硕士毕业论文 为种“分子计时计( m o l e c u l a rc h r o n o m e t e r s ) ，所有原核微生物1 6 sr d n a 的3 和5 端均含有保守序列。可以用来设计引物，而中间可变序列区可以鉴定不同种 类的细菌。 变性温度梯度凝胶电泳：变性梯度凝胶电泳技术( d e n a t u r e dg r a d i e n t g e l e l e c t r o p h o r e s i s ，d g g e ) 温度梯度凝胶电泳技术( t e m p e r a t u r eg r a d i e n t g e l e l e c t r o p h o r e s i s ，t g g e ) 1 3 9 】是基于d n a 变性剂或温度线性梯度的凝胶电泳中， 不同的d n a 分子解链后电泳速率不同，具备不同的迁移位置，从而加以区分。 该方法避开了1 6 sr d n a 基因文库费时、费力的缺点，但这种方法较多地依赖于 电泳技术，存在一定误差，而且一般考察的是约5 0 0 个碱基对以下的小基因片段。 聚合酶链反应技术。聚合酶链反应( p c r ) 是一种高灵敏度的体外扩增 d n a 片段的技术，近年来在病原微生物分型研究上也得到了广泛应用。 ( 2 ) p c r 技术原理及应用 聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，简称p c r ) 技术，最早是1 9 8 5 年山美国人类基因学会( a s h g ) 年会在d n a 片段扩增工作研究中得以描述。该技 术通过选择某一微生物物种的一段特异性基因区域( 即所谓“目标序列”) 进行 体外扩增，然后结合凝胶电泳等技术对扩增产物进行分析，从而确定环境样品中 微生物的种类。该法具有特异性好、灵敏度高、快速简便和可重复性等优点，这